第5章-切削热和切削温度

第五章切削热和切削温度一、切削热来源工件切屑刀具图切削热的来源与传出★主要来源QA=QD+QFF+QFR★切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量第一节切削热的产生与传出三个发热区与三个变形区相对应：剪切面切屑与前刀面接触区后刀面与过渡表面接触区Q=Pm＝Fzν切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去切削热传出切削中所消耗的能量几乎全部转换为热量。三个变形区就是三个发热区，即切削热来自工件材料的弹、塑性变形和前、后刀面的摩擦。当产生的热和传出的热相等，即达动态热平衡时有：mwtcrsqqqqqq式中:qs—工件材料的弹、塑性变形所产生的热量；qr—切屑与前刀面、加工表面和后刀面的摩擦所产生的热量；qc—切屑带走的热量；qt—刀具传出的热量；qw—工件传出的热量；qm-辐射及周围介质(如空气、切削液等)带走的热量。据实验得出：车削时，热的传出大致为：切屑占50%～86%，刀具占40%～10%，工件占9%～3%，周围介质占1%。具体值与工件、刀具材料的导热系数、切削用量、刀具几何参数等有关。尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，而不是切削热。切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。测量方法有：第三节切削温度的测量切削温度：前刀面与切屑接触区域的平均温度。影响切削温度的主要因素：工件材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等*切削用量的影响（切削速度、进给量、切削深度）*刀具几何参数的影响（前角、主偏角、负倒棱及刀尖圆弧半径）*工件材料的影响（硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率）*刀具磨损的影响*切削液的影响（热导率、比热容、流量）第四节影响切削温度的主要因素一、切削用量实验得出的切削温度的经验公式为xpyzcafvC式中:θ:实验测出的切屑接触区的平均温度(℃)；Cθ:切削温度系数；zθ、yθ、xθ:切削速度、进给量、背吃刀量的指数。vc、f、ap增大时，变形和摩擦加剧，切削功耗增大，切削温度升高。但程度不一，vc最为显著，f次之，ap最小。这是因为：vc增加，增大，变形小，切削力略下降;单位时间内金属切削量成比例增加。f增加，切削厚度ac增大，变形减小，压力中心较远离刀尖，散热条件有所改善；ap增加，参加工作的刀刃长度按比例增大，散热条件同时得到改善。由此可见，在金属切除率相同的条件下，为降低切削温度，防止刀具迅速磨损，提高刀具耐用度，增加ap或f远比增加vc更为有利。实验测得vc、f、ap对切削温度的影响如图：二、刀具几何参数的影响1.前角o对切削温度的影响前角增大，使切削力下降，切屑的变形减轻小，使产生的切削热减少，从而降低了切削温度。事实上，切削温度的高低不仅取决于工艺系统产生热量的多少，还受工艺系统散热条件的影响。前角大于18°~20°后，对切削温度的影响减小，因为楔角变小而使散热体积减小。2.主偏角Kr对切削温度的影响主偏角Kr减小时，使切削宽度增大，切削厚度减小（切削变形和摩擦变大），同时，切削宽度增大后，散热条件改善，又有利于降低切削温度。因此，当工艺系统刚性足够时，采用小的主偏角切削，是降低切削温度、提高刀具的耐用度的一个重要措施，尤其是切削难加工材料时效果更显著。3.负倒棱br1、刀尖圆弧半径rε它们既使变形增大，同时又改善散热条件，因此对温度的影响不大。3、工件材料的影响主要通过本身的强度、硬度、导热系数等对切削温度产生影响。工件的材料、速度对切削温度的影响（）。强度、硬度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。如低碳钢，强度、硬度较低，变形小，产生的热量少，且导热系数大，热量传出快，所以切削温度很低；40Cr硬度接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，切削温度高；切削脆性材料时，塑性变形小，形成崩碎切屑，摩擦小，切削温度低。如图4、刀具磨损的影响主后刀面磨损后，产生后角为零的窄边，使切削刃的切削作用降低，推挤力和摩擦力增大，功耗增加，产生的热量增多，故使切削温度上升。刀具磨损量增大，切削温度增高；5、切削液的影响利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热容、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。如果用乳化液代替油类切削液，加工生产率可提高50％一100％。刀具几何参数的影响前角o↑→切削温度↓主偏角r↓→切削温度↓负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小工件材料的影响工件材料机械性能↑-→切削温度↑工件材料导热性↑-→切削温度↓刀具磨损的影响切削液的影响后刀面磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大。切削速度越高，影响越显著。使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切削温度，提高刀具寿命。由上可知：为探讨刀具的磨损部位、工件材料性能的变化情况、已加工表面层材质变化等，应进一步研究工件、切屑和刀具上各点的温度分布，即温度场。温度场可用人工热电偶法或其它方法（如红外线胶片法）测出。图5－21和图5－22所示分别是切削钢料时主剖面内切屑、工件、刀具的温度场和车削不同工件材料时，主剖面内前、后刀面的温度场。第五节切削温度的分布TJUniversity切削温度分布★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖处温度最高。★切削脆性材料——后刀面靠近刀尖处温度最高。750℃刀具图5-21二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C图5-22切削不同材料时的温度场通过温度场分析得知：(1）剪切面上各点温度几乎相等。可见剪切面上的应力应变基本上是相等的；该处的温度是变形功所造成，在变形后才升高的。(2）前、后刀面的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定的距离处。所以形成这样的分布，是由于前刀面靠近刀刃的部分，因内摩擦所造成的摩擦热沿刀面不断增加，而在后边一段，内摩擦转化为外摩擦，摩擦热逐渐减少，热量又在不断传出，所以温度逐渐下降。(3）在切屑厚度方向上切削温度梯度很大，靠近前刀面的一层(即底层)上温度很高，而离前刀面0.1～0.2mm处，温度就可能下降一半，这说明前刀面上的摩擦热集中在切屑的底层。因此摩擦热对切屑底层金属的剪切强度及其与前刀面的摩擦系数有很大的影响，而切屑上层金属强度则不会有显著的改变。(4）在剪切区中，垂直剪切面方向上的温度梯度也很大，这是因为当切削速度增高时，热量来不及传出所致。(5）后刀面与工件的接触长度较小，温度的升、降是在极短时间内完成的，因此加工表面受到的只是一次热冲击。(6）工件材料塑性愈大，前刀面上的接触长度愈大，切削温度的分布也就愈均匀；反之工件材料的脆性愈大，则最高温度所在的点离刀刃愈近。(7）工件材料的导热系数愈小，刀具前、后刀面的温度愈高，这是一些高温合金和钛合金切削加工性差的主要原因之一。切削温度的分布•刀具前刀面温度较高•其次是切屑底层•工件表面温度最低•各点处温度不等•最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处1、对工件材料和切削力的影响：第六节切削温度对工件、刀具和切削过程的影响主要指的是对刀具、工件及切削时产生的各种物理现象的影响：切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。对工件材料：切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大；切削温度对剪切区域的应力影响不很明显。对切削力：工件材料预热至500-800℃后进行切削时，切削力下降很多。但在高速切削时，切削温度经常达到500-800℃，但切削力下降却不多。这也间接证明，切削温度对剪切区域内工件材料强度影响不大。目前加热切削是切削难加工材料的一种较好的方法。2.对刀具材料的影响适当提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。各类刀具材料在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削温度范围。在最佳切削温度范围内，刀具的寿命最高，工件材料的切削加工性和符合要求。3.对工件尺寸精度的影响车削外圆时，工件本身受热膨胀，直径发生变化切削后冷却至室温，就可能不符要求的加工精度。刀杆受热膨胀，实际背吃刀量增加使直径减小。工件受热变长，但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯曲，车削后工件中部直径变化。在精加工和超精加上时，切削温度对加上精度的影响特别突出，所以必须注意降低切削温度4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量各种刀具材料切削不同的工件材料时都有一个最佳切削温度范围。因此，可利用切削温度来控制机床的转速或进给量，保持切削温度在最佳范围内，以提高生产率及工件表面质量。5.利用切削温度与切削力控制刀具磨损运用刀具－工件热电偶，能较显著的指出刀具磨损的发生，跟踪切削过程中的切削力以及切削分力之间比例的变化，也可反映切屑碎断、积屑瘤变化或刀具的磨损情况。切削力和切削温度这两个参数可以互相补充，以用于分析切削过程的状态变化。