切削熱與切削溫度課件

第五章切削熱與切削溫度

用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱。切削熱也是切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對切削過程影響有多方面影響。切削熱傳散到工件上，會引起工件的熱變形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會惡化已加工表面質(zhì)量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損和破損的重要原因。切削熱還通過使刀具磨損對切削加工生產(chǎn)率和成本發(fā)生影響。切削熱對切削加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本都有直接、間接的影響，研究和掌握切削熱產(chǎn)生和變化的一般規(guī)律，把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內(nèi)，對切削加工生產(chǎn)是有重要意義的。第五章切削熱與切削溫度用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱15.1切削熱的產(chǎn)生與傳出切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產(chǎn)生的熱及切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦。切削熱產(chǎn)生于三個變形區(qū)，切削過程中三個變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生切削熱的根本原因是，切削過程中變形與摩擦所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。5.1切削熱的產(chǎn)生與傳出2假定主運動所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱：

Pc=Fcνc

Pc—每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的切削熱

Fc—主切削力

νc—切削速度切削熱由切屑、工件、刀具及周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去。影響散熱主要因素：⑴工件材料的導(dǎo)熱性能工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由切屑和工件散出的熱就多，切削區(qū)溫度就較低，刀具壽命提高；但工件溫升快，易引起工件熱變形。⑵刀具材料的導(dǎo)熱性能刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱易從刀具散出，降低了切削區(qū)溫度，有利于刀具壽命的提高。⑶周圍介質(zhì)采用冷卻性能好的切削液及采用高效冷卻方式能傳導(dǎo)出較多的切削熱，切削區(qū)溫度就較低。⑷切屑與刀具的接觸時間外圓車削時，切屑形成后迅速脫離車刀而落入機床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對較少；鉆削或其它半封閉式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，傳導(dǎo)給刀具的熱相對較多。假定主運動所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時間內(nèi)產(chǎn)35.2切削溫度及其測量方法切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的平均溫度。測量切削溫度有多種方法。目前應(yīng)用較廣的是熱電偶法：把兩種化學(xué)成分不同的導(dǎo)體的一端連接在一起，使它們的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當(dāng)連在一起的一端受熱時（稱為熱端）在冷熱端之間就會產(chǎn)生一定的電動勢，稱為電勢，把毫伏表或電位差計接在兩導(dǎo)體冷端之間便可測量出熱電勢的值。實驗研究表明，熱電勢值的大小取決于兩種導(dǎo)體材料的化學(xué)成分及冷熱端之間的溫度差。當(dāng)組成熱電偶的兩種材料一定時，經(jīng)過標(biāo)定可得到熱電勢的值與冷熱端溫度差之間的關(guān)系。5.2切削溫度及其測量方法切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的45.2.1自然熱電偶法自然熱電偶法是以刀具和工件作為熱電偶的兩極，組成熱電回路測量切削溫度方法。切削時，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱端，處于室溫狀態(tài)的刀具、工件的另一端則成為冷端，用導(dǎo)線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計上，即可將切削時產(chǎn)生的熱電勢值測量出來。自然熱電偶法測切削溫度時，須事先對刀具和工件兩種材料組成的熱電偶進行標(biāo)定，求得熱端溫度與毫伏表讀數(shù)值之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，這樣在測量實際切削時的切削溫度時，便可根據(jù)毫伏表上的讀數(shù)從標(biāo)定的曲線上查出其對應(yīng)的溫度值。5.2.1自然熱電偶法55.2.2人工熱電偶法在研究工件、刀具、刀屑上各點溫度分布規(guī)律時，往往需要了解切削區(qū)內(nèi)各點的切削溫度。為此，可采用人工熱電偶法進行測量。人工熱電偶法是利用事先標(biāo)定的兩種不同材料的金屬絲組成的熱電偶來測量工件、刀具上某些點的溫度。測量時，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測點上，冷端用導(dǎo)線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的人工熱電偶已事先經(jīng)過標(biāo)定，所以在實際測溫時，根據(jù)毫伏表中的數(shù)值便可從標(biāo)定曲線上查得其對應(yīng)的溫度值，即工件或刀具上被測點的溫度值。改變測量小孔的位置并利用傳熱學(xué)原理進行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的情況。5.2.2人工熱電偶法6前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（該處稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時，切屑在沿前刀面流出過程中，摩擦熱逐漸增加積累，至切屑底層和前刀面接觸處，達到最大值（切屑底層的溫度梯度最大）之后摩擦逐漸減小，加工散熱條件改善，切削溫度又逐漸降低。前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（該處稱為溫度75.3影響切削溫度的因素5.3.1切削用量對切削溫度的影響1.切削速度提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因為切屑沿前刀面流出時，由切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱，由于切削速度很高，在很短的時間內(nèi)切屑底層的熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，而大量積聚在切屑底層，使切削溫度顯著升高。另外，伴隨著切削速度的提高，單位時間內(nèi)的金屬切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削熱也會增大，故使切削溫度上升。切削溫度與切削速度之間的經(jīng)驗關(guān)系式為Cθv─與切削條件有關(guān)的系數(shù)；

x─反映vc對θ的影響程度的指數(shù)。一般，x=0.26～0.415.3影響切削溫度的因素5.3.1切削用量對切削溫度的影響82.進給量進給量增大，單位時間內(nèi)的金屬切除量增多，切削熱增多，切削溫度上升。但切削溫度隨進給量增大而升高的幅度不如切削速度那么顯著。因為單位切削力和單位切削功率隨f增大而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量減少了；同時f增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，故切削區(qū)的溫度上升不甚顯著。切削溫度與進給量之間的經(jīng)驗關(guān)系式為式中Cθf─與切削條件有關(guān)的系數(shù)0.14是反映f對θ的影響程度的指數(shù)。2.進給量93.背吃刀量背吃刀量對切削溫度的影響很小。因為ap增大以后，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長度增加，散熱條件得到改善，故切削溫度升高并不明顯。切削溫度與背吃刀量之間的經(jīng)驗關(guān)系式為

式中Cθap─與切削條件有關(guān)的系數(shù)；0.04是反映ap

對θ的影響程度的指數(shù)。因切削溫度對刀具磨損和壽命影響很大，由以上分析可知，為有效控制切削溫度以提高刀具壽命，選用大的背吃刀量或進給量，比選用大的切削速度有利。3.背吃刀量105.3.2刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響1.前角γo

前角的大小直接影響切削過程中的變形和摩擦，對切削溫度有明顯影響。前角大，切削溫度低；前角小，切削溫度高。當(dāng)前角達18o～20o后，對切削溫度影響減小，這是因為楔角變小使散熱體積減小的緣故。

5.3.2刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響112.主偏角主偏角加大后，切削刃的工作長度縮短，切削熱相對地集中；但刀尖角減小，使散熱條件變差，切削溫度將上升。2.主偏角125.3.3工件材料工件材料的強度、硬度、塑性及熱導(dǎo)率對切削溫度有較大的影響。工件強度、硬度高，切削時的切削力大，消耗功率大，產(chǎn)生的切削熱多，故切削溫度高。工件的導(dǎo)熱系數(shù)對切削溫度也有很大的影響，不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的強度、硬度雖然低于45鋼，但它的導(dǎo)熱系數(shù)小于45鋼（約為45鋼的1/3）切削溫度比45鋼高40%。切削脆性金屬材料時，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，與前刀面的摩擦小，故產(chǎn)生的切削熱少，切削實驗結(jié)果表明，切灰鑄鐵HT200時的切削溫度比切45鋼大約低25%。5.3.3工件材料135.3.4其他因素的影響1.刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損后切削刃變鈍，使金屬變形增大；同時刀具后刀面與工件的摩擦加劇。所以刀具磨損后切削溫度上升。后刀面上的磨損量愈大時，切削溫度的上升愈為迅速。2.切削液對切削溫度的影響切削液對切削溫度影響顯著，合理選用切削液，可以改善刀具與切屑和刀具與工件界面的摩擦情況，改善散熱條件，降低切削溫度。5.3.4其他因素的影響14第五章切削熱與切削溫度

用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱。切削熱也是切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對切削過程影響有多方面影響。切削熱傳散到工件上，會引起工件的熱變形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會惡化已加工表面質(zhì)量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損和破損的重要原因。切削熱還通過使刀具磨損對切削加工生產(chǎn)率和成本發(fā)生影響。切削熱對切削加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本都有直接、間接的影響，研究和掌握切削熱產(chǎn)生和變化的一般規(guī)律，把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內(nèi)，對切削加工生產(chǎn)是有重要意義的。第五章切削熱與切削溫度用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱155.1切削熱的產(chǎn)生與傳出切削熱來源于切削層金屬發(fā)生彈性、塑性變形所產(chǎn)生的熱及切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦。切削熱產(chǎn)生于三個變形區(qū)，切削過程中三個變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生切削熱的根本原因是，切削過程中變形與摩擦所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。5.1切削熱的產(chǎn)生與傳出16假定主運動所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱：

Pc=Fcνc

Pc—每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的切削熱

Fc—主切削力

νc—切削速度切削熱由切屑、工件、刀具及周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去。影響散熱主要因素：⑴工件材料的導(dǎo)熱性能工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由切屑和工件散出的熱就多，切削區(qū)溫度就較低，刀具壽命提高；但工件溫升快，易引起工件熱變形。⑵刀具材料的導(dǎo)熱性能刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削熱易從刀具散出，降低了切削區(qū)溫度，有利于刀具壽命的提高。⑶周圍介質(zhì)采用冷卻性能好的切削液及采用高效冷卻方式能傳導(dǎo)出較多的切削熱，切削區(qū)溫度就較低。⑷切屑與刀具的接觸時間外圓車削時，切屑形成后迅速脫離車刀而落入機床的容屑盤中，切屑傳給刀具的熱量相對較少；鉆削或其它半封閉式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，傳導(dǎo)給刀具的熱相對較多。假定主運動所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，則單位時間內(nèi)產(chǎn)175.2切削溫度及其測量方法切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的平均溫度。測量切削溫度有多種方法。目前應(yīng)用較廣的是熱電偶法：把兩種化學(xué)成分不同的導(dǎo)體的一端連接在一起，使它們的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當(dāng)連在一起的一端受熱時（稱為熱端）在冷熱端之間就會產(chǎn)生一定的電動勢，稱為電勢，把毫伏表或電位差計接在兩導(dǎo)體冷端之間便可測量出熱電勢的值。實驗研究表明，熱電勢值的大小取決于兩種導(dǎo)體材料的化學(xué)成分及冷熱端之間的溫度差。當(dāng)組成熱電偶的兩種材料一定時，經(jīng)過標(biāo)定可得到熱電勢的值與冷熱端溫度差之間的關(guān)系。5.2切削溫度及其測量方法切削溫度指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的185.2.1自然熱電偶法自然熱電偶法是以刀具和工件作為熱電偶的兩極，組成熱電回路測量切削溫度方法。切削時，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱端，處于室溫狀態(tài)的刀具、工件的另一端則成為冷端，用導(dǎo)線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計上，即可將切削時產(chǎn)生的熱電勢值測量出來。自然熱電偶法測切削溫度時，須事先對刀具和工件兩種材料組成的熱電偶進行標(biāo)定，求得熱端溫度與毫伏表讀數(shù)值之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，這樣在測量實際切削時的切削溫度時，便可根據(jù)毫伏表上的讀數(shù)從標(biāo)定的曲線上查出其對應(yīng)的溫度值。5.2.1自然熱電偶法195.2.2人工熱電偶法在研究工件、刀具、刀屑上各點溫度分布規(guī)律時，往往需要了解切削區(qū)內(nèi)各點的切削溫度。為此，可采用人工熱電偶法進行測量。人工熱電偶法是利用事先標(biāo)定的兩種不同材料的金屬絲組成的熱電偶來測量工件、刀具上某些點的溫度。測量時，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測點上，冷端用導(dǎo)線串接在毫伏表上，由于兩金屬絲組成的人工熱電偶已事先經(jīng)過標(biāo)定，所以在實際測溫時，根據(jù)毫伏表中的數(shù)值便可從標(biāo)定曲線上查得其對應(yīng)的溫度值，即工件或刀具上被測點的溫度值。改變測量小孔的位置并利用傳熱學(xué)原理進行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的情況。5.2.2人工熱電偶法20前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（該處稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時，切屑在沿前刀面流出過程中，摩擦熱逐漸增加積累，至切屑底層和前刀面接觸處，達到最大值（切屑底層的溫度梯度最大）之后摩擦逐漸減小，加工散熱條件改善，切削溫度又逐漸降低。前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處（該處稱為溫度215.3影響切削溫度的因素5.3.1切削用量對切削溫度的影響1.切削速度提高切削速度，切削溫度將顯著上升。因為切屑沿前刀面流出時，由切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱，由于切削速度很高，在很短的時間內(nèi)切屑底層的熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，而大量積聚在切屑底層，使切削溫度顯著升高。另外，伴隨著切削速度的提高，單位時間內(nèi)的金屬切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削熱也會增大，故使切削溫度上升。切削溫度與切削速度之間的經(jīng)驗關(guān)系式為Cθv─與切削條件有關(guān)的系數(shù)；

x─反映vc對θ的影響程度的指數(shù)。一般，x=0.26～0.415.3影響切削溫度的因素5.3.1切削用量對切削溫度的影響222.進給量進給量增大，單位時間內(nèi)的金屬切除量增多，切削熱增多，切削溫度上升。但切削溫度隨進給量增大而升高的幅度不如切削速度那么顯著。因為單位切削力和單位切削功率隨f增大而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量減少了；同時f增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，故切削區(qū)的溫度上升不甚顯著。切削溫度與進給量之間的經(jīng)驗關(guān)系式為式中Cθf─與切削條件有關(guān)的系數(shù)0.14是反映f對θ的影響程度的指數(shù)。2.進給量233.背吃刀量背吃刀量對切削溫度的影響很小。因為ap增大以后，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖成正比例增加，但切削刃參加工作長度增加，散熱條件得到改善，故切削溫度升高并不明顯。切削溫度與背吃刀量之間的經(jīng)驗關(guān)系式為

式中Cθap─與切削條件有關(guān)的系數(shù)；0.04是反映ap

對θ的影響程度的指數(shù)。因切削溫度對刀具磨損和壽命影響很大，由以上分析可知，為有效控制切削溫度以提高刀具壽命，選用大的背吃刀量或進給量，比選用大的切削速度有利。3.背吃刀量24