切削热和切削温度

2006-04-22 18:33:25

一 切削热的产生和传导

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被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。

二 切削温度的测量

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，切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。

三 影响切削温度的主要因素

根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。

1. 切削用量的影响
   
   分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。而背吃力量a_p变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。
   
2. 刀具几何参数的影响
   
   切削温度θ随前角γ_o的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于18°～20°后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。主偏角Κ_r减小时，使切削宽度a_w增大，切削厚度a_c减小，故切削温度下降。负倒棱b_γ1在(0-2)f范围内变化，刀尖圆弧半径r_e在0-1.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。
   
3. 刀具磨损的影响
   
   在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。
   
4. 切削液的影响
   
   切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、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。

四 切削温度的分布

1. 剪切面上各点温度几乎相同。
   
2. 前刀面和后刀面上的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定距离的地方。
   
3. 在剪切区域中，垂直剪切面方向上的温度梯度很大。
   
4. 在切屑靠近前刀面的一层(简称底层)上温度梯度很大，离前刀面0.1-0.2mm，温度就可能下降一半。
   
5. 后刀面的接触长度较小，因此温度的升降是在极短时间内完成的。
   
6. 工件材料塑性越大，则前刀面上的接触长度愈大，切削温度的分布也就较均匀些；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低，则刀具的前、后刀面的温度愈高。

五 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响

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。

1. 切削温度对工件材料强度和切削力的影响
   
   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；剪切区域的应力影响不很明显。
   
2. 对刀具材料的影响
   
   适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。
   
3. 对工件尺寸精度的影响
   
4. 利用切削温度自动控制切削速度或进给量
   
5. 利用切削温度与切削力控制刀具磨损