第5章 切削热和切削温度.ppt

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1、第五章第五章 切削热和切削温度切削热和切削温度一、切削热来源一、切削热来源一、切削热来源一、切削热来源工件工件切屑切屑刀具刀具图图 切削热的来源与传出切削热的来源与传出 主要来源主要来源 Q QA A=Q=QD D+Q+QFFFF+Q+QFR FR 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热式式中中，Q QD D ,Q QFF FF,Q QFRFR分分别别为为切切削削层层变变形形、前前刀刀面面摩摩擦擦、后后刀刀面摩擦产生的热量面摩擦产生的热量第一节第一节 切削热的产生与传出切削热的产生与传出三个发热区与三个变形区相对应：三个发热区与三个变形

2、区相对应：剪切面剪切面切屑与前刀面接触区切屑与前刀面接触区后刀面与过渡表面接触区后刀面与过渡表面接触区 Q=PQ=Pm mF Fz z切切削削热热由由切切屑屑、工工件件、刀刀具具和和周周围围介介质质（切切削削液液、空气空气)等传散出去等传散出去切削热传出切削热传出切削热传出切削热传出 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、是三个发热区，即切削热来自工件材料的弹、塑性变形和前、塑性变形和前、后刀面的摩擦。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：当产生的热和传出的热相等，即达动

3、态热平衡时有：式中式中:q qs s工件材料的弹、塑性变形所产生的热量；工件材料的弹、塑性变形所产生的热量；q qr r切切屑屑与与前前刀刀面面、加加工工表表面面和和后后刀刀面面的的摩摩擦擦所所产产生生的的热热量量；q qc c切屑带走的热量；切屑带走的热量；q qt t刀具传出的热量；刀具传出的热量；q qw w工件传出的热量；工件传出的热量；q qm m-辐射及周围介质辐射及周围介质(如空气、切削液等如空气、切削液等)带走的热量。带走的热量。据实验得出：车削时，热的传出大致为：据实验得出：车削时，热的传出大致为：切屑占切屑占50%50%86%86%，刀具占，刀具占40%40%10%10%，

4、工件占，工件占9%9%3%3%，周围介质占周围介质占1%1%。具体值与工件、刀具材料的导热系数、切削用量、刀具体值与工件、刀具材料的导热系数、切削用量、刀具几何参数等有关。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：与切屑接触区域的平均温度。测量方法有：第三节第三节 切削温度的测量切削温度的测量切削温度：切削温度：前刀面与切屑接触区域的平均温度。前刀面与切屑接触区域的平均温度。影响切削

5、温度的主要因素：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、工件材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等冷却条件等*切削用量的影响切削用量的影响（切削速度、进给量、切削深度切削速度、进给量、切削深度）*刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响（前角、主偏角、负倒棱及刀尖圆弧半前角、主偏角、负倒棱及刀尖圆弧半径径）*工件材料的影响工件材料的影响（硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率（硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率）*刀具磨损的影响刀具磨损的影响*切削液的影响切削液的影响（热导率、比热容、流量热导率、比热容、流量）第四节第四节 影响切削温度的主要因素

6、影响切削温度的主要因素一、切削用量一、切削用量实验得出的切削温度的经验公式为实验得出的切削温度的经验公式为 式中式中:实验测出的切屑接触区的平均温度实验测出的切屑接触区的平均温度()()；C C:切切削削温温度度系系数数；z z、y y、x x:切切削削速速度度、进进给给量量、背吃刀量的指数。背吃刀量的指数。v vc c、f f、a ap p增增大大时时，变变形形和和摩摩擦擦加加剧剧，切切削削功功耗耗增增大大，切切削削温温度度升升高高。但但程程度度不不一一，v vc c最最为为显显著著，f f次次之之，a ap p最最小小。这这是是因因为为：v vc c增增加加，增增大大，变变形形小小，切切削

7、削力力略略下下降降;单单位位时时间内金属切削量成比例增加。间内金属切削量成比例增加。f f增增加加，切切削削厚厚度度a ac c增增大大，变变形形减减小小，压压力力中中心心较较远远离离刀刀尖尖，散散热热条条件件有有所所改改善善；a ap p增增加加，参参加加工工作作的的刀刀刃刃长长度度按按比比例增大，散热条件同时得到改善。例增大，散热条件同时得到改善。由由此此可可见见，在在金金属属切切除除率率相相同同的的条条件件下下，为为降降低低切切削削温温度度，防防止止刀刀具具迅迅速速磨磨损损，提提高高刀刀具具耐耐用用度度，增增加加a ap p或或f f远远比比增加增加v vc c更为有利。更为有利。实验测

8、得实验测得v vc c、f f、a ap p对切削温度的影响如图：对切削温度的影响如图：二、刀具几何参数的影响二、刀具几何参数的影响1.1.前角前角 o o对切削温度的影响对切削温度的影响前角增大，使切削力下降，前角增大，使切削力下降，切屑的变形减轻切屑的变形减轻小小，使产生的切，使产生的切削热减少，从而降低削热减少，从而降低了切削了切削温度。温度。事实上，切削温度的高低不仅取事实上，切削温度的高低不仅取决于工艺系统产生热量的多少，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。还受工艺系统散热条件的影响。前角大于前角大于1820后，对切削温后，对切削温度的影响减小，因为楔角变小而度的

9、影响减小，因为楔角变小而使散热体积减小。使散热体积减小。2.2.主偏角主偏角KrKr对切削温度的影响对切削温度的影响 主偏角主偏角KrKr减小时，使切削宽度减小时，使切削宽度增大，切削厚度减小（切削变形和增大，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，尤其是切削难加的一个重要措施，尤其是切削难加工材料

10、时效果更显著工材料时效果更显著。3.3.负倒棱负倒棱b br1r1、刀尖圆弧半径、刀尖圆弧半径r r 它们既使变形增大，同时又改它们既使变形增大，同时又改善散热条件，因此对温度的影响不善散热条件，因此对温度的影响不大。大。3 3、工件材料的影响、工件材料的影响主主要要通通过过本本身身的的强强度度、硬硬度度、导导热热系系数数等等对对切切削削温温度度产产生影响。工件的材料、速度对切削温度的影响（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。强度、硬度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。如如低低碳碳钢钢，强强度度、硬硬度度较较低低，变变形形小小，

11、产产生生的的热热量量少少，且且导导热热系系数数大大，热热量量传传出出快快，所所以以切切削削温温度度很很低低；40Cr40Cr硬硬度度接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，切削温度高；接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，切削温度高；切切削削脆脆性性材材料料时时，塑塑性性变变形形小小，形形成成崩崩碎碎切切屑屑，摩摩擦擦小小，切削温度低。切削温度低。如图如图4 4、刀具磨损的影响、刀具磨损的影响主主后后刀刀面面磨磨损损后后，产产生生后后角角为为零零的的窄窄边边，使使切切削削刃刃的的切切削削作作用用降降低低，推推挤挤力力和和摩摩擦擦力力增增大大，功功耗耗增增加加，产产生生的的热热量量增增多多，故故使使切

12、切削削温温度度上上升升。刀刀具具磨磨损损量量增增大大，切切削削温温度增高；度增高；5、切削液的影响、切削液的影响利利用用切切削削液液的的润润滑滑功功能能降降低低摩摩擦擦系系数数，减减少少切切削削热热的的产产生生，也也可可利利用用它它的的冷冷却却功功用用吸吸收收大大量量的的切切削削热热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。切切削削液液对对切切削削温温度度的的影影响响，与与切切削削液液的的导导热热性性能能、比比热热容容、流流量量、浇浇注注方方式式以以及及本本身身的的温温度度有有很很大大的的关关系系。从从导导热热性性能能来来看看，油油类类切切削削液液不不如

13、如乳乳化化液液，乳乳化化液液不不如如水水基基切切削削液液。如如果果用用乳乳化化液液代代替替油油类类切切削削液液，加工生产率可提高加工生产率可提高5050一一100100。q 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 前角前角 o o 切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r 切削温度切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小 q 工件材料的影响工件材料的影响 工件材料机械性能工件材料机械性能工件材料机械性能工件材料机械性能-切削温度切削温度切削温度切削温度工件材料工件材料工件材料工件材料导热性导热性导热性导热性 -切削温度切削温度切削温度切削温度q 刀具磨

14、损的影响刀具磨损的影响 q 切削液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。后刀面磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大。后刀面磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大。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。切削速度越高，影响越显著。切削速度越高，影响越显著。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，可以明显降低切使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切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，提高刀具寿命削温度，提高刀具寿命削

15、温度，提高刀具寿命削温度，提高刀具寿命。由上可知：由上可知：为为探探讨讨刀刀具具的的磨磨损损部部位位、工工件件材材料料性性能能的的变变化化情情况况、已已加加工工表表面面层层材材质质变变化化等等，应应进进一一步步研研究究工工件件、切切屑屑和和刀刀具具上上各各点点的温度分布，即温度场的温度分布，即温度场。温温度度场场可可用用人人工工热热电电偶偶法法或或其其它它方方法法（如如红红外外线线胶胶片片法法）测测出出。图图5 52121和和图图5 52222所所示示分分别别是是切切削削钢钢料料时时主主剖剖面面内内切切屑屑、工工件件、刀刀具具的的温温度度场场和和车车削削不不同同工工件件材材料料时时，主主剖剖面

16、面内内前前、后后刀面的温度场。刀面的温度场。第五节第五节 切削温度的分布切削温度的分布TJUniversity切削温度分布切削温度分布切削温度分布切削温度分布 切削塑性材料切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处前刀面靠近刀尖处温度最高。温度最高。切削脆性材料切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处后刀面靠近刀尖处温度最高。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611C图图5-22切削不同材料时的温度场切削不同材料时的温度场通过温度场分析得知：通过温度场分析得知：(1(1）剪剪切切

17、面面上上各各点点温温度度几几乎乎相相等等。可可见见剪剪切切面面上上的的应应力力应应变变基基本本上上是是相相等等的的；该该处处的的温温度度是是变变形形功功所所造造成成，在在变变形形后后才升高的。才升高的。(2(2）前前、后后刀刀面面的的最最高高温温度度都都不不在在刀刀刃刃上上，而而是是在在离离刀刀刃刃有有一一定定的的距距离离处处。所所以以形形成成这这样样的的分分布布，是是由由于于前前刀刀面面靠靠近近刀刀刃刃的的部部分分，因因内内摩摩擦擦所所造造成成的的摩摩擦擦热热沿沿刀刀面面不不断断增增加加，而而在在后后边边一一段段，内内摩摩擦擦转转化化为为外外摩摩擦擦，摩摩擦擦热热逐逐渐渐减减少少，热热量量又

18、又在在不断传出，所以温度逐渐下降不断传出，所以温度逐渐下降。(3(3）在在切切屑屑厚厚度度方方向向上上切切削削温温度度梯梯度度很很大大，靠靠近近前前刀刀面面的的一一层层(即即底底层层)上上温温度度很很高高，而而离离前前刀刀面面0.10.10.2 0.2 mmmm处处，温温度度就就可可能能下下降降一一半半，这这说说明明前前刀刀面面上上的的摩摩擦擦热热集集中中在在切切屑屑的的底底层层。因因此此摩摩擦擦热热对对切切屑屑底底层层金金属属的的剪剪切切强强度度及及其其与与前前刀刀面面的的摩摩擦擦系系数数有有很很大大的的影影响响，而而切切屑屑上上层层金金属属强强度度则则不不会会有有显显著著的的改变。改变。(

19、4(4）在在剪剪切切区区中中，垂垂直直剪剪切切面面方方向向上上的的温温度度梯梯度度也也很很大大，这是因为当切削速度增高时，热这是因为当切削速度增高时，热量来不及传出所致。量来不及传出所致。(5(5）后后刀刀面面与与工工件件的的接接触触长长度度较较小小，温温度度的的升升、降降是是在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。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(6）工工件件材材料料塑塑性性愈愈大大，前前刀刀面面上上的的接接触触长长度度愈愈大大，切切削削温温度度的的分分布布也也就就愈愈均均匀匀；反反之之工工件件材材料料的的脆脆性性愈愈大大，则则最最高高温温度所在的点离

20、刀刃愈近。度所在的点离刀刃愈近。(7(7）工工件件材材料料的的导导热热系系数数愈愈小小，刀刀具具前前、后后刀刀面面的的温温度度愈愈高高，这这是是一一些些高高温温合合金金和和钛钛合合金金切切削削加加工工性性差差的的主主要要原原因因之一。之一。切削温度的分布切削温度的分布刀具前刀面温度较高刀具前刀面温度较高其次是切屑底层其次是切屑底层工件表面温度最低工件表面温度最低各点处温度不等各点处温度不等最高温度在前刀面上离切最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处削刃一定距离处1 1、对工件材料和切削力的影响：、对工件材料和切削力的影响：第六节第六节 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度对工件、刀具和切

21、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：的影响：切削温度高是刀具磨切削温度高是刀具磨损损的主要原因，它将限制生的主要原因，它将限制生产产率的提高；切削温度率的提高；切削温度还还会使加工精度降低，使已加工表会使加工精度降低，使已加工表面面产产生残余生残余应应力以及其它缺陷。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。域的应力影响不很明

22、显。对切削力：工件材料预热至对切削力：工件材料预热至500-800后进行切削时，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，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。是切削难加工材料的一种较好的方法。2.2.对刀具材料的影响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。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

23、在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削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。件材料的切削加工性和符合要求。3.3.对工件尺寸精度的影响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。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。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

24、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。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别突出，所以必须注意降低切削温度4.4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量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。件表面质量。5.5.利用切削温度与切削力控制刀具磨损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，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。以用于分析切削过程的状态变化。