山东大学：《机械制造》课程教学资源（讲义）第三十讲 切削热和切削温度

切削热和切削温度 切屑 刀具 工件 切削热的产生和传导 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

切削热和切削温度 一 切削热的产生和传导 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 刀具几何参数的影响 切削温度θ随前角Y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K减小时,使切削宽度a增大,切削厚度a 减小,故切削温度下降。负倒棱b1在(02)范围内变化,刀尖圆 弧半径r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

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 ap 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 γo 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 Κr减小时，使切削宽度 aw 增大，切削厚度 ac 减小，故切削温度下降。负倒棱 bγ1 在(0-2)f 范围内变化，刀尖圆 弧半径 re 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。 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。 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 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 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

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

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 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。 对工件尺寸精度的影响 利用切削温度自动控制切削速度或进给量 利用切削温度与切削力控制刀具磨损

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