金属刀具第五章

图5-1 切削热的产生与传导
切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介 切屑、工件、刀具 切屑 周围的介 质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区 内的切削温度上升。
切削塑性材料时，变形和摩擦都比较大， 所以发热较多。切削速度提高时，因切屑的 变形减小，所以塑性变形产生的热量百分比 降低，而摩擦产生热量的百分比增高。 切削脆性材料时，后刀面上摩擦产生的 热量在切削热中所占的百分比增大。
不同的切削加工方法，切削热沿不通传导途 径传递出去的比例也各不相同，见下表3.8。切削 速度越高，切削厚度越大，有切屑带走的热量也 越多。 不同加工方法切削热传导比例
传导途径 切屑 工件 刀具 周围介质 干车削 50％～86％ ％～86％ ％～86 9％～3％ ％～3 ％～ 40％～10％ ％～10％ ％～10 1％ ％ 钻削 28％ ％ 52％ ％ 15％ ％ 5％ ％
• 切削温度的测量方法很多，大致可分为热电偶 法、辐射温度计法以及其它测量方法。目前应 用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。
切削温度的测定方法
1.自然热电偶法 自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学 成份的不同而构成热电偶，将刀具和工件作为热电 偶的两极，并分别连接测量仪表，组成热电回路测 量切削温度的方法。刀具切削工件的切削区域产生 高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热 端之间热电势由仪表（毫伏计）测定。切削温度越 高，测得热电势越大，它们之间得对应关系可利用 专用装置经标定得到。
用硬质合金车刀车削抗拉强度为0．637GPa的 结构钢时，将切削力Fz的表达式代人后，得:
Pm = Fz v = C Fz a p f 0.75v −0.15 K Fz v = C Fz a p f 0.75v 0.85 K Fz
由上式可知，切削用量中，ap增加一倍，Pm相 应地成比例增加一倍，因而切削热液增大一倍； 切削速度v的影响次之，进给量f影响最小。其 他因素对切削热的影响和他们对切削力的影响 完全相同。
由于后刀面上的摩擦通常远远小于前刀面上 的摩擦，同时进给运动所作的功也远远小于 主运动所作的功。因此，为了简化问题便于 分析，我们忽略后刀面上的摩擦功和进给运 动所作的功，并假定主运动所作的功全部转 化成了热量，则可以得到单位时间内产生的 切削热的公式：
Pm = Fz v
式中：Pm——每秒钟产生的切削热，J/s； Fz——切削力，N； v——切削速度，m/s。
第三节、 第三节、影响切削温度的因素
考虑切削过程中某一因素对切削温度的影响，依 然是从该因素对切削热产生和传散的影响这两个方面 来综合考虑。
1.切削用量 切削用量
通过实验得到切削温度与切削用量的经验公式为： θ＝ CθVc xθf yθap zθ 式中：θ ——实验测出的前刀面接触区平均温度，℃； Cθ ——切削温度系数； vc ——切削速度，m/min； f ——进给量，mm/r； mm/r ap ——背吃刀量，mm； xθ ——切削速度对切削温度的影响指数； yθ ——进给量对切削温度的影响指数； zθ ——背吃刀量对切削温度的影响指数。
2.人工热电偶法 人工热电偶法
人工热电偶法是将两种预先经过标定的金属 丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件 需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在 电位差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热 电偶标定曲线，可测得指定焊接点的温度。
图所示是使用人工 热电偶法测量刀具前刀 面（图a）和工件切削区 （图b）中某点温度的示 意图。 要求把安放热电偶 金属丝的小孔直径做得 越细小越好，因为钻孔 后破坏了温度场，孔愈 大，误差愈大。同时金 属丝应做好绝缘措施。
用自然热电偶法测到的是平均切削温度， 利用这一方法进行测量是简便可靠的。 但更换刀具材料或工件材料时(甚至是同 一牌号的刀具材料和工件材料，但炉号不同， 即杂质含量不同时)，需重新标定温度一输出 电压曲线。一般资料所载的温度一输出电压 曲线只能供参考，必须重新标定，这是自然 热电偶法的不足之处。 另外自然热电偶法不能测出切削区指定 点的温度，为了克服这些缺点，人们使用了 人工热电偶来进行测量。
第二节、 第二节、切削温度的测量
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。 切削温度的测量是切削实验研究中重要的技术， 可以用来研究各种因素对切削温度的影响，也 可以用来检查切削温度理论计算的准确性，还 可以把测得的切削温度作为自适应控制切削过 程的输入信号。
第一节、 第一节、切削热的产生与传导
金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三 个热源(图5-1)。在这三个变形区中，刀具克服金 图 摩擦抗力所 属弹、塑性变形抗力 弹 塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力 摩擦抗力 作的功，绝大部分转化为切削热。 切削热的来源主要有三个方面， （一）切屑与前刀面之间的摩擦所消耗的摩擦 功。 （二）工件与后刀面之间的摩擦所消耗的摩擦 功。 （三）切削层金属在刀具的作用下发生弹性变 形和塑性变形所消耗的变形功。 前两方面是切削热的主要来源。与此相对应， 切削热产生在三个区域，即剪切面、切屑与前刀 面接触区、工件与后刀面接触区。
如图所示，切削加工时，当工件与刀具接触区的温度升高后， 就形成热电偶的热端，而工件的引出端和刀具的尾端保持室 温，形成了热电偶的冷端。这样在刀具和工件的回路中就形 成了温差电动势，利用电位计或毫伏表可以将其数值记录下 来。
再根据事先标定的热 电偶热电势与温度的关系 曲线（标定曲线），便可 以查出刀具与工件接触区 的切削温度值，图所示为 YT15刀具与几种钢料组 成的热电偶的标定曲线。 需要注意的是，测量时应 保持刀具与工件均与机床 绝缘。
切削热的传导
切削热传散出去的途径主要是切屑、工件、刀 具和周围介质（如空气、切削液等），影响热传导的 主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质 的状况。 工件材料的导热系数大时，由切削区传导到切 屑和工件的热量较多。由于切屑不断的脱离刀具和工 件，因此热量传导给切屑不会对切削过程造成不利影 响。而传递到工件的热量会引起工件发生热变形，从 而影响工件的加工精度和表面质量。
2）主偏角κr对切削温 度的影响 主偏角减小时，致使 切削宽度增大，刀尖角增 大，刀具散热条件改善， 有利于降低切削温度。如 图所示，随主偏角的减小塑性变形和摩擦↓→切削温度↓。 但前角不能太大，否则刀具切削部分的楔角过小， 容热、散热体积减小，切削温度反而上升。 主偏角κr↑→切削刃工作接触长度↓，切削宽 度bD↓，散热条件变差，故切削温度↑
0.15
0.05
通过对比表中数据可知xθ＞yθ＞zθ，说明切削用 量三要素对切削温度的影响vc ＞f＞ap ，这与它们 对切削力的影响程度正好相反。因此在控制切削 温度的前提下提高加工效率，应在机床允许的条 件下，选用比较大的背吃刀量ap 和进给量f，这比 选用大的切削速度vc更为有利。
（1）切削速度 c ）切削速度v
刀具材料的导热系数大时，切削区传递给刀具 的热量较多，这会引起刀具温度上升，发生热变形， 影响加工精度，此外还会导致刀具的磨损加剧。 通过使用切削液、采用喷雾冷却法等手段改善 周围介质的条件，可以使更多的切削热通过周围介质 散失掉，这部分热量对切削过程没有不利的影响。
切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度，这是 由于剪切面上的剪切滑移消耗的变形功，以及前刀面 与切屑的相对运动在切屑底层形成的内摩擦所消耗的 摩擦功，这些功转化的热量从切屑里传递出来需要时 间。例如：在高速铣削中，由于切削速度很高，切屑 内的热量还没有来得及大量传递给刀具，就已经被切 除了下来，因此表现为切削速度上升，切削温度反而 下降。又如：进行钻削加工时，切屑形成后仍与刀具 和工件接触，切屑带走的热量再次传递给刀具和工件， 致使切削温度上升。
{ {
θ ↑ ↓
根据实验结果，如图所示，综合上面几方面的影响，可知 切削温度随背吃刀量的增加不成比例的增加，但是增加的幅 度很小，通常zθ＜0.1。
2. 刀具几何参数
1）前角γo对切削温度 的影响 图表明，切削温度随 前角的增大而下降，这是 由于前角增大时，单位切 削力下降，使产生的切削 热减少的缘故。但是前角 大于18°～20°后，对切 削温度的影响减小，这主 要是由于前角增大导致刀 具楔角减小，致使刀具的 散热体积减小造成的。
通过实验得到使用高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时， 切削温度系数Cθ和指数xθ、yθ、zθ，见下表。 切削温度的系数及指数
刀具材 加工方 法 料 车削 高速钢 铣削 钻削 Cθ 140～ ～ 170 80 150 f（mm/r） （mm/r） 硬质合 金 车削 320 0.1 0.2 0.3 0.41 0.31 0.26 0.35～0.45 ～ 0.2～0.3 ～ 0.08～0.1 ～ xθ yθ zθ
3. 工件材料
材料的强度、硬度越高，则切削抗力越 大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区 的切削温度就越高。
1）工件材料的强度、 硬度越高，切削力越大，切削 时消耗的功也越多，产生的切 削热也越多，切削温度也就越 高。 图3.56是切削三种热处理 状态的45钢工件，切削温度的 变化情况。由图中可以看到， 由于45钢在正火 （σb≈0.589GPa，HB≈187）、 调质（σb≈0.736GPa，HB≈229） 和淬火（σb≈1.452GPa， HRC≈44）状态下的强度与硬 度不同，三者的切削温度相差 悬殊。与正火状态相比较，调 质状态的切削温度约增高20 ％～25％，淬火状态的切削温 度约增高40％～45％。
第五章 切削热和切削温度
切削热是切削过程中的重要物理现象之一。 切削时所消耗的能量，除了1％～2％用以形成新表 面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外，有98～99％ 转换为热能。 大量的切削热使得切削温度升高，这将直接导致刀 具和工件的温度升高，从而影响刀具前刀面上的摩 擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨耗以及工 件材料的性能、工件加工精度和已加工表面质量等。 研究切削热和切削温度也是分析工件加工质量和刀 具寿命的重要内容。