第5章 切削热与切削温度

如图5-3为车削时，利用自然热电偶法测量切削温 度的装置示意图。图中，工件和刀具应与机床绝缘。
图5-3 利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图 1—工件； 2—车刀； 3—车床主轴尾部； 4—铜销； 5—钢顶尖； 6—毫伏计


2.人工热电偶法 人工热电偶是两种预先经过标定的金属丝组成的热 电偶。热电偶的热端固定在刀具或工件上预定要测 量温度的位置上，冷端通过导线串接在电位差计、 毫伏表等完成其他显示和记录的仪器上。根据记录 的热电势值．可以在相应的标定曲线上查得测定点 的温度值。如图5-4（a）所示为测量刀具前面某点 的温度示意图。如图5-4（b）所示为测量工件加工 面中某点的温度示意图。




4.刀具磨损和切削液对切削温度的影响 1）刀具磨损对切削温度的影响 刀具磨损后，切削刃变钝，切削作用减小，挤压作用增大， 切削区的变形增加。同时，磨损后的刀具实际工作后角变成 零度，使刀具后面与加工表面间的摩擦加大，使切削温度升 高。 切削速度越高，刀具磨损值对切削温度的影响越显著。切削 合金钢时，由于其强（硬）度比碳素钢高．而导热系数又较 小，因此，合金钢的刀具磨损对切削温度的影响比碳素钢显 著。 2）切削液对切削温度的影响 使用切削液对降低切削温度有明显效果。切削液有两个作用； 一方面可以减小切屑与刀具前面、工件与刀具后面的摩擦； 另一方面可以吸收切削热，两者均使切削温度降低。但切削 液对切削温度的影响，与其导热性能、比热、流量、浇注方 式及本身的温度有关。
第5章 切削热与 切削温度
教学重点 切削热的产生和传出； 影响切削温度的主要因素； 切削温度对切削过程的影响； 教学难点 切削温度的分布； 切削温度的测量方法； 影响切削温度的主要因素； 切削温度对切削过程的影响；

5.1 切削热的产生和传出

5.1.1 切削热的产生 金属切削过程中，金属弹性形 变的能量以应变能形式储存在 变形体中，这部分能量没有消 耗，且所占的比例很小（约占 1％～2％）．可以忽略不计。 金属塑性变形的能量全部转变 为热能而散逸。在金属切削过 程中工件上的三个塑性变形区， 每个塑性变形区都是一个热源。 因此，切削时共有三个热源， 如图5-1所示。
图5-5 用光电传感器测量刀具与切屑接 触面温度分布的示意图

如图5-6所示为用辐射测温法测量工件与刀具侧面温度分布的示意图。 所使用的传感器是热敏电阻传感器。这种测量方法的优点是测定区域的 直径只有0.15 mm，因此，可缩小不同测定点之间的距离，缺点是只能 测量刀具侧面的温度而不能测量垂直切削刃工作部位中间剖面的温度。
（a）测量刀具前面某点的温度示意图 （b）测量工件加工面某点的温度示意图 图5-4 用人工热电偶法测量刀具和工件温度


5.2.2 辐射测温法 辐射测温法是一种非接触 式测量方法。它是利用高 温辐射能量来测量工件表 面温度的。作为测量用的 传感器有光电传感器及热 敏电阻传感器两种。如图55所示为用光电传感器测量 刀具与切屑接触面温度分 布的示意图。光电传感器 可以用锗光电二极管或硫 化铅光电池。在刀片上打 一个小的锥孔，一直通到 刀具的前面上，从切屑底 面测定辐射能，通过标定 求得切屑底面该点的温度。
切削热传入 对象 车削 钻削

切屑 50%～86% 28%
工件 3%～9% 52.5%
刀具 10%～40% 14.5%
周围介质 1% 5%
表5-1 切屑、工件、刀具中切削热的分布
5.2 切削温度的测量方法

切削温度的测定方法很多，有热电偶法、辐射测温法等。但目前广为应 用的是热电偶法。它具有简单、可靠，使用方便的优点。 5.2.1 热电偶法 热点偶法包括自然热点偶法和人工热电偶法。 1.自然热电偶法 切削过程中，工件、刀具通常是由两种不同的金属材料组成的。在刀 具与切屑和刀具与工件接触区总存在着相当高的切削温度，称为热电偶 的热端；离接触区较远的工件与刀具处一般保持在室温状态，称为热电 偶的冷端。可用导线将工件与刀具的冷端接到仪表上，即可将切削热电 势显示和记录下来。根据事先作出热电偶的标定曲线（温度与毫伏值的 对应关系曲线），即可求得刀具与切屑和刀具与工件接触面的平均温度， 即切削温度。

如图5-2所示为三个变形区产生热量的比例关系。由图可知，第一变形 区和第三变形区产生的热量随切削厚度的增大而增加。
5.1.2 切削热的传出

切削过程中所产生的热量主要靠切屑、工件和刀具传出，被 周围介质带走的量很少（干切削时约占1％）。 车削与钻削时，切削热传入切屑、刀具和工件的百分比，见 表5-1。

习题5 5-1 切削热是如何产生与传出的？ 5-2 切削温度的含义是什么？ 5-3 常用的切削温度的测量方法有哪些？ 5-4 简述自然热电偶法测量切削热的测量原理。 5-5 为什么刀具前面上切削温度最高位不是在刃口处？ 5-6 切削用量三要素对切削温度的影响有哪些？ 5-7 工件材料的性能如何影响切削温度？ 5-8 刀具几何参数如何影响切削温度？ 5-9 简述切削温度对工件材料机械性能的影响。 5-10 如何利用切削温度自动控制切削速度或进给量？




5.4 影响切削温度的主要因素 切削温度的高低，取决于切削热产生的多少和散热 条件的好坏。下面分析几个主要因素对它的影响。 1.工件材料对切削温度的影响 2.切削用量对切削温度的影响 1）切削速度 2）进给量 3）背吃刀量


3.刀具几何参数对切削温 度的影响 1）前角 如图5-8所示，切削温度 随前角的增大而降低。这 是因为前角增大时，切削 变形减小，单位切削力下 降，产生的切削热减少的 缘故。但前角增大来自百度文库一定 幅值时，再增大前角，则 因刀具的楔角太小而使散 热体积减小，使切削温度 下降的幅度减小。
5.5 切削温度对切削过程的影响


1.对工件材料机械性能的影响
实验表明：工件材料预热至500～800 ℃后进行切削，其切 削力下降很多。但高速切削（温度达800～900 ℃）时，切 削力下降却不多。这也间接地证明了切削温度对剪切区工件 材料强度影响不大。



2.对刀具材料的影响 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
图5-6 用辐射测温法测量工件与刀具侧面的温度分布的示意图
5.3 切削温度的分布

如图5-7所示为车削时正交平面内切屑、工件和刀具的温度 分布情况。





切削温度分布的一些规律，即 （1）剪切平面上各点温度变化不大，几乎相同。 （2）不论刀具前面还是主后刀面上的最高温度都处于离主切削刃一定 距离处（该处称为温度中心）。这说明切削塑性金属时，切屑沿刀具前 面流出过程中，摩擦热是逐步增大的，一直至切屑流至黏结与滑动的交 界处，切削温度才达到最大值。此后，因进入滑动区摩擦逐渐减小，加 上热量传出条件改善，切削温度又逐渐下降。 （3）切削底层（同刀具前而相接触的一层）温度最高，离切削底层越 远温度越低。这主要是因为切削底层金属变形最大，且又与刀具前面存 在摩擦的缘故。切屑底层的高温将使其剪切强度下降，并使其与刀具前 面间的磨擦系数下降。 （4）塑性越大的工件材料，在刀具前面上切削温度的分布越均匀，且 最高温度区距切削刃越远。这是因为塑性越大的材料，刀具与刀屑接触 长度较长的缘故。 （5）导热系数越低的工件材料，其刀具前面和主后刀面上的温度也就 越高，且最高温度区距切削刃越近，这就是一些高温合金和钛合金难切 削和刀具容易磨损的主要原因之一。