切削热和由其产生的切削温度是刀具磨损和影响加工精度的重要原因。高的切削温度会使刀具磨损加剧、工件和刀具受热膨胀,从而导致工件精度达不到要求。因此,切削加工时必须控制和降低切削热与切削温度。
(1)切削热的产生和导出 切削热来源于切削层金属发生弹性变形和塑性变形产生的热量,以及切屑与前刀面、工件与后刀面之间摩擦产生的热量。切削过程中,上述变形和摩擦消耗的功绝大部分转化为热能。切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。
切削热传至各部分的比例:如不使用切削液,以中等速度切削钢件时,切屑带走的热量最多,约为50%~86%;传入工件为10%~40%;传入刀具为3%~9%;1%左右传入周围空气。
影响切削热导出的主要因素如下:
1)工件材料及其导热性能。切削塑性材料(钢)时,切削热大部分传给切屑,小部分传入工件;切削脆性材料(铸铁等)时,由于形成崩碎切屑,切屑与工件、刀具分离快,故传入切屑热量的比例较小,而传入刀具、工件的比例较大。工件材料的导热系数较高,由切屑和工件导出的热量较多,切削区温度较低,则刀具磨损减小,但工件的温升较快,易引起工件热变形;反之,则切削区的温度高,使刀具的磨损加剧。
2)刀具材料的导热性能。刀具材料的导热系数高,切削热容易从刀具导出,有利于降低切削区温度,使刀具的磨损减小。
3)周围介质。采用冷却性能良好的切削液及高效能的冷却方式,能有效地导出较多的切削热,降低切削区温度,减少刀具磨损和工件热变形。(www.xing528.com)
(2)切削温度及其影响的因素 切削温度通常是指切削区的平均温度,其高低是由产生热和传散热两个方面综合影响的结果。影响切削温度的主要因素如下:
1)工件材料的影响。工件材料的硬度、强度越高,切削时所消耗的功越多,产生的切削热也越多,切削温度就越高。切削灰铸铁等脆性材料时,金属塑性变形小,切屑呈崩碎状,与刀具前刀面摩擦小,产生的切削热少,故切削温度一般较切削钢件时低。工件材料导热系数的大小直接影响切削热的导出。例如不锈钢1Cr18Ni9Ti和高温合金GH131不仅导热系数小,而且在高温下仍有较高的强度和硬度,故切削温度高;而铝合金等有色金属的导热系数大,故切削温度低,一般可采用高速切削。
2)切削用量的影响。切削用量vc、f、ap增大,单位时间内金属的切除量增加,切削热增加,切削温度也随之升高。其中,切削速度vc对切削温度的影响最大,当切削速度增高一倍时,切削温度大约升高20%~30%。这是由于切削速度提高后,使切屑流动的速度加快,切削热来不及传入刀具与工件而大部分被切屑带走。此外,切削速度的提高也使切削层的变形减小,故切削温度并不是成倍地升高。而进给量f增加一倍时,切削温度一般只升高10%左右。这是由于随着进给量f的增大,切屑带走的热量也增大;刀具与切屑的接触长度增大了散热面积等。当背吃刀量ap增加时,切削热也会增加,但由于切削刃参加切削的长度增加,改善了散热条件,故背吃刀量ap增加一倍时,切削温度只升高3%左右。
3)刀具几何角度的影响。增大刀具前角γo,会使切削过程中的变形和摩擦减小,因而对切削温度的高低影响显著。通常,切削温度随着前角γo的增大而降低,但前角大于18°后,则对切削温度的影响减小。这是由于前角增大后,切削刃变薄(楔角βo减小),使散热体积减小所致。过大的前角反而会使切削温度有所升高。如增大铣刀的主偏角κr,在相同的背吃刀量ap的情况下,会使主切削刃参加切削的长度缩短,切削热相对集中;并由于刀尖角εr减小,使散热体积减小,因而使切削温度升高。
4)刀具磨损的影响。刀具磨损后,切削刃变钝,使切削时的切削层变形增加;同时,刀具后刀面与工件的摩擦加剧,故刀具磨损后的切削温度会上升。刀具后刀面上的磨损量越大,切削温度的上升越迅速。
5)切削液的影响。切削液有冷却和润滑作用,能减少切屑、工件与刀具之间的摩擦,减少切削热的产生,同时能带走大量的切削热,以降低切削温度。
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