切削热与切削温度问题

切削热是金属切削过程中产生的重要现象之一。它直接影响刀具磨损和耐用度，因而限制了切削速度的提高。在使用焊接刀具进行重切削时，由于切削温度过高，有时会使刀体受热段变形，导致刀片脱落；在精加工中，切削温度还会影响工件的加工精度和表面质量。同时，切削温度过高也不利于安全生产。

然而在一定条件下，也可利用切削热，使不利的一面变为有利。因此，研究切削热的来源与切削温度的变化规律，更好地限制与利用它，对进一步提高刀具耐用度，提高生产效率，保证加工质量，是十分必要的。

1）切削热的来源

切削过程中所消耗的能量绝大多数转变为热量。三个变形区就是三个发热区，如图2.30所示，因此，切削热的来源就是切屑的变形功和刀具前、后面的摩擦功。

图2.30　切削热的来源与传散

根据热力学平衡原理，产生的热量和散出的热量应相等，即

式中　Qs——工件材料弹、塑性变形所产生的热量，J；

　　　Qr——切屑与前面、加工表面与后面摩擦所产生的热量，J；

　　　Qc——切屑带走的热量，J；

　　　Qt——刀具传散的热量，J；

　　　Qw——工件传散的热量，J；

　　　Qm——周围介质如空气、切削液带走的热量，J。

切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例大致如下：

①车削加工时，切屑带走切削热为50%~86%，车刀传出10%~30%，工件传出3%~9%，其他介质（如空气）传出1%。切削速度越高或切削层公称厚度越厚，则切屑带走的热量越多。

②钻削加工时，工件传出50%左右，切屑带走的切削热约30%，刀具传出约15%，周围介质传出5%。

③磨削加工时，约有70%以上的热量瞬时进入工件，只有小部分通过切屑、砂轮、冷却液和大气带走。

2）影响切削温度的主要因素

所谓切削温度，是指刀具前面刀-屑接触区的平均温度。

（1）切削用量对切削温度的影响

通过实验得出的切削温度的经验公式为

式中　θ——刀具前面刀-屑接触区的平均温度，℃；

　　　Cθ——切削温度系数；(www.xing528.com)

　　　vc——切削速度，m/min；

　　　f——进给量，mm/r；

　　　asp——背吃刀量，mm；

　　　zθ、yθ、xθ——相应的指数。

实验得出，用高速钢或硬质合金刀具切削中碳钢时，系数Cθ及指数zθ、yθ、xθ见表2.2。

表2.2　切削温度的系数及指数

由上式及表2.2可知，vc、f、asp增大，切削温度升高，但切削用量三要素对切削温度的影响程度不一，以vc的影响最大，f次之，asp最小。因此，为了有效控制切削温度以提高刀具耐用度，在机床允许的条件下，选用较大的背吃刀量asp和进给量f，比选用大的切削速度vc更为有利。

（2）刀具几何参数的影响

前角γo增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热减小，因而切削温度下降。但前角为18°~20°时，对切削温度的影响减小，这是因为楔角减小而使散热体积减小的缘故。

主偏角κr减小，使切削层公称宽度bD增大，散热增大，故切削温度下降。负倒棱及刀尖圆弧半径增大，能使切屑变形程度增大，产生的切削热增加；但另一方面这两者都能使刀具的散热条件改善，使传出的热量增加，两者趋于平衡，所以，对切削温度影响很小。

（3）工件材料的影响

工件材料的强度、硬度增大时，产生的切削热增多，切削温度升高；工件材料的导热系数越大，通过切屑和工件传出的热量越多，切削温度下降越快。

（4）刀具磨损的影响

刀具后面磨损量增大，切削温度升高，磨损量达到一定值后，对切削温度的影响加剧；切削速度越高，刀具磨损对切削温度的影响就越显著。

（5）切削液的影响

切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。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关系。

3）切削温度的分布规律

前面分析的为刀-屑-工件接触区的平均温度。为了深入研究，还应该知道工件、切屑和刀具上各点的温度分布，这种分布称为温度场。

切削温度场可用人工热电偶法或其他方法测出。

图2.31是切削钢料时，实验测出的正交平面内的温度场，可得切削温度分布的规律：

①剪切面上各点的温度几乎相同，说明剪切面上各点的应力应变规律基本相同。

②刀具前、后面上最高温度都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。这是摩擦热沿着刀面不断增加的缘故。

图2.31　二维切削中的温度分布