第5章 切削热与切削温度
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切削热、切削温度
（4）后刀面与工件的接触长度较短，因此， 工件加工表面上温度的升降是在极短的时间内完成 的。刀具通过时加工表面只受到一次热冲击。
三、影响切削温度的因素
1．工件材料
工件材料的强度和硬度越高，需要的切削力 就越大，产生的热量就越多，因而切削温度就越高。
工件材料的料的热导率越大，通过切屑和工件传出的 热量就越多，切削温度下降就越快。
2．切削用量
切削用量中，切削速度vc对切削温度影响最 大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。
切削速度vc增大，切削变形和摩擦产生的热 量急剧增多，尽管切屑带走的热量相应增多，但
散热条件并没有改善，因此切削温度显著升高。
进给量f增大，产生的热量增加，但同时切削 厚度变大，切屑带走的热量增加，而散热条件并
未改善，因此最终切削温度有所升高。
背吃刀量ap增大，产生的热量按比例增加， 但同时刀具的传热面积也按比例增加，显著改善
散热条件，因此最终切削温度仅略有升高。
3．刀具几何参数
（1）前角
前角γo增大，切削变形程度减小，产生的切削 热减少，因而切削温度下降。但前角γo大于18°～ 20°时，楔角βo减小，传热体积减小，对切削温度 的影响减小。
右图为切削塑 性材料时，刀具、 切屑和工件上的温 度分布示意图。由 图可知：
（1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度 几乎相等；而在垂直于剪切面方向上的温度梯度 很大。
（2）前、后刀面的最高温度都不在切削刃 处，而在离切削刃有一定距离的地方。
（3）在切屑厚度方向上的切削温度梯度很 大，靠近前刀面的一层（底层）温度最高，远离 前刀面方向温度下降很快。
（2）主偏角
在背吃刀量ap相同的情况下，主偏角 r增大，主 切削刃的工作长度缩短，刀尖角εr减小，传热面积减 小，切削热相对集中，从而提高了切削温度；反之，
三、影响切削温度的因素
1．工件材料
工件材料的强度和硬度越高，需要的切削力 就越大，产生的热量就越多，因而切削温度就越高。
工件材料的料的热导率越大，通过切屑和工件传出的 热量就越多，切削温度下降就越快。
2．切削用量
切削用量中，切削速度vc对切削温度影响最 大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。
切削速度vc增大，切削变形和摩擦产生的热 量急剧增多，尽管切屑带走的热量相应增多，但
散热条件并没有改善，因此切削温度显著升高。
进给量f增大，产生的热量增加，但同时切削 厚度变大，切屑带走的热量增加，而散热条件并
未改善，因此最终切削温度有所升高。
背吃刀量ap增大，产生的热量按比例增加， 但同时刀具的传热面积也按比例增加，显著改善
散热条件，因此最终切削温度仅略有升高。
3．刀具几何参数
（1）前角
前角γo增大，切削变形程度减小，产生的切削 热减少，因而切削温度下降。但前角γo大于18°～ 20°时，楔角βo减小，传热体积减小，对切削温度 的影响减小。
右图为切削塑 性材料时，刀具、 切屑和工件上的温 度分布示意图。由 图可知：
（1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度 几乎相等；而在垂直于剪切面方向上的温度梯度 很大。
（2）前、后刀面的最高温度都不在切削刃 处，而在离切削刃有一定距离的地方。
（3）在切屑厚度方向上的切削温度梯度很 大，靠近前刀面的一层（底层）温度最高，远离 前刀面方向温度下降很快。
（2）主偏角
在背吃刀量ap相同的情况下，主偏角 r增大，主 切削刃的工作长度缩短，刀尖角εr减小，传热面积减 小，切削热相对集中，从而提高了切削温度；反之，
切削热与切削温度讲述
三、影响切削温度的主要因素
（1）切削用量的影响 ----进给量f
f 增大，使切 屑的平均变形减少 切屑与前刀面的接 触区长度增加，改 善了散热条件。因 此 ， f 提高一倍， 切削温度仅提高10
三、影响切削温度的主要因素
（1）切削用量的影响 ----背吃刀量ap
ap增大，产生的 热量成倍增加。但 是刀刃的工作长度 也增加一倍，大大 改善了散热条件因 此， ap提高一倍切 削温度仅提高3%
三、影响切削温度的主要因素
■ （4）刀具磨损的影响
刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切 区的金属的塑性变形增加。同时，磨损后的刀具后角变成零度， 工件与刀具的摩擦加大，两者均使切削热的产生增加。
三、影响切削温度的主要因素
■ （5）切削液对的降影低响切削温度、减少刀具磨损和提 高已加工表面质量有明显的效果。
（2）刀具几何参数的影响 ----主偏角
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。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
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。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
合金结构钢的强度普 遍高于45号钢，而导热系 数又一般均低于45号钢。 所以切削合金结构钢时的 切削温度一般均高于切削 45号钢时的切削温度。
三、影响切削温度的主要因素
■ （3）工件材料的影响
不锈钢 1Cr18Ni9Ti
和高温合金GH131 不但
导热系数低， 而且在高温 下仍能保持较高的强度和 硬度。所以切削这种类型 的材料时，切削温度比切 削其他材料要高得多。必 须尽可能采用导热性和耐 热性都较好的刀具材料必 须加注充分的切削液冷却 。
切削热与切削温度
1.前角γo 前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影 响。总的趋势是，前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当 前角达18o～20o后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热 体积减小的缘故。
2.主偏角 主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集 中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。
目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。
补充： 辐射温度计法：任何物体都会有红外线辐射，它表现的是物体的温度。 温度越高辐 射越大。用红外线接收器作传感器，经数字滤波放大，再函数计算，显示出数字。 热电偶法原理：把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处 于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端 之间就会产生一定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间 便可测量出热电势的值。实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化 学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到 热电势的值与冷热端温度差之间的关系。
• 5.1切削热的产生与传出 • 来源：切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形 所产生的热及切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩 擦。 • 切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内 产生切削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所 消耗的功，绝大部分转化为切削热。
• • •
•
•
•
假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热： Pc = Fcνc Pc—每秒钟内产生的切削热 Fc—主切削力 νc—切削速度 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。 影响散热主要因素： ⑴工件材料的导热性能 工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的 热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工件温升快，易引起工 件热变形（铜和铝）。工件材料的导热系数小，切削热不易从工件方面 散出，加剧刀具磨损（不锈钢）。 ⑵刀具材料的导热性能 刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具散出， 降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高（YG类硬质合金）。 ⑶周围介质 采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较 多的切削热，切削区温度就较低。采用喷雾冷却法使切削液雾化后汽化， 将能吸收更多的切削热，使切削温度降低。 ⑷切屑与刀具的接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落 入机床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭 式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。
2.主偏角 主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集 中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。
目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。
补充： 辐射温度计法：任何物体都会有红外线辐射，它表现的是物体的温度。 温度越高辐 射越大。用红外线接收器作传感器，经数字滤波放大，再函数计算，显示出数字。 热电偶法原理：把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处 于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端 之间就会产生一定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间 便可测量出热电势的值。实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化 学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到 热电势的值与冷热端温度差之间的关系。
• 5.1切削热的产生与传出 • 来源：切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形 所产生的热及切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩 擦。 • 切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内 产生切削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所 消耗的功，绝大部分转化为切削热。
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假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热： Pc = Fcνc Pc—每秒钟内产生的切削热 Fc—主切削力 νc—切削速度 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。 影响散热主要因素： ⑴工件材料的导热性能 工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的 热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工件温升快，易引起工 件热变形（铜和铝）。工件材料的导热系数小，切削热不易从工件方面 散出，加剧刀具磨损（不锈钢）。 ⑵刀具材料的导热性能 刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具散出， 降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高（YG类硬质合金）。 ⑶周围介质 采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较 多的切削热，切削区温度就较低。采用喷雾冷却法使切削液雾化后汽化， 将能吸收更多的切削热，使切削温度降低。 ⑷切屑与刀具的接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落 入机床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭 式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。
第五章 就就
(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。这 是摩擦热沿着刀面不 断增加的缘故。前刀面上后边一段的接触长度上，由 于摩擦逐渐减少 (由内摩擦转化为外摩擦)，热量又在 不断传出，所以切削温度开始逐渐下降。
切削温度的分布规律
(3)在剪切区域中，垂直剪切面方向上的温度梯度很大。切削 速度增高时，则因热量来不及传出，而导致温度梯度增大。
• 金属的切削热起源于材料的强度、硬度、韧性、塑性及弹 性，研究还表明，影响切削过程中刀具与工件的温升与刀 具、工件的接触面积、传热系数、温差、接触时间的长短 等因素有密切关系。通常情况下，减少吃刀量可减少刀具 与热源的接触面积；加大冷却介质的流速、流量即为增大 传热系数；降低冷却介质的温度即可增大刀具、工件的热 容量和温差效应；而提高机床转速和切削速度实际上是缩 短了切削热的传导时间。
2. 刀具几何参数
1)前角γo↑→塑性变形和摩 擦↓→切削温度↓（图）。 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。 2)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↑（图）。
• 负倒棱及刀尖圆弧半径
负倒棱在（0～2）f范围内变化，刀尖圆弧半径在0～
硬质合金冲击强度在温度为800℃时，强度最高。因 此在这种温度下，硬质合金最不易崩刀，磨损强度亦将降 低。
图5-2 硬质合金冲击强度与温度的关系
3.对工件精度的及表面质量的影响 （1）工件本身受热膨胀，直径变化，切削后达不到要求精度； （2）刀杆受热膨胀，切削时实际切削深度增加使直径减小； （3）工件受力变长，但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯 曲，车削后工件中部直径变大。 切削热对工件的表面质量影响也很大。在粗加工时，由 于精度比较低，矛盾还不突出。但在精加工时，由于切削速 度很高，切削热大量产生，较高的切削温度可使工件表面质 量发生变化，也会使工件变形，影响了工件的精度，造成废 品。有些工件刚加工好时，温度较高，尺寸等都符合图纸要 求，但过一段时间后，待工件冷却，再进行测量，就发现有 些尺寸发生变化，这种现象主要是由于切削热的影响所造成。
切削温度的分布规律
(3)在剪切区域中，垂直剪切面方向上的温度梯度很大。切削 速度增高时，则因热量来不及传出，而导致温度梯度增大。
• 金属的切削热起源于材料的强度、硬度、韧性、塑性及弹 性，研究还表明，影响切削过程中刀具与工件的温升与刀 具、工件的接触面积、传热系数、温差、接触时间的长短 等因素有密切关系。通常情况下，减少吃刀量可减少刀具 与热源的接触面积；加大冷却介质的流速、流量即为增大 传热系数；降低冷却介质的温度即可增大刀具、工件的热 容量和温差效应；而提高机床转速和切削速度实际上是缩 短了切削热的传导时间。
2. 刀具几何参数
1)前角γo↑→塑性变形和摩 擦↓→切削温度↓（图）。 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。 2)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↑（图）。
• 负倒棱及刀尖圆弧半径
负倒棱在（0～2）f范围内变化，刀尖圆弧半径在0～
硬质合金冲击强度在温度为800℃时，强度最高。因 此在这种温度下，硬质合金最不易崩刀，磨损强度亦将降 低。
图5-2 硬质合金冲击强度与温度的关系
3.对工件精度的及表面质量的影响 （1）工件本身受热膨胀，直径变化，切削后达不到要求精度； （2）刀杆受热膨胀，切削时实际切削深度增加使直径减小； （3）工件受力变长，但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯 曲，车削后工件中部直径变大。 切削热对工件的表面质量影响也很大。在粗加工时，由 于精度比较低，矛盾还不突出。但在精加工时，由于切削速 度很高，切削热大量产生，较高的切削温度可使工件表面质 量发生变化，也会使工件变形，影响了工件的精度，造成废 品。有些工件刚加工好时，温度较高，尺寸等都符合图纸要 求，但过一段时间后，待工件冷却，再进行测量，就发现有 些尺寸发生变化，这种现象主要是由于切削热的影响所造成。
切削热和切削温度
切削热和切削温度切削过程中产生的切削热对刀具磨损和刀具寿命具有重要影响，切削热还会使工件和刀具产生变形、残余应力而影响加工精度和表面质量。
一、切削热的产生与传导切削热来源于两个方面，一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量转换为热能；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。
切削过程中的三个变形区就是三个发热区域。
切削过程中所消耗能量的98%~99%都将转化为切削热。
切削热由切屑、工件、刀具及四周的介质（空气，切削液）向外传导。
影响散热的主要因素是：（1）工件材料的导热系数工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量增多，切削区温度就低。
工件材料导热系数低，切削热传导慢，切削区温度就高，刀具磨损就快。
（2）刀具材料的导热系数刀具材料的导热系数高，切削区的热量向刀具内部传导快，可以降低切削区的温度。
（3）四周介质采纳冷却性能好的切削液能有效地降低切削区的温度。
车削加工时产生的切削热多数被切屑带走，切削速度越高，切削厚度越大，切屑带走的热量越多；传给工件的热量次之，约为30%；传给刀具的热量更少，一般不超过5%。
钻削时，由于切屑不易从孔中排出，故被切屑带走的热量相对较少，只有30%左右，约有50%的热量被工件汲取。
二、切削温度的测量测量切削温度的方法许多，有热电偶法、辐射热计法、热敏电阻法等。
目前常用的是热电偶法，它简洁、牢靠、使用便利。
1. 自然热电偶法；2. 人工热电偶法。
三、影响切削温度的主要因素1．切削用量对切削温度的影响、、增大，单位时间内材料的切除量增加，切削热增多，切削温度将随之上升。
但、和对切削温度的影响程度不同，切削速度对切削温度的影响最为显著，次之，最小，缘由是：增大，前刀面的摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，所以对切削温度影响最大；增大，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增多，所以对切削温度的影响不如显著；增大，刀刃工作长度增大，散热条件改善，故对切削温度的影响相对较小。
切削热与切削温度
3. 刀具磨损原因 高速钢刀具） （1）磨粒磨损 （高速钢刀具） ） 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度， 切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结 构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点， 构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在 刀具表面刻划出沟纹，这就是磨粒磨损。 刀具表面刻划出沟纹，这就是磨粒磨损。 硬质点有碳化物(如 硬质点有碳化物 如Fe3C、TiC、VC等)、氮化物 、 、 等、 (如TiN、Si3N4等)、氧化物 如Si02、A12O3等)和金 如 、 、氧化物(如 和金 属间化合物。 属间化合物。
氧化磨损： 氧化磨损： 空气不易进入刀—屑接触区。氧化磨损最容易在主、 空气不易进入刀 屑接触区。氧化磨损最容易在主、 屑接触区 副切削刃的工作边界处形成，在这里划出较深的沟槽， 副切削刃的工作边界处形成，在这里划出较深的沟槽， 造成“边界磨损” 造成“边界磨损”。
温度对磨损的影响
（3）刀具角度的影响 γo ↑ → θ ↓ ； γo ↑ ↑ → θ ↑ 切削热集中↑ 散热↓→ κr ↑ → bD ↓ → 切削热集中↑ → 散热↓→ θ ↑
（4）刀具磨损的影响：刀钝以后，摩擦加剧 ）刀具磨损的影响：刀钝以后， 的影响： （5）切削液的影响：冷却效果明显 ）切削液的影响 切削液的作用： 切削液的作用： （1）冷却作用 ）冷却作用 （2）润滑作用 ）润滑作用 （3）清洗作用 ）清洗作用 （4）防锈作用 ）防锈作用
五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 切削温度对工件、 1. 切削温度对工件材料强度和切削力的影响 2. 切削温度对刀具材料的影响 3. 切削温度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和进给量 5. 利用切削温度与切削力控制刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
金属切削过程之切削热和切削温度
切削温度对切削变形的影响
❖ 对工件尺寸精度的影响：由于工件受热膨胀， 冷却后尺寸变小，切削时产生的热直接影响 加工精度。
❖ 对刀具材料的影响：
对于硬质合金，其强度和韧性在800~1000℃ 时反而会变得更好，因此适当提高温度可提 高韧性，提高刀具耐用度。 对于高速钢刀具，如果温度达到600 ℃左右， 加工性能基本失效
重庆松溉职校 李正波
切削热的来源
❖切削变形 ❖前刀面摩擦
❖后刀面摩擦
切屑 刀具
工件
图3-19 切削热的来源与传出
切削热的传导
加工 方式
切屑
工件
刀具
介 质
车 削
50%～86%
40%～10%
9%～3% 1%
钻 削
28%
14.5%
52.5% 5%
切削温度
❖ 切削温度一般是指切屑与前刀面接触区域 （切削区）的平均温度
切削宽度
Hale Waihona Puke 散热条件切削 温度
刀具磨损
❖ 刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作 用增大，使切削区金属的塑性变形增加；
❖ 同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件 与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削 热增多。
❖ 所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因 素。
冷却液
❖ 使用适当的切削液可明显降低切削温度
影响切削温度的因素
❖切削用量
影响最大的是vc，其实是f，影响最小的是ap
随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。
随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，
切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。
❖工件材料
工件材料的强度、硬度 工件材料的导热性
切削温度 切削温度
第五章 切削热和切削温度
• 刀具材料的导热系数较高时，切削热易从切削区 域导出，切削区域温度随而降低，这有利于提高 刀具的耐用度。
➢ 切削时所用的切削液及浇注方式的冷却效果越高，则 切削区域的温度越低。
➢ 切屑与刀具的接触时间，也影响刀具的切削温度。 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀落入机床的容 屑盘中，故切屑的热传给刀具不多。钻削或其它半封 闭式容屑的切削加工，切屑形成后仍与刀具及工件相 接触，切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具，使 切削温度升高。
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 Fzv CFza p f 0.75v0.15K Fzv
CFzap
f
v K 0.75 0.85 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，因而切削热也增大一倍；
切削速度v的影响次之，进给量f影响最小。其
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)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗 力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削 热。
图5-1 切削热的产生与传导
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
切削时会产生大量的热，使切削区域的温度极高。 高速切削时，切削温度可高达800-900℃，有时 甚至高达1200℃，这样高的温度对切削过程产生 一系列影响。
1.对切削机理的影响 2.对刀具的影响 3.对工件精度的及表面质量的影响
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。
➢ 切削时所用的切削液及浇注方式的冷却效果越高，则 切削区域的温度越低。
➢ 切屑与刀具的接触时间，也影响刀具的切削温度。 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀落入机床的容 屑盘中，故切屑的热传给刀具不多。钻削或其它半封 闭式容屑的切削加工，切屑形成后仍与刀具及工件相 接触，切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具，使 切削温度升高。
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 Fzv CFza p f 0.75v0.15K Fzv
CFzap
f
v K 0.75 0.85 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，因而切削热也增大一倍；
切削速度v的影响次之，进给量f影响最小。其
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)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗 力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削 热。
图5-1 切削热的产生与传导
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
切削时会产生大量的热，使切削区域的温度极高。 高速切削时，切削温度可高达800-900℃，有时 甚至高达1200℃，这样高的温度对切削过程产生 一系列影响。
1.对切削机理的影响 2.对刀具的影响 3.对工件精度的及表面质量的影响
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。
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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。
（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。
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。但前角增大到一定 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
如图5-2所示为三个变形区产热量的比例关系。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。
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。
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。
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5-6 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。
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？
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。
（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。
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。但前角增大到一定 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
如图5-2所示为三个变形区产热量的比例关系。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。
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。
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。
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5-6 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。
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？