切削热和切削温度
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第5章 切削热与切削温度
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。
（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
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
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，
切削热和切削温度的关系
切削热和切削温度的关系
切削热和切削温度的关系：
一、切削热的定义
切削热，又称切削摩擦热，是指钻、刨、扳、铣等类切削工艺过程中，各部件之间所产生的相互摩擦作用所引发的热量。
切削热主要分布在
工件前端工具口部，断层处和口角处，向外延伸到隔水层内部。
二、切削温度的影响因素
1、切削参数：切削参数包括切削速度、进刀量、刀具尺寸以及刀具结
构参数；
2、切削材料特性：材料的物理特性，如材料的硬度、弹性模量、热导
率等，决定了材料的切削热传输率；
3、工件表面状态：工件表面的光洁度或粗糙度也会因受压磨削热中的
切摩擦热而发生变化；
4、切削环境：切削环境变化会影响空气中的切削温度。
所以，切削工
艺中要仔细把握切削温度。
三、切削温度的控制
1、采用合理的切削参数：提高切削速度可以有效减少切削热，调节进刀量可以避免过多的刀具磨损和加大刀具的寿命；
2、采用合理的切削环境：在低温的切削环境中，切削热能够更快地排出，从而降低切削温度；
3、把握切削工件表面温度：切削前，可以根据工件表面温度调整切削参数，使切削温度不过高；
4、利用切削润滑液：切削时，可以使用切削润滑液，它可以对切削前端起到良好的润滑作用，减少切削温度；
5、正确使用刀具：正确使用刀具可以减少不必要的刀具消耗，从而降低切削热，减少切削温度。
四、切削温度的临界值
切削温度的临界值取决于切削材料的性能，一般情况下，普通工件的切削温度临界值一般设定为1000~3000℃，钢材切削的临界值在1500~2500℃，高硬度合金的切削温度不宜超过500℃。
如果切削温度超过了临界值，会导致工件裂痕、烧伤和工具烧毁等问题。
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。
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
三、切削热对切削Biblioteka 程的影响切削温度高低决定于产生热量多少和传散热量的 快慢两方面。 快慢两方面。凡是能减小切削过程产生热量的因素 和改善散热条件的因素，都能降低切削温度。 和改善散热条件的因素，都能降低切削温度。 1．工件材料 ．
材料的强度、 材料的强度、硬度高，切削时消耗的切削功率
越多，产生的切削温度也高。如加工合金钢产生的 越多，产生的切削温度也高。 切削温度较加工45钢高 钢高30%； 切削温度较加工 钢高 ； 切削区散热越慢， 材料的导热系数越低，切削区散热越慢，切削 温度越高。不锈钢导热系数较45钢小 钢小3倍 温度越高。不锈钢导热系数较 钢小 倍，故切削时 产生的切削温度多于45钢 产生的切削温度多于 钢40%。 。 脆性金属材料时 由于切屑呈崩碎状， 加工脆性金属材料 加工脆性金属材料时，由于切屑呈崩碎状，与前 面的摩擦较小，切削变形也较小，故产生的切削温 面的摩擦较小，切削变形也较小，故产生的切削温 度较低。 度较低。
切削时所产生的热量由切屑、工件、 切削时所产生的热量由切屑、工件、刀具 分别用Q屑 及周围介质传出，分别用 屑、Q工 、Q 工 刀 、Q介表示。 介表示。 上述切削热产生的产生和传散可以写出平 衡方程式： 衡方程式：
Q=Q弹+Q塑+Q前摩 后摩 弹 塑 前摩 后摩=Q 前摩+Q后摩 屑+Q工+Q刀 +Q介 工 刀 介
§3-3 切削热与切削温度
切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重 要物理现象。 要物理现象。切削过程中切削力所作的机械功的绝 大部分将转化成热能，即切削热。 大部分将转化成热能，即切削热。若切削热不及时 传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。 传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。切削 温度的升高，一方面使切削区工件材料的强度、 温度的升高，一方面使切削区工件材料的强度、硬 度下降，且使切削区工件材料的强度、硬度下降， 度下降，且使切削区工件材料的强度、硬度下降， 且使一些耐热性好、脆性大的刀具材料（ 且使一些耐热性好、脆性大的刀具材料（如硬质合 陶瓷材料等）的韧性有所改善， 金、陶瓷材料等）的韧性有所改善，从而使切削过 程进行比较顺利；但另一方面切削温度的升高， 程进行比较顺利；但另一方面切削温度的升高，会 加速刀具的磨损，使工件和机床产生热变形， 加速刀具的磨损，使工件和机床产生热变形，影响 零件的加工精度，造成工件表面的热损伤等。因此， 零件的加工精度，造成工件表面的热损伤等。因此， 研究切削热和切削温度的变化规律， 研究切削热和切削温度的变化规律，是研究金属切 削过程的一个重要方面。 削过程的一个重要方面。
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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• 用自然热电偶法测到的切削温度是切削 区的平均温度。
3.3.2 切削温度及其分布和测量
铜销 车床主轴尾部
卡盘
工件
顶尖
刀具 铜顶尖(与支架绝缘) 导线 绝缘层 毫伏表
3.3.2 切削温度及其分布和测量 1000 T10A 900 5CrNiM o 800 38CrMoAl A 700
θ(℃)
600 500 400 300 200 100 0 2 4 6 8 10 12 40Cr
车刀
3.3.3 影响切削温度的主要因素
1. 切削用量 • 通过实验得到切削温度的经验公式。
C vc f a p
y
x
z
刀具 材料
高速钢
加工 方法
铣削 钻削
Cθ
xθ
yθ
zθ
车削 140～170 80 150 f/(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
0.15
0.05
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 1) 切削速度v
1200 1000
θ(℃)
800 600 400 300 20 30 40 60 80 100 150 200 vc(m/min)
单位时间金属切除率 消耗功率 生热 剪切角 切削力 单位切削力 单位切削功率 vc 散热单位时间金属切除率 切屑带走热量 切屑流出速度 向切屑传递热量
θ(℃)
900 800 700 600 30°
45°
60°
75°
90°κr
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 负倒棱宽度br和刀尖圆弧半径rε对 切削温度的影响 • 负倒棱宽度在 (0 ～ 2)f 范围内变化， 刀尖圆弧半径在0～1.5mm范围内变 化，基本上不会影响切削温度。
3.3.3 影响切削温度的主要因素
切屑 刀具
工件
3.3.1 切削热的产生和传出
2. 切削热的传播 • 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。
• 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。 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。
GH13 1
45 钢 (正火)
HT20～ 40
20 30 40 50
60
70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 4) 脆性金属的抗拉强度和延伸率都较 小，切削过程中切削区的塑性变形很 小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前 刀面的摩擦也很小，所以产生的切削 热较少，切削温度一般比切削钢料时 1100 低。 1Cr18Ni9Ti
3.3.2 切削温度及其分布和测量 前刀面温度 (℃)
1200 1000 800 600 后 刀 面 温 度 (℃) 400 200 800 600 400 200 1 3 2 后刀面上距刀刃距离 (mm) 0.2 0.2 0.6 1.0 1.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3 2 1 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 离 (mm) 4
1000 vc＝117m/min vc＝94m/min vc＝71m/min 900 800 700 600 0 0.2 0.4 0.6 0.8 VB(mm)
θ(℃)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
5. 切削液 • 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，在切削加工中应用很广。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。从导热性能来 看，水基切削液＞乳化液＞油类切削 液。
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 2) 进给量f
1200
θ(℃)
1000 800 600 0.1 0.2 0.3 0.4 f(mm/r) 0.6
切削力 消耗功率 生热 f 单位切削力 单位切削功率 散热 切削厚度 切屑厚度 切屑热容量 切屑带走热量
1000 900
θ(℃)
800 700 600 500 400 300 200 10
GH13 1
45 钢 (正火)
HT20～ 40
20 30 40 50
60
70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
4. 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，使切削区的金属的 塑性变形增加。同时，磨损后的刀具 后角变成零度，使工件与刀具的摩擦 加大，两者均使切削热的产生增加。 所以，刀具磨损是影响切削温度的重 1100 要因素。
第三节 切削热和切削温度
目 录
• 3.3.1 切削热的产生和传出 • 3.3.2 切削温度及其分布和测量 • 3.3.3 影响切削温度的主要因素
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3.3.1 切削热的产生和传出
1. 热源 • 切削热的来源主要有两个方 面，一个是切屑与前刀面、 工件与后刀面之间的摩擦所 消耗的摩擦功，这是切削热 的主要来源。另一个是切削 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。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。
传导途径 切屑 工件 刀具 周围介质 干车削 50%～86% 9%～3% 40%～10% 1% 钻 削 28% 52% 15% 5%
3.3.2 切削温度及其分布和测量
1. 切削温度的测量 • 1) 自然热电偶法
• 利用刀具和工件材料化学成分的不同构 成热电偶，组成热电回路测量切削温度 的方法。 • 回路中形成了温差电动势，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。
3. 工件材料 • 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。
1000 900 800 700 600 500 400 300 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 淬火 调质 正火
θ(℃)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 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。
1100 1000
θ(℃)
1Cr18Ni9Ti
900 800 700 600 500 400 300 200 10
W18Cr4 V
14 15 18 mV
3.3.2 切削温度及其分布和测量
• 2) 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 在刀具或工件上预定要测量温度的点上， 冷端通过导线串接电位计或毫伏表。根 据表上的读数值和热电偶标定曲线，可 获得焊接点上的温度。 • 应用人工热电偶法，只能测得距前刀面 有一定距离处某点的温度，
刀具 750℃
hD＝0.6mm
工件
3.3.2 切削温度及其分布和测量
• (1) 剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推想剪切面上 各点的的应力应变规律基本上变化不大； • (2) 前刀面和后刀面上的最高温度处都在离刀刃有一定距离 的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出 现在前刀面上； • (3) 在剪切区域内，垂直剪切方向上温度梯度较大，这是由 于剪切滑移的速度很快，热量来不及传导出来，从而形成较 大的温度梯度； • (4) 垂直前刀面的切屑底层温度梯度大。这说明前刀面上的 摩擦是集中在切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦系 数有较大影响； • (5) 后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间 内完成的，已加工表面受到一次热冲击； • (6) 工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温 度的分布也就均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的 点离刀刃越近； • (7) 工件材料导热系数越低，前、后刀面的温度越高。
2. 刀具几何参数 • 1) 前角γo对切削温度的影响
1000
θ(℃)
900 800 700 600 500 -10° 0°
1
3 10° 20°
2
30°γo
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 2) 主偏角κr对切削温度的影响
1100 1000 vc＝2.25m/s vc＝1.75m/s vc＝1.35m/s
0.15
0.05
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 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 v ＞ f ＞ ap ，这与它们对切削力 的影响程度正好相反。
刀具 材料
高速钢加工 方法铣削 Nhomakorabea钻削Cθ
xθ
yθ
zθ
车削 140～170 80 150 f/(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
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 背吃刀量ap
1200
θ(℃)
1000 800 600 1 2 3 4 ap(mm) 5 6
生热 切削力 消耗功率 ap 散热 切削宽度 切削刃参加切削的长度 散热条件改善
3.3.3 影响切削温度的主要因素
3.3.2 切削温度及其分布和测量
铜销 车床主轴尾部
卡盘
工件
顶尖
刀具 铜顶尖(与支架绝缘) 导线 绝缘层 毫伏表
3.3.2 切削温度及其分布和测量 1000 T10A 900 5CrNiM o 800 38CrMoAl A 700
θ(℃)
600 500 400 300 200 100 0 2 4 6 8 10 12 40Cr
车刀
3.3.3 影响切削温度的主要因素
1. 切削用量 • 通过实验得到切削温度的经验公式。
C vc f a p
y
x
z
刀具 材料
高速钢
加工 方法
铣削 钻削
Cθ
xθ
yθ
zθ
车削 140～170 80 150 f/(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
0.15
0.05
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 1) 切削速度v
1200 1000
θ(℃)
800 600 400 300 20 30 40 60 80 100 150 200 vc(m/min)
单位时间金属切除率 消耗功率 生热 剪切角 切削力 单位切削力 单位切削功率 vc 散热单位时间金属切除率 切屑带走热量 切屑流出速度 向切屑传递热量
θ(℃)
900 800 700 600 30°
45°
60°
75°
90°κr
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 负倒棱宽度br和刀尖圆弧半径rε对 切削温度的影响 • 负倒棱宽度在 (0 ～ 2)f 范围内变化， 刀尖圆弧半径在0～1.5mm范围内变 化，基本上不会影响切削温度。
3.3.3 影响切削温度的主要因素
切屑 刀具
工件
3.3.1 切削热的产生和传出
2. 切削热的传播 • 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。
• 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。 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。
GH13 1
45 钢 (正火)
HT20～ 40
20 30 40 50
60
70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 4) 脆性金属的抗拉强度和延伸率都较 小，切削过程中切削区的塑性变形很 小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前 刀面的摩擦也很小，所以产生的切削 热较少，切削温度一般比切削钢料时 1100 低。 1Cr18Ni9Ti
3.3.2 切削温度及其分布和测量 前刀面温度 (℃)
1200 1000 800 600 后 刀 面 温 度 (℃) 400 200 800 600 400 200 1 3 2 后刀面上距刀刃距离 (mm) 0.2 0.2 0.6 1.0 1.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3 2 1 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 离 (mm) 4
1000 vc＝117m/min vc＝94m/min vc＝71m/min 900 800 700 600 0 0.2 0.4 0.6 0.8 VB(mm)
θ(℃)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
5. 切削液 • 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，在切削加工中应用很广。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。从导热性能来 看，水基切削液＞乳化液＞油类切削 液。
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 2) 进给量f
1200
θ(℃)
1000 800 600 0.1 0.2 0.3 0.4 f(mm/r) 0.6
切削力 消耗功率 生热 f 单位切削力 单位切削功率 散热 切削厚度 切屑厚度 切屑热容量 切屑带走热量
1000 900
θ(℃)
800 700 600 500 400 300 200 10
GH13 1
45 钢 (正火)
HT20～ 40
20 30 40 50
60
70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
4. 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，使切削区的金属的 塑性变形增加。同时，磨损后的刀具 后角变成零度，使工件与刀具的摩擦 加大，两者均使切削热的产生增加。 所以，刀具磨损是影响切削温度的重 1100 要因素。
第三节 切削热和切削温度
目 录
• 3.3.1 切削热的产生和传出 • 3.3.2 切削温度及其分布和测量 • 3.3.3 影响切削温度的主要因素
返回目录
3.3.1 切削热的产生和传出
1. 热源 • 切削热的来源主要有两个方 面，一个是切屑与前刀面、 工件与后刀面之间的摩擦所 消耗的摩擦功，这是切削热 的主要来源。另一个是切削 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。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。
传导途径 切屑 工件 刀具 周围介质 干车削 50%～86% 9%～3% 40%～10% 1% 钻 削 28% 52% 15% 5%
3.3.2 切削温度及其分布和测量
1. 切削温度的测量 • 1) 自然热电偶法
• 利用刀具和工件材料化学成分的不同构 成热电偶，组成热电回路测量切削温度 的方法。 • 回路中形成了温差电动势，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。
3. 工件材料 • 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。
1000 900 800 700 600 500 400 300 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 淬火 调质 正火
θ(℃)
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 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。
1100 1000
θ(℃)
1Cr18Ni9Ti
900 800 700 600 500 400 300 200 10
W18Cr4 V
14 15 18 mV
3.3.2 切削温度及其分布和测量
• 2) 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 在刀具或工件上预定要测量温度的点上， 冷端通过导线串接电位计或毫伏表。根 据表上的读数值和热电偶标定曲线，可 获得焊接点上的温度。 • 应用人工热电偶法，只能测得距前刀面 有一定距离处某点的温度，
刀具 750℃
hD＝0.6mm
工件
3.3.2 切削温度及其分布和测量
• (1) 剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推想剪切面上 各点的的应力应变规律基本上变化不大； • (2) 前刀面和后刀面上的最高温度处都在离刀刃有一定距离 的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出 现在前刀面上； • (3) 在剪切区域内，垂直剪切方向上温度梯度较大，这是由 于剪切滑移的速度很快，热量来不及传导出来，从而形成较 大的温度梯度； • (4) 垂直前刀面的切屑底层温度梯度大。这说明前刀面上的 摩擦是集中在切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦系 数有较大影响； • (5) 后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间 内完成的，已加工表面受到一次热冲击； • (6) 工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温 度的分布也就均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的 点离刀刃越近； • (7) 工件材料导热系数越低，前、后刀面的温度越高。
2. 刀具几何参数 • 1) 前角γo对切削温度的影响
1000
θ(℃)
900 800 700 600 500 -10° 0°
1
3 10° 20°
2
30°γo
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 2) 主偏角κr对切削温度的影响
1100 1000 vc＝2.25m/s vc＝1.75m/s vc＝1.35m/s
0.15
0.05
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 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 v ＞ f ＞ ap ，这与它们对切削力 的影响程度正好相反。
刀具 材料
高速钢加工 方法铣削 Nhomakorabea钻削Cθ
xθ
yθ
zθ
车削 140～170 80 150 f/(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
3.3.3 影响切削温度的主要因素
• 3) 背吃刀量ap
1200
θ(℃)
1000 800 600 1 2 3 4 ap(mm) 5 6
生热 切削力 消耗功率 ap 散热 切削宽度 切削刃参加切削的长度 散热条件改善
3.3.3 影响切削温度的主要因素