切削热与切削温度
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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 。
机械制造技术基础 第二章 第五节 切削热及切削温度
6、工件材料塑性越大，刀屑接触长度愈大，切削温度的分布就均匀些；反之，工件材料脆性 愈大，则最高温度所在点离刀刃愈近。 7、工件材料的导热系数愈小，则刀具前后刀面的温度愈高。
四、切削温度对切削过程的影响
1、切削温度对工件材料被切削性能的影响 切削温度较高，切削区工件材料的强度会降低；同时切削速度较高时（即
切削温度较高），应变速率增大，又会使切削区工件材料的强度增大。最终的 影响结果取决这正反两方面的主、次地位。 通常，切削温度较高，切削区工件材料的强度会降低，材料的被切削性能 好，表现为切削力有下降趋势。 2 、对刀具材料的影响 适当提高切削温度，可提高刀具材料的强度、韧性。所以，硬度高，但强 度、韧性差的刀具材料易采用较高切削速度，这样不易崩刃（如：陶瓷、金刚 石、 立方氮化硼）。 3、 对工件尺寸精度的影响 工件、刀杆受热膨胀，使切削加工后零件尺寸精度及形状精度降低，精 加工时必须注意。 4、利用切削温度自动控制切削速度或进給量。 5、也可同时用切削温度与切削力作为控制型号，控制刀具磨损。
第Ⅰ变形区——切屑的弹、塑性变形功，产生的热为qs。 第Ⅱ变形区——切屑与前刀面的摩擦功，产生的热为qr 。 第Ⅲ变形区——刀具后刀面与工件的摩擦功。 2、切削热的传导 ⑴ 切削热的传导 切削塑性金属，为研究问题方便，忽略后刀面与工件摩擦产生的热，则切削热分别由刀具(qτ）、 切屑（qc）、工件（qw）及周围介质传出（比例较小忽略），具体比例如下： qc=R1. qs+R2.qr qτ=（1-R2) qr qw=（1-R1) qc 其中 ：R1—剪切热传入切屑的比例 ；R2 —摩擦热传入切屑的热 。 ⑵ 影响热传导的的主要因素： ① 工件材料的导热系数↑ qc ↑、 qw ↑，则切削区的温度θ↓ ② 刀具材料导热系数↑ qτ ↑，则切削区的温度θ↓ ③ 刀、屑接触时间 ↑ 则切削区的温度θ ↑ ⑶ 影响 R1、R2大小的因素 ① R1:通常V ↑、ac ↑ R1 ↑
四、切削温度对切削过程的影响
1、切削温度对工件材料被切削性能的影响 切削温度较高，切削区工件材料的强度会降低；同时切削速度较高时（即
切削温度较高），应变速率增大，又会使切削区工件材料的强度增大。最终的 影响结果取决这正反两方面的主、次地位。 通常，切削温度较高，切削区工件材料的强度会降低，材料的被切削性能 好，表现为切削力有下降趋势。 2 、对刀具材料的影响 适当提高切削温度，可提高刀具材料的强度、韧性。所以，硬度高，但强 度、韧性差的刀具材料易采用较高切削速度，这样不易崩刃（如：陶瓷、金刚 石、 立方氮化硼）。 3、 对工件尺寸精度的影响 工件、刀杆受热膨胀，使切削加工后零件尺寸精度及形状精度降低，精 加工时必须注意。 4、利用切削温度自动控制切削速度或进給量。 5、也可同时用切削温度与切削力作为控制型号，控制刀具磨损。
第Ⅰ变形区——切屑的弹、塑性变形功，产生的热为qs。 第Ⅱ变形区——切屑与前刀面的摩擦功，产生的热为qr 。 第Ⅲ变形区——刀具后刀面与工件的摩擦功。 2、切削热的传导 ⑴ 切削热的传导 切削塑性金属，为研究问题方便，忽略后刀面与工件摩擦产生的热，则切削热分别由刀具(qτ）、 切屑（qc）、工件（qw）及周围介质传出（比例较小忽略），具体比例如下： qc=R1. qs+R2.qr qτ=（1-R2) qr qw=（1-R1) qc 其中 ：R1—剪切热传入切屑的比例 ；R2 —摩擦热传入切屑的热 。 ⑵ 影响热传导的的主要因素： ① 工件材料的导热系数↑ qc ↑、 qw ↑，则切削区的温度θ↓ ② 刀具材料导热系数↑ qτ ↑，则切削区的温度θ↓ ③ 刀、屑接触时间 ↑ 则切削区的温度θ ↑ ⑶ 影响 R1、R2大小的因素 ① R1:通常V ↑、ac ↑ R1 ↑
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。
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这是将两种预先标定好的金属丝组成的热电偶热端焊接 在刀具或者工件待测温度点上，尾端通过导线直接串接在电 位差计或者毫伏表上，切削时根据表上的指示电势值，查对 照表，便可得知欲测点的切削温度。
用人工热电偶法只能测与前刀面有一定距离某点处的温度。 图5.5和图5.6为采用人工热电偶法测量，并辅以传热学 计算所得到的刀具、切削和工件的切削温度分布情况。
式中 Pc ——每秒钟产生的切削热（J/s）； Fc ——切削力（N）； vc ——切削速度（m/s）。 切削热可由切削、工件、刀具和周围介质传导出去。 影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周 围介质的状况。
工件材料的导热系数大时，由切削区传导到切削和
工件的热量较多，因而切削区温度较低，但整个工件温升 较快。切削导热系数较大的铜和铝时，切削区温度
较低，故刀具使用寿命教高；但工件温升较快，由于热胀
冷缩的影响，切削时测量的尺寸与冷至室温时的尺寸往往 不符。 若工件材料的热导系数较小，切削热不容易从切屑和 工件方面传导出去，因而切削区温度较高，加剧刀具磨损。
例如，切削不锈钢和高温合金时，由于它们的导热系数小， 切削区温度很高，刀具磨损很快，必须采用耐热和耐磨性能 较好的刀具材料，并且浇注充分的切削液予以冷却降温。
图5.7给出了切削速度与切 削温度的关系曲线。二者 关系可表示成指数形式。 (5.2)
式中
——切削温度； —— vc 对切削温 度的影响系数； x —— vc 对切削温 度的影响指数。
一般情况下硬质合金刀具切钢时，x=0.26-0.41，进给
量越大，则x越小。这是因为进给量越大，切削厚度大，切 削的热容量大，带走的热量多，所以切削区的温度上升较为
5.3.3 工件材料对切削温度的影响
这里主要分析工件材料的强（硬）度、导热系数等力学
物理性能及热处理状态对切削温度的影响。 工件材料的强（硬）度和导热系数对切削温度有很大的 影响。工件材料的强（硬）度越高，切削力越大，产生的切 削热量也越多，切削温度就越高。工件材料的导热系数越大， 由工件和切削传导出去的热量越多，切削温度就越低。
第五章 切削热与切削温度
5.1 切削热的产生与传出 5.2 切削温度及其测量方法 5.3 影响切削温度的因素
切削热和由它产生的切削温度是金属切削过程中又 一重要物理现象。切削时消耗的能量约96%--99%转化为 热能。大量的切削热使得切削区温度升高，直接影响刀 具的磨损和工件的加工精度及表面质量.
5.1
切削热的产生与传出
切削时共有三个生热区: 即剪切面区、切削与前刀面 接触区、后刀面与加工表面接触 区。如图5.1所示。所以，切削 热来源于切削时消耗的变形和刀 具与切削、刀具与工件间的摩擦 功。
如果忽略后刀面上的摩擦功和进给运动给运动做的 功，并假定主运动所做的功全部转化为热能，则单位时间 内产生的切削热Pc 为
5.2
切削温度及其测量方法
切削温度一般是指刀具与工件接触区域的平均温度。
切削温度的测量方法很多，可归纳为以下情况：
单车刀法 自然热电偶法 双车刀法 热电偶法 插入刀具法
人工热电偶法
插入工件法 辐射热计法 PbS电池法
切削温度测定法
辐射温度计法
锗光电二极管法 红外线干板（或胶片）法 热敏颜料法 热敏电阻法 其他 量热计法 金属组织观察法
由图可以看出：1）前刀面上温度最高处并不在切削刃 口处，而是在距离刃口有一定距离的位置，工件材料塑性越 大，距离刃口越远，反之越近。这是因为热量沿前刀面有个 积累过程的缘故，这也是刀具磨损严重之处。2）切削底层 的温度梯度最大，说明摩擦热集中在切削底层与前刀面的接 触处。
5.3
5.3.1
影响切削温度的因素
切削用量对切削温度的影响
1. 切削速度vc
切削速度对切削温度有较显著的影响。其原因是：当切 削速度提高时，单位时间的金属切除率成正比增多，刀具与 工件及切削间的摩擦加剧，因为产生大量的切削热。由于第 一变形区和第二变形区的热量向工件和切削内部传导需要一 定的时间，因此，提高切削速度的结果是摩擦热大量的积聚 在切削底层来不及传导出去，从而使切削温度上升。 但是随着切削速度的提高，单位切削功率和单位切削力 有所减小，因此切削热和切削温度不与切削速度成正比增加。
2. 主偏角
主偏角对切削温度的影响如 图5.11所示。随主偏角的增 大，切削温度升高。这是因 为主偏角增大，一方面使切 削刃工作长度缩短，切削热 相对集中，同时刀尖角减小 ，散热条件变差，因此切削 温度升高。
3. 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0-1.5mm范围内变化时，基本不影响切削温度。
5.2.1
自然热电偶法
自然热电偶法是以刀具和工件作为热电偶的两极，组成 热电回路测量切削温度的方法。 图5.2所示是在车床上利用自然热电偶法测量切削温度的 装置示意图。
切削加工时，刀具和工件处在较高的切削温度作用下， 形成热电偶的热端，工件与刀具的引出端形成热电偶的冷端。 在此回路中必然有热电势产生，如用仪表将其值测出或记录 下来，再根据事先标定的刀具-工件所组成热电偶的热电势与 温度关系曲线（标定曲线），便可求得刀具与工件接触区的 切削温度值。
图5.12给出了不同切削速度下，几种典型材料的切削温度。
不难看出： （1）切削脆性材料时，切削温度一般比切削碳钢时低。 切削灰铸铁HT200的切削温度约比切削45钢时低20%-30%。
（2）切削不锈钢和高温合金时，切削温度要比切削其 材料时高得多（图5.12）。
（3）切削合金结构钢时， 因其强度普遍高于45钢， 而导热系数又小与45钢， 所以，切削合金结构钢时 的切削温度一般高于切削 45钢时的切削温度 （图5.13）
缓慢。
2. 进给量f
随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，使 切削温度上升。但随着进给量的增大，单位切削力和单位切 削功率将减小，此外，当进给量增大后，切削厚度增大，由 切削带走的热量增多，同时切削与前刀面的接触长度加长， 散热面积增大。综合以上几方面的影响，切削温度随进给量 的增加而升高，但升高的幅度不如切削速度那样显著。
图5.8是通过实验获得的进给量f对切削温度 曲线，可表示为
的影响
3. 背吃刀量 背吃刀量对切削温度的影 响很小。这是因为背吃刀 量增大后，切削区产生的 热量虽然成正比增多，但 因切削刃参加切削工作的 长度也成正比增大，大大 改善了散热条件，因此切 削温度上升甚微。
切削温度
与背吃刀量
的关系式为
(5.4)
切削用量三要素中，切削速度对切削温度的影响较为 显著，进给量的影响次之，背吃刀量的影响微小。因此， 为了有效的控制切削温度，以提高刀具使用寿命，选用大 的背吃刀量和进给量比选用切削速度更为有利。
5.3.2 刀具几何参数对切削温度的影响
1. 前角 图5.10表明，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 切削热减小的缘故。
（4）切削热处理状态不同 的材料，因强度和硬度不同， 切削温度也不同。图5.14 是切削三种不同热处理状态 的45钢时切削温度的曲线。 淬火状态（ ） 的切削温度最高，调质状态 （ ）次之， 正火状态（ ） 的切削温度最低。
5.3.4 其它因素对切削温度的影响
主要讲刀具磨损和切削液对切削温度的影响。 刀具磨损后，切削刃变钝，使后刀面与加工表面间的摩 擦加大，均使切削温度升高。 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：一方面可以减小切削与前刀面、后刀面与工件的摩擦； 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，与其导热系数、比热容、流量及浇注 方式有关。
图5.3给出了YT15硬质合 金与几种钢材组成的电 偶标定曲线。 由此可以看出，用 自然热电偶法测得的是 切削区的平均温度，切 削区指定点的温度则不 能测得。另外,不同的刀 具材料与工件材料所组 成的热电偶，均要进行 标定。Βιβλιοθήκη 5.2.2人工热电偶法
图5.4是用人工热电偶法测量刀具前刀面和工件某点温度 的示意图。
刀具材料的导热系数大时，切削区的热量容易从刀具方 面传导出去，也能降低切削区的温度。例如，YG类硬质合金 的导热系数普遍大于YT类硬质合金的导热系数，且抗弯强度 较高，所以在切削导热系数小、热强性好的不锈钢和高温合 金时，多采用YG6X、 YG6A等牌号的YG类硬质合金。 采用冷却性能较好的切削液也能有效的降低切削温度。 此外，切削与刀具的接触时间也影响切削温度。例如，外圆 车削时，切削形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中， 传给刀具的切削热就减少了；但在进行半封闭式容屑的钻削 加工时，切屑形成后仍较长时间与道具接触，由切屑所带走 的切削热再次传给刀具，使得切削温度升高。 例如，车削加工时，切削带走的切削热约为50%80%,40%-10%传入车刀， 9%-3%传入工件，1%传入周围介质 （如空气）。 钻削加工时，约有28%的切削热由切削带走，15%传入 钻头，52%传入工件，5%传入周围介质。