机械类-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
切削温度
Q Fc
vc
式中 Q——单位时间产生的热量，单位：J / s； Fc——切削力，单位：N； vc——切削速度单位：m / s。
三、切削热和切削温度
2. 切削温度的分布
a） 法平面内的切削温度分布 b）刀具前面上的切削温度分布 图3-33 切削温度的分布
3.影响切削温度的主要因素
(2)切削用量
切削速度
Q Fc
vc
3.影响切削温度的主要因素
综上所述，切削用量对切削温度的影响 程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃 刀量最小。 因此，若要切除给定的余量，又要求切 削温度较低，则在选择切削用量时，应优先 考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当 的进给量，最后再选择合理的切削速度。 上述切削用量选择原则是从最低切削温 度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规 程时，确定切削用量的原则。
3.影响切削温度的主要因素
刀具几何参数 主偏角
三、切削热和切削温度
3.影响切削温度的主要因素 (1)工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大， 单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。 工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的 切削热相应增多，切削区的平均温度降低。
例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导 热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢 的切削温度高于切削45钢的切削温度。
273v c
0.26
f
0.07
asp
0.01
三、切削热和切削温度
1.切削热的来源与传出
加工方法
车削 铣削 钻、镗削 磨削
切屑
工件
刀具
<5% 5% 15% 12%
50~80% 10~40% 70% 30% 4% <30பைடு நூலகம் >50% >80%
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。
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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工序1：在车床上车外圆、车端面 、镗孔 和内孔
倒角； 工序2：在钻床上钻6个小孔。
在同一道工序中，工件可能要经过几次 安装。 工件在 一次装 夹中所 完成的 那部分
工序，称为安装。在工序1中，有两次 安装。 第一次 安装： 用三爪 卡盘夹 住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角， 车外圆 。第二
次安装：调头用三爪盘夹住外圆，车 端面A和B，内 孔倒角 。
学和贝尔实验室从事这一领域的研究 与开发 ，年资 助额从100万、 200万 加到1993年的500万美 元。1994年发 布的《 美国国 防部技
术计划》报告，把MEMS列为关键技 术项目 。美国 国防部 高级研 究计划 局积极 领导和 支持MEMS的 研究和 军事应 用，现 已建成 一条
MEMS标准工艺线以促进新型元件/装 置的研 究与开 发。美 国工业 主要致 力于传 感器、 位移传 感器、 应变仪 和加速 度表等 传感器 有
三个热源产生热量的比例与工件材料、切削条件等有关。 切削塑性材料,当切削厚度较大时,以第Ⅱ变形区产生的热 量为最多,约占60%～80%;当切削厚度很小时,由于严重 的挤压作用,第Ⅲ变形区所产生的热量占相当大的比重。 加工脆性材料时,因形成崩碎切屑,刀—屑接触长度很小, 故第Ⅱ变形区产生的热量比重下降,而第Ⅲ变形区产生热 量的比重相应增加。
主偏角增大,在相同的背吃刀量下,主切削刃参加切削
r
的长度缩短,传热面积减小,切削热相对集中,同时还使 刀尖角减小,散热条件变差,切削温度升高。如图3-27所
示。
4．刀具磨损 刀具磨损后,切削刃变钝,刃区前方对切屑的挤压作用增大,塑性 变形增加,从而使切削力及功率的消耗增加。所以当刀具磨损严 重后切削温度会急剧升高。
床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机 械设备 制作零 件的过 程。 编辑本段微型机械加工技术的国外发 展现状
机械产品 1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔 物理奖 获得者) 就提出 了微型 机械的 设想。 1962年 第一个 硅微型 压力传 感器问 世，其
要技术领域与其他国家的竞争中走在 前面"， 建议中 央财政 预支费 用为五 年5000万美元 ，得到 美国领 导机构 重视， 连续大 力投资
，并把航空航天、信息和MEMS作为 科技发 展的三 大重点 。美国 宇航局 投资1亿 美元着 手研制 "发现 号微型 卫星"， 美国国 家科学 基
金会把MEMS作为一个新崛起的研究 领域制 定了资 助微型 电子机 械系统 的研究 的计划 ，从1998年开 始，资 助MIT ，加州 大学等8所大
大的不同。 编辑本段加工余量
为了加工出合格的零件，必须从毛坯上 切去的 那层金 属的厚 度，称 为加工 余量。 加工余 量又可 分为工 序余量 和总余 量。某 工
序中需要切除的那层金属厚度，称为 该工序 的加工 余量。 从毛坯 到成品 总共需 要切除 的余量 ，称为 总余量 ，等于 相应表 面各工 序
后开发出尺寸为50～500μm的 齿轮、 齿轮泵 、气动 涡轮及 联接件 等微机 械。1965年， 斯坦福 大学研 制出硅 脑电极 探针， 后来又 在
扫描隧道显微镜、微型传感器方面取 得成功 。1987年美国 加州大 学伯克 利分校 研制出 转子直 径为60～12μ m的利用 硅微型 静电机
，显示出利用硅微加工工艺制造小可 动结构 并与集 成电路 兼容以 制造微 小系统 的潜力 。
度达1.5μm的微细轴。
工艺基础的基本概念
编辑本段生产过程和工艺过程
生产过程是指从原材料（或半成品）制 成产品 的全部 过程。 对机器 生产而 言包括 原材料 的运输 和保存 ，生产 的准备 ，毛坯 的
制造，零件的加工和热处理，产品的 装配、 及调试 ，油漆 和包装 等内容 。生产 过程的 内容十 分广泛 ，现代 企业用 系统工 程学的 原
成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年 启动的7000万 法郎的" 微系统 与技术 "项目 。欧共 体组成" 多功能 微系统 研究网 络
NEXUS"，联合协调46个研究所的研 究。瑞 士在其 传统的 钟表制 造行业 和小型 精密机 械工业 的基础 上也投 入了MEMS的 开发工 作，
1992年投资为1000万美元。英国政府 也制订 了纳米 科学计 划。在 机械、 光学、 电子学 等领域 列出8个 项目进 行研究 与开发 。为了
相变化﹐称热加工。冷加工按加工方 式的差 别可分 为切削 加工和 压力加 工。热 加工常 见有热 处理﹐ 煅造﹐ 铸造和 焊接。
机械加工 另外装配时常常要用到冷热处理。例 如：轴 承在装 配时往 往将内 圈放入 液氮里 冷却使 其尺寸 收缩， 将外圈 适当加 热使其 尺寸放 大
，然后再将其装配在一起。火车的车 轮外圈 也是用 加热的 方法将 其套在 基体上 ，冷却 时即可 保证其 结合的 牢固性 （此种 方法现 在
切削时所产生的热量由切屑、工件、刀具
及周围介质传出,分别用Q屑、Q工 、Q刀 、
Q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:
Q=Q弹+Q塑+Q前摩+Q后摩=Q 屑+Q工+Q刀 +Q介
2．切削用量
切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度,其 次是进给量f,背吃刀量影响最小。因为当切削用
欧洲工业发达国家也相
继对微型系统的研究开发进行了重点 投资， 德国自1988年 开始微 加工十 年计划 项目， 其科技 部于1990～1993年拨 款4万马 克支持 "
微系统计划"研究，并把微系统列为本 世纪初 科技发 展的重 点，德 国首创 的LIGA工艺， 为MEMS的发 展提供 了新的 技术手 段，并 已
日本通产省1991年开始启动一项为期10年、 耗资250亿日元 的微型 大型研 究计划 ，研
制两台样机，一台用于医疗、进入人 体进行 诊断和 微型手 术，另 一台用 于工业 ，对飞 机发动 机和原 子能设 备的微 小裂纹 实施维 修
。该计划有筑波大学、东京工业大学 、东北 大学、 早稻田 大学和 富士通 研究所 等几十 家单位 参加。
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。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。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。切削温度 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,且使一些耐 热性好、脆性大的刀具材料(如硬质合金、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,会加速刀具的磨损, 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,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。
量大削的,所长以c度切、以削f、相温aa同p度p 增比升大例高时增。,加变但,形显和著增a摩改大p 擦善后加了,主剧散切,热切削c 条削刃件功参;率f加增增切大,
切屑与前刀面接触长度增加,切屑变形减小,切屑带走 的热量也增加,散热条件有所改善; 增高,虽然使
切条削件力较 略 差c 为 。减 实少 验得,但出切,屑当切与削前速刀度面增接大触一长倍度时减短,切,散 削热 温
微型机械在国外已受到政府部门、
企业界、高等学校与研究机构的高度 重视。 美国MIT、Ber keley、 Stanfor d\AT&T的15名科学 家在上 世纪八 十年代 末提出" 小机器
、大机遇：关于新兴领域--微动力学 的报告" 的国家 建议书 ，声称" 由于微 动力学 (微系 统)在美 国的紧 迫性， 应在这 样一个 新的重
梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴 、湿度 、流量 传感器 以及多 种光学 器件。 美国加 州理工 学院在 飞机翼 面粘上 相当数 量的1mm
的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机 的空气 动力学 特性。 美国大 批量生 产的硅 加速度 计把微 型传感 器(机械 部分) 和集成 电路(电
信号源、放大器、信号处理和正检正 电路等) 一起集 成在硅 片上3m m×3m m的 范围内 。日本 研制的 数厘米 见方的 微型车 床可加 工精
一、切削热的来源与传出
切削过程中变形和摩擦所消耗功的98%～99%转变为 热能。如图3-21所示,切削热来源于三个变形区。在第一 变形区内由于切削材料发生弹性变形和塑性变形产生大
量的热量,分别用Q弹、Q塑表示;第二变形区由于刀具 前面跟切屑摩擦产生的热量,用Q前摩表示;第三变形区 由于刀具后面跟工件摩擦产生的热量,用Q后摩表示。
5．切削液 使用切削液带走大量热量,切削温度降低。具体作用详见后章。
机械加工是一种用加工机械对工件的 外形尺 寸或性 能进行 改变的 过程。 按被加 工的工 件处于 的温度 状态﹐ 分为冷 加工和 热加工 。
一般在常温下加工，并且不引起工件 的化学 或物相 变化﹐ 称冷加 工。一 般在高 于或低 于常温 状态的 加工﹐ 会引起 工件的 化学或 物
关领域的研究。很多机构参加了微型 机械系 统的研 究，如 康奈尔 大学、 斯坦福 大学、 加州大 学伯克 利分校 、密执 安大学 、威斯 康
星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。 加州大 学伯克 利传感 器和执 行器中 心(BSAC)得到 国防部 和十几 家公司 资助1500万元 后，建 立
了1115m2研究开发MEMS的超 净实验 室。
度约增高20%a~p 30%,当进给量f增加一倍,切削温度增 高10%左右,当背吃刀量增加一倍时,切削温度只增高 约4%。
3． 刀具几何参数
前角增大,变形和摩擦减小,切削温度降低;但前角太大,散
o 热体积减小,切削温度反而上升,因此,刀具前角有一最佳值。