刀具课件第5章.doc

第5章 切削热与切削温度 切削过程中所消耗的功绝大部分都转变为切削热，由它产生的切削温度将引起金属材料的物理力学性能发生变化，从而影响切削过程本身。尤为重要的是切削温度对刀具磨损、工件加工精度和表面质量具有明显的影响作用。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。 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5-1 切削热的来源与传导 这三个热源产生热量的比例与工件材料、切削条件等有关。加工塑性材料（钢料），在切削厚度较大、主后面磨损不大时，第三变形区产生的热量比例很小，第一变形区产生的热量比例最大。如图5-2所示为三个变形区产生热量的比例关系。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。当切削厚度大于0.4 mm时，第一变形区产生的热量约占60％～80％。而当切削厚度很小时，由于严重的挤压作用，第三变形区所产生的热量则占相当大的比重。 当加工灰铸铁等脆性材料时，因形成崩碎切屑，刀具与切屑接触长度很小，故第二变形区产生的热量比重下降，而第三变形区产生热量的比重相应增加。 图5-2 三个变形区产生热量的比例 1—第一变形区； 2—第二变形区； 3—第三变形区 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％）。 传入切屑、工件和刀具的热量比例除了与三个变形区产生的热量比例有关外，还与工件材料的导热系数、切屑与前面的接触长度以及切削条件等有关。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。 表5-1 切屑、工件、刀具中切削热的分布 切削热传入对象 切屑 工件 刀具 周围介质 车削 50%～86% 3%～9% 10%～40% 1% 钻削 28% 52.5% 14.5% 5% 由表5-1可知，钻削时切削热传入工件的比例比车削时大得多。这是由于钻削属于半封闭式加工，切屑与工件和刀具的接触时间长，将自身所带的热量传给工件和刀具所致。 5.2 切削温度的测量方法 通常所说的切削温度，如无特别注明都是指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。切削温度的测量是切削实验研究中重要的技术，可以用来研究各因素对切削温度的影响，也可用来校核切削温度理论计算的准确性，还可以把所测得的切削温度作为控制切削过程的讯号源。 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 当两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，且该连接处受高温作用（称为热端），而两个导体的另一端处于低温（称为冷端），则在热端与冷端之间就会产生一个热电势。将毫伏表或电位差计接在两导体的冷端，则可测量出由热端与冷端产生的热电势。该两种不同成分导体的组合称为热电偶。 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。 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 自然热电偶法测量切削温度的不足之处是此法不能测量切削区各部分的温度分布，且无法找到最高温度的位置，对非导体刀具材料（如陶瓷等）无法使用。 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。 （a）测量刀具前面某点的温度示意图 （b）测量工