切削熱對數(shù)控車削加工的影響及消除

宋亮

摘 要： 在數(shù)控加工過程中，刀具和工件摩擦?xí)a(chǎn)生大量切削熱，從而使刀具磨損加快，工件質(zhì)量下降。針對這一問題，本文就切削熱產(chǎn)生及消除方法加以論述，并提供一個比較好的解決途徑。

關(guān)鍵詞： 切削熱 刀具材料角度 切削用量 切削液一、引言

在現(xiàn)代數(shù)控車床加工中，切削熱的產(chǎn)生會對工件加工產(chǎn)生不利影響，包括加速刀具磨損，工件受熱變形，以及影響工件加工精度和加工效率等，因此如何去除或者減少切削熱的產(chǎn)生有重要意義，要想去除或者減少切削熱，首先要分析切削熱產(chǎn)生的原因，然后根據(jù)切削熱產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)措施，減少或者去除切削熱，以提高數(shù)控車床加工工件的加工精度和加工效率。

二、切削熱的產(chǎn)生

切削過程中，由于被切削材料變形、分離及刀具和被切削材料間的摩擦產(chǎn)生的熱量稱為切削熱。

如圖1所示，機床刀具與工件被切削表面間產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生大量熱量，熱量積聚在刀尖處不能很快釋放，因此溫度急劇升高。切削過程中產(chǎn)生的切削熱大部分由切屑帶走，但高速切削時刀尖溫度可高達1000度以上。

被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與刀具前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，產(chǎn)生大量熱量。因此，切削時共有三個發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)，三個發(fā)熱區(qū)與三個變形區(qū)相對應(yīng)。所以，切削熱的來源就是切屑變形功和前、后刀面的摩擦功。

三、切削熱對工件加工的影響

如圖2所示，當機床刀具和工件產(chǎn)生摩擦?xí)r，會因為摩擦產(chǎn)生耗功現(xiàn)象，產(chǎn)生大量熱量，如果熱量不能及時傳散，則刀具溫度急劇升高，根據(jù)熱脹冷縮的原理，刀具會因為熱量產(chǎn)生而膨脹伸長，引起刀具實際被吃刀量大于理論吃刀量，使工件實際尺寸減小，產(chǎn)生廢品。

工件受熱膨脹，尺寸發(fā)生變化，切削后不能達到要求的精度，造成測量誤差。

工件受熱膨脹，但因不能自由伸展而發(fā)生彎曲變形，造成形狀誤差。

刀具的切削溫度大于500度時，會加劇磨損，帶來不利影響，切削溫度高是刀具磨損的主要原因，它將限制生產(chǎn)率提高。

切削溫度使加工精度降低，使已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

以上都是切削熱對數(shù)控加工的影響。

四、減少切削熱和降低切屑溫度的工藝措施

分析各因素對切削溫度的影響，首先應(yīng)從這些因素對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出的熱量的影響入手。如果產(chǎn)生的熱量大于傳出的熱量，則這些因素將使切削溫度增高；如果某些因素使傳出的熱量增大，則這些因素將使切削溫度降低。

1.合理選擇刀具材料

切削溫度升高，會加速刀具磨損，使工件和機床產(chǎn)生熱變形，影響零件加工精度。合理選擇切削材料有助于降低對工件加工的影響。合金鋼的強度大，導(dǎo)熱系數(shù)小，所以切削合金鋼時刀具磨損對切削溫度的影響，就比切碳素鋼時大。我們可以選擇一些耐高溫比較好的材料，如金剛石類刀具、陶瓷類刀具和各種硬質(zhì)合金刀具都有較高的耐熱性。

2.合理選擇切削用量

（1）切削速度的選擇

隨著切削速度提高，切削溫度將明顯上升。如圖3所示，原因如下：當切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦，因而產(chǎn)生很多熱量。而這摩擦熱主要是在切屑很薄的底層里產(chǎn)生的。如果切削速度提高，則摩擦熱生成的時間很短，而切屑底層產(chǎn)生的切削熱向切屑內(nèi)部和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)都需要一定時間。因此，提高切削速度的結(jié)果是摩擦熱來不及向切屑和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)，而是大量積聚在切屑底層，從而使切削溫升高。此外，隨著切削速度提高，單位時間內(nèi)的金屬切除量成正比例增多，消耗的功增大了，切削熱也會增加。而隨著切削速度提高，單位切削力和單位切削功率卻有所減小，故切削熱和切削溫度不與切削速度成正比例增加。

（2）進給量的選擇

進給量f對切削溫度也有一定影響，如圖4所示，隨著進給量增大，切削過程產(chǎn)生的切削熱增多，使切削溫度上升。因為單位切削力和單位切削功率隨進給量增大而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量減小，所以增大進給量時，產(chǎn)生的切削熱不與金屬切除量成正比例增加，而是前者增加得慢一些。此外，當進給量增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多。

（3）切削深度的選擇

切削深度ap對切削溫度的影響很小，如圖5所示，因為切削深度ap增大以后，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖然成正比例增多，但因切削刃參加切削工作的長度成正比例增長，改善散熱條件，所以切削溫度降低，綜上可以看出，想要提高切削效率，而使切削熱相對較小，減小刀具磨損時應(yīng)首先考慮增大切削深度，其次考慮進給量。

3.刀具幾何參數(shù)的影響

如圖6所示，前角r是刀具前刀面與基面間的夾角。當前角r1=8度時，工件切削時單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量小，切削溫度隨前角增大而降低。前角增大使單位切削力下降，產(chǎn)生的切削熱減少。但是刀具前角繼續(xù)增大時刀具溫度不降反升，這是因為楔角變小而使散熱體積減小的緣故。

當前角r2=0度時，刀尖溫度保持在較高水平。

當前角r3=-8度時，刀具溫度比較低，這是因為刀具前角增大，刀具散熱體積增大，所以溫度容易散出。

當前角大于18～20度后，對切削溫度的影響減小，強度被削弱，散熱能力降低，容易造成磨損和崩刃。一般硬質(zhì)合金車刀車削鋼件時前角取10～25度；車削鑄鐵時取5～15度；高速鋼車刀在硬質(zhì)合金車刀的基礎(chǔ)上可適當加大些。所以要根據(jù)實際切削情況合理選擇刀具前角。

如圖7所示分別以主偏角a1為80度和主偏角a2為60度，車削條件相同的情況為例。

主偏角a1為80度時，其刀尖溫度明顯較高；主偏角a2為60度時，溫度稍低。

這是因為減小主偏角可增加主切削刃參加切削的長度，有利于散熱和減小刀具磨損。主偏角減小時，使切削寬度增大，切削厚度減小，故切削溫度下降。

但是這樣會使刀具作用于工件徑向的切削力增加。當工件剛性不足時，易引起工件彎曲和振動。常在45°～75°之間取，車細長軸時，為避免頂彎工件，應(yīng)在75°～90°之間取。

負倒棱在（0-2）f范圍內(nèi)變化，刀尖圓弧半徑在0～1.5mm范圍內(nèi)變化時，基本不影響切削溫度。因為負倒棱寬度及刀尖圓弧半徑的增大，會使塑性變形區(qū)的塑性變形增大，但另外這二者都能使刀具散熱條件有所改善，傳出的熱量有所增加，二者趨于平衡，所以對切削溫度影響很小。

4.適當選擇和使用切削液

切削液是一種用在金屬切、削、磨加工過程中，用來冷卻和潤滑刀具和加工件的工業(yè)用液體。切削液依靠熱傳導(dǎo)從切削區(qū)帶走大量切削熱，從而降低切削溫度。在切削速度高，刀具、工件材料導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大的情況下，切削液的作用尤顯得重要。切削液的冷卻性能取決于它的熱導(dǎo)率、比熱、汽化熱、氣化速度、流量、流速與本身溫度等。切削液中一般以水溶液的冷卻性能最好，乳化液次之，油類最差。從導(dǎo)熱性能看，油類切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。

五、結(jié)語

切削熱是切削過程中機械能向熱能的部分轉(zhuǎn)化，在加工過程中，切削熱會加大刀具磨損，增加換刀次數(shù)，影響加工效率，產(chǎn)生廢品，等等。切削速度在影響切削溫度方面比進給量和被吃刀量的影響更大。我們可以通過采用較大切深或進給量提高加工效率，而不是提高切削速度。同時刀具前角、主偏角、負倒棱對切削熱也有相應(yīng)影響。我們要選擇耐高溫較好的刀具材料。此外，切削液的正確選擇相當重要。通過以上方法我們可以降低或去除切削熱對數(shù)控加工過程的影響。

參考文獻：

[1]洪惠良主編.金屬切削原理與刀具.中國勞動社會保障出版社，2006.

[2]陳?？骶?機械制造工藝基礎(chǔ).中國勞動社會保障出版社，2007.

[3]孫大俊主編.機械基礎(chǔ).中國勞動社會保障出版社，2007.