金屬切削過程中的切削熱及切削溫度的影響因素研究

【摘要】在金屬的切削加工中，由于被切削金屬層的擠壓變形和刀具與工件間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的切削熱，從而使刀頭的切削溫度迅速上升，進(jìn)而使刀具磨損加快，并會影響到工件的加工質(zhì)量。針對這一問題，本文對切削加工中切削熱的產(chǎn)生與傳散及影響切削溫度的因素做了研究。

【關(guān)鍵詞】金屬切削；切削熱；切削溫度

一、切削熱的產(chǎn)生與傳散

（一）切削熱的產(chǎn)生

我們知道，金屬的切削過程，其實質(zhì)就是被切削金屬層受到刀具前刀面的擠壓作用而產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移，然后從母體分離轉(zhuǎn)變?yōu)榍行嫉淖冃芜^程。如圖1所示，在上述的金屬切削過程中會產(chǎn)生三個變形區(qū)，而切削熱就來源于這三個變形區(qū)。在第Ⅰ變形區(qū)，由切削層金屬的彈性變形和塑性變形而產(chǎn)生的熱，傳散到切屑與工件上，這是主要的熱源；在第Ⅱ變形區(qū)，由切屑與刀具前面摩擦所產(chǎn)生的熱傳散到切屑與刀具上；在第Ⅲ變形區(qū)，由工件與刀具后面摩擦而產(chǎn)生的熱傳散到工件和刀具上。

（二）切削熱的傳散

切削熱主要通過切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳散。傳入切屑和介質(zhì)的切削熱越多，對加工越有利。傳入刀具的熱量雖不多，但因刀頭體積小，所以溫度高，高速切削時刀頭上的溫度最高處可達(dá)1000℃以上，刀頭溫度過高，將加快刀具磨損。傳入工件的熱會引起工件的熱變形，影響尺寸和形狀精度。特別是加工薄壁零件、細(xì)長零件和精密零件時，熱變形的影響更大。

影響熱傳導(dǎo)的主要因素是工件和刀具材料的導(dǎo)熱能力以及周圍介質(zhì)的狀況。一般情況下，切削熱大部分由切屑帶走和傳入工件，以保證刀具的正常切削。各部分傳熱的比例取決于具體的切削條件。例如，不使用切削液，以中等切削速度車削鋼料外圓時，切削熱的50%～86%由切屑帶走，10%～40%傳入工件，3%～9%傳入車刀，1%左右傳入空氣。和上述條件一樣，鉆削鋼料時，散熱條件差，切削熱的28%左右由切屑帶走，約15%傳入工件，約52%傳入鉆頭，5%左右傳入周圍介質(zhì)。

二、切削溫度及影響切削溫度的因素

（一）工件材料

材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削時消耗的功率就多，產(chǎn)生的切削熱也多，溫度就越高。脆性材料在切削過程中塑性變形很小，所以產(chǎn)生的熱少，溫度也較低。

材料的導(dǎo)熱性好，由切屑和工件傳導(dǎo)出的熱量就多，切削溫度就較低，但整個工件的溫度升高很快，易使工件因熱變形而影響加工精度；如果材料的導(dǎo)熱性差，則切削溫度較高，又對刀具不利。

（二）切削用量

增加切削用量，單位時間內(nèi)金屬的切除量增多，則切削熱也相應(yīng)增多，切削溫度上升。但是，切削用量的增加也改善了散熱條件。因為切削速度vc增加，使切屑流速加快，切屑上的熱量來不及傳到刀具和工件上，就被切屑帶走；進(jìn)給量f增加，使切屑變厚，熱容量增加，傳入切屑的熱量增加；背吃刀量ap增加，使切削刃上參加切削的長度增加了，增加了散熱面積。因此，切削用量的成倍增加不會帶來切削溫度的成倍上升。在切削用量中，切削速度vc對切削溫度的影響最大（實際上切削速度是影響切削溫度的主要因素），進(jìn)給量f次之，背吃刀量ap的影響最小。 研究表明，vc增加一倍，切削溫度升高20%～30%； f增加一倍，切削溫度升高約10%；ap 增加一倍，切削溫度升高約3%。因此，粗加工在需要增大切削用量、提高切削效率時，從減少切削溫度方面考慮，采用增大吃刀量或進(jìn)給量，比增大切削速度有利。

（三）刀具角度

前角：前角增大，可使切削變形和摩擦減小，因此產(chǎn)生的熱量少，因而切削溫度降低。但前角增大到一定角度后若進(jìn)一步增大，則會因刀頭的散熱體積減小，散熱變差，切削溫度不會進(jìn)一步降低，反而會升高。如圖1所示，前角對切削溫度的影響，呈“駝谷型”，它的谷底前角（一般為15°左右）是切削溫度最低的前角。

主偏角：主偏角減小，可增加主切削刃的工作長度，改善了散熱條件，同時，主偏角減小，會使刀尖角增大，使刀尖處的散熱面積增大，因而降低了切削溫度。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性足夠大時，可選用小的主偏角以降低切削溫度。

刀尖圓弧半徑：刀尖圓弧半徑增大，則被切削材料的塑性變形加大，切削溫度升高，但大圓弧半徑增加了刀尖處的散熱面積，降低了刀尖處的局部切削溫度。

（四）切削液

使用切削液能迅速從切削區(qū)帶走大量熱量，又能減小摩擦，可使切削溫度明顯下降。

三、結(jié)束語

金屬切削中的切削熱和由此產(chǎn)生的切削溫度是金屬切削過程中的一個重要物理現(xiàn)象。大量的切削熱使得切削區(qū)域的溫度迅速升高，直接影響到刀具的磨損和耐用度，并會影響零件的加工質(zhì)量。切削溫度也是自動化生產(chǎn)中的一項重要監(jiān)控因素，因此，研究切削熱和切削溫度的變化規(guī)律對生產(chǎn)加工有重要的意義。

作者簡介：王謙（1982.09—），男，碩士，助教，研究方向：數(shù)控技術(shù)。