切削热对加工的影响及分布规律

切削热和由它所引起的切削区温度升高是切削过程中重要的物理现象。切削热和切削温度直接影响到刀具的磨损，限制切削速度的提高，并影响加工质量。

1.切削热的来源与传导

切削过程中切削区的变形和摩擦所消耗的能量转化产生的热称为切削热，如图3-15所示。

切削热包括剪切变形区（第Ⅰ变形区）变形功形成的热Qp、切屑与刀具前面摩擦功形成的热Qγ、已加工表面与后面摩擦功形成的热Qα。产生总的切削热Q，分别传入切屑中QDh、刀具中Q、工件中Qw和周边介质中Qf。切削塑性金属材料时，切削热主要由Qp和Qγ形成；切削脆性金属材料时，Qα占的比例较大。切削热形成与传散的关系为

Qp+Qγ+Qα=QDh+Qw+Qc+Qf

切削热传至各部分的比例，一般情况是切屑的热量最多，工件次之，刀具中热量最少。例如，车削不加切削液时，传热的比例为：切屑中QDh为50%～86%，工件中Qw为40%～10%，刀具中Q为9%～3%，介质中Qf为1%。

图3-14　刃倾角对切削力的影响

图3-15　切削热的来源与传导

切削速度对传热比例的影响很大。提高切削速度，可使切屑带走的热量增多，流入工件的热量减少，而传入刀具的热量更少，如图3-16所示。因此，在高速切削时，虽然切削热很多，但刀具仍然能正常工作。

图3-16　切削速度不同时切削热的分配

Ⅰ—刀具；Ⅱ—工件；Ⅲ—切屑

2.切削温度

切削温度一般是指切屑、工件和刀具接触表面的平均温度。在正交平面内切屑、工件和刀具上各点的温度如图3-17所示。在靠近刀尖距切削刃一定距离的前面上的温度最高。此处是切屑与前面之间的压力中心。切削温度的高低取决于切削热产生的多少和传散的快慢。我们研究切削温度，就是要控制刀具上的最高温度，从而选择刀具材料，保证切削加工的顺利进行。切削温度可用经验公式进行计算，在此不做详细介绍。

3.影响切削温度的因素

切削温度是由切削热引起的，所以切屑变形、切削力对切削温度有影响，且切削温度与切削热传散的快慢有关。具体来看，影响切削温度的主要因素有以下几个方面。

1）工件材料

工件材料是影响切削温度基本的因素。工件材料的强度和硬度越高，消耗的切削功也就越多，切削温度也就越高，而且硬度越高，切削温度最高点越移向刀刃，刀具磨损加剧。工件材料的导热系数越小，切削区的热量传出越少，切削温度就越高。例如：加工导热性能不好的合金钢时的切削温度比加工45钢时高30%；不锈钢（lCr18Ni9Ti）的强度和硬度与45钢相近，但切削温度要高40%。脆性金属材料的强度一般都较低，切削时塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前面的摩擦也小，切削温度一般比塑性材料低。(www.xing528.com)

图3-17　切屑、工件和刀具上的温度分布

2）切削用量

切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大，进给量次之，背吃刀量的影响最小。

切削速度增加，切削温度明显增高，但不成正比，切削速度增加1倍时，切削温度增高30%～45%。原因是切削速度增大使切屑底层与前面摩擦加剧、热量增多，但因切削速度增加使变形系数减小，所以切屑底层与刀具前面热量增加的幅度降低。

进给量增加时，切削温度也增高，但影响较切削速度小，进给量增加1倍时，切削温度增高15%～20%。原因是进给量增加，切屑的平均变形减小，切屑厚度增加，切屑带走的热量增多，切屑与刀具的压力中心后移。

背吃刀量对切削温度的影响是切削用量中最小的一个，背吃刀量增加1倍时，切削温度只增高5%～8%。这是因为背吃刀量增加时，参加切削工作的切削刃也成正比地增加，大大改善了散热条件。

3）刀具角度

刀具角度对切削温度的影响可按基本原则来分析，即凡是能减少切削过程产生热量的因素，都能降低切削温度；凡能改善刀具散热条件的因素，也可以降低切削温度。

（1）前角γo的影响：如图3-18所示，当γo≤15°时，随着前角的减小，切屑变形功增加，产生热量增加，使切削温度增高。当γo＞15°时，随着前角的增大，从减少产生热量的角度分析，切削温度降低；但从散热的角度分析，前角过大，使散热条件变差，切削温度反而增高。

（2）主偏角κr的影响：如图3-19所示，当κr=0～75°时，随着主偏角的增大，切削刃工作长度缩短，刀尖角减小，切削热相对集中在刀尖处，散热条件变差，使切削温度升高。当κr＞75°时，切削散热条件得到了改善，使切削温度降低。

图3-18　前角对切削温度的影响

图3-19　主偏角对切削温度的影响

4）刀具磨损

刀具磨损后，刀具后面与工件已加工表面间的摩擦加大，切削刃变钝，使刃区前方对切屑的挤压作用增大，切屑变形增大，使切削温度急剧升高。

4.切削热的限制和利用

切削热给金属切削加工带来一些不利的影响，因此减少和限制切削热的产生是必要的。但切削热有时也能加以利用。在加工淬火钢时，就是用负前角刀具在一定切削速度下进行切削，加强了切削刃的强度，同时产生大量的切削热，使切削层软化，易于切削。

经验说明，不同材料的刀具在切削各种材料时，都有一个最佳切削温度范围，此时刀具耐用度最高，工件材料的切削加工性能最好。