金属切削过程中的切削热及切削温度的影响因素研究

【摘要】在金属的切削加工中，由于被切削金属层的挤压变形和刀具与工件间的摩擦会产生大量的切削热，从而使刀头的切削温度迅速上升，进而使刀具磨损加快，并会影响到工件的加工质量。针对这一问题，本文对切削加工中切削热的产生与传散及影响切削温度的因素做了研究。

【关键词】金属切削；切削热；切削温度

一、切削热的产生与传散

（一）切削热的产生

我们知道，金属的切削过程，其实质就是被切削金属层受到刀具前刀面的挤压作用而产生塑性变形，进而产生剪切滑移，然后从母体分离转变为切屑的变形过程。如图1所示，在上述的金属切削过程中会产生三个变形区，而切削热就来源于这三个变形区。在第Ⅰ变形区，由切削层金属的弹性变形和塑性变形而产生的热，传散到切屑与工件上，这是主要的热源；在第Ⅱ变形区，由切屑与刀具前面摩擦所产生的热传散到切屑与刀具上；在第Ⅲ变形区，由工件与刀具后面摩擦而产生的热传散到工件和刀具上。

（二）切削热的传散

切削热主要通过切屑、工件、刀具以及周围的介质传散。传入切屑和介质的切削热越多，对加工越有利。传入刀具的热量虽不多，但因刀头体积小，所以温度高，高速切削时刀头上的温度最高处可达1000℃以上，刀头温度过高，将加快刀具磨损。传入工件的热会引起工件的热变形，影响尺寸和形状精度。特别是加工薄壁零件、细长零件和精密零件时，热变形的影响更大。

影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热能力以及周圍介质的状况。一般情况下，切削热大部分由切屑带走和传入工件，以保证刀具的正常切削。各部分传热的比例取决于具体的切削条件。例如，不使用切削液，以中等切削速度车削钢料外圆时，切削热的50%～86%由切屑带走，10%～40%传入工件，3%～9%传入车刀，1%左右传入空气。和上述条件一样，钻削钢料时，散热条件差，切削热的28%左右由切屑带走，约15%传入工件，约52%传入钻头，5%左右传入周围介质。

二、切削温度及影响切削温度的因素

（一）工件材料

材料的强度、硬度越高，切削时消耗的功率就多，产生的切削热也多，温度就越高。脆性材料在切削过程中塑性变形很小，所以产生的热少，温度也较低。

材料的导热性好，由切屑和工件传导出的热量就多，切削温度就较低，但整个工件的温度升高很快，易使工件因热变形而影响加工精度；如果材料的导热性差，则切削温度较高，又对刀具不利。

（二）切削用量

增加切削用量，单位时间内金属的切除量增多，则切削热也相应增多，切削温度上升。但是，切削用量的增加也改善了散热条件。因为切削速度vc增加，使切屑流速加快，切屑上的热量来不及传到刀具和工件上，就被切屑带走；进给量f增加，使切屑变厚，热容量增加，传入切屑的热量增加；背吃刀量ap增加，使切削刃上参加切削的长度增加了，增加了散热面积。因此，切削用量的成倍增加不会带来切削温度的成倍上升。在切削用量中，切削速度vc对切削温度的影响最大（实际上切削速度是影响切削温度的主要因素），进给量f次之，背吃刀量ap的影响最小。 研究表明，vc增加一倍，切削温度升高20%～30%； f增加一倍，切削温度升高约10%；ap 增加一倍，切削温度升高约3%。因此，粗加工在需要增大切削用量、提高切削效率时，从减少切削温度方面考虑，采用增大吃刀量或进给量，比增大切削速度有利。

（三）刀具角度

前角：前角增大，可使切削变形和摩擦减小，因此产生的热量少，因而切削温度降低。但前角增大到一定角度后若进一步增大，则会因刀头的散热体积减小，散热变差，切削温度不会进一步降低，反而会升高。如图1所示，前角对切削温度的影响，呈“驼谷型”，它的谷底前角（一般为15°左右）是切削温度最低的前角。

主偏角：主偏角减小，可增加主切削刃的工作长度，改善了散热条件，同时，主偏角减小，会使刀尖角增大，使刀尖处的散热面积增大，因而降低了切削温度。当工艺系统刚性足够大时，可选用小的主偏角以降低切削温度。

刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径增大，则被切削材料的塑性变形加大，切削温度升高，但大圆弧半径增加了刀尖处的散热面积，降低了刀尖处的局部切削温度。

（四）切削液

使用切削液能迅速从切削区带走大量热量，又能减小摩擦，可使切削温度明显下降。

三、结束语

金属切削中的切削热和由此产生的切削温度是金属切削过程中的一个重要物理现象。大量的切削热使得切削区域的温度迅速升高，直接影响到刀具的磨损和耐用度，并会影响零件的加工质量。切削温度也是自动化生产中的一项重要监控因素，因此，研究切削热和切削温度的变化规律对生产加工有重要的意义。

作者简介：王谦（1982.09—），男，硕士，助教，研究方向：数控技术。