第五节-切削热和切削温度.ppt
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第二章金属切削原理与刀具,内容提要,刀具的结构刀具材料金属切削过程及物理现象切削力与切削功率切削热和切削温度刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择及工件材料加工性高速切削及刀具,第五节切削热和切削温度,刀具的结构刀具材料金属切削过程及物理现象切削力与切削功率切削热和切削温度刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择及工件材料加工性高速切削及刀具,第五节切削热和切削温度,切削热的产生和传导切削温度的测量影响切削温度的主要因素切削液切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,第五节切削热和切削温度,切削热是切削过程中的重要物理现象之一。
切削时所消耗的能量,有98%99%转换为热能,因此可以近似地认为切削时所消耗的能量全部转换为热。
大量的切削热使得切削温度升高,这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等。
研究切削热和切削温度也是分析工件加工质量和刀具寿命的重要内容。
一、切削热的产生和传导,切削热的产生,被切削的金属在刀具的作用下,发生弹性和塑性变形而耗功切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功,也产生出大量的热量。
切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
一、切削热的产生和传导,切削热的产生,切削时共有三个发热区域,即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区,三个发热区与三个变形区相对应。
如右图所示,一、切削热的产生和传导,根据切削材料不同,发热区所占比例不同,切削塑性材料时,变形和摩擦都比较大,所以发热较多。
切削速度提高时,因切屑的变形减小,所以塑性变形产生的热量百分比降低,而摩擦产生热量的百分比增高。
切削脆性材料时,后刀面上摩擦产生的热量在切削热中所占的百分比增大。
一、切削热的产生和传导,对磨损量较小的刀具,后刀面与工件的摩擦较小,所以在计算切削热时,如果将后刀面的摩擦功所转化的热量忽略不计,则切削时所做的功,可按下式计算,-为切削功率;即每秒钟所产生的切削热;单位为J/s。
一、切削热的产生和传导,切削用量中,增加一倍时,相应的成比例地增大一倍,因而切削热也增大一倍;切削速度的影响次之,进给量的影响最小;其它因素对切削热的影响和它们对切削力的影响完全相同。
一、切削热的产生和传导,在上述例子中,为什么没有考虑切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出?
因为向周围介质直接传出的热量,在干切削(不用切削液)时,所占比例在1%以下,故在分析和计算时可忽略不计。
一、切削热的产生和传导,切削过程中的热量传导,工件材料的导热性能,刀具材料的导热系数,其中工件材料的导热性能是影响热量传导的重要因素。
刀具材料的导热系数较高时,切削热易从刀具方面导出,切削区域温度随之降低,这有利于刀具寿命的提高。
切屑与刀具接触时间的长短,也影响刀具的切削温度。
工件材料的导热系数越低,通过工件和切屑传导出去的切削热量越少,这就必然会使通过刀具传导出去的热量增加。
例如切削航空工业中常用的钛合金时,因为它的导热系数只有碳素钢的1/31/4,切削产生的热量不易传出,切削温度因而随之增高,刀具就容易磨损。
外圆车削时,切屑形成后迅速脱离车刀而落人机床的容屑盘中,故切屑的热量传给刀具不多。
钻削或其它半封闭式容屑的切削加工,切屑形成后仍与刀具及工件相接触,切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具,使切削温度升高。
一、切削热的产生和传导,切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例,可举例如下:
车削加工时,切屑带走的切削热为50%86%,车刀传出40%10%,工件传出9%3%,周围介质(如空气)传出1%。
切削速度愈高或切削厚度愈大,则切屑带走的热量愈多。
钻削加工时,切屑带走切削热28%,刀具传14.5%,工件传出52.5%,周围介质传出5%。
二、切削温度的测量,切削温度直接影响切削过程。
何谓切削温度?
切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。
前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。
二、切削温度的测量,目前已有很多理论推算方法可以较为准确地计算切削温度,但是其具有一定的局限性,且应用较繁。
现在已经可以用有限元方法求出切削区域的近似温度场,但由于工程问题的复杂性,难免有一些假设。
最为可靠的方法是对切削温度进行实际测量。
二、切削温度的测量,切削温度测量方法,热电偶法辐射温度计法其他测量方法,目前应用较广的有两种:
自然热电偶法和人工热电偶法,二、切削温度的测量,自然热电偶法,主要用于测定切削区域的平均温度。
采用自然热电偶法的测温装置如右图所示。
自然热电偶法测量切削温度示意图,它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极,组成闭合电路测量切削温度。
刀具引出端用导线接入毫伏计的一极,工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。
测温时,刀具与工件引出端应处于室温下,且刀具和工件应分别与机床绝缘。
切削加工时,刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势。
该电势值可用接入的毫伏计测出,切削温度越高,该电势值越大。
切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。
根据切削实验中测出的热电势毫伏值,可在标定曲线上查出对应的温度值。
二、切削温度的测量,人工热电偶法,人工热电偶法测量切削温度示意图,可用于测量刀具、切削和工件上指定点的温度,并可测得温度分布场和最高温度的位置。
其测温装置如右图所示。
在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好,通常0.5mm),孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。
切削时,热电偶接点感受出被测点温度,并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值,然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。
三、影响切削温度的主要因素,影响切削温度的主要因素,切削用量的影响工件材料的影响刀具角度的影响刀具磨损的影响切削液的影响,三、影响切削温度的主要因素,切削用量的影响,实验得出的切削温度经验公式,其中,实验测出的前刀面接触区平均温度();,切削温度系数;,切削速度(m/min);,进给量(mm/r);,背吃刀量(mm);,相应的指数。
三、影响切削温度的主要因素,高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时各系数表,由表知,在切削用量三要素中,的指数最大,次之,最小。
三、影响切削温度的主要因素,这说明切削速度对切削温度影响最大,随切削速度的提高,切削温度迅速上升。
而背吃刀量变化时,散热面积和产生的热量亦作相应变化,故对切削温度的影响很小。
因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命,在机床允许的条件下,选用较大的吃刀深度和进给量,比选用大的切削速度更为有利。
三、影响切削温度的主要因素,工件材料对切削温度的影响与材料的强度、硬度及导热性有关。
材料的强度、硬度愈高,切削时消耗的功愈多,切削温度也就愈高。
材料的导热性好,可以使切削温度降低。
例如,合金结构钢的强度普遍高于45钢,而导热系数又多低于45钢,故切削温度一般均高于切削45钢的切削温度。
工件材料的影响,三、影响切削温度的主要因素,前角和主偏角对切削温度影响较大。
前角加大,变形和摩擦减小,因而切削热少。
前角不能过大,否则刀头部分散热体积减小,不利于切削温度的降低。
主偏角减小将使刀刃工作长度增加,散热条件改善,因而使切削温度降低。
刀具角度的影响,三、影响切削温度的主要因素,在后刀面的磨损值达到一定数值后,对切削温度的影响增大;切削速度愈高,影响就愈显著。
合金钢的强度大,导热系数小,所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响,就比切削碳素钢时大。
刀具磨损的影响,三、影响切削温度的主要因素,切削液对切削温度的影响,与切削液的导热性能、比热、流量、注入方式以及本身的温度有很大的关系。
从导热性能来看,油类切削液不如乳化液,乳化液不如水基切削液。
如果用乳化液来代替油类切削液,加工生产率可提高50%100%。
切削液的影响,流量充沛与否对切削温度的影响很大。
切削液本身的温度越低,就能越明显地降低切削温度,如果将室温(20)的切削液降温至5,则刀具寿命可提高50%。
四、切削液,冷却作用:
在工件切削加工过程中,能及时而迅速的降低切削区的温度,即降低通常因摩擦引起的温升、冷却也影响切削效率,切削质量及刀具寿命。
作用,润滑作用:
能减少切削刀具与工件间摩擦。
润滑液能浸润到刀具与工件及其切屑之间,减少摩擦和粘结,降低切削阻力,保证切削质量,延长刀具寿命。
四、切削液,洗涤作用:
使切屑或磨料粒子被冲洗而离开刀具和工件的加工区,以防它们相互粘结及粘附在工件、刀具和机床上妨碍加工过程的正常进行。
作用,防锈作用:
应有一定的防锈性能,防止工件和机床生锈。
如提高防锈性能,还可部分取代工序间防锈。
四、切削液,切削液分类及应用范围,水溶液:
它的主要成分是水,并在水中加入一定量的防锈剂,其冷却性能好,润滑性能差,呈透明状,常在磨削中使用。
乳化液:
它是将乳化油用水稀释而成,呈乳白色。
为使油和水混合均匀,常加入一定量的乳化剂(如油酸钠皂等)。
乳化液具有良好的冷却和清洗性能,并具有一定的润滑性能,适用于粗加工及磨削。
切削油:
它主要是矿物油,特殊情况下也采用动、植物油或复合油,其润滑性能好,但冷却性能差,常用于精加工工序。
水溶液,乳化液,切削油,四、切削液,切削液的选用,粗加工时,主要要求冷却,也希望降低一些切削力及切削功率,一般应选用冷却作用较好的切削液,如低浓度的乳化液等。
精加工时,主要希望提高工件的表面质量和减少刀具磨损,一般应选用润滑作用较好的切削液,如高浓度的乳化液或切削油等。
四、切削液,切削液的选用,粗加工时,主要要求冷却,也希望降低一些切削力及切削功率,一般应选用冷却作用较好的切削液,如低浓度的乳化液等。
精加工时,主要希望提高工件的表面质量和减少刀具磨损,一般应选用润滑作用较好的切削液,如高浓度的乳化液或切削油等。
四、切削液,切削液的选用,一般钢材时,通常选用乳化液或硫化切削油。
加工铜合金和有色金属时,一般不宜采用含硫化油的切削液,以免腐蚀工件。
加工铸铁、青铜、黄铜等脆性材料时,为避免崩碎切屑进入机床运动部件之间,一般不使用切削液。
在低速精加工(如宽刀精刨、精铰、攻丝)时,为了提高工件的表面质量,可用煤油作为切削液。
高速钢刀具的耐热性较差,为了提高刀具的耐用度,一般要根据加工性质和工件材料选用合适的切削液。
硬质合金刀具由于耐热性和耐磨性都较好,一般不用切削液。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度高是刀具磨损的主要原因,它将限制生产率的提高;切削温度还会使加工精度降低,使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。
其主要影响有:
对工件材料强度和切削力的影响对刀具材料的影响对工件尺寸精度的影响利用切削温度自动控制切削速度或进给量利用切削温度与切削力控制刀具磨损,五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度对工件材料强度和切削力的影响,切削温度对工件材料强度的影响,切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大;切削温度对剪切区域的应力影响不很明显;,五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度对工件材料强度和切削力的影响,切削温度对剪切区域的应力影响不很明显;,因为在切削速度较高时,变形速度很高,其对增加材料强度的影响,足以抵消高的切削温度使材料强度降低的影响;切削温度是在切削变形过程中产生的,因此对剪切面上的应力应变状态来不及产生很大的影响,只对切屑底层的剪切强度产生影响。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度对工件材料强度和切削力的影响,切削温度对切削力的影响,工件材料预热至500800后进行切削时,切削力下降很多。
但在高速切削时,切削温度经常达到800900,切削力下降却不多,这也间接证明,切削温度对剪切区域内工件材料强度影响不大。
目前加热切削是切削难加工材料的一种较好的方法。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度对刀具材料的影响,适当地提高切削温度,对提高硬质合金的韧性是有利的。
硬质合金在高温时,冲击强度比较高,因而硬质合金不易崩刃,磨损强度亦将降低。
实验证明,各类刀具材料在切削各种工件材料时,都有一个最佳切削温度范围。
在最佳切削温度范围内,刀具的寿命最高,工件材料的切削加工性也符合要求。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,切削温度对工件尺寸精度的影响,车削外圆时,工件本身受热膨胀,直径发生变化,切削后冷却至室温,就可能不符合要求的加工精度。
刀杆受热膨胀,切削时实际切削深度增加使直径减小。
工件受热变长,但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯曲,车削后工件中部直径变化。
在精加工和超精加工时,切削温度对加工精度的影响特别突出,所以必须注意降低切削温度。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,利用切削温度自动控制切削速度或进给量,各种刀具材料切削不同的工件材料都有一个最佳切削温度范围。
因此,可利用切削温度来控制机床的转速或进给量,保持切削温度在最佳范围内,以提高生产率及工件表面质量。
五、切削温度对工件刀具和切削过程的影响,利用切削温度与切削力控制刀具磨损,运用刀具工件热电偶,能在几分之一秒内指示出一个较显著的刀具磨损的发生。
跟踪切削过程中的切削力以及切削分力之间比例的变化,也可反映切屑碎断、积屑瘤变化或刀具前、后刀面的磨损情况。
切削力和切削温度这两个参数可以互相补充,以用于分析切削过程的状态变化。
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- 五节 切削 热和 温度