浅析切削热产生机理及合理利用

浅析切削热产生机理及合理利用

段东新

(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)

摘要：研究切削热和切削温度具有重要的实际意义。本文概述了切削热和切削温度的定义以及切削热的产生机理，介绍了测量切削温度的几种主要方式，探究了刀具切削温度的分布规律，并针对切削热的利用给出建议，为生产实际中资源的节约和效率的提高提供参考价值。

关键词：切削热；切削温度；测量；利用

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0前言

切削热是在切削过程中的重要物理现象之一。切削温度影响刀具磨损和刀具耐用度，影响工件材料的性能，影响机械瘤的产生和加工表面的质量，以及加工过程的热变形和加工精度。为了降低切削温度，人们常采用浇注切削液，但是难免会造成污染。因此，对切削热合理的利用方式有利于能源的保护和经济效益的提高。

1切削热的产生机理

1.1切削热和切削温度的概念

在金属切削过程中，刀具与工件基体和切屑之间的摩擦、挤压会产生大量的热，引起刀具的磨损并降低刀具的耐用度，这里产生的热就是切削热。切削温度是指前刀面与切屑接触区内的平均温度，它由切削热的产生与传出的平衡条件所决定。产生的切削热越多，传出的越慢，切削温度就越高，反之，切削温度就越低。

1.2切削热的产生与传出

切削热的来源有两个。其一是在刀具切削过程中，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，从而产生切削热；另一个是切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功转化而成热能。切削时所消耗的机械功率的99%转化为热能，所以单位时间内产生的切削热为：

；

其中，为单位时间内产生的切削热，；为主切削力，；为切削速度，。

切削热通常通过以下四种方式进递：

（1）通过工件传走，使工件温度升高。

（2）通过切屑传走，使切屑温度升高。

（3）通过刀具传走，使刀具温度升高。

（4）通过周围介质传走。

根据相关信息，切屑、刀具、工件和周围介质释放的热量比例大致如下。

车削时：50%~86%由切屑带走，10%~40%传入刀具，3%~9%传入工件，1%左右传入空气。

钻削时：28%由切屑带走，14.5%传入刀具，52.5%传入工件，5%传入周围介质。

2切削温度的测量

在切削加工理论、刀具切削性能测试和加工材料加工性能研究中，切削温度的测量是非常重要的。测量切削温度时，不仅可以测量切削区域的平均温度，还可以测量切屑，刀具和工件的温度分布。测量切削温度的主要方法有：自然热电偶法、人工热电偶法、红外测温法等。

2.1自然热电偶法

刀具和工件的材料不同时，可用以组成热电偶的两极，组成闭合回路，这就是自然热电偶法的基本原理。在切削过程中，刀具和工件之间的接触区域产生的高温（热端）与刀具、工件各自引出端室温（冷端）形成温差电势。电位值可以通过连接的毫伏计测量，并且切削温度越高，电位值越大。根据切削实验中测量的热电毫伏值，可以在校准曲线上找到相应的温度值。

2.2人工热电偶法

用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两级，可以用来测量刀具或工件指定点的温度，以及最高温度和温度分布场。在切削期间，通过热电偶接触感测测量点的温度，并且通过环路中的毫伏电压计测量电位值。然后通过热电偶的校准曲线获得测量点的温度。

2.3红外测温法

红外测温法的实质是光、热辐射法。该方法测量切削温度的原理是：刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热辐射，且辐射强度随温度的升高而加大，因此可以通过测量光、热辐射的能量间接地测量切削温度，也可测量切削区侧面的温度场。

2.4几种方法比较

自然热电偶法测量切削温度时简便可靠，操作方便，但自然热电偶法只能测出切削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度。同时，当刀具材料或(和)工件材料变换后，切削温度—毫伏值曲线也必须重新标定。与其相比，对于特定的人工热电偶材料只需标定一次，且热电偶材料可灵活选择，但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷等)内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。

与热电偶法相比，红外测温方法具有直观，简单，远距离非接触监测的优点，在恶劣环境下测量物体表面温度方面具有很大的优势。

3切削热的合理利用

目前切削液的大量使用是降低切削热对刀具、工件带来恶劣影响的有效措施，但是会造成污染。因此对切削热的合理利用是目前亟待解决的问题。

（1）热量的直接利用是很困难的。目前热能发电是把热能转化机械能再转化为电能，设备复杂，成本高，热效率低，严重污染环境。在现实生活中存在由热能直接转化为电能的现象，例如，当一些非金属氧化物如碳酸钙被加热到一定程度时，热电子从其表面逸出以形成自由电子。如果具有热电子发射的非金属氧化物被置于电场中，则从其中逸出的热电子被电场力加速并被电子收集板收集，多余的电子通过外部电路电子装置返回到热电子发射器以形成电流回路，从而可以实现热能直接转换成电能。这种热发电机的思想直接使热能转化为了电能，提高了热效率。

（2）对切削热的间接利用在于借助切削热对工件材料、刀具材料、切屑和刀具摩擦面以及工件加工表面质量的影响来控制切削温度以达到提高切削效率和性能的目的。

当晶体形态稳定时，原子间原子的排列是规则的，原子间力非常强。但在晶格转变过程中，原子之间原子自发运动从而削弱了原子间的力，使金属的性质进入了一定程度的可塑性。如果在原子自发移动时施加外力，则原子运动的方向可以与外力的方向基本相同。通过该特征，如果在高速切削过程中有意识地使工件材料（与刀片接触的部分）达到临界温度，则金属材料的原子将处于自发运动状态，并且切削力是一股外力，迫使原子向刀具作用力的方向移动。因此，在高速切割时更容易切割。

参考文献

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[段东新（1998.10-），男，山东菏泽人，山东科技大学本科生在读，主修机械设计制造及其自动化专业。]作者简介