數控機床

      摘要：　切削熱和由此產生的切削溫度是金（jīn）屬（shǔ）切削過程中的一個重要物理現象。大量的切削（xuē）熱使（shǐ）切削區（qū）域的溫度升（shēng）高，直接影響刀具的磨損和壽（shòu）命，並影響（xiǎng）工件的加工精度和表（biǎo）麵（miàn）質量。切削溫度也可作為自動化生（shēng）產中監控（kòng）因素，所以研究切（qiē）削熱和切削（xuē）溫度變（biàn）化規律（lǜ）對生產時（shí）間有重要的意（yì）義。
 
　　（一）切削熱的產生和傳出
 
　　被切（qiē）金屬（shǔ）層在刀具的作用下發生彈性（xìng）變（biàn）形和塑性變（biàn）形，這是切削熱的一個來源。同時，切屑與前刀麵、工件與後刀麵間消耗（hào）的摩（mó）擦功也將轉化為熱能，這是切（qiē）削（xuē）熱（rè）的又一個來源(見圖1)。
 
　　如果忽略後刀麵上的摩擦功和進給運動（dòng）所消耗的功，並假定主運動所（suǒ）消耗的功全部轉化為熱能，則單（dān）位時間內產生的切削（xuē）熱可算（suàn）出：
 
　　Qc=Fzvc
　　式中  Qc--每秒鍾（zhōng）內產生的切削熱，單位為J/s；
　　Fz--主切削力，單位為N；
　　vc--切削速度，單位為m/s。

     
      圖1  切削熱的產生和傳出

 
　　（二）切（qiē）削（xuē）溫度及（jí）其測量方法
 
　　切削（xuē）溫度一般是指刀具與工件接觸區域的平均溫度。切削溫度測量的方法很多，如圖2所（suǒ）示。目前比較常（cháng）用的測量切削溫度的方法是（shì）熱電偶法和光熱輻射法。下麵將分別進行闡述。
   

     圖2  切削溫度（dù）的測（cè）量方法
 
　　1.熱電偶法
 
　　熱電（diàn）偶法又分為（wéi）自然熱電偶法和（hé）人（rén）工熱電偶法（fǎ）（見表1）。

      表1  自然熱電偶與人工熱電偶比較

      圖3  自然熱電偶（ǒu）法測溫示意圖
 
    1.銅頂尖 2.銅銷3.車床主軸尾部4.工件5.刀具  

     圖4  人工熱電偶（ǒu）法測溫（wēn）示意圖

     a）測前刀麵溫度  b）測工件溫度
   

　　要想知道前刀麵上的溫度，還需應用（yòng）傳熱學的原理和公式進行（háng）推算。應用人工熱電偶法測溫，並輔以（yǐ）傳熱學計（jì）算所得到的刀具、切屑和工件的切削溫（wēn）度分布情況（見（jiàn）圖5）。

     圖5  切削溫度的分布
 
     a）刀具（jù）、工件和切（qiē）屑中溫度分布          b）刀具前刀麵上溫度（dù）分布
　　加工條件：刀具YT20，vc=600m/min        加（jiā）工條件：工件30Mn4，ap=3mm，f=0.25mm/r

 
　　由圖5可以看出切削溫度的分布規律：

 
　　（1）前刀麵上溫（wēn）度（dù）最高處並不在切削刃口處，而在離刃口有一定距離的位置，工件（jiàn）材（cái）料塑性越大，距（jù）離刃口越遠，反之越近（jìn）。這是因（yīn）為熱量沿前刀麵（miàn）有（yǒu）個積（jī）累過程，這也是刀具磨損嚴重之處；
 
　　（2）切屑底層的溫度梯（tī）度最大，說明摩擦熱集中在切屑底層（céng）與前刀麵接觸處。

 
　　2.光熱輻（fú）射法

 
　　除了（le）熱（rè）電偶（ǒu）測溫法，采用觀察刀具或零件切削前後金相（xiàng）組織變化的（de）方法也能判定切削溫度，但這兩種方法並不（bú）直觀，而且觀察和分析的工作量較大。近來也更多的是使用紅（hóng）外線測溫儀或光能電池測量切削溫度。熱像儀就是利用（yòng）紅外線原理（lǐ）來測量切（qiē）削溫度的，它是通過非接觸探測紅外熱量，並將其（qí）轉換生（shēng）成熱（rè）圖像和溫度值，進（jìn）而顯（xiǎn）示在顯示器上，並可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。如圖6是用熱像儀測溫的現場演示圖。圖（tú）1-30是利用熱像儀（yí）的（de）配套軟件采集到的切削溫度（dù）場圖，軟（ruǎn）件可以（yǐ）將切削過程（chéng）以紅外影像采集下來，在確定準確（què）的發射率（lǜ）情（qíng）況下，設定播（bō）放速度，調節播放位置，對采集切削過（guò）程的溫度分布進行測（cè）量和繪製。
   

      圖6  用熱像（xiàng）儀現場測溫      
          

      圖7  測得溫度場圖
 

　　3.切屑顏（yán）色與切削溫度的關係

 
　　在生產（chǎn）實踐中，可（kě）以通過切削加工時切屑的顏色來判斷刀尖部位的大致溫（wēn）度。以（yǐ）車削碳素結構鋼為例（lì），隨著切削溫度的（de）提高，切（qiē）屑（xiè）顏色變化過程順序為：銀白（bái）色→黃白色→金黃色→紫色→淺藍色→深藍色。其中（zhōng），銀白色切屑反映（yìng）的（de）切削溫度約為200℃左右，金黃色切屑反映的切削溫度約400℃左右，深藍色切屑反映的切削溫度約600℃左右（yòu）。

 
　　（三）影響切削溫度的主要因素

 
　　1.工件（jiàn）材料
 
　　工件材料的強度、硬度越高（gāo），切削時消耗的功就越多，產生的切削熱越多，切削溫度就越高。工件材料（liào）的熱導率越大，通（tōng）過（guò）切屑和工件傳出的熱量越多，切削溫度下降越快。
 

　　2.刀（dāo）具（jù）幾何參數
 
　　前角增大，切削（xuē）變（biàn）形減小，產（chǎn）生的（de）熱量（liàng）少，切削（xuē）溫度降低；但過大的前角會減少散熱體積，當前角大於20°~25°時，前角對切削溫度的影（yǐng）響減（jiǎn）少。主偏角減小，使切削（xuē）寬度增大（dà），散熱麵積增加，切削溫度下降，如圖8、圖9所示。
   

      圖8  前角對切削溫度的影響（xiǎng）   
          

       圖9  主偏角對切屑溫度的影響

 
　　3.切削用量

 
　　對切削溫（wēn）度（dù）影響最大的切削用量是切削（xuē）速度（dù），其次是進給量，而背吃刀量的影響（xiǎng）最小，這是因為當切削速度vc增加時，單位時間內參與變形的金（jīn）屬量增加而使消耗的功率增大，切削溫度升高；當f增加時，切屑變厚，由切屑帶走的熱量增多，故切（qiē）削溫度上升不甚明顯；當ap增加時（shí），產生的熱量和散熱麵積同時（shí）增大（dà），故對切削溫度的影響也小，如圖10所示。

      圖10  切削用量對切削溫度的（de）影響
 
     a）切削速度的影響  b）進給量的影響  c）背吃刀量的影響

 
　　4.其他因素

 
　　刀具後刀麵磨損（sǔn）量增大時，加劇了（le）刀具與工件（jiàn）間的摩擦，使切削溫度升高，切削速度越高，刀具磨損對切削溫度的影響就越顯著（見圖11）。澆注切削液對降低切削溫度、減少刀具磨損和提高已加工表麵質量有（yǒu）明顯的效果。切削液的潤（rùn）滑作用可以減少摩擦，減小切削熱的（de）產生。

     圖11  不同切削速度下後（hòu）刀麵磨損與切（qiē）削溫度的關係