高速切削机理和实验（中）

Sunny10

5.3 高速切削的切削热和切削温度
. b% Y$ s1 @# B: t4 c4 j4 p7 B7 h* j& D在切削过程中，切削热的来源是剪切面区域材料变形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如图10所示。
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图10 切削热的来源
& A) [. b+ Z+ P* m" i) ^一部分切削热传到切屑中被切屑带走；一部分热传到工件中；还有一部分热传到刀具中（图10）。据研究，当切削速度提高后，传入切屑而被切屑带走的热量份额加多，而传入工件和刀具的热量份额减小，故工件、刀具升温并不大。
9 o5 M& _) \! |5 ~% c日本人用P10立铣刀，切削45钢和A15025铝合金，ap=2mm, f=0.12mm/r。图11为切削热的分配比率。
2 H/ L- W& D+ r1 A9 N
图11 切削热分配比率
华南理工大学做了类似的切削热分配比率曲线（图12）。工件材料为45钢（热轧），车刀用YT15刀片，ap=0.8mm, f=0.12mm/r, v =400～800m/min。如图12所示，当v=400m/min时，Rc=49.4%, Rw=46.7%, RT=3.9%。当v=800m/min时, Rc=69.4%，Rw=28.7%, RT=2.3%。故在高速时RW与RT均显著减小。
  \1 Z- b; k1 v. L+ V
图12 切削热分配比率
3 S% @; g" X& lRc、Rw和RT只能说明切削热分配比率，最重要的还是前刀面―切屑和后刀面―工件界面上的切削温度或与之接近部位的温度。切削温度的测量很困难，常用的有自然热电偶、人工热电偶和红外线幅射法。
某高校做了调质钢与淬硬钢的车削温度试验。调质钢：ap=0.2～0.5mm, f=0.2～0.5mm/r, v=700～1000m/min。淬硬钢：ap=0.15～0.3mm,  f=0.1～0.25mm/r,
  d. p& g, f6 x+ b  @v =100～400m/min。用红外测温仪测量温度，其结果如表2所示。
( b0 m7 Y8 X. Z9 {- z表2 高速车削切削温度经验公式
/ w' n& E8 a8 S. x8 }  W
看来，表2中的数据尚值得推敲。
3 H5 e* K; A$ e5 v4 @, ^过去，在切削速度小于200m/min时车削45钢时，切削温度三因素公式为
% e, t* X  R; a5 _θ=C v0.41f 0.14ap0.04
沈阳理工大学用人工热电偶法测量高速下的铣削温度，其结果如图13、图14所示：

图13 铣削温度（45钢）

图14 铣削温度（铝合金5A02）
德国萨洛蒙（Carl J. Salomon）博士于1924～1931年用大直径圆锯片对有色金属进行了铣锯切削试验。发现，当切削速度增加，切削温度提高，到一定的切削速度，切削温度最高；再提高切削速度，切削温度反而下降（图15）。后来，又将此现象推广到其他工件材料。当时的试验数据后来全部丢失，工作人员已经无存，用什么方法测温也不清楚。很多人认为图中的曲线不可信。多数人认为，切削温度不存在一个最高值（峰点），切削速度提到很高时，切削温度仍应缓慢上升。
& y# N, z  G& h6 t
# |, r+ U, }: `5 d4 ]: N* i, p图15 Salomon的高速切削温度曲线
5 S- w, T3 U4 ~沈阳理工大学研制了一台高速锯床，用高速钢锯片（直径φ200mm,厚3mm，60刀齿），最高转速为24000r/min,用以锯切低碳钢管（φ20mm,厚1.5mm）和铝板（厚10mm），进行了测力、测温的试验，最高切削速度达每分钟万米以上。因锯切切削面积不固定，切削时间很短，力、温测量不易测准，但是沈阳理工大学所做的工作仍是十分可贵的。
山东大学用SG-4陶瓷工具端铣T10A淬硬工具钢（HRC58～65），v=110～177m/min, ap=0.1～0.5mm, fz=0.05～0.127mm/z, 铣削宽度B=40、70、100mm，铣刀直径do=160、125、80mm，切削温度θ=17.5 v 1.55 ap0.91 fz1.44 B0.46do-0.31（℃）。
5 b( z. C3 k5 d% P: J山东大学还做了陶瓷刀具车削几种硬材料的切削温度试验。
* c+ k% v9 k# t: X$ ^5.4  刀具磨损与刀具寿命
刀具磨损有后刀面磨损（VB）、前刀面磨损（月牙洼KT）、边界磨损（VN）及刀尖磨损（VC）、径向磨损（NB）等。人们研究后刀面磨损VB最多。一般，以VB为刀具磨损标准。

, T( U4 ~3 f1 w+ C6 ^/ c5 P' [图16 车刀磨损部位及形状
, U7 }8 C* j+ C+ H/ e1 h; e刀具磨损的原因有：（1）磨粒磨损，（2）粘结（冷焊）磨损，（3）扩散磨损，（4）氧化磨损，（5）热电磨损等。图17为切削速度对刀具磨损强度的影响。由图17可见，当切削速度很高时，以扩散和氧化磨损为主。

图17 切削速度对刀具磨损强度的影响
刀具典型磨损曲线如图18所示。

图18 刀具磨损曲线
以后刀面磨损到一定大小为标准，可以建立刀具寿命T与切削速度v 之间的关系式，即T- v曲线（即泰勒Taylor方程）：
v =A/Tm ,   或 T=c/ v z
- b. N2 W5 m1 Z8 k* Q% g还可以建立扩大的泰勒方程：
$ V: S  d* w- Iv =C v /(Tm、apx、f y)
+ M$ {8 `; ]+ f0 [常速下，用YT15刀具车削45钢，一般m=0.2，x=0.15，y=0.45
- Y- U2 @0 J' r2 q! [$ I# r/ i) O高速切削下，人们在这方面做的试验工作很不够，较多地观察刀具磨损形貌，很少见磨损曲线和T- v 曲线。扩大的泰勒方程则更加缺少。
在高速切削中，刀具材料及刀具的制造质量、工件材料的性能、机床状况和工艺条件等不可能固定不变，而是随机变化，从而影响到刀具使用寿命。一般，正常磨损下刀具寿命的变化和分布服从正态分布（图19）。破损情况下刀具寿命的变化和分布服从对数正态分布或威布尔（Weibull）分布。高速切削中，应十分重视刀具寿命的稳定性，然而对刀具寿命的分布规律还没有认真研究。
6 M8 w0 m" v! J+ j& f2 Z刀具正常磨损寿命的分布一般服从正态分布
0 O8 P$ ?1 ?3 I$ N7 C' W( Pf ( T ) =
$ t  w% \3 V: Q& v0 r' v1 k刀具破损磨损寿命的分布一般服从对数正态分布
. [$ p2 U$ h, }" [6 @6 m3 Ef ( T ) =  
  B$ n3 ]- {# G- P1 @% r或威布尔分布
f ( T ) =  

图19 刀具正常磨损下的寿命分布
  h# t4 m5 z- H文章关键词： 切削