高速切削机理和实验（中）

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5.3 高速切削的切削热和切削温度
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。
, A/ V6 ?8 V- i1 h( ?
3 a* N6 y4 M) A" @. ^, ~$ ~图10 切削热的来源
/ B1 D4 @4 O3 R, s8 w9 o& ~- L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。
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。

6 q9 C/ P" _5 I  R图11 切削热分配比率
, Z  ]3 L1 X% j6 s  _. T9 w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。
( ^4 O, Z) U+ B; C
图12 切削热分配比率
  \% E& B) x$ L( T" WRc、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,
6 z  E* C, h( `/ Vv =100～400m/min。用红外测温仪测量温度，其结果如表2所示。
表2 高速车削切削温度经验公式
, t! K4 A" h$ K" Z
看来，表2中的数据尚值得推敲。
: q6 x5 O- ?' X; j) x" s* t) x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
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）
8 y+ b4 p2 X& u
  \% A7 J) m0 ~+ p/ k1 E0 @图14 铣削温度（铝合金5A02）
# n: N! t% Q5 f" S( {) ?' J- i/ V4 M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。
$ {6 x) d$ A+ r% f
- w" y! F4 Z( F# h' G; m图15 Salomon的高速切削温度曲线
, i7 T3 T/ M3 f3 P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。
* q" Z" \" J; N8 q5 k* d0 N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（℃）。
0 r' f: A" H0 Y0 }5 l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。
5.4  刀具磨损与刀具寿命
4 V) E: b2 l8 e& Y0 Y( T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。
8 s$ _# _/ B- P$ D, X' o" x/ d3 [; C
图16 车刀磨损部位及形状
; r5 h% W- _2 W! K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。
- ~: Z0 S8 @: {5 Q7 V: n2 f0 {! n. Z
图18 刀具磨损曲线
1 X' m  H* o( D7 B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）：
7 J7 y: ~3 F4 ^  m" ~- J7 nv =A/Tm ,   或 T=c/ v z
9 V; U6 _* p& f6 A还可以建立扩大的泰勒方程：
0 c, T( Q& a. A2 Z8 lv =C v /(Tm、apx、f y)
常速下，用YT15刀具车削45钢，一般m=0.2，x=0.15，y=0.45
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。
0 L) I; I  r. i1 ^2 v- @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。
刀具正常磨损寿命的分布一般服从正态分布
f ( T ) =
刀具破损磨损寿命的分布一般服从对数正态分布
  b+ v  u1 \/ m+ p" H! ^f ( T ) =  
) b' J2 {) n$ Z# N- A4 T0 u' b或威布尔分布
f ( T ) =  
- y" F4 w" P. x# k$ U
8 ~2 R1 B0 ~: m# z8 n* D图19 刀具正常磨损下的寿命分布
文章关键词： 切削