切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。

一、切削热的产生和传导

切削热是由切削功转变而来的。如下图所示，其中包括：剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qαf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。

产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。切削热的形成及传导关系为：切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。

二、切削温度的计算与测量

尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，切削温度一般指切削区域的平均温度θ。通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温区值。切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即

切削温度的测量方法很多，见下图。

①自然热电偶法 自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。②人工热电偶法 人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。三、影响切削温度的主要因素

根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。

1、切削用量的影响

切削用量是影响切削温度的主要因素。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成下列一般公式：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。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。

2、刀具几何参数的影响

切削温度θ随前角γo的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于18°～20°后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。（图2.28）主偏角Κr减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。负倒棱bγ1在(0—2)f 范围内变化，刀尖圆弧半径re在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。

3、工件材料的影响

工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。

4、刀具磨损的影响

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，就比切碳素钢时大。

5、切削液的影响

切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注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。四、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。（1）切削温度对工件材料强度和切削力的影响切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大；剪切区域的应力影响不很明显。（2）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。（3）对工件尺寸精度的影响（4）利用切削温度自动控制切削速度或进给量（5）利用切削温度与切削力控制刀具磨损

第六节 刀具的磨损和刀具寿命

一、刀具磨损的形态及其原因

切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

刀具正常磨损的形式有以下几种：

1.前刀面磨损 2.后刀面磨损 3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)

从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。

(1)磨粒磨损在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。(2)粘结磨损刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。(3)扩散磨损切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。(4)相变磨损当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。(5)氧化磨损氧化磨损是一种化学性质的磨损。

刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。1）在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。2）在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。

二、刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命

1、刀具磨损过程随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：

1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段二、刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命

1、刀具磨损过程随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：

1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段

2、刀具磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。3、刀具的耐用度（刀具寿命）一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。又称为刀具寿命。

三、刀具的破损

刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。刀具的破损有早期和后期（加工到一定的时间后的破损）两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：1.崩刀 2.碎断 3.剥落 4.裂纹破损。

四、刀具的状态监控

如前所述，刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统（如FMS、CIMS等）中，当刀具发生非正常的磨损或破损时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进行监控非常重要。

刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测，即直接观察刀具状态，确认刀具是否破损。其中最典型的方法是ITV（Industrial Television， 工业电视）摄像法。间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象，间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法等。

五、刀具寿命(刀具耐用度)的选择原则

切削用量与刀具寿命有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知：Tc＞Tp。生产中常根据最低成本来确定耐用度，但有时需完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。

选择刀具寿命时可考虑如下几点：（1）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。（2）对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15—30min。（3）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。（4）车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当某工序单位时间内所分担到的全厂开支 M较大时，刀具寿命也应选得低些。（5）大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。

六、影响刀具耐用度Ｔ因素　

1、切削用量切削用量对刀具耐用度Ｔ的影响规律如同对切削温度的影响。切削速度vc、 背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，使切削温度提高，刀具耐用度Ｔ下降。Vc影响最大、 进给量f其次，ap影响最小。(刀具耐用度Ｔ计算公式2.28）根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度，用VT表示其计算式为：显然低成本允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。

2、工件材料（1）硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具耐用度Ｔ下降。（2）工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具耐用度Ｔ下降。

3、刀具几何角度（1）前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”。（2）主偏角Κr减小时，使切削宽度bD增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具耐用度Ｔ提高。

4、刀具材料刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具耐用度Ｔ越高。加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。