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切削热分析的研究概述学生姓名学院名称专业学号指导教师切削热分析的研究概述根据林老师的要求，本题目将针对切削热问题分综述和理论介绍两部分进行简单的介绍。主要内容为金属切削过程中所产生的热量即切削热的基本概念、基本理论以及用数值计算和实验获取切削热的方法。第一部分 综述部分本部分将主要介绍与切削热有关的一些基本定义以及理论发展历程，为第二部分内容的讲解做铺垫。并对近年来国内学者对切削热方面的研究现状做简单梳理。主要内容如下：1、切削热简介；2、早期切削热理论；3、切削热理论的研究现状。1.1 切削热简介研究表明金属切削过程中所产生的热量对于加工过程中积屑瘤的形成、切削力的大小、刀具磨损和使用寿命、加工后材料的表面质量和性能都有着重要的影响。在一些精密加工系统中，不合理的切削热甚至会使工艺系统产生热变形从而影响加工精度。此外，切削过程中所消耗的能量有98% ~ 99% 都将转化为热能。即几乎所有与切屑形成有关的能量最终都将转化为热能的形式。从以上两点我们可以看出，切削热的研究是至关重要的。那么什么是切削热呢？切削热：在切削加工过程中，由于被切削材料层的变形、分离及刀具和材料间的摩擦而产生的热量。可见切削热的来源主要有两个：其一是材料弹性和塑性变形，切削变形功；其二是切屑、工件以及刀面之间的摩擦，即摩擦功。如右图所示在加工过程中存在着三个发热区域：剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。一般认为金属切削热主要集中在Ⅰ和Ⅱ变形区。在Ⅰ区：工件以较高的应变率承受大的剪切变形，所以该区域温度的升高主要是由塑性变形产生的。在Ⅱ区：温度的升高则主要是由刀具和切屑间的相互摩擦产生的。但是2011年，汪世益等人在《金属切削刀具后刀面的切削热研究》一文中指出：当刀具刃磨锋利时，后刀面与工件表面几乎不接触，所以摩擦力极小，与之对应的所产生的摩擦热就很小。但是随着切削时间的延长，刀具后刀面的磨损逐渐加大，当磨损到一定程度，摩擦热会急剧增大。甚至可能超过前刀面的发热量。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。切削温度是一个很宽泛的概念。切削区的平均温度、切屑上的温度分布、刀具上的温度分布以及加工表面、剪切面上的温度分布都可以称之为切削温度。但是我们通常所提到的切削温度则是：温度达到稳定状态时的刀具前刀面与切屑的接触面上的平均温度。切削温度是由切削热的产生与传出的平衡条件所决定的。产生的切削热越多、传出越慢，切削温度就越高。如下图所示，切削温度场是另一个研究切削热的有力工具。根据该图我们可以发现切削温度场有着如下的一些规律：1、剪切区内沿剪切面方向温度相同，垂直于剪切面方向上温度梯度大。这说明在该区剪切滑移变形强烈；2、前后刀面上最高温度点距切削刃有一定距离，这是由于摩擦热逐渐累加造成的；3、靠近前刀面的切削底层上温度梯度很大，摩擦热集中于切屑底部。4、刀面的接触长度较小，刀具经过加工表面时会受到一次热冲击。刀具内部温度方面，其主要受一下四个因素的影响：1、刀具的初始温度；2、工件与刀具摩擦而引起的温升；3、工件的热传导而引起的温升；4、对流和热辐射引起的温度降低。1.2 早期切削热理论在金属切削理论诞生之初，人们对它的认识还比较粗浅。切除单位体积材料所需的功以及刀具几何参数对切削过程的影响等等是那时的人们最为关心的两个问题。直到1896年，俄国人Α.Α.布里克斯将塑性变形的概念引入金属切削理论。至此金属切削理论才有了较完整的解释。随着人们对金属切削机理认识的进一步深入，对于切削热的研究开始逐步拓宽。切削速度对刀具寿命的影响、刀具表面温度的获取、切削温度与切削条件的关系等等较为深入的课题开始受到学者们的重视。1907年美国人F.W.泰勒研究了切削速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式。泰勒证明了热量对刀具磨损的重要性。此外他还开发了一种更耐热的材料，命名为高速钢。至今仍然被广泛用于速度要求不高的机械加工中。1915年，俄国人Я.Γ.乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度(常称人工热电偶法) 。1924～1926年，英国人E.G.赫伯特、美国人H.肖尔和德国人K.科特文，分别独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了切削温度（常称自然热电偶法）。二十世纪五十年代Trigger和Chao采用剪切面作为热源，加工表面和加工过的表面作为绝热边界建立切削热模型。如下图所示：这是早期切削热模型的典型代表，在随后的研究中，学者对这个模型进行了一些改进。1.3 切削热理论的研究现状近年来，随着刀具制造技术和高速切削加工技术的飞速发展，切削热理论的研究热点也开始向这个方向转移。其中较为突出的几个课题如下：1、刀具表面的切削热问题；2、基于高速切削加工的切削热问题；3、切削热对加工材料表面的影响。下面我