切削厚度和木工刀具前角對切削溫度的影響

知識 05-22

刀具前角為40°時，不同切削厚度下切屑形成過程的紅外熱成像圖見圖5。從圖5中可以看出，直角自由切削松木過程中，切削熱主要在前刀面與切屑，以及後刀面與已加工表面的摩擦區域之間產生。切削區域中，刀具刃尖溫度最高，切削過程產生的大部分切削熱被切屑帶走。

圖5 不同切削厚度下切屑形成過程的紅外熱成像圖

Fig. 5 Infrared thermal images of chip formation at different cutting thicknesses

不同切削厚度與刀具前角下，直角自由切削松木的溫度變化規律見圖6。從圖6中可以看出，松木切削溫度隨著切削厚度的增加而增加，尤其在小前角(25°)和大切削厚度(0.5 mm)情況下，切削溫度可達67.5 ℃，這是因為切削厚度越大，刀具所需的切削力越大。因此，機床的機械能轉化為切屑熱的比例有所提高，切削溫度有所升高。

從圖6還可以看出，切削溫度隨著前角的增大而減小。這是因為切削溫度的變化與刀具/切屑和刀具/已加工表面之間的接觸面積有關，試驗所用刀具的后角不變，因此，後刀面與已加工表面之間的接觸面積變化不大。刀具前角越大，前刀面與切屑之間的接觸面積就會減小，即摩擦區域面積減小，使得切削溫度有所降低；刀刃楔角越小，切削熱更容易散發到空氣中，切削區溫度降低也越快。此外，切削溫度的降低可減少刀具的磨損，提高刀具的切削性能和使用壽命。

在切削力分析中可得出，在一個折斷型切屑形成過程中，由於超越裂縫的形成，切削力會有所下降。由圖6可知，在切削厚度0.3 mm、40°或50°前角時的切削溫度未下降。但從切削溫度變化曲線中可以觀察到，在40°和50°前角時，當切削厚度從0.2 mm增加到0.3 mm時，切削溫度變化曲線的斜率大於切削厚度從0.1 mm增加到0.2 mm時的斜率，說明折斷型切屑形成過程中所產生的超越裂縫降低了切削區溫度的增加速率。這可能是因為在折斷型切屑形成過程中，前刀面與切屑的摩擦頻率下降，使切削溫度有所降低，從而降低切削區溫度的增加速率。此外，從圖6中還可以看出，25°前角時的切削區溫度增加速率與40°和50°前角時的切削區溫度增加速率大致相同，這表明相比於切削力，大前角刀具對切削力的影響程度高於對切削區溫度的影響程度。