數(shù)控車床切削熱與切削溫度的控制方法

數(shù)控車床切削熱與切削溫度的控制方法

在數(shù)控車床加工（如車削碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料）過(guò)程中，切削熱的產(chǎn)生與切削溫度的升高是必然現(xiàn)象。切削熱若無(wú)法有效控制，會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加速、工件加工精度下降（如熱變形）、表面質(zhì)量惡化（如燒傷），甚至引發(fā)設(shè)備故障。因此，明確切削熱的來(lái)源與影響，并掌握科學(xué)的控制方法，是數(shù)控車床加工的核心技術(shù)要點(diǎn)。以下從切削熱的產(chǎn)生機(jī)制、危害及具體控制方法三方面展開(kāi)說(shuō)明。

一、數(shù)控車床切削熱的產(chǎn)生與影響 （一）切削熱的主要來(lái)源

數(shù)控車床車削加工時(shí)，切削熱源于 “切削層金屬的變形” 與 “刀具、工件、切屑間的摩擦”，具體分為四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域熱產(chǎn)生占比隨材料與工藝參數(shù)變化：

1. 剪切變形區(qū)（第一變形區(qū)）

   ：這是切削熱最主要的來(lái)源（占比 60% - 70%）。在刀具前刀面的擠壓作用下，工件切削層金屬發(fā)生塑性變形，從 “原始晶格結(jié)構(gòu)” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“切屑形態(tài)”，變形過(guò)程中分子間的內(nèi)摩擦產(chǎn)生大量熱量；

1. 刀具 - 切屑摩擦區(qū)（第二變形區(qū)）

   ：切屑沿刀具前刀面流出時(shí)，切屑底部與前刀面間存在強(qiáng)烈摩擦（尤其當(dāng)切屑與前刀面發(fā)生 “粘結(jié)” 時(shí)），產(chǎn)生的熱量占比約 20% - 30%；

1. 刀具 - 工件摩擦區(qū)（第三變形區(qū)）

   ：刀具后刀面與工件已加工表面間存在摩擦（因刀具后角不可能為 0°，且存在刀具磨損），產(chǎn)生的熱量占比約 5% - 10%；

1. 切屑 - 空氣 / 冷卻液摩擦區(qū)

   ：切屑與空氣、冷卻液接觸時(shí)，因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生少量摩擦熱（占比＜5%），通常可忽略，但冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響該區(qū)域的散熱效率。

   
   

數(shù)控車床加工中，切削溫度（通常指刀具前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度，稱為 “切削區(qū)溫度”）若超過(guò)合理范圍（如加工碳鋼時(shí)超過(guò) 800℃），會(huì)帶來(lái)多重危害：

1. 刀具壽命大幅縮短

   ：刀具材質(zhì)（如硬質(zhì)合金、高速鋼）對(duì)溫度敏感，例如硬質(zhì)合金刀具在溫度超過(guò) 1000℃時(shí)，硬度會(huì)從 90HRA 降至 75HRA 以下，磨損速度加快（溫度每升高 100℃，磨損速度約增加 2 - 3 倍），原本可加工 1000 件工件的刀具，可能僅加工 300 件就需更換；

1. 工件熱變形影響精度

   ：碳鋼、合金鋼等材料的熱膨脹系數(shù)約為 11×10??/℃ - 13×10??/℃，若切削溫度過(guò)高，工件會(huì)因熱脹冷縮產(chǎn)生變形（如長(zhǎng)軸類零件加工后，冷卻收縮導(dǎo)致直徑偏差超 0.02mm），無(wú)法滿足精密加工要求（如 IT6 級(jí)精度）；

1. 工件表面質(zhì)量惡化

   ：高溫會(huì)導(dǎo)致工件已加工表面產(chǎn)生 “熱燒傷”（如表面出現(xiàn)氧化色、微裂紋），或因切屑與表面粘結(jié)形成 “積屑瘤”，導(dǎo)致表面粗糙度從 Ra1.6μm 惡化至 Ra6.3μm，影響后續(xù)裝配與使用；

1. 設(shè)備精度受損

   ：長(zhǎng)期高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致數(shù)控車床的主軸軸承、導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件受熱變形，影響設(shè)備的定位精度（如重復(fù)定位精度從 ±0.005mm 變?yōu)?±0.01mm），形成 “加工精度下降→設(shè)備精度受損” 的惡性循環(huán)。

   
   

控制數(shù)控車床切削溫度，核心思路是 “減少切削熱產(chǎn)生” 與 “加速切削熱散發(fā)”，需從切削參數(shù)、刀具選擇、冷卻潤(rùn)滑、工藝優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)等多維度協(xié)同實(shí)施，具體方法如下：

（一）優(yōu)化切削參數(shù)：從源頭減少切削熱產(chǎn)生

切削參數(shù)（切削速度 vc、進(jìn)給量 f、吃刀量 ap）直接決定切削熱的產(chǎn)生量，合理優(yōu)化參數(shù)可在保證加工效率的同時(shí)，顯著降低切削溫度，是最經(jīng)濟(jì)有效的控制手段。

1. 切削速度（vc）：關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)

• 影響機(jī)制

  ：切削速度與切削溫度呈 “指數(shù)關(guān)系”，速度每提高 20%，切削溫度約升高 15% - 20%（因剪切變形速度加快，摩擦頻率增加）；

• 優(yōu)化原則

  ：根據(jù)刀具材質(zhì)與工件材料匹配合理速度，避免盲目追求高速。例如：

• 加工 Q235 碳鋼（硬度 130 - 160HBW），若使用硬質(zhì)合金刀具（如 WC - Co 合金），切削速度建議控制在 80 - 120m/min（過(guò)高易導(dǎo)致刀具過(guò)熱磨損）；

• 加工不銹鋼（如 304，硬度 180 - 200HBW），因材料塑性大、導(dǎo)熱性差（僅為碳鋼的 1/3），切削速度需降至 50 - 80m/min，避免溫度驟升；

• 實(shí)操技巧

  ：在數(shù)控車床中，通過(guò) “試切法” 確定最優(yōu)速度 —— 先按理論值設(shè)定速度，加工 10 - 20 件后檢查刀具磨損（如后刀面磨損量＞0.2mm 則降速），逐步調(diào)整至 “磨損量小 + 效率高” 的平衡點(diǎn)。

  
  

• 影響機(jī)制

  ：進(jìn)給量與切削溫度呈 “線性關(guān)系”，進(jìn)給量增大時(shí)，切屑截面積增大，剪切變形總量增加，切削熱隨之增多，但影響程度小于切削速度（進(jìn)給量提高 20%，溫度約升高 8% - 10%）；

• 優(yōu)化原則

  ：在保證表面粗糙度要求的前提下，適當(dāng)增大進(jìn)給量（而非切削速度），可提高加工效率且溫度上升平緩。例如：

• 粗車加工（表面粗糙度要求 Ra12.5μm）：進(jìn)給量可設(shè)為 0.2 - 0.3mm/r，通過(guò)大進(jìn)給量快速去除余量，減少切削時(shí)間；

• 精車加工（表面粗糙度要求 Ra1.6μm）：進(jìn)給量需降至 0.1 - 0.15mm/r，避免因進(jìn)給量過(guò)大導(dǎo)致表面粗糙，同時(shí)控制溫度（精車時(shí)切削深度小，溫度相對(duì)較低）；

• 注意事項(xiàng)

  ：進(jìn)給量不可過(guò)大（如超過(guò) 0.4mm/r），否則會(huì)導(dǎo)致切削力驟增（徑向切削力可能超過(guò) 1000N），引發(fā)工件振動(dòng)，間接導(dǎo)致局部溫度升高（振動(dòng)摩擦產(chǎn)生額外熱量）。

• 影響機(jī)制

  ：吃刀量與切削溫度的關(guān)聯(lián)性最弱，吃刀量增大時(shí)，切屑截面積增大，但切削區(qū)的平均溫度上升不明顯（吃刀量提高 20%，溫度僅升高 3% - 5%），因切屑體積增大后，熱量可通過(guò)切屑快速帶走；

• 優(yōu)化原則

  ：粗車時(shí)優(yōu)先采用大吃刀量（如 ap=3 - 5mm），快速去除大部分余量，減少走刀次數(shù)（每減少一次走刀，可減少一次切削熱積累）；精車時(shí)吃刀量控制在 0.5 - 1mm，避免因吃刀量過(guò)小導(dǎo)致 “空切”（刀具與工件表面反復(fù)摩擦，產(chǎn)生局部高溫）；

• 適配案例

  ：加工直徑 100mm 的 Q345 碳鋼軸，粗車時(shí)從直徑 100mm 車至 94mm（ap=3mm），進(jìn)給量 0.25mm/r，切削速度 100m/min；精車時(shí)從 94mm 車至 93.8mm（ap=0.1mm），進(jìn)給量 0.12mm/r，切削速度 90m/min，既保證效率，又控制溫度。

  
  

刀具的材質(zhì)、幾何角度、涂層狀態(tài)直接影響切削熱的產(chǎn)生與散熱效率，選擇適配的刀具可從 “減少摩擦”“提高耐高溫能力” 兩方面控制溫度。

1. 刀具材質(zhì)：優(yōu)先選擇耐高溫材質(zhì)

• 材質(zhì)特性與適配場(chǎng)景

• 硬質(zhì)合金刀具

  ：耐高溫性強(qiáng)（可承受 800 - 1000℃溫度），導(dǎo)熱系數(shù)較高（15 - 50W/(m?K)），適合加工碳鋼、合金鋼等常規(guī)材料，是數(shù)控車床的主流選擇（如型號(hào) CNMG120408 的硬質(zhì)合金外圓車刀）；

• 陶瓷刀具

  ：耐高溫性更強(qiáng)（可承受 1200 - 1400℃），但脆性大，適合加工高硬度材料（如淬火后的 45 鋼，硬度 50HRC 以上），在高溫下仍能保持高硬度，減少磨損；

• 立方氮化硼（CBN）刀具

  ：耐高溫性最優(yōu)（可承受 1300 - 1500℃），適合加工超硬材料（如高速鋼、軸承鋼），但成本較高，僅用于精密加工或難加工材料；

• 避免誤區(qū)

  ：加工普通碳鋼時(shí)，不建議使用高速鋼刀具（耐高溫僅 600 - 700℃），否則需大幅降低切削速度（如＜50m/min），效率低下且溫度仍易超標(biāo)。

• 前角（γ?）

  ：前角增大，刀具切削刃更鋒利，剪切變形區(qū)的變形程度減小，摩擦熱減少；但前角過(guò)大（如＞15°）會(huì)降低刀具強(qiáng)度，易導(dǎo)致崩刃。加工碳鋼時(shí)，前角建議設(shè)為 10° - 15°（硬質(zhì)合金刀具），既減少熱產(chǎn)生，又保證刀具剛性；

• 后角（α?）

  ：后角增大，刀具后刀面與工件已加工表面的摩擦減小，摩擦熱減少；但后角過(guò)大（如＞12°）會(huì)導(dǎo)致刀具散熱面積減小，熱量易積聚。建議后角設(shè)為 6° - 10°，兼顧減摩與散熱；

• 主偏角（κ?）

  ：主偏角減小，切削刃參與切削的長(zhǎng)度增加，散熱面積增大，切削溫度降低；但主偏角過(guò)小（如＜45°）會(huì)導(dǎo)致徑向切削力增大，工件易振動(dòng)。加工軸類零件時(shí)，主偏角建議設(shè)為 75° - 90°（90° 偏刀），平衡散熱與切削力；

• 刀尖圓弧半徑（rε）

  ：適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑（如從 0.4mm 增至 0.8mm），可增大刀尖處的散熱面積，減少局部高溫（刀尖是溫度最高的區(qū)域，易磨損）；但半徑過(guò)大（如＞1.2mm）會(huì)導(dǎo)致徑向切削力增大，需根據(jù)進(jìn)給量適配（進(jìn)給量越大，圓弧半徑可適當(dāng)增大）。

  
  

• 涂層作用

  ：刀具涂層可在刀具表面形成 “耐高溫、低摩擦” 的保護(hù)層，減少刀具與切屑、工件的直接摩擦，同時(shí)阻礙熱量向刀具內(nèi)部傳遞（涂層導(dǎo)熱系數(shù)低）；

• 主流涂層與適配場(chǎng)景

• TiN 涂層

  ：硬度高（2000HV 以上），摩擦系數(shù)低（0.4 左右），適合加工碳鋼、合金鋼，可提高刀具壽命 2 - 3 倍，切削溫度降低 10% - 15%；

• TiAlN 涂層

  ：耐高溫性優(yōu)于 TiN（可承受 800 - 900℃），抗氧化性強(qiáng)，適合高速切削（如切削速度 120 - 150m/min），尤其適合加工不銹鋼等難加工材料；

• AlCrN 涂層

  ：耐高溫性最優(yōu)（可承受 1100℃以上），適合加工高硬度材料或干切削（無(wú)冷卻液）場(chǎng)景，能有效抑制高溫下的刀具氧化磨損；

• 使用注意

  ：涂層刀具需避免 “斷續(xù)切削”（如加工帶槽零件）時(shí)的劇烈沖擊，否則涂層易剝落，失去保護(hù)作用，導(dǎo)致溫度驟升。

冷卻潤(rùn)滑是數(shù)控車床加工中 “主動(dòng)散熱” 的核心手段，通過(guò)冷卻液的 “對(duì)流換熱”“汽化吸熱” 作用，將切削區(qū)的熱量快速帶走，同時(shí)減少刀具與切屑、工件的摩擦，從 “散熱” 與 “減摩” 兩方面控制溫度。

1. 選擇適配的冷卻液類型

• 冷卻液分類與適配場(chǎng)景

• 乳化液

  ：由水（90% - 95%）、乳化油（5% - 10%）組成，冷卻性能好（導(dǎo)熱系數(shù) 0.4 - 0.5W/(m?K)），成本低，適合加工碳鋼、合金鋼等常規(guī)材料，尤其適合粗車（熱量大，需強(qiáng)冷卻）；

• 切削油

  ：以礦物油為基礎(chǔ)，添加極壓劑、抗磨劑，潤(rùn)滑性能好（摩擦系數(shù) 0.15 - 0.25），冷卻性能較弱，適合精車（需減少摩擦，保證表面質(zhì)量）或加工不銹鋼（易粘結(jié)，需強(qiáng)潤(rùn)滑）；

• 合成冷卻液

  ：由水、合成劑（如聚乙二醇）組成，冷卻與潤(rùn)滑性能均衡，防銹性強(qiáng)，適合精密加工（如 IT5 級(jí)精度零件）或數(shù)控車床的高速切削；

• 濃度控制

  ：乳化液濃度需控制在 8% - 12%（濃度過(guò)低易生銹、冷卻潤(rùn)滑不足；過(guò)高易產(chǎn)生泡沫，影響散熱），可通過(guò) “濃度計(jì)” 定期檢測(cè)，及時(shí)補(bǔ)充乳化油。

• 供給壓力與流量

  ：冷卻液需具備足夠的壓力（0.3 - 0.5MPa）與流量（10 - 20L/min），確保冷卻液能 “直達(dá)切削區(qū)”（刀具前刀面與切屑接觸處、后刀面與工件接觸處），形成連續(xù)的油膜或水膜，避免 “斷流” 導(dǎo)致局部高溫。例如，使用 “高壓冷卻噴嘴”（直徑 2 - 3mm），將冷卻液精準(zhǔn)噴射至切削區(qū)，散熱效率比普通噴嘴提升 30% - 40%；

• 噴嘴位置與數(shù)量

  ：建議采用 “雙噴嘴” 設(shè)計(jì)，一個(gè)噴嘴對(duì)準(zhǔn)前刀面（冷卻切屑與前刀面摩擦區(qū)），另一個(gè)噴嘴對(duì)準(zhǔn)后刀面（冷卻后刀面與工件摩擦區(qū)）；噴嘴與切削區(qū)的距離控制在 10 - 15mm，過(guò)遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致冷卻液分散，過(guò)近易被切屑堵塞；

• 特殊場(chǎng)景適配

  ：加工深孔（如孔徑＜20mm、深度＞100mm）時(shí)，需采用 “內(nèi)冷刀具”（刀具內(nèi)部有冷卻液通道），將冷卻液從刀具刀尖噴出，直接冷卻切削區(qū)，避免因深孔內(nèi)空間狹小導(dǎo)致冷卻液無(wú)法到達(dá)，溫度驟升。

• 過(guò)濾與清潔

  ：冷卻液在循環(huán)過(guò)程中會(huì)混入鐵屑、油污、微生物等雜質(zhì)，需通過(guò) “三級(jí)過(guò)濾”（粗濾、精濾、超濾）去除雜質(zhì)（過(guò)濾精度≤10μm），避免雜質(zhì)堵塞噴嘴或附著在刀具表面，影響散熱；

• 定期更換

  ：乳化液的使用壽命約為 3 - 6 個(gè)月，超過(guò)期限后會(huì)出現(xiàn) “變質(zhì)”（如發(fā)臭、pH 值下降至 7 以下），冷卻潤(rùn)滑性能大幅下降，需及時(shí)更換；更換時(shí)需徹底清洗冷卻液箱、管道，避免殘留變質(zhì)液污染新液；

• 溫度控制

  ：冷卻液的工作溫度建議控制在 20 - 30℃（通過(guò)冷卻水箱的 “溫控系統(tǒng)” 實(shí)現(xiàn)），溫度過(guò)高（＞40℃）會(huì)降低冷卻效果（冷卻液與切削區(qū)的溫差減小），溫度過(guò)低（＜15℃）會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生 “熱沖擊”（溫差過(guò)大導(dǎo)致表面裂紋）。

除上述核心方法外，通過(guò)工藝路線調(diào)整與設(shè)備狀態(tài)維護(hù)，可進(jìn)一步輔助控制切削溫度，確保加工穩(wěn)定性。

1. 工藝路線優(yōu)化：減少熱積累與熱變形

• 粗精車分離

  ：將加工過(guò)程分為 “粗車” 與 “精車” 兩個(gè)階段，粗車時(shí)快速去除余量，產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻液與切屑帶走；粗車后暫停 5 - 10min，待工件冷卻至室溫后再進(jìn)行精車，避免粗車的余熱影響精車精度（如粗車后工件溫度達(dá) 80℃，冷卻后收縮，精車可補(bǔ)償收縮量）；

• 分段加工長(zhǎng)軸

  ：加工長(zhǎng)徑比＞10 的軸類零件（如長(zhǎng)度 1000mm、直徑 100mm）時(shí)，采用 “分段車削”（每段長(zhǎng)度 200 - 300mm），避免因工件一端受熱變形導(dǎo)致另一端切削溫度升高（分段加工可讓已加工段及時(shí)散熱）；

• ** 避免斷續(xù)切削