切削原理 CH0401 切削溫度

切削過程中工件、切屑、刀具溫度都會上升，溫度上升對切削的影響包括：
1. 刀具磨耗率增加
2. 尺寸精度變差
3. 加工面性質變差
4. 加工面留下殘餘應力
等等。

切削時溫度會上升的原因主要來自兩個位置：剪切面與切屑刀具磨擦面，如下圖示：其他的熱能量相對很少在一般應用上幾乎可以忽略。

熱量能量產生來源主要有二：
剪切面(Primary deformation zone)
摩擦面(Secondary deformation zone)

1. 剪切面 (Primary deformation zone)：
主要是剪切能 Ps = Fs(剪切力) * Vs(剪切面移動速度)。
當工具機施力作功時，在工件塑性變形的剪切面上材料會發生塑性(剪切)變形並將功轉換成熱量。
此一熱量會使剪切面溫度升高並從剪切面往外擴散；熱量擴散途徑主要有二：由剪切面往切屑跟工件傳遞。
熱量傳遞到工件部分會提高工件與加工面上的溫度。
熱量傳遞到切屑上會提高切屑溫度，再由切屑傳遞到接觸的刀具面上提高刀具的溫度。

2. 切屑刀具磨擦面(Secondary deformation zone)：
主要是磨擦能 Pf  = Ff(摩擦力) * Vchip(切屑移動速度)。
這個熱量會產生在切屑與刀具接觸的介面(切屑接觸長度)上，同樣地這個熱量擴散的途徑假設有兩個，往切屑跟往刀具。
熱量向切屑跟刀具擴散而提高了切屑與刀具的溫度。

其他熱源相對比例很小，一般計算上先忽略，在先忽略其他能量的情況下，切削過程中的總能量 Pm = Ps + Pf，

為了簡化模型，先忽略所有表面的熱對流、輻射等熱傳效應，主要只考慮在固體(工件、切屑、刀具)的熱傳導效應，分析計算上，可以根據熱傳導模擬計算出溫度場的分布，例如在正交模型中，溫度的分佈如下圖示：

工件、切屑與刀具溫度分布

如上圖剪切面上是主要溫升的區域，工件從室溫升高至六百多度，切屑與刀具面的磨擦繼續提高切屑刀具接觸面的溫度，所以切屑的最高溫度會發生在刀尖後一段距離(發生磨擦的位置中間附近)；加工後的工件溫度會由剪切面的溫度延續並且因與遠離剪切面熱源而下降。

切削溫度分析就是在利用不同模型推導與計算工件、切屑、刀具特定位置的平均溫度、最高溫度或溫度分布，以了解並評估溫度對切削成果所造成的影響。