技术交流

首页

切削加工中不得不重视的的热量问题，对刀具寿命有多大影响？

发布时间:

2019年08月27日

金属切削在切削区内产生的温度高达800至900℃，在该切削区内，切削刃会促使工件材料变形并将其切除。在连续车削加工中，热量以稳定的线性方式产生。与此相反，铣刀齿间歇性地切入和切出工件材料，切削刃的温度也会交替地升高和下降。加工系统的元件会吸收金属切削过程中产生的热量。通常，10%的热量进入工件，80%进入切屑，10%进入刀具。最好的情况是切屑带走绝大部分的热量，因为高温会缩短刀具寿命，并损坏所加工的零件。

工件材料的不同导热性以及其它加工因素，都会对热量的分布产生显著影响。当加工导热性较差的工件时，传入刀具的热量会增加。加工硬度较高的材料会比加工硬度较低的材料产生更多热量。在通常下，更高的切削速度会增加热量的产生，更高的进给量会加大切削刃中受高温影响的区域。

在以铣削加工为主的断续切削工况中，刀具的啮合弧度、进给量、切削速度、切削刃槽型的选择对热量的产生、吸收和控制都有影响。

一、啮合弧度

由于铣削过程的间歇性质，切削齿只在部分加工时间内产生热量。切削齿的切削时间百分比由铣刀的啮合弧决定，而啮合弧则受到径向切削深度和刀具直径的影响。

不同铣削工艺的啮合弧也不同。在槽铣中，工件材料包围一半的刀具，啮合弧是刀具直径的100%。切削刃一半的加工时间都花在切削上，因此热量迅速积聚。在侧铣中，相对较小的刀具部分与工件啮合，切削刃有更多的机会向空气中散热。

二、切削速度

为了保持切削区内的切屑厚度和温度与刀具在满刀切削时的值相等，刀具供应商制定了补偿系数，用于在刀具啮合量百分比减小时增加切削速度。

从热负荷角度来看，啮合弧小，切削时间可能不足以产生最大刀具寿命所需的最低温度。增加切削速度通常会产生更多的热量，将小啮合弧与更高的切削速度相结合有助于将切削温度提升至所需的水平。更高的切削速度会缩短切削刃与切屑接触的时间，从而减少传入刀具的热量。总体而言，更高的切削速度会减少加工时间并提高生产率。

另一方面，更低的切削速度会降低加工温度。加工中产生的热量过多，降低切削速度可将温度降至可接受的水平。

三、切削厚度

切屑厚度会对热量和刀具寿命产生极大的影响。切屑厚度过大，造成的重负荷会产生过多的热量和切屑，甚至导致切削刃断裂。切屑厚度过小，切削过程只在切削刃的较小部分上进行，而增加的摩擦和热量会导致迅速的磨损。

铣削中产生的切屑的厚度会随着切削刃进出工件而不断变化。因此，刀具供应商采用“平均切屑厚度”的概念来计算旨在保持最高效切屑厚度的刀具进给量。

确定正确的进给量所涉及的因素包括：刀具的啮合弧或径向切削深度以及切削刃的主偏角。啮合弧越大，产生理想平均切屑厚度所要求的进给量就越小。同样，刀具的啮合弧越小，获得相同切屑厚度就需要更高的进给量。刀具的切削刃主偏角也会影响进给要求。当切削刃偏角为90°时，切屑厚度最大，因此，为了达到相同的平均切屑厚度，减小切削刃主偏角就需要提高进给量。

四、切削刃槽型

铣刀刀体的几何角度和切削刃有助于控制热负荷。工件材料的硬度及其表面状况决定刀具前角的选择。正前角的刀具产生的切削力和热量较小，同时还可使用更高的切削速度。但是，正前角刀具比负前角刀具薄弱，负前角刀具可产生更大的切削力和更高的切削温度。

切削刃的槽型可以引起和控制切削作用及切削力，从而影响热量的产生。刀具与工件接触的刃口可以进行倒角、钝化或是锋利的。经过倒角或钝化的刃口强度更大，产生的切削力更大、热量更多。锋利的刃口，可以减小切削力并降低加工温度。

切削刃后的倒棱用于引导切屑，它可以是正倒棱也可以是负倒棱，正倒棱同时会产生较低的加工温度，而负倒棱设计强度更高，产生更多热量。

铣削过程为断续切削，铣削刀具的切屑控制特征通常不如在车削中那么重要。根据所涉及的工件材料以及啮合弧，判断形成和引导切屑所需的能量可能会变得十分重要。狭窄或强制断屑切屑控制槽型能够立即卷起切屑，并产生更大的切削力和更多热量。更开阔的切屑控制槽型可产生更小的切削力和更低的加工温度，但可能不适用于某些工件材料和切削参数组合。

五、冷却

控制金属切削加工中产生的热量的方法是控制冷却液的应用。温度过高会导致切削刃快速磨损或变形，因此必须尽快控制热量。为了有效地降低温度，必须对热源进行冷却。

数控人必须知道的数控加工12个小经验

切削加工不同材料时的要点有哪些？

相关技术交流

齿轮修型的作用

齿轮作为机械传动的核心部件，其传动精度与可靠性直接决定设备整体性能。理想状态下，渐开线齿轮可实现平稳啮合，但实际工况中制造误差、受力变形、热变形等因素会导致啮合冲击、载荷偏载等问题。齿轮修型通过对齿廓、齿向等关键部位进行微量精准修整，从根源上改善啮合特性，该技术已成为提升齿轮传动质量的核心手段。

2025年11月24日

齿轮裂纹的危害

齿轮作为机械传动系统的“动力枢纽”，其结构完整性直接决定设备运行的稳定性与可靠性。在制造、安装、运行及维护的全生命周期中，齿轮易因材料缺陷、载荷过载、疲劳磨损、腐蚀侵蚀等因素产生裂纹。裂纹作为一种典型的隐性失效隐患，初期往往难以察觉，但其扩展过程会引发一系列连锁反应，从传动性能衰减逐步升级为设备停机、安全事故及重大经济损失。本文将系统解析齿轮裂纹的核心后果、传导机理及工程警示意义。一、传动性能急剧恶化，引发系统振动噪声失控齿轮裂纹的初始影响集中体现为传动精度下降，随着裂纹扩展，齿面接触状态与啮合特性被严重破坏，进而导致振动噪声呈指数级增长，形成“裂纹扩展—啮合失衡—振动加剧—裂纹加速扩展”的恶性循环。 1. 啮合精度失效，传动误差飙升完整齿轮的齿面呈规则渐开线轮廓，啮合时基圆齿距精准匹配，传动误差通常控制在0.01-0.03mm范围内。当齿根或齿面出现裂纹时，裂纹区域的材料刚度降低，受载后产生局部塑性变形，导致齿距偏差、齿形畸变。实验数据显示，当裂纹深度达到齿厚的10%时，传动误差会从0.02mm骤增至0.15mm以上，远超GB/T 10095.1规定的7级精度要求。这种误差会导致齿轮啮合时出现“卡滞—打滑”交替现象，破坏传动的平稳性。 2. 振动激励增强，噪声污染超标裂纹引发的齿面变形会使啮合过程从“面接触”变为“点接触+局部冲击”，产生周期性的振动激励。根据机械振动理论，这种激励频率与齿轮转速、齿数耦合，形成特征性的“啮合频率边频带”。某化工设备减速器齿轮实验表明：无裂纹时振动加速度有效值为2.5m/s²，噪声值为72dB；当齿根出现0.5mm深裂纹时，振动加速度升至8.3m/s²，噪声突破95dB，超过《工业企业噪声控制设计规范》（GB/T 50087）规定的85dB限值；当裂纹扩展至1.2mm时，振动加速度可达15m/s²，伴随明显的“异响—颤振”现象。二、承载能力断崖式下降，诱发突发性断裂失效齿轮的承载能力依赖于齿面接触强度与齿根弯曲强度的协同保障，而裂纹作为典型的应力集中源，会使局部应力急剧升高，导致强度性能大幅衰减，最终引发突发性断齿事故。 1. 应力集中效应放大，强度性能骤降根据断裂力学理论，裂纹尖端的应力集中系数Kt与裂纹长度、尖端曲率半径相关，公式可简化为Kt=1+2√(a/ρ)（其中a为裂纹深度，ρ为裂纹尖端曲率半径）。当齿轮出现0.3mm深的齿根裂纹时，应力集中系数可从完整齿轮的1.2增至3.5以上，局部应力直接超过材料屈服强度。某风电齿轮箱齿轮（材料42CrMo）的实测数据显示：完整齿轮的齿根弯曲强度极限为850MPa，存在0.4mm深裂纹时强度极限降至320MPa，降幅达62.4%；当裂纹扩展至0.8mm时，强度极限仅为180MPa，无法承受额定载荷的50%。 2. 疲劳扩展加速，突发断齿风险激增齿轮在变载荷工况下，裂纹会沿“最大切应力方向”疲劳扩展，扩展速率遵循Paris公式（da/dN=C(ΔK)^m，其中ΔK为应力强度因子幅）。初期微裂纹（深度＜0.2mm）扩展较慢，可能维持数百小时；但当裂纹深度超过齿厚的15%时，扩展速率会提升10-15倍，从“稳定扩展”进入“失稳扩展”阶段，短时间内即可贯穿齿厚导致断齿。三、触发连锁故障，导致系统级停机事故齿轮作为传动系统的核心部件，其裂纹失效并非孤立事件，会通过“载荷传导”“振动传导”两种路径波及轴系、轴承、箱体等关联部件，形成多部件连锁故障，最终导致整个设备停机。 1. 轴系与轴承的二次损伤齿轮裂纹引发的啮合冲击会通过轮毅传递至传动轴，导致轴系产生弯曲振动与扭振，使轴颈与轴承内圈的配合间隙异常变化，出现“偏磨—发热”现象。同时，断齿产生的金属碎屑会进入轴承滚道，造成滚珠与滚道的研磨损伤，引发轴承卡死。 2. 箱体与基础结构的疲劳损伤持续的剧烈振动会通过轴承座传递至齿轮箱体，使箱体螺栓松动、结合面密封失效，出现润滑油泄漏；长期振动还会导致箱体应力集中区域（如轴承座孔周边）产生疲劳裂纹，破坏箱体的结构完整性。对于固定在混凝土基础上的设备，振动会削弱基础与设备的连接强度，引发基础沉降或开裂，进一步加剧设备失衡。某发电厂引风机齿轮箱因齿轮裂纹未及时处理，最终导致箱体开裂、基础沉降，设备停机维修长达72小时。四、总结与防控要点制造阶段：严控材料纯度与热处理工艺，消除初始裂纹隐患；运行阶段：采用振动监测、油液分析（铁谱/光谱）等手段，实现裂纹早期预警；维护阶段：发现微裂纹及时采用补焊、打磨等修复措施，避免扩展；高危行业：建立齿轮全生命周期档案，定期进行无损检测。

2025年11月17日

齿轮加工标准化工艺路线

齿轮作为机械传动的核心部件，其加工质量直接影响设备的传动精度、效率和使用寿命。本文系统梳理齿轮加工的标准化工艺路线，涵盖从毛坯制造到最终检验的全流程，结合国家标准和行业规范，提供可直接应用于生产实践的工艺参数与技术要求，并辅以关键工序的示意图解，为齿轮制造企业提供标准化参考。

2025年10月21日

齿轮变位详解

在机械传动系统中，齿轮作为核心部件承担着动力传递与转速调节的关键作用。标准齿轮虽能满足基本传动需求，但在齿数较少、中心距调整或高强度传动场景下存在明显局限 —— 轻则产生根切削弱强度，重则无法实现预期传动比。齿轮变位技术通过巧妙改变刀具与齿坯的相对位置，从根本上解决了这些难题，成为现代齿轮设计中不可或缺的关键技术。本文将系统解读齿轮变位的原理、计算方法与工程应用，为机械设计人员提供全面参考。

2025年09月19日

机械加工刀具选购指南：看懂这3点，效率提升50%

2025年08月25日

齿轮：机械世界的“传力达人”，你真的了解它吗？

在机械装置中，有一个看似普通却至关重要的零件——齿轮。它长着一圈整齐的“牙齿”，默默承担着传递动力、改变速度的重任。

2025年08月11日

分享到