众所周知，过去十年间，加工车间使用的数控加工中心的主要发展趋势是速度更快、更智能，并配备更轻便、更节能的主轴。而不断上涨的能源成本正在加速这一进程。这种趋势与使用能够一次切削深度极大的大型机床的做法截然相反。高速加工（HSM）必然意味着低功率加工（LPH），这需要不同的切削刀具以及对刀具的不同理解。
为了应对高速/低能耗加工的趋势，许多领先的刀具供应商正在开发用于高速加工的专用刀具系列。或在其刀具产品中添加额定主轴转速标记。一些刀具供应商甚至更为领先。之所以如此，是因为尽管高速加工或额定主轴转速的现状对高速主轴的安全性是好的和必要的，但它尚未得到充分发展。高速加工或额定转速本身仅意味着钻头或刀具在以12,000 rpm或40,000 rpm的转速实际运转时保持良好的平衡，并且刀片牢固地安装在刀具中。然而，这并不表示刀具的加工效率，而加工效率是节能和保护轻量化机床结构的关键因素。
当然，需要强调高速加工或额定转速，但眼光也应放远一些。你会发现，目前用于高速加工的各种铣刀和钻头，在加工效率和能源效率方面存在巨大差异。这些差异对于粗加工、一次铣削和大直径孔加工尤为重要。
CNC高速加工中心的特点和局限性
我们先来剖析一下典型的CNC高速加工中心，看看它与传统机床有何不同。当然，它速度很快，主轴额定转速高达40,000r/min，并能实现极高的进给速度。此外，它还高度智能化，其控制系统通常可以实现插补加工、刀具路径优化以及3-6轴联动加工。
然而，它也有缺点。首先，主轴电机的额定功率可能只有20马力（25kW）甚至更低。其次，机床结构非常轻，因此更容易发生挠曲和振动（这一点经常被忽视）。事实上，限制材料去除率提升的通常是结构刚度，而不是主轴功率。不仅是主轴电机，机床整体的设计也是为了轻载、快速多道次切削（而不是深切、少道次切削）。
高速加工刀具设计的新思路
从切削刀具的角度来看，高效低成本加工的关键在于瞬间加热切削区，软化被切削的金属，并将热量传递给切屑，使热量随切屑一起离开切削区。显然，金属越软，去除金属所需的功率就越小。这与过去想尽一切办法降低加工温度的思路截然不同，这要求我们在刀具设计阶段和用户在刀具选择阶段采取不同的方法。
刀具基体、涂层和几何形状的关键特征
切削热或许仍然是刀片的敌人，但它可以转化为工件切削点和切屑中的积极因素。如今的高速铣刀设计性能更佳，与高速主轴（及其高表面切削速度）相结合，可以使切削点处的金属塑性软化。如果能找到这样的刀具，它可以利用切屑变形产生的热量来软化被切削的金属。使其处于更易于切削的状态，可以实现更快、更节能的切削，同时延长刀具和机床的使用寿命。
为低功率加工开发的刀片应具备另外两个重要特性：首先，基体和涂层应能够承受高温和冲击。其次，切削刃几何形状的设计应能够完全实现自由切削（高速、无支撑切削）。基体和涂层需要承受切削区材料塑性变化带来的高温环境。它们还必须承受在高表面速度下反复撞击工件产生的频繁冲击力，并且这些冲击力会随着主轴转速的提高而成比例增加。
对于低功率铣刀的前角几何形状，刀片应至少具有双正前角，即在径向和轴向均为正值。这可确保在两个方向上实现平滑的插铣，与钝的0°前角刀具产生的刮削效应相比，产生的切削力和功耗更小。然而，并非所有刀片都具有双正前角，因此在选择时需要谨慎。
螺旋刃刀具的优点及选用建议
另外，还要寻找带有螺旋切削刃的立铣刀（这类立铣刀很少），这种刀具可以显著降低功率需求和冲击力，其弯曲的切削刃使刀片更容易切入工件。从微观角度来看，这更像是用倾斜的刀片一次切掉一部分材料进行钣金加工，而不是一次性冲压整块金属板。铣刀的螺旋角为 20° 至 45°，还可以减少刀具切入时的冲击力，并抑制切出时毛刺的产生。
圆鼻铣刀与球鼻铣刀的比较
在模具加工中，使用球头铣刀进行铣削会浪费大量动力，因为只有切削面的一小部分（中线附近的区域）以最佳表面速度和效率进行切削。更好的选择是使用齿形更直的圆头铣刀。
刀具的齿顶圆弧半径和相应的表面切削速度在整个切削面上非常一致。在切削面的两端，表面速度不会趋近于零，因为它必须靠近球头铣刀的刀尖。其次，在直线切削中，可以使用较大的刮削半径来利用切屑减薄效应，从而实现更快的材料去除。较大的刀尖圆弧半径与反锥度相结合，使其更容易清理转角并最大限度地降低切削力。所有切削面均采用较大的正前角，以降低切削力和功耗。
高速干切削及刀具参数优化
一旦选择了合适的立铣刀，充分利用它就至关重要。大多数钢材的切削规则是：快速切削、热切削、干切削。提高主轴转速和进给速度可以使材料塑化，同时提高生产率。仅使用刀具制造商推荐的切削参数（进给和切削速度）作为起点，并在此基础上进行改进。最重要的一点是不要使用冷却液。除了保护立铣刀免受热冲击外，铣刀还必须产生软化工件材料所需的热量。加工过程中可能不需要切削液来冲洗切屑，使用正前角刀具进行高速加工可以很好地排出切屑。添加具有除湿功能的喷嘴会有所帮助。
这里有一些指导原则，其中一些原则可以应用于一般的粗铣削操作，但所有这些原则对于低功率铣削都很重要。
- 尽可能采用顺铣，这样可以使切削刃更平稳地切入工件，保护更轻的机床结构，并延长刀具寿命。
- 研究切屑的颜色可以揭示切削效率的线索。铣削钢材时，不必担心深蓝色的切屑，因为它们表明铣削效果良好，材料软化，并且切削热量以正确的方式被切屑带走。铣削不锈钢时，浅稻草黄色的切屑也是铣削效果良好的标志。
- 窄肩比宽肩更节能，每次切削的接触宽度不应超过刀具长度的75%。出于同样的原因，请勿同时在切削中使用两个以上的刀片，否则只会产生更多摩擦并消耗更多功率，得不偿失。如果加工过程中出现颤动，可以更改刀具几何参数（例如前角、安装角或主偏角），增加切屑负荷和/或减小（而不是增大）刀片前角。
低功率孔加工替代方案：螺旋铣削
孔加工通常被认为是单位材料去除量能耗最高的加工工艺。即使使用现代麻花钻，也只有一小部分切削面以理想的表面速度进行切削。即使在最佳加工条件下，切屑与容屑槽之间的摩擦也会消耗切削能量。此外，将切削液输送到切削表面的泵也会消耗能量。加工的孔越大越深，能耗就越大。
对于直径超过25.4毫米的大孔，螺旋铣削是更好的选择。当然，这需要机床进行插补控制。这种干式、节能的切削方法比湿式、耗能的传统加工工艺效果更佳。用单齿或多齿立铣刀加工大直径孔所需的机床功率和系统刚度比任何钻头都要小。
据螺旋铣削技术的用户报告，定位销孔的加工周期缩短了四分之三，铣削功耗仅为3%。大多数现代数控机床无法提供使用平头钻加工如此大直径孔所需的功率。因此，许多模具制造商不得不将刀具转移到坐标镗床或重型钻床上，才能加工定位销孔。而采用螺旋铣削技术，他们可以在用于型腔加工的低功率铣床上一次性加工所有定位销孔。信不信由你，螺旋铣削技术允许直接在工件上加工大孔，无需预钻孔，也避免了在日益增多的大孔钻孔操作上浪费大量时间和精力。
使用螺旋铣削加工各种深度的孔或盲孔时，应注意排屑。铣刀的几何形状可能会产生细小的切屑，但排屑不一定非要由刀具本身完成。在立铣和某些卧铣操作中，可能需要使用空气吹屑。
可换冠钻头在大孔加工中的应用
可换冠钻也可用于大孔加工，且所需功率比槽钻更低。由于其独特的几何形状，冠钻的切削效率极高，且钻杆直径小于冠钻直径，这使得排屑更容易，并减少了摩擦。此外，坚韧的合金钢钻杆能够承受轻型机床上常见的振动和刀具变形，而整体硬质合金钻头则容易因振动和变形而损坏。
可换冠钻主要用于大规模生产，以避免重新调整机床和大量库存各种整体硬质合金钻头。由于其更高效的切削刃几何形状和更坚韧的钻杆，它们提高了低功率钻孔作业的附加值。
为了提高高速/低功率加工的效率，在选择铣削和孔加工刀具时，不仅要注意高速加工（主轴转速），还要注意使刀具适合实际加工。高速加工除了安全性之外，还有更多好处。铣削时，选择具有“完全自由切削”的刀具几何形状（带螺旋切削刃的双正前角铣刀），并使用具有良好热硬度的刀具。钻孔时，考虑使用螺旋铣削来加工大孔。对于一般钻孔，尝试使用可更换皇冠钻和高韧性合金钢钻杆，以避免在安装不稳定的情况下整体硬质合金钻头断裂。可更换皇冠钻可以提高金属切除率，保护轻型机床和工具，同时节省加工功率。
