众所周知，过去十年中，车间使用的 CNC 加工中心的主要趋势是速度更快、更智能，主轴更轻、更省电。而不断上升的能源成本正在加速这一进程。这一趋势与使用能够一次性实现深度切割的强大机床完全相反。高速加工 (HSM) 也必然意味着低功率加工 (LPH)，这需要不同的 切割工具 以及对加工工具的不同理解。
为响应高速/低能耗加工的趋势，许多领先的刀具供应商都在开发用于高速加工的专用刀具系列。或在其刀具产品中增加额定主轴转速标记。有些刀具供应商甚至更先进。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来说是好的和必要的，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实际以 12,000 rpm 或 40,000 rpm 的速度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，而加工效率是节省能源和保护轻型机床结构的关键因素。
当然，需要强调高速加工或额定转速，但眼光也应看得更远。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，看看它和传统机床有什么不同。当然，它的速度快，主轴额定转速可达40000r/min，可以实现极高的进给速度。它的智能化程度也很高，其控制系统通常可以实现插补加工、刀具路径优化、3-6轴联动加工等。
但它也有缺点。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，因此更容易发生偏斜和振动（这一点经常被忽视）。事实上，限制材料去除率提高的通常是结构刚性而不是主轴功率。不仅是主轴电机，机床整体都是为轻载、快速多次切削（而不是深切、少次切削）而设计的。
高速加工刀具设计的新思路
从切削刀具的角度看，高效低成本加工的关键是瞬间加热切削区，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。这与过去用尽一切可能的方法来降低加工温度相比，是一种完全不同的思维方式，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
切削热可能仍然是刀片的大敌，但它可以在工件上的切削点和切屑中转化为积极因素。当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，可导致切削点处金属的塑性软化。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。使其处于更容易切削的状态，可以实现更快、更节能的切削，同时延长刀具和机器的寿命。
为低功率加工开发的刀片应具有另外两个重要特性：首先，基体和涂层应能够承受高温和冲击。其次，切削刃几何形状应设计为完全实现自由切削（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的频繁冲击，这些冲击力随着主轴转速的提高成比例增加。
对于低功率铣刀的前刀面几何形状，刀片应至少具有双正前角，即径向和轴向均为正前角。这可确保在两个方向上平稳切入，产生的切削力和功耗比钝的 0° 前角刀具产生的刮削效果要小。但是，并非所有刀片都具有双正前角，因此在选择时需要小心。
螺旋刃刀具的优点及选用建议
另外，还应寻找具有螺旋切削刃的立铣刀（这种立铣刀很少），这种立铣刀可显著降低功率要求和冲击力，并且其弯曲的切削刃使刀片更容易切入工件。从微观层面来看，这更像是用有角度的刀片一次切掉一部分材料来进行金属板加工，而不是一次性冲压整块金属板。铣刀使用 20° 至 45° 的螺旋角也可以减少刀具切入时的冲击力，并抑制切出时产生毛刺。
圆鼻铣刀与球鼻铣刀的比较
在模具加工中，用球头立铣刀进行铣削会浪费大量功率，因为只有一小部分切削表面（中线周围的区域）以最佳表面速度和效率参与切削。更好的选择是使用圆头 立铣刀 牙齿更加整齐。
刀具的齿面半径和相关的表面切削速度在整个切削表面上相当一致。在切削表面的两端，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，可采用较大的刮削半径，以利用切屑变薄效应，实现更快的材料去除。较大的刀尖半径与反向锥度相结合，更容易清理拐角并最大程度地减少切削力。所有切削表面均采用较大的正前角，以减少切削力和功耗。
高速干切削及刀具参数优化
一旦选择了合适的立铣刀，充分利用它就很重要。切割大多数钢材的规则是：快速切割、热切割、干切割。提高主轴转速和进给率可使材料塑化，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，不必担心深蓝色切屑，因为它们表明铣削效果良好，材料软化，并且切削产生的热量以正确的方式被切屑带走。铣削不锈钢时，浅稻草黄色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的75%。出于同样的原因，不要同时在切削中使用两个以上的刀片，否则只会产生更多的摩擦并消耗更多的功率，这是得不偿失的。如果在加工过程中出现颤动，可以更改刀具几何参数（例如前角、安装角或导程角）、增加切屑负荷和/或减小（而不是增加）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工艺。即使使用现代麻花钻，也只有一小部分切削表面以理想的表面速度进行切削。即使在最佳加工条件下，切屑和切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 25.4mm 的大孔，更好的替代方案是螺旋铣削。当然，这需要在机床上进行插补控制。这种干式、节能的切削方法可以很好地替代湿式、耗能的传统加工工艺。用单齿或多齿立铣刀加工的大直径孔所需的机器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 3/4，铣削功耗仅为 40%。大多数现代 CNC 机床都无法提供用平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移到坐标镗床或重型钻床上，才能加工定位销孔。使用螺旋铣削，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，螺旋铣削允许直接在工件上加工大孔而无需预先钻孔，也不会在越来越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。铣刀的几何形状可以产生细小的切屑，但排屑不一定必须由刀具本身完成。在垂直铣削和一些水平铣削操作中，可能需要空气吹屑。
可换冠钻头在大孔加工中的应用
可更换冠钻也可用于大孔加工，所需功率比槽钻小。由于其独特的几何形状，冠钻的切削效率非常高，钻杆直径小于冠钻直径，这使其更容易去除切屑并减少摩擦。此外，坚韧的合金钢钻杆可以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，它们增加了低功率钻孔作业的附加值。
为提高高速/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，还有更多的收获。铣削时，选择具有“完全自由切削”的刀具几何形状（具有螺旋切削刃的双正前角铣刀），并使用热硬度好的刀具。钻孔时，考虑螺旋铣削来加工大孔。对于一般钻孔，可尝试使用可更换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。可更换冠钻可以提高金属切除率，并在节省加工功率的同时保护轻型机床和工具。
