為了提高高速/低功耗加工的效率，在選擇銑刀和孔加工刀具時(shí)，不僅要關(guān)注高速加工(主軸轉(zhuǎn)速)，而且要使刀具適合實(shí)際加工。除了高速加工的安全性，還會(huì)有更多收獲。

　　眾所周知，在過去十年間，加工車間所用CNC加工中心的主要發(fā)展趨勢(shì)是速度更快、智能化程度更高，并采用質(zhì)量更輕、功耗更低的主軸。而目前不斷上升的能源成本也加速了這一進(jìn)程。這種發(fā)展趨勢(shì)與使用能在一次走刀中實(shí)現(xiàn)大切深切削的強(qiáng)力機(jī)床完全背道而馳。高速加工(HSM)也必然意味著是低功耗加工(LPH)，它需要采用不同的刀具，以及對(duì)刀具有不同的認(rèn)識(shí)。

　　近年來，日益提高的能源成本和對(duì)全球氣候變化的關(guān)注已經(jīng)賦予這種發(fā)展趨勢(shì)新的緊迫性。許多制造商發(fā)現(xiàn)，他們的電力、能源等公用事業(yè)支出以每年25%或更高的速度遞增。作為一種回應(yīng)，一些企業(yè)開始采用新的策略，承諾實(shí)施“綠色制造”和“低能耗制造”。更多的制造商雖然沒有大肆聲張，但也在企業(yè)范圍內(nèi)默默但有意識(shí)地尋求加工工藝的變革，以降低金屬切削加工的能耗水平。選用適當(dāng)?shù)牡毒吆偷凸募庸し椒梢詾閷?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

　　為了應(yīng)對(duì)高速/低耗加工的發(fā)展趨勢(shì)，許多一流的刀具供應(yīng)商正在開發(fā)高速加工專用刀具系列，或在他們的刀具產(chǎn)品上增加額定主軸轉(zhuǎn)速的標(biāo)注。某些刀具供應(yīng)商的步伐則更加超前。這樣做的原因在于：雖然高速加工或額定主軸轉(zhuǎn)速的現(xiàn)狀是好的，對(duì)高速主軸的安全性也是必要的，但其發(fā)展尚不夠充分。高速加工或額定轉(zhuǎn)速本身僅僅意味著鉆頭或刀具以12000轉(zhuǎn)/分或40000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速實(shí)際運(yùn)行時(shí)具有足夠好的平衡性，同時(shí)刀片在刀具中安裝牢固。但是，這并不能說明刀具的加工效率，而效率才是節(jié)約能源和保護(hù)輕型機(jī)床結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

　　當(dāng)然，高速加工或額定轉(zhuǎn)速是需要強(qiáng)調(diào)的，但眼光還應(yīng)該看得更遠(yuǎn)一些。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在目前用于高速加工的各種銑刀和鉆頭中，在加工效率及能效上存在巨大差異。這些差異對(duì)于粗加工、一次走刀銑削和大直徑孔加工尤其重要。

　　讓我們首先解剖一臺(tái)典型的CNC高速加工中心，看看它與傳統(tǒng)機(jī)床有何不同。當(dāng)然，它的速度很快，具有最高可到40000r/min的額定主軸轉(zhuǎn)速，并可達(dá)到極高的進(jìn)給率；它的智能化程度也很高，其控制系統(tǒng)通常能實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)加工、刀具路徑優(yōu)化和3～6軸聯(lián)動(dòng)加工。不過它也有不足之處，一是主軸電機(jī)的額定功率可能只有20馬力(25kW)或更小；二是機(jī)床結(jié)構(gòu)很輕，因此更容易發(fā)生偏斜和振動(dòng)(這一點(diǎn)常常被忽視)。實(shí)際上，限制材料去除率提高的通常是結(jié)構(gòu)剛性而非主軸功率。不只是主軸電機(jī)，這種機(jī)床整體上都是為輕載、快速的多次走刀切削(而非大切深、少走刀的切削)而設(shè)計(jì)的。

　　從刀具的觀點(diǎn)來看，高效低耗加工的關(guān)鍵是瞬時(shí)加熱切削區(qū)以軟化被切削金屬，并將熱量傳遞給切屑，使熱量隨切屑一起離開切削區(qū)。很明顯，金屬越軟，切除金屬所需的功率越小。與過去采取一切可能的方法降低加工溫度相比，這是一種完全不同的思維方式，這就要求我們?cè)诘毒咴O(shè)計(jì)階段以及用戶在刀具選擇階段都必須采取與過去不同的方法。

　　切削熱可能仍然是刀片的大敵，但在工件上的切削點(diǎn)以及切屑中，它的確可以變?yōu)橛欣蛩?。如今設(shè)計(jì)的高速銑刀性能更為先進(jìn)，它與高速主軸(及其高表面切削速度)配合，可使切削點(diǎn)的金屬發(fā)生塑性軟化。如能找到這種刀具——它能利用切屑變形產(chǎn)生的熱量軟化待切削金屬，使其正好達(dá)到更易切削的狀態(tài)——就能實(shí)現(xiàn)更快速、更節(jié)能的切削加工，同時(shí)可以延長刀具和機(jī)床的壽命。

　　為低功耗加工而開發(fā)的刀片還應(yīng)具有另外兩個(gè)重要特征：一是基體和涂層能夠耐高溫、耐沖擊；二是切削刃幾何形狀的設(shè)計(jì)能充分實(shí)現(xiàn)自由切削(高速、無支承切削)?；w和涂層需要經(jīng)受得住與切削區(qū)材料塑性變化有關(guān)的高溫環(huán)境，同時(shí)還要承受以較高表面速度反復(fù)碰撞工件的頻繁沖擊，這些沖擊力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而成比例地增大。

　　關(guān)于低功耗銑削刀具的前刀面幾何形狀，刀片至少應(yīng)具有雙重正前角——在徑向和軸向均為正前角。這樣，可保證在兩個(gè)方向上都有平滑的劈入式切削效果，與用更鈍的0°前角刀具產(chǎn)生的刮削效果相比，產(chǎn)生的切削力較小，耗費(fèi)的功率也更少。然而，并非所有的刀片都具有雙重正前角，因此需要注意選擇。

　　還需要尋找具有螺旋切削刃的銑刀(此類銑刀牌號(hào)很少)，這種銑刀可顯著降低功率需求和沖擊力，其曲線切削刃使刀片更容易切入工件。從微觀層面來看，它更像在鈑金加工時(shí)用帶角度的刀片一次只剪切掉一部分材料，而不是一次性地猛烈沖壓整塊金屬板。銑刀采用20°～45°的螺旋升角也可減小刀具切入時(shí)的沖擊，并能抑制切出時(shí)產(chǎn)生毛刺。

　　在模具加工中，使用圓鼻銑刀銑削要浪費(fèi)大量功率，因?yàn)橹挥幸恍〔糠智邢鞅砻?中緯線周邊區(qū)域)是以最佳表面速度和效率在參與切削。更好的選擇是采用一種有更多直齒的圓鼻銑刀(如英格索爾公司開發(fā)的Chip-Surfer銑刀，它可使更多的切削表面參與切削)。

　　刀具的節(jié)圓半徑及與此相關(guān)的表面切削速度在整個(gè)切削表面上是相當(dāng)一致的。在切削表面的兩端，其表面速度并不趨近于零，因?yàn)樗仨毧拷虮倾姷兜谋遣?。其次，在直線切削中，采用大的刮削半徑，利用切屑減薄效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)更快的材料去除。大的刀尖圓弧半徑與倒錐度相結(jié)合，使轉(zhuǎn)角清根變得更為容易，并可使切削力減至最小。所有的切削表面都采用了大的正前角，以減小切削力，降低功率消耗。

　　一旦選定了合適的銑刀，就一定要充分加以利用。切削大多數(shù)鋼材的規(guī)則是：快速切削、熱切削、干切削。提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率，可引起材料的塑性化效應(yīng)，同時(shí)也提高了生產(chǎn)率。將刀具制造商推薦的切削參數(shù)(進(jìn)給量和切削速度)僅僅作為起點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。最重要的一點(diǎn)是不能使用冷卻液。除了要防止刀具受到熱沖擊以外，還要讓刀具產(chǎn)生軟化工件材料所需要的熱量。在加工中，或許不需要為沖刷切屑而使用切削液，采用正前角刀具的高速加工能夠很好地排屑。增加一個(gè)帶除濕功能的噴氣裝置將有所裨益。

　　以下是一些指導(dǎo)原則，其中一部分通?？梢詰?yīng)用于粗銑加工，但對(duì)于低功耗銑削來說，所有這些原則都很重要。

　　在可能的情況下盡量采用順銑，它可使切削刃更平滑地切入工件，既可保護(hù)重量較輕的機(jī)床結(jié)構(gòu)，又可延長刀具壽命。

　　通過研究切屑的顏色，可以發(fā)現(xiàn)與切削效率有關(guān)的線索。在銑削鋼件時(shí)，不必?fù)?dān)心出現(xiàn)深藍(lán)色切屑，因?yàn)樗馕吨己玫你娤鳡顟B(tài)和材料軟化效果，且切削熱正以正確方式被切屑帶走。而在銑削不銹鋼時(shí)，淺草黃色的切屑也是銑削狀態(tài)良好的信號(hào)。

　　窄肩切削比寬肩切削能效更高，每一次切削的接觸寬度不要超過刀具的75%。出于相同的原因，不要用兩個(gè)以上的刀片同時(shí)參與切削，否則只會(huì)產(chǎn)生更多摩擦、消耗更多功率，得不償失。如果加工中發(fā)生震顫，可以改變刀具的幾何參數(shù)(如前角、安裝角或?qū)С探?、增大切屑載荷和(或)減小(而不是增大)刀片的傾角。

　　孔加工通常被認(rèn)為是去除單位材料耗能最多的加工。即使采用新型麻花鉆，也只有一小部分切削表面能以理想的表面速度進(jìn)行切削；即使在最好的加工環(huán)境條件下，切屑與容屑槽之間的摩擦也會(huì)消耗切削能量。此外，將切削液輸送到切削表面的液泵也需要消耗能量。被加工的孔越大、越深，對(duì)能量的消耗也越大。

　　對(duì)于直徑25.4mm以上的大孔加工，比較好的替代方法是采用螺旋銑孔法。當(dāng)然，這需要機(jī)床具有插補(bǔ)控制功能。采用這種干式、節(jié)能的切削方法取代濕式、耗能的傳統(tǒng)加工工藝具有不錯(cuò)的效果，用單齒或多齒立銑刀加工大直徑孔比用任何鉆頭加工需要的機(jī)床功率和系統(tǒng)剛性都更小。

　　根據(jù)螺旋銑孔技術(shù)應(yīng)用者的報(bào)告，定位銷孔的加工循環(huán)時(shí)間縮短了3/4，銑削加工的功率消耗僅為40%。如果采用扁鉆加工這種大直徑孔，大多數(shù)現(xiàn)代CNC機(jī)床將無法提供所需的功率。由于這一原因，許多模具制造商僅僅為了加工定位銷孔而不得不將工裝移到坐標(biāo)鏜床或重型鉆床上。而借助于螺旋銑孔技術(shù)，他們就可以在用于型腔加工的小功率銑床上通過一次裝夾完成全部定位銷孔的加工。不管你信不信，采用螺旋銑孔技術(shù)，可以直接在無預(yù)孔的工件上加工大孔，而無需為日益增多的大孔鉆削加工浪費(fèi)大量時(shí)間和電能。

　　采用螺旋銑削加工各種深度的孔或盲孔時(shí)，需要注意清除切屑。銑刀的幾何形狀可以生成細(xì)小切屑，但并不一定要由刀具自身來清除切屑，在垂直銑削和某些水平銑削加工中，可能需要采用空氣吹屑。

　　可換齒冠鉆頭(如英格索爾公司的Quick-Twist鉆頭)也可用于大孔加工，且所需功率小于帶槽鉆頭。由于其獨(dú)特的幾何形狀，齒冠的切削效率很高，而且鉆桿的直徑小于齒冠直徑，從而能夠更容易地清除切屑和減小摩擦力。此外，韌性較好的合金鋼鉆桿能夠承受在輕型機(jī)床上常見的振動(dòng)和刀具變形，而整體硬質(zhì)合金鉆頭則容易因振動(dòng)和變形而損壞。

　　可換齒冠鉆頭主要用于大批量生產(chǎn)，以避免重新調(diào)整機(jī)床和各種整體硬質(zhì)合金鉆頭的大量庫存，由于其更高效的切削刃幾何形狀和韌性更好的鉆桿，提升了低功耗鉆削加工的附加值。

　　為了提高高速/低功耗加工的效率，在選擇銑刀和孔加工刀具時(shí)，不僅要關(guān)注高速加工(主軸轉(zhuǎn)速)，而且要使刀具適合實(shí)際加工。除了高速加工的安全性，還會(huì)有更多收獲。銑削加工時(shí)，選擇“完全自由切削”的刀具幾何形狀(帶螺旋切削刃的雙正前角銑刀)，并采用熱硬性好的刀具。鉆削加工時(shí)，可考慮采用螺旋銑削來加工大孔。對(duì)于普通鉆削加工，可試用具有高韌性合金鋼鉆桿的可換齒冠鉆頭，以避免整體硬質(zhì)合金鉆頭在不穩(wěn)定的安裝條件下發(fā)生折斷?？蓳Q齒冠鉆頭可以提高金屬去除率，保護(hù)輕型機(jī)床和刀具，同時(shí)節(jié)省加工功率。