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　　一種具有更高生產率的替代銑削策略是減小銑刀的徑向吃刀量，同時提高進給率和切削速度，其結果是切削負荷更輕、速度更快、金屬去除率更高，并且減小了作用于刀具和機床上的切削力。銑削工藝改進的結果表明，利用小吃刀量銑削技術，可以提高金屬去除率，縮短加工周期和延長刀具壽命。

　　在銑削加工中，金屬去除率的計算方法是：金屬去除率（mm3/min）＝徑向切寬（mm）×軸向切深（mm）×進給率（mm/min）。機床技術、切削刀具和加工軟件的進步使這些參數不斷優化，從而最大限度地提高了銑削生產率。

　　最大限度地提高銑削金屬去除率的傳統方法是綜合采用大小為刀具直徑25%－50%的徑向吃刀量（切削寬度或走刀步距）和軸向吃刀量（切削深度）。據Performance Tooling Solutions咨詢公司總裁Craig Segerlin介紹，這種方法雖然能夠獲得可以接受的金屬去除率，但也可能會產生很大且不均衡的徑向切削力，從而造成不可預知的刀具磨損，以及作用于機床主軸和其他零部件的機械應力。

　　一種具有更高生產率的替代銑削策略是減小銑刀的徑向吃刀量，同時提高進給率和切削速度，其結果是切削負荷更輕、速度更快、金屬去除率更高，并且減小了作用于刀具和機床上的切削力。雖然切削速度有所提高，但由于切削刃與工件的接觸時間縮短，刀具有更多時間處于空冷狀態，因此產生的切削熱反而有所減少。

　　不過，減小徑向吃刀量也會減小銑削時產生的切屑厚度，而切屑過度變薄可能會造成一些問題。當切屑負荷過小時，銑刀刀齒或立銑刀的刃溝會磨擦（而不是剪切）工件，從而產生更多切削熱，導致刀具壽命縮短。太薄的切屑還會喪失吸熱能力，無法將有害的切削熱從刀具和工件上帶走。

　　為了在減小徑向吃刀量后仍然能獲得足夠的切屑厚度，就需要加大銑刀切削刃的切屑負荷。Segerlin舉了一個例子：當一把直徑12.7mm的銑刀采用6.35mm的徑向切寬時，銑刀的吃刀量是刀具直徑的50%，切削弧為90°。假設該刀具采用0.05mm的切屑負荷，在刀具吃刀量為50%時，切屑厚度也是0.05mm.如果將徑向切寬減小到0.254mm（6.35mm的1/25），切削弧就變為3.6°（90°的1/25）。為了在徑向切寬為0.254mm時保持0.05mm的切屑厚度，切屑負荷可能需要增加3.5倍，達到0.178mm.

　　這一目標可以通過增大進給率來實現（進給率[mm/min]＝每齒切屑負荷[mm]×齒數×轉速[r/min]）。由于切削速度也是決定切屑負荷的因素之一，因此也可以提高切削速度。Segerlin指出，將徑向切寬減小到刀具直徑的5%－10%，可使切削速度提高2－3倍，進給率增大5－7倍，并使切屑負荷增大3－5倍。

　　減小徑向吃刀量也可以大幅減小作用于刀具上的橫向載荷，從而可以用立銑刀的整個切削刃（軸向切深）進行切削。由于金屬去除率等于徑向切寬、軸向切深和進給率的乘積，因此，增大切深量會直接提高金屬去除率。Segerlin將這種加工方法稱為高效率加工（HEPM）。

　　機床因素

　　Segerlin介紹說，在某些情況下（取決于工件材料），采用小徑向吃刀量銑削策略能在功率較小的機床上獲得可與更大功率機床相媲美的加工效果。雖然一臺典型的50錐度機床可能擁有比40錐度機床更大的功率，但40錐度機床可能具有更高的主軸轉速，因此更符合這種銑削策略輕載、高速的加工特點。

　　Methods機床公司加工技術經理Michael Minton表示，采用較小的徑向切寬、較高的主軸轉速和進給率，為尋找一種與傳統的大切寬重載銑削方式截然相反的替代加工策略提供了一個機會。 他認為，這種銑削方式減小了機床承受的加工載荷，可以在輕型機床上獲得更高的生產率。

　　不過，他也指出，這種加工策略的存在不應該成為機床采購決策的唯一影響因素。他說，我的理念是，應該根據加工需要購買合適的機床。每種加工都各不相同，購買機床時，應考慮其結構特點是否有利于完成其特定的加工任務。例如，雙面接觸主軸可同時在錐面和端面上對刀具定位，因此具有更好的徑向剛度。在鉆削加工中，徑向剛度可能并不十分重要，但在會產生橫向載荷的加工中（如銑削加工），徑向剛度則至關緊要。Minton說，Method公司商品化的Feeler加工中心已將雙面接觸主軸作為標準配置。

　　Minton指出，采用新的加工策略還需要機床用戶解放思想。他說，有些習慣于創新思維的用戶敢于打破條條框框，但也有許多用戶只想按照傳統加工方式亦步亦趨。他列舉了一個加工實例。我們以前是用鈷高速鋼立銑刀以很小的加工參數大約115r/min的主軸轉速和25mm/min的切削速度銑削鎳基合金。我們試圖采用一些不同的加工方法：用更短的時間和更低的成本完成同樣的加工任務。我們可以采用1m/min或更高的切削速度，通過8次走刀乃至16次走刀來完成對鎳基合金的銑削，同時大大減小對主軸和刀具的磨損，以及作用于工件的加工應力。銷售這種加工技術的最好方式是向用戶展示如何將它應用于其最終產品的加工。

　　牧野機床公司立式加工中心產品經理Bill Howard表示，由于小吃刀量銑削策略基本上就是減小吃刀量和提高切削速度，因此該方法可能對機床功率和切削扭矩要求較低。但仍然要求機床具有足夠的剛性和精度。

　　為了保證良好的加工表面光潔度，每一次走刀都必須與上一次走刀精確匹配。在每次走刀結束時，需要考慮同樣的因素。Howard說，如果你所用的機床剛性很差，就可能會發生過切，切削的終點就會偏離預定位置。這就像在彎曲的賽道上駕駛賽車一樣，如果轉彎過多，你就需要不斷在通過彎道時努力控制賽車速度。

　　在談到高速、高精度加工機床時，Howard介紹了該公司的F系列立式加工中心。該機床的特點之一是采用了螺距為8mm的滾珠絲杠（而不是更常見的16mm螺距滾珠絲杠）。這種小螺距絲杠每轉一圈的軸向直線位移量為8mm.小螺距滾珠絲杠與數字伺服技術相結合，使微小的軸向位移可進一步細分為更小的位移增量，并幫助賽車以更高的速度轉彎。

　　與機床機械部件配對的運動控制系統采用牧野公司為三維復雜廓形的大進給、高精度加工而設計的超級幾何智能（SGI.4）控制系統。SGI.4系統可以預測各軸運動的變化、伺服滯后或刀軌快速變化的跟隨誤差，并提前予以補償，從而最大限度地提高刀軌精度。這種3D誤差補償使該機床即使在進給率比傳統機床高5倍乃至更多的情況下，也能可靠地跟蹤加工模具廓形和復雜幾何形狀的刀具路徑。

　　大進給銑刀

　　為了充分發揮高效銑削策略的優勢，刀具制造商已開發出了各種類型的大進給銑刀。英格索爾（Ingersoll）刀具公司的模具加工產品經理Bill Fiorenza表示，采用大進給銑刀的目的是提高進給率和采用較小的切深，利用切屑減薄效應，并促使切削力向上傳入主軸中心。一般而言，此類刀具能產生均勻一致的切屑負荷，并最大限度地減小顫振，起到保護切削刃和延長刀具壽命的作用。Fiorenza說，雖然各種大進給銑刀的幾何形狀各不相同，但大體來說，大進給銑刀通常都是具有大前置角的直刃銑刀，或采用倒圓三角形。

　　關于大前置角，英格索爾公司開發的SP6H/SP6N S-Max面銑刀采用傾斜的刀片，形成與水平面幾乎成80°的大前置角。隨著前置角的增大，切屑分布在更長的切削刃長度上，導致切屑厚度變薄。為了獲得足夠的切屑厚度，就必須提高進給率。為了克服S-Max銑刀的大前置角引起的切屑減薄，就需要將其進給率提高到0°前置角銑刀進給率的5倍。

　　MAXline產品經理Tom Noble認為，采用大前置角的好處是可以提高金屬去除率。例如，用0°前置角銑刀銑削P-20模具鋼時，采用的切深為3.8－5mm，切屑負荷為0.25－0.3mm.如果改用前置角為80°的銑刀，切深將會減小到1.5－1.8mm，但你可能會采用每齒1.5mm的進給率，即0°前置角銑刀進給率的5倍。這樣，其金屬去除率將是采用0°前置角銑刀的4－6倍。 Noble強調，為了減小橫向載荷，對于長徑比大于3的細長型銑刀，進給率的提高幅度不宜太大。

　　Fiorenza指出，大進給銑削策略也可以用于傳統的紐扣銑刀，這種刀具的切屑負荷分布在更長的圓形切削刃上，因此切深更小（在0.50－1.25mm范圍內），切屑更薄。一般來說，只要采用較小的切深量，就可以將紐扣銑刀用于大進給銑削。不過，大進給銑刀的切削性能通常優于紐扣銑刀，因為它們通常具有較小的刀尖圓弧半徑和徑向吃刀量。圓刀片有一個使事情復雜化的因素：相對于某一切深量的切屑負荷在不斷變化。

　　為了計算出紐扣銑刀切削時應該采用多大的徑向吃刀量，Fiorenza建議用刀具直徑尺寸減去刀片的內切圓尺寸，然后再乘以60%或65%.例如，紐扣銑刀的直徑為100mm、刀片內切圓尺寸為12.5mm，二者相減等于87.5mm，再乘以60%，即可計算出徑向吃刀量應為52.5mm.Fiorenza表示，該計算公式通常非常適用。他補充說，不推薦采用中心線切削方式（即吃刀量正好等于刀具直徑的1/2），因為這樣會使切削刃突然切入（而不是逐漸切入）工件材料，容易造成較大的沖擊。而本例采用的逐漸切入方式通常更為合理，并有助于實現更高的進給率。

　　編程解決方案

　　伊斯卡公司行業項目專家Tom Raun指出，隨著切削速度和進給率的提高，為了充分發揮小吃刀量銑削策略的優勢，刀具、機床、控制程序和安裝等要素缺一不可。在以大徑向吃刀量切削時，對提高生產率的限制主要體現在刀具上，加工車間需要考慮如何才能在刀具的承受極限內盡可能提高進給率。而采用小徑向走刀步距與高切速、大進給相結合的銑削策略時，限制生產率提高的主要因素從刀具轉換為機床它的速度能有多快？

　　Raun說，在最初的小吃刀量銑削策略中，關注重點是克服切屑減薄，很容易確定使平均切屑厚度恢復到刀具能正常切削的水平所需的進給率，但實際上并未考慮同時提高切削速度。而現在，加工車間處于未知領域，因為具有高速主軸的機床允許在提高進給率的同時也提高切削速度，而機床性能的上限并不清楚。

　　因此，伊斯卡公司研究了如何將小吃刀量銑削策略標準化。 Raun表示，我們將徑向吃刀量鎖定為刀具直徑5%－10%之間的某個值，并將其作為基準，來確定對于某種給定的工件材料，可將切削速度提高多少。在許多情況下，這是由機床允許的最高切削速度來決定的。我們有時會遇到購買的機床不具備高速切削功能的情況，由于這些機床不能平穩而快速地實現所需的刀具運動，因而無法采用小徑向切寬、全軸向切深的銑削方法。

　　Raun說，在小吃刀量銑削策略的研發過程中，我們不斷積累相關的知識和數據，直到我們認為自己有了很好的基準信息，可以將其納入編程系統之中。然后，伊斯卡公司與Mastercam CAM軟件開發商CNC軟件公司（CNC Software Inc.）聯手開發加工程序。Mastercam軟件中包含了為采用小徑向切寬、大軸向切深銑削法而設計的多種刀軌。這些動態銑削（DM）刀軌能始終保持對銑刀吃刀量的控制。當Mastercam的用戶選擇一個動態刀軌（DT）時，可以通過在Iscar HEM刀軌中激活某項功能，改進小徑向吃刀量加工的刀具路徑。為此，可從Mastercam X5軟件提供的伊斯卡專項刀具庫中選擇刀具。選中某種刀具后，程序員輸入初始速度和進給參數（傳統銑槽參數），Mastercam軟件就會根據伊斯卡研發部門提供的存儲數據推薦切削速度和進給率。Raun說，在刀軌對話框中有一個滑動條，可以兼顧徑向切屑減薄和提高切削速度的所有計算結果。

　　Mastercam的國際銷售/戰略伙伴關系主管Steve Bertrand說，這種方法準確可靠，可以確保刀具的正確使用，用戶可以充分利用自己的機床、刀具和軟件，從中獲得最大收益。

　　Raun表示，伊斯卡研發工作的重點是為最常用的P類和M類（鋼和不銹鋼）ISO工件材料的銑削加工提供技術支持。目前仍在繼續開發用于難加工材料（如航空航天材料）的小吃刀量銑削技術。他指出，伊斯卡已將該技術的應用重點集中在兩種系列刀具上。一種是該公司開發的防顫振（CF）。該銑刀采用可變導程刀槽，可在高速切削時有效抑制顫振。另一種是將不同刀具設計技術集于一身的新型全合一銑刀。該刀具采用了適合大進給切削的刀尖幾何形狀，有利于銑刀平穩進入切削；同時采用了可變導程刀槽，以抑制顫振。這種刀槽上還分布有一系列鋸齒狀結構，用于分斷長切屑。這些技術結合在一起，促進了平穩、高效的高速銑削，同時還能控制刀具的磨損。

　　簡便易行是用戶接受新的加工策略（如小吃刀量銑削）的關鍵。Raun說，一些編程難度大的加工方法將難以持久。如果沒有像動態銑削這樣的CAM軟件，小吃刀量銑削就很難實現，因為你無法對各種復雜的刀軌進行高效編程。

　　應用實例

　　位于美國密歇根州的BTM公司主要制造用于鉚接金屬薄壁件的Tog-L-Lok系統。除了生產自己的產品外，該公司還承接合同加工業務。其中一項軍工任務是切削加工材料為17-4 PH不銹鋼的封閉端蓋。該零件為方形，有兩種尺寸，分別為175mm×175mm和175mm×225mm，厚度分別為47mm和66mm.客戶提供的工件毛坯是直徑分別為225mm和250mm的圓形棒料，因此BTM必須將其銑削成方形。

　　BTM在Mazak Ultra 650臥式加工中心上銑削該零件。最初是用直徑75mm的刀片式面銑刀（裝有7個刀片）進行加工，切削參數為：表面切削速度84m/min，進給率380mm/min，徑向切寬45mm，軸向切深5mm.以這些參數加工時，面銑刀的金屬去除率為135mm3/min，在加工308分鐘后需要更換刀片時，切除的材料重量為41，630mm3.加工一個端蓋需要走刀14次，耗時22分鐘。

　　Performance Tooling Solutions公司的Segerlin建議用直徑19mm的伊斯卡整體硬質合金立銑刀取代原來所用的面銑刀。立銑刀的切削參數為：表面切削速度180m/min，進給率3，300mm/min，徑向切深1.25mm，軸向切深44.5mm.立銑刀的金屬去除率為294mm3/min，在加工336分鐘后需要換刀時，切除的材料重量為98，755mm3.加工一個端蓋需要走刀42次，但每個零件的切削時間僅為8分鐘。

　　銑削工藝改進的結果表明，利用小吃刀量銑削技術，可以提高金屬去除率，縮短加工周期和延長刀具壽命。