图1  这款斜铣刀专门设计用于实现恒定进给角度切削作业

通过采用各种刀具路径以及新型刀具设计，提供了一种高速机加工的替代加工方式，能够在较轻型的机床上达到对高硬度金属的高材料切除率。

业界经常将高主轴转速视为让轻载机加工中心能够以高生产率铣削高硬度的金属的一种实现方式。但是，主轴转速并不是达成这一目标的唯一方式。在高速机加工之外，一家刀具制造商提出了“高切除率机加工”这一术语来描述这种正在使得在轻型机床上，甚至可以在相对较低的主轴转速下，通过刀具路径和刀具配备的特定组合方式来实现的高金属切除率（每分钟立方英寸）的方式。

相关视频显示，对高硬度的航空合金Inconel 718材料，使用一只1/2直径、5屑槽金属碳化物端铣刀，在3100rpm的转速下以及轴向0.75的切削深度之下，粗加工出了一个凹窝，实现了每分钟2.4立方英寸的金属切除率。这些参数出现在一台使用大刀具的大尺寸重型铣床上并不会让人惊奇。但是在这种情况下，此项作业是由小刀具在一台相对较小型的Haas VF-2SS VMC铣床上执行的。

另一条视频短片显示，同一台机床以每分钟4立方英寸的切除率在钛金属上铣削加工出了一个凹窝。这台相对成本较低的铣床完全具备了以高生产率铣削加工这些材料的能力，只需要配备能够执行这种作业的刀具。并且在本片所看到的工具配备情况下，刀具还需要得到正确的编程。

图2  进给角度定义为铣床刀具在材料内的切除角度

恒定进给

CAD/CAM开发商Surfware公司执行了这些验证试验。这家公司的Surfcam软件产品包含了“TrueMill”算法，这是一套已获得专利的算法集，能够在不依据部件几何形状，而是以一种能够保持切屑厚度和刀具进给角度恒定的方式来构建刀具路径。这样就可以实现恒定的进给率，在刀具在产生恒定的载荷。其结果体现在对切削声音的听觉感受上，也就是一种稳定的嗡嗡声。这种声音中不存在定期的尖锐声音或嗄吱声，这表明刀具上的载荷或切削轮廓没有突然的变化。

刀具制造商SwiftCarb设计了一种完全针对这种类型刀具路径考虑的铣刀。这款铣刀也获得了专利，它类似于端铣刀，但并不属于端铣刀。由于其几何形状上的特色，这款铣刀能够以高达7度（切入钢材时可以高达10度）的进给角度斜切入钛金属材料，所以该公司称其为“斜铣刀”。

SwiftCarb公司总裁Steve Swift表示，这种经典的实心刀体铣刀的设计是在折衷的基础上开发而成的。在典型情况下，铣刀在全宽度和轻轴向深度的切削作业中能够达到合理的性能，这是因为在任何复杂的铣削路径中很容易遇到这两种类型的切削。

但是，TrueMill算法能够避免掉所有全宽度切削作业。这样就保护铣刀在整个铣削程序内不必执行此类切削。事实上，这种刀具路径能够防止刀具遇到超过某一设定进给角度（对于坚硬金属来说典型为30度）的状况。因此，SwiftCarb公司可以自由优化制造一种适用于这种进给角度水平的刀具。所得到的刀具比类似的端铣刀的刚度更大，因为这种刀具不需要采用适用于全进给角度的屑槽间距。

图3  这个进给角度将在刀具进入部件角部时增加,而能够避免出现这种增加现象的刀具路径由于刀具所承受的载荷不会出现大的波动而能够实现更为高速的切削

所产生的切削作业实现了高速机加工所承诺的在高硬度金属上的高生产率金属切除率，而且事实上不要求采用高主轴转速。反之，恒定进给角度铣削方式允许在标准转速机床上对高硬度金属执行大轴向深度铣削作业。这台机床发挥出了显著提升的潜在生产率，因为机床不必担心刀具承受突然载荷增加的危险了。

隐藏的潜力

进给角度定义为铣床刀具在切割过程中的切除角度。在刀具进入部件角部时，进给角度会立刻并极大幅度地增加。而TrueMill能够避免这种增加。这种算法能够将进给角度和切屑厚度稳定保持在狭窄的公差带内，同时保持着恒定的进给速率。这些算法所生成的刀具路径沿着一些看起来可能盘旋回绕式的路径移动，但是这种路径能够避免在切削动作内发生方向改变，否则方向改变会导致这些目标参数之一发生显著的变化。甚至在刀具路径走在缠绕和弯曲路径时，刀具载荷的呈现水平也与直线切削时所看到的水平相近。

图4  保持进给角度和切屑负荷的稳定就趋向于形成一种违反直觉的刀具路径，如本例所示

Surfware公司CEO和TrueMill算法共同发明人Alan Diehl表示，典型的刀具路径会包含各种各类的方向改变，所以不像绝大多数加工中心所相信的，刀具的磨损并不是稳定和逐渐进行的。反之，在此类应用中的刀具通常会在事实上相当短暂的高载荷、高应力切削部分发生绝大多数的磨损。他表示，只要避免了这些尖峰磨损现象，刀具的使用寿命就得大大延长。意义更重要的是，避免这些尖峰磨损现象能够让刀具以更积极的效果实现切削，因为不必再小心翼翼地出于减少程序内潜伏危险点的缘故而选择切削参数了。在此基础上，我们就能在刀具路径允许实现甚至更为高效的切削作业的前提下设计刀具了。据Diehl先生表示，任何标准的端铣刀都能有效地应用在TrueMill刀具路径中，但是在使用SwiftCarb的斜铣刀时，原先采用标准刀具Inconel材料上能够以5ipm的速率切削的性能，在使用这种刀具后能够达到130ipm的性能。

这种方式的部分重要意义可能体现在，发掘出许多加工厂隐藏的高硬度金属机加工额外能力。Diehl表示，标准的机加工中心就能以很高的生产率机加工许多高难度的坚硬金属材料。随着波音787和其它新型飞机的全面投产，对于钛金属机加工的需求正在增加，而机加工业务供应商发现自己并没有能够满足这种需求的足够钛金属加工能力，但是这种缺口并没有表面上看起来那么大。许多目前相信自己的设备只具备较软金属材料加工能力的加工厂事实上可以已经拥有了充足的设备，只要通过采用不同的加工流程和刀具配备，就有可能承揽到这些钛金属加工业务的一部分。