粗加工往往是数控加工周期时间被低估的环节。图纸上看似简单的凹槽，一旦进入机床加工，可能会变成一系列重切削、谨慎的进给速度以及热管理问题。高效铣削（通常简称为 HEM）通过在提高进给速度和轴向切深的同时，有效控制刀具切入量，从而解决了这一问题。

其效果可能非常显著。《现代机械加工》杂志上的一篇关于高效铣削技术的文章指出，在某些应用中，粗加工周期时间最多可缩短80%，尽管这通常仅适用于特定的工件特征。

尽管如此，这解释了为什么高效铣削已成为那些希望缩短数控机床粗加工循环时间的车间首选的HEM加工策略。当工件、机床、夹具、CAM 相互匹配时，HEM不仅能更快地切除材料，还能减少作用在刀具上的集中应力。

什么是高效铣削？

HEM 是一种粗加工策略，其径向切深较小，轴向切深较大，进给速度也高于许多传统的粗加工方法。简而言之，刀具在横向切入时切削宽度较窄，沿长度方向切削深度较深，且在材料中移动的速度更快。

这种组合之所以重要，是因为它能将热量和磨损分散到切削刃的更广范围内。《Machining Doctor》解释道，铣削切深有两个维度：径向切深，即垂直于刀具轴线的切削深度；以及轴向切深，即沿刀具轴线的切削深度。在HEM工艺中，这种平衡向较小的径向切深和较大的轴向切深方向转变。

关键术语包括：

• 径向切削深度（RDOC）：刀具向侧面切入工件的距离。
• 轴向切深（ADOC）：刀具沿其中心线切入的深度。
• 切屑负荷：每个齿所切除的材料厚度。
• 切入角：在任意一点上，刀具与工件的接触程度。

在重型常规粗加工中，通常采用较大的进给量和较浅的轴向切削深度。而在HEM加工中，径向切削深度减小，轴向切削深度则增大。肯纳金属公司将其动态铣削立铣刀描述为专为低径向切入和全长切削而设计，这恰恰体现了该策略背后的基本机械原理。

其目的是使切削力更可预测，充分利用刀槽的长度，并避免切削载荷的突然激增。正因如此，HEM常被描述为一种“恒定切入”方法。其目标是防止刀具在某一区域承受过重载荷，特别是在拐角、槽口和凹槽等切入载荷可能迅速升高的部位。

学术研究支持这一原则。关于螺旋线状刀具路径规划的研究指出，保持恒定的切入角是提高高效铣削稳定性的方法之一，特别是在切入角变化可能导致颤振或切削效率降低的情况下。

数据：HEM如何缩短粗加工时间

HEM的核心指标是粗加工循环时间的缩短。在合适的应用场景下，其效益源于三种效应的协同作用。

首先，较小的跨步量可降低径向切削力。刀具在材料中的切入深度较小，因此可以在不超载的情况下更快地移动。其次，更深的轴向切削利用了更多螺旋槽的长度，从而将磨损分散到整个刀具上，而不是集中在刀尖附近。第三，径向切屑变薄使每齿的编程进给量得以增加，同时仍能保持适当的切屑厚度。

正因如此，HEM 技术才能在不单纯依靠加大切削压力的情况下，实现每分钟更高的切削量。切削刀具不再采用宽而慢的切削方式，而是以更高的进给速度和更大的切深，进行窄而受控的切削。

一个简单的例子可以说明，总工时节省量为何取决于工件。假设一个工件需要40分钟的粗加工、10分钟的精加工以及5分钟的换刀、测头检测和搬运。如果HEM将粗加工时间缩短60%，总加工周期将从55分钟缩短至31分钟。如果粗加工时间缩短80%，总加工周期将缩短至23分钟。

这仍然是一项显著的节省，但也说明了为什么“粗加工速度提高80%”和“工件总加工周期缩短80%”是两种不同的说法。当粗加工在加工方案中占较大比重、材料切除量较大，且机床、夹具和刀具能够支持该策略时，HEM技术才能发挥最大作用。

关于摆线铣削的解释

螺旋轨迹铣削是HEM刀具路径样式中最广为人知的一种。与使用全刀宽直接铣削材料不同，刀具会沿一系列环形或圆弧轨迹运动。每个圆弧都会切除一定量的材料，随后刀具向前进给并重复该动作。

这能保持较低的径向切入深度，并有助于维持更稳定的切屑负荷。在切削槽、开槽、加工狭窄内角或加工较硬材料时，这种方法尤为有用——因为在这些情况下，全宽切入会产生过多的热量和切削力。

Seco Tools 将摆线铣削描述为一种螺旋刀具路径策略，该策略通过采用较小的径向切削深度和较大的轴向切削深度，来加工宽度大于刀具直径的槽。Seco 还列举了其优势，包括径向切屑变薄、进给速度更快、精度更高以及刀具寿命更长等。

摆线铣削不仅能提高刀具寿命和加工稳定性，还能提升加工速度。刀具极少会深埋在切削区中。刀具处于高切入状态的时间较短，切屑能更顺畅地排出，且加工程序可避免突发的负载峰值。

Iscar 还强调，摆线铣削在加工深槽、凹槽和内孔时效果显著，并且是加工钛和高温超级合金等难切削材料的一种极具前景的方法。

典型的应用场景包括：

• 深度较大的槽，若进行全宽切削会导致刀具过载。
• 角落狭窄、咬合力迅速增大的区域。
• 航空航天、医疗和模具部件，具有高材料切除量。
• 不锈钢、钛和镍合金等高强度材料。
• 在需要控制挠度的长臂作业工况中。

当工件的粗加工深度非常浅、夹持不牢固、机床加速度较低，或者存在额外路径长度超过提高进给速度所带来益处的加工特征时，该方法的实用性较低。

5种可立即采用的HEM策略

从轻微的径向啮合开始

第一个实际步骤是减少跨刀量。许多HEM刀具路径在径向方向上仅使用刀具直径的一小部分，然后增加轴向切深和进给速度，以提高切削率。

作为一项实用参考标准，山特维克可乐满建议，在摆线铣削中，最大径向切深不应超过刀具直径的20%。具体数值取决于刀具直径、刃数、被加工材料、机床功率、刀具突出长度以及冷却液策略。

较浅的径向切削可减轻侧向载荷，但也会改变每齿设定进给量与实际切屑厚度之间的关系。这直接引出了下一项策略。

考虑径向切屑变薄效应

当径向切入深度减小时，切屑的厚度会比按每齿预设进给量所推算的还要薄。如果未调整进给量，刀具就会发生摩擦，而无法进行干净利落的切削。这会产生热量，导致表面光洁度下降并造成过早磨损。

WIDIA 解释道，当径向切削宽度为 40% 或更低时，平均切屑厚度会减小，因此必须提高进给速度以进行补偿。这是 HEM 加工策略中最重要的细节之一，因为只有当切屑厚度合适时，轻径向切削才能正常工作。

《Machining Doctor》的切屑变薄指南也描述了同样的根本问题：当径向切深小于刀具半径时，切屑负荷就会小于每齿进给量。实际上，较小的步进量并不一定意味着刀具切削正确。除非进给量是根据实际切屑厚度设置的，否则可能会发生摩擦。

对于程序员来说，实际操作中的要点很简单：不要将常规进给率直接复制到HEM刀具路径中。应使用刀具数据、切屑变薄计算器、CAM 指导以及安全的验证流程。

充分利用长笛的长度

HEM 设计旨在采用更深的轴向切削。这种策略并非让刀具端部磨损，而是将切削负荷分散到更长的切削刃上。在正确的设置下，这既能提高切除量，又能延长刀具寿命。

这并不意味着每道工序都应采用最大刀槽长度。刀具突出长度、刀柄刚性、机床状态和工件装夹方式都至关重要。对于长伸出长度的刀具，应降低切削深度并注意是否出现颤振。对于较短且刚性良好的装夹方案，更深的轴向切入往往是HEM技术在粗加工中发挥最大优势的地方。

原理很简单：如果刀具能更安全地利用其更多切削刃，车间就可以减少阶梯式切削的次数，将热量分散到更长的螺旋槽长度上，并每道切削去除更多的材料。

选择合适的刀具

通用立铣刀虽可用于轻载试切，但HEM加工工艺更适合专为此加工策略设计的刀具。应选择具有坚固芯部几何形状、适当槽数、良好排屑性能、可变螺旋角或可变螺距设计，且涂层适合加工材料的整体硬质合金立铣刀。

对于钢材和更硬的合金，较高的切削刃数量有助于适应HEM工艺中较轻的切屑负荷和较高的进给方式。对于铝材，较少的切削刃和强大的排屑能力通常更为重要。

刀具的选择应综合考虑整个加工方案。肯纳金属（Kennametal）关于动态铣刀的指导意见强调了切屑管理、内部冷却液选项以及针对特定材料的槽形设计等特性。这些细节至关重要，因为HEM工艺通常会在高进给率下产生大量薄切屑。

与长行程刀具相比，安装在稳定刀柄上的短而刚性的刀具通常能够承受更剧烈的轴向切入。对于加速度受限的机床而言，即使主轴功率在理论上看似充足，在进行小弧度运动和方向变换时，也可能难以保持平稳的运动。

管理芯片和散热

HEM 工艺依赖于有效的切屑排出。切屑的回流可能会损坏切削刃、造成表面损伤并增加刀具负荷。根据加工材料和刀具的不同，可能需要采用气吹、贯通式冷却液或高压冷却液。

对于铝材，首要任务通常是清除切屑并防止刀刃积屑。对于钢材和耐热合金，切削液策略取决于刀具、涂层和切削参数。请遵循刀具供应商的指导，然后在机床上通过主轴负载、声音、切屑颜色、刀具磨损和工件表面光洁度等指标进行验证。

在深腔和槽中，排屑尤为重要。在这些加工部位，切屑可能会滞留在刀具附近，从而使原本稳定的HEM策略变得不稳定。如果机床运转声音发生变化、主轴负载增加或切屑开始在切削区堆积，请先降低切削进给率并调整排屑方式，然后再增加进给量。

CAM 如何使HEM得以实际应用

高效铣削面临的挑战在于，虽然原理简单，但编程却可能相当复杂。一条优质的HEM刀具路径需要控制转角处的切削接触，避免刀具突然受力，妥善处理进刀和退刀动作，保持切屑厚度，并将空切时间降至最低。

对于超出简单几何形状的任何情况，手动操作都很困难。现代CAM 通过计算刀具路径来提供帮助，这些路径既能减少切削接触峰值，又能调整拐角和狭窄特征处的运动轨迹。

Autodesk 的“自适应清角”文档中解释道，该策略在保持刀具与周围材料持续接触的同时，采用能最大限度减少方向骤变的切削方式。Autodesk 指出，这可以降低刀具断裂的可能性，并延长刀具寿命。

Mastercam动态运动”页面描述了一种基于切入加工原理、较小步进距离和恒定切屑厚度的类似方法。Mastercam 在实际应用中，这些刀具路径能够支持更高的进给速度，并实现更快的粗加工和口袋加工循环。

Siemens CAM还将“3D自适应粗加工”描述为一种高性能切削策略，该策略可实现深切削并保持稳定的刀具负载，在硬质材料加工中可将加工周期缩短多达60%。

AI CAM 能够协助编程人员更快评估加工策略的地方。CAM 可在现CAM 中协助生成加工策略和刀具路径，同时允许编程人员在将任务发送至机床之前进行审查和调整。

关键在于控制。HEM仍需进行仿真，与工件夹持情况进行核对，验证其安全性，并针对实际机床进行调整。软件虽能帮助建立一个坚实的基础，但操作人员的判断依然至关重要。

以下是一段视频，展示了我们在切尔姆斯福德工厂对含有自由曲面元素的复杂航空航天零部件所采用的一些先进工艺：

HEM中的常见错误及避免方法

步进幅度过大

最常见的错误是将HEM加工视为一种进给速度更快的常规粗加工。如果径向切入量过大，切削力会迅速上升，导致刀具失去稳定性，从而使HEM加工无法正常进行。应从保守的参数开始，只有在切屑成形、刀具磨损和主轴负载均保持稳定时，才逐步增加参数。

忽略切屑变薄现象

小步进需要进给补偿。如果没有进给补偿，刀具可能会与工件摩擦，产生热量并导致过早损坏。这可能会导致程序在纸面上看似安全，但在机床上实际运行时却表现不佳。

选择了错误的刀具几何形状

如果刀具排屑性能差、突出量过大或螺旋槽数不合适，都会限制整个加工策略的实施。应根据加工材料、槽深、径向切入深度和切削液供应方式来选择合适的刀具。

对较弱的阵容采取过于激进的打法

HEM 虽然能降低径向切削力，但并不能取代刚性要求。工件夹持、刀柄质量、主轴状态以及机床加速度都会影响加工结果。如果装夹系统刚性不足，在追求缩短循环时间之前，应先减少轴向切深、径向切入量或进给速度。

让拐角处对刀具造成过载

拐角处往往是切削接触量骤增的位置。应采用能保持恒定切削接触量的刀具路径，减少进入拐角时的跨步量，并避免刀具埋入工件。请对刀具路径进行模拟，并仔细检查任何较小的内部半径。

忘记整个周期

HEM 技术可以改变粗加工流程，但这只是整个工艺流程中的一部分。精加工、换刀、测头检测、去毛刺、装载和检测等工序仍然会影响总产量。请分别记录技术变更前后完整的循环时间，以便准确衡量改进效果。

最终结论

高效铣削是缩短数控机床粗加工循环时间最切实可行的方法之一。其核心策略很简单：减少径向切削深度，增加轴向切削深度，考虑切屑变薄的影响，并采用能保持刀具负载稳定的刀具路径。

只有将HEM视为一套完整的加工策略，而非仅仅是一种更快的进给速度，才能获得最佳效果。应根据材料选择合适的刀具，控制切屑排出，模拟加工路径，进行安全验证，并测量整个加工周期时间。当工件与加工工艺匹配良好时，HEM就能将粗加工从程序中最耗时的环节，转变为提升生产效率的最大机遇之一。

对于正在审视其加工策略制定流程的团队而言CAM 可在现有的CAM 中协助生成刀具路径，从而让编程人员有更多时间专注于设置、验证和工艺改进。

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