去除恼人毛刺？！超声波辅助医疗级不锈钢微细加工的惊人效益

2025年01月01日


 

不锈钢的材料特性与常见应用

 

不锈钢的普遍材料特性


汉鼎超声波辅助304不锈钢微钻孔工件
(图1. 汉鼎超声波辅助304不锈钢微钻孔工件)


不锈钢（Stainless Steel）是一种铁、铬、镍的合金钢材，根据用途的不同，有时还会添加其他合金元素。不锈钢具有优异的耐腐蚀性（corrosion resistance）、高强度（high strength）和良好的延展性（ductility），以下是不锈钢几项重要的材料特性：

 

－耐腐蚀性（Corrosion Resistance）－

不锈钢材料具有高度耐腐蚀和抗氧化的特性。一般钢材价格低廉、机械性能良好、产量大，但缺点是容易生锈或腐蚀。这是因为铁容易被空气中的氧气氧化，形成锈层（氧化铁），该锈层具有多孔性。为了克服这一缺点，在钢材中添加铬元素以提高耐蚀性，从而形成不锈钢。不锈钢在与空气接触后，会在表面生成一层极薄的氧化层（通常称为氧化铬），该层结构致密且不透气，可防止腐蚀性气体或液体渗透，从而实现防腐效果。此外，这一材料特性也使得不锈钢具有较长的使用寿命，降低了维护和更换成本。

 

－耐热性（Heat Resistance）－

部分不锈钢合金具有良好的耐热性，能够在高温环境下长期稳定运行，并在温度逐渐升高的情况下保持材料强度，不易变形。这一特性使不锈钢适用于航天、汽车及能源产业中的零部件生产，这些零部件通常需要长期暴露在高温或冷热交替环境中。

 

－高强度与延展性（High Strength & Ductility）－

不锈钢的高强度使其成为建筑结构及高承重零部件的理想材料。不锈钢的强度受合金元素组成、热处理和加工工艺影响。此外，不锈钢也具有良好的延展性，可轻松加工成各种形状，并适用于弯折、焊接及精密加工。通过调整合金成分和热处理方式，还可进一步优化其延展性。

 

－卫生性（Hygienic Properties）－

不锈钢的表面光滑且无气孔，不易吸附杂质或渗透污染物，可防止细菌滋生，且易于清洁和消毒，可反复使用，因此广泛应用于食品加工、医疗（手术器械）、制药等对卫生要求极高的行业。


 

不同类型的不锈钢及其常见应用


除了上述常见的材料特性，不锈钢可根据其金相组织分类，主要分为奥氏体型（Austenitic）、马氏体型（Martensitic）、铁素体型（Ferritic）以及双相不锈钢（Duplex）四大类。

其中，奥氏体型和马氏体型不锈钢（如 304、316、420 不锈钢）常用于制造医疗与手术器械零部件及设备。以下是这三种常见医疗级不锈钢的成分、材料特性及应用对比：

不锈钢用于医疗及手术器械
(图2. 不锈钢用于医疗及手术器械)

 

－304 不锈钢 ＞ 奥氏体型不锈钢（Austenitic）－

 
材料成分与特性
304 不锈钢含有 18-20% 铬、8-10.5% 镍，并含少量碳和锰。它在常温环境下具有良好的耐腐蚀性、拉伸强度（tensile strength）和屈服强度（yield strength），同时具备优异的可加工性和可焊性，应用范围极广。
 
常见应用
  • 食品加工与储存设备（如食品容器、不锈钢厨具）
  • 建筑与装饰材料（如不锈钢管道、扶手、家居装饰品）
  • 化学工业（如化学容器、流体管道）
  • 医疗设备与手术器械（如外科手术台、医用夹具）
 
 

－316 不锈钢 ＞ 奥氏体型不锈钢（Austenitic）－

 
材料成分与特性
316 不锈钢含有 16-18% 铬、10-14% 镍，并额外添加 2-3% 钼（Mo），相较 304 具更强的耐腐蚀性和耐高温特性，特别是在氯化物环境下，316 不锈钢的抗腐蚀性能更优，因此适用于海洋环境及高腐蚀性应用。
 
常见应用
  • 海洋设施与舰艇设备（如海水处理设备、船舶零件）
  • 化工处理设备（如化工厂设备、化学反应容器）
  • 生物科技与制药行业（如医疗设备、实验室器具）
 
 

－420 不锈钢 ＞ 马氏体型不锈钢（Martensitic）－

 
材料成分与特性
420 不锈钢含有 13-14% 铬，少量镍，并含 0.15-0.40% 碳，属于可硬化不锈钢，其强度与硬度极高，经热处理后，其洛氏硬度可达 HRC 50-55，此外，它还具备良好的耐磨性和耐腐蚀性。
 
常见应用
  • 模具与机械零件（如螺丝、轴承、阀门）
  • 手动工具与刀具（如剪刀、扳手、镊子）
  • 医疗手术器械（如活检钳、抓取钳）


 

医疗级不锈钢材料加工难点



医疗级不锈钢材料，包括304不锈钢、316不锈钢及420不锈钢，可能因其特定的材料特性，使其在进行加工时，面临一些较为棘手且难以避免的加工难点。

 

加工硬化（Work Hardening）


304不锈钢、316不锈钢及420不锈钢材料，在加工过程中，皆容易产生加工硬化（Work Hardening）的现象。这表示在进行切削、钻孔等加工时，材料内部分子受到碰撞、挤压，导致材料硬度提高，更难进行进一步的加工。加工硬化的现象可能会造成切削阻力变大、刀具磨损加剧，也就更难以达到工件需求的标准。


 

刀具缠屑（Chip Adhesion）


不锈钢像其他金属、合金材料一样，具有塑性变形（Plastic Deformation）这样的材料特性，因此不锈钢材料在加工过程中，容易产生较长、较容易缠结的切屑。这也使得在机加工不锈钢材料时，排屑成为了一项很重要的议题。因为这容易导致刀具缠屑，除了造成严重刀具磨损，也就是所谓的黏着磨损（Adhesive Wear），干扰切削的过程之外，甚至会破坏工件表面或钻孔质量。


 

切削阻力过大（High Cutting Forces）


由于不锈钢材料具备高硬度与强度，因此在加工过程中，容易产生过大的切削阻力。为了改善这个问题，一般会建议选用高硬度、高韧性、高耐磨性的刀具，以及刚性较佳的加工机台。有效地处理切削阻力过大的问题十分重要，可以避免刀具磨损严重导致断刀、改善加工时产生过大的振动影响工件质量，或是其他加工上造成的潜在风险。


 

积累大量切削热（Cutting Heat Accumulation）


不锈钢材料的热传导系数（Thermal Conductivity）低，因此在加工过程中，在切削处生成的切削热（Cutting Heat）不易排除，容易大量积累切削热。切削温度的提升可能会导致刀具磨损加剧、刀具变形，以及不锈钢材料的塑性变形（Plastic Deformation）。

CNC机加工金属及钢铁合金等材料须搭配适当冷却机制
(图3. CNC机加工金属及钢铁合金等材料须搭配适当冷却机制)

 

刀具磨损严重（Serious Tool Wear）


不锈钢材料系列，特别是420不锈钢，具备较高的材料硬度，因此在加工过程中，可能导致较为严重的刀具磨损。其中不锈钢的加工硬化现象、过大的切削阻力以及大量切削热积累，都是刀具磨损严重与刀具寿命大幅降低的原因。因此，刀具材料的选用，搭配加工参数的优化，皆对于刀具磨损的改善至关重要。

另外，特别需要留意，可能因不锈钢材料系列的类别、工件的几何形状、切削刀具的选用，以及搭配的加工参数不同，在加工不锈钢材料时，面临的加工难点不尽相同。


 

汉鼎超声波加工能为医疗级不锈钢加工带来哪些助益呢？

 

超声波的高频率微振动


汉鼎的超声波辅助加工技术提供刀具每秒超过20,000次的纵向（Z轴方向）的高频率微振动。这样的类似于快速啄钻、反复提刀的机制应用在切削上，可有效帮助降低切削阻力，并使排屑过程更顺畅。
超声波纵向的高频率微振动，使刀具在加工过程中，间接性地接触工件，可帮助排除刀具尖端累积的切削热，有效降低刀具磨损。

汉鼎超声波辅助加工技术的纵向高频率微振动帮助排除切屑
(图4. 汉鼎超声波辅助加工技术的纵向高频率微振动帮助排除切屑)

 

降低切削阻力


切削阻力的降低除了可以帮助减少刀具与工件的摩擦，也可以让切线速度/切削速度（Cutting Speed）与进给率（Feed Rate）提升。超声波辅助切削，搭配高压（高达70bar）中心出水（Coolant Through Spindle，CTS）功能，在加工过程中，帮助移除切削热。这样的切削机制除了可以改善工件质量、稳定刀具寿命，也可在缩短加工时间的同时，节省能源的消耗，顺应企业可持续发展的ESG趋势。

汉鼎超声波辅助加工技术帮助降低切削阻力, 带来更稳定的刀具寿命
(图5. 汉鼎超声波辅助加工技术帮助降低切削阻力, 带来更稳定的刀具寿命)

 

排屑过程更顺畅


超声波辅助加工技术的排屑机制，可以减少因大量积屑造成刀具与工件之间的摩擦。尤其当材料具备特定材料特性，而在切削时生成较长且容易缠结的切屑时，容易产生积屑瘤（Built-Up Edge，BUE）或是切屑二次切削（Chip Re-cutting）的现象，这都会使工件质量变差，且严重危害刀具寿命的稳定性。汉鼎超声波的高频率微振动辅助切削机制帮助降低切削阻力，可以让刀具更容易切断材料，排屑过程也更加顺畅。有效去除缠屑也可达到更优良的工件质量，并延长刀具寿命。

 

汉鼎超声波辅助加工不锈钢之优势


针对医疗级不锈钢材料的加工，汉鼎超声波辅助加工技术帮助降低切削阻力，使刀具更容易切断材料。同时，超声波的高频率微振动，使刀具在反复提刀的过程中，让切削液更容易流入，有效排除切屑。这样的辅助切削机制，针对不锈钢材料的加工，可达到更好的工件质量（去除毛刺、钻孔真圆度较佳）以及更稳定的刀具寿命（更易排屑、抑制刀具缠屑的现象）。


汉鼎的超声波高频率微振动辅助加工模组产品提供了一个改善先进材料加工过程的解决方案。



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超声波辅助不锈钢加工成功案例分享

 

 

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