去除擾人毛邊？！超音波輔助醫療等級不鏽鋼微細加工之驚人效益

2023年08月04日

不鏽鋼的材料特性與常見應用

不鏽鋼普遍材料特性

(圖1. 漢鼎超音波輔助304不鏽鋼微鑽孔工件)

不鏽鋼（Stainless Steel）是鐵、鉻、鎳的合金鋼材，依用途有時會另外添加其他合金元素的金屬材料。不鏽鋼具備絕佳的耐腐蝕性（corrosion resistance）、高強度（high strength）與良好的延展性（ductility），以下為不鏽鋼幾項較為重要的材料特性：

－耐腐蝕性（Corrosion Resistance）－

不鏽鋼材料具備高度耐腐蝕與抗氧化的特性。一般鋼鐵材料價格便宜、機械性質良好，且產量多，但缺點就是容易生鏽或腐蝕，因為鐵容易被空氣中的氧氣氧化，生成鏽層，也就是所謂的氧化鐵，屬於多孔性質。為了克服這項缺點，在鋼鐵材料中添加鉻來改良耐蝕性，因此成為了不鏽鋼。（了解不鏽鋼的耐腐蝕性）在與空氣接觸後，會生成一層很薄的氧化層，一般稱為氧化鉻，非常緻密、不透氣，可防止腐蝕性氣體或液體流入向內滲透，以此達到抗腐蝕的效果。此外，這樣的材料特性也使得不鏽鋼具有較長的使用壽命，減少了維護和更換的成本。

－耐熱性（Heat Resistance）－

有部份的不鏽鋼合金具有良好的耐熱性，能在高溫環境下長期穩定運作。可以在溫度逐漸上升的環境中，維持材料的強度，且不易變形。這樣的材料特性使不鏽鋼適合用作航太、汽車及能源產業的零組件材料，這樣的零件都可能需要長時間接觸高溫或是處在高低溫冷熱循環的環境中。

－高強度與延展性（High Strength & Ductility）－

不鏽鋼材料的高強度特性，使其成為建築結構以及需要高承重應用的零件材料。不鏽鋼的材料強度會受到合金元素的組成成分、熱處理及加工過程的影響。此外，不鏽鋼也具備良好的延展性，易於成形及加工成各式不同的形狀。這樣的特性也使得不鏽鋼易於折彎、焊接及加工，也可透過調整合金元素的組成成分以及進行對應的熱處理方式，來進一步加強其延展性。

－衛生性（Hygienic Properties）－

不鏽鋼材料的表面平滑，且無氣孔，不易滲透，可防止細菌滋生，容易清潔，可以透過消毒反覆使用，因此也被廣泛應用在對於清潔度與衛生性要求較高的產業，如食品加工、醫療（手術）及醫藥等產業。

了解更多不鏽鋼科學知識

不同的不鏽鋼材料系列與常見應用

除了上述較為普遍的材料特性之外，不鏽鋼依照其材料的金相組織，可大致分為沃斯田鐵型（Austenitic）、麻田散鐵型（Martensitic）、肥粒鐵型（Ferritic）以及雙相不鏽鋼（Duplex）等四種主要型式。（了解更多不鏽鋼材料系列）

一般而言，沃斯田鐵型和麻田散鐵型不鏽鋼，包括304不鏽鋼、316不鏽鋼以及420不鏽鋼，經常被應用於製作醫療與手術器械零件及設備。以下為此三種常用之醫療等級不鏽鋼，針對其組成成分、材料特性與應用做簡短比較：

(圖2. 不鏽鋼作為醫療及手術器械材料)

－SUS304不鏽鋼＞沃斯田鐵型不鏽鋼（Austenitic）－

材料成分與特性

304不鏽鋼含有18-20%的鉻元素與8-10.5%的鎳元素，以及少數的碳和錳。304不鏽鋼在一般環境下有良好的耐腐蝕性、拉伸強度（tensile strength）以及降伏強度（yield strength），也具備良好的加工性和可焊性，因此應用範圍十分廣泛。

常見應用

304不鏽鋼經常被應用在食品加工和食品儲存設備（如食品容器）、建築和裝飾（如不鏽鋼管道、扶手和家居裝飾品）、化學工業（如化學容器、流道），以及醫療設備和器械（如手術器械、外科手術台）等產業。

－SUS316不鏽鋼＞沃斯田鐵型不鏽鋼（Austenitic）－

材料成分與特性

316不鏽鋼含有16-18%的鉻、10-14%的鎳和2-3%的鉬元素。316不鏽鋼的耐腐蝕性及耐高溫特性皆優於304不鏽鋼，尤其是在含有氯化物的環境下，316不鏽鋼具備優異的抗腐蝕性能，因此適用於海水和鹽霧環境。

常見應用

316不鏽鋼經常被應用在海洋設施和海軍設備（如海水處理設備、船舶零件）、化學加工設備（如化學廠房、化學反應器），以及藥品製造與生物科技（如醫療設備、醫藥器具）。

－SUS420不鏽鋼＞麻田散鐵型不鏽鋼（Martensitic）－

材料成分與特性

420不鏽鋼含有13-14%的鉻，少量的鎳元素，以及0.15-0.40%的碳含量。420不鏽鋼屬於硬化不鏽鋼，具有高硬度和強度，經過熱處理後的420不鏽鋼，其洛氏硬度甚至可達到約HRC50-55的硬度標準。另外，420不鏽鋼也具備良好的耐蝕性和耐磨性，因此在許多應用中被廣泛使用。

常見應用

420不鏽鋼經常應用在模具和機械零件（如螺絲、軸承、閥門）、手動工具和刀片（如剪刀、扳手、鑷子）以及醫療手術設備與器械（如活檢鉗、抓取鉗）等。

醫療等級不鏽鋼加工困難點

醫療等級不鏽鋼材料，包括304不鏽鋼、316不鏽鋼及420不鏽鋼，可能因為其特定的材料特性，使其在進行加工時，面臨到一些較為棘手且難以避免的加工難點：

加工硬化（Work Hardening）

304不鏽鋼、316不鏽鋼及420不鏽鋼材料，在加工過程中，皆容易產生加工硬化（Work Hardening）的現象。這表示在進行切削、鑽孔等加工時，材料內部分子受到碰撞、擠壓，導致材料硬度提高，更難進行進一步的加工。加工硬化的現象可能會造成切削阻力變大、刀具磨耗加劇，也就更難以達到工件需求之標準。（閱讀更多：行家須知提高不鏽鋼加工質量的幾種方法）

刀具纏屑（Chip Adhesion）

不鏽鋼像其他金屬、合金材料一樣，具有塑性變形（Plastic Deformation）這樣的材料特性，因此不鏽鋼材料在加工過程中，容易產生較長、較容易纏結的切屑。這也使得在機加工不鏽鋼材料時，排屑成為了一項很重要的議題。因為這容易導致刀具纏屑，除了造成嚴重刀具磨耗，也就是所謂的黏著磨耗（Adhesive Wear），干擾切削的過程之外，甚至會破壞工件表面或鑽孔品質。（閱讀更多：磨耗形式）

切削阻力過大（High Cutting Forces）

由於不鏽鋼材料具備高硬度與強度，因此在加工過程中，容易產生過大的切削阻力。為了改善這個問題，一般會建議選用高硬度、高韌性、高耐磨性的刀具，以及剛性較佳的加工機台。有效地處理切削阻力過大的問題十分重要，可以避免刀具磨耗嚴重導致斷刀、改善加工時產生過大的顫振影響工件品質，或是其他加工上造成的潛在風險。

積累大量切削熱（Cutting Heat Accumulation）

不鏽鋼材料的熱傳導係數（Thermal Conductivity）低，因此在加工過程中，在切削處生成的切削熱（Cutting Heat）不易排除，容易大量積累切削熱。切削溫度的提升可能會導致刀具磨耗加劇、刀具變形，以及不鏽鋼材料的塑性變形（Plastic Deformation）。

(圖3. CNC機加工金屬及鋼鐵合金等材料須搭配適當冷卻機制)

刀具磨耗嚴重（Serious Tool Wear）

不鏽鋼材料系列，特別是420不鏽鋼，具備相比而言較高的材料硬度，因此在加工過程中，可能導致較為嚴重的刀具磨耗。其中不鏽鋼的加工硬化現象、過大的切削阻力以及大量切削熱積累，都是刀具磨耗嚴重與刀具壽命大幅降低的原因。因此，刀具材料的選用，搭配加工參數的優化，皆對於刀具磨耗的改善至關重要。

另外，特別需要留意，可能因為不鏽鋼材料系列的類別、工件的幾何形狀、切削刀具的選用，以及搭配的加工參數不同，在加工不鏽鋼材料時，面臨到的加工難點不盡相同。

漢鼎超音波加工能為醫療等級不鏽鋼加工帶來哪些助益呢？

超音波的高頻率微振動

漢鼎的超音波輔助加工技術提供刀具每秒超過20,000次的縱向（Z軸方向）的高頻率微振動。這樣類似於快速啄鑽、反覆提刀的機制應用在切削上，可有效幫助降低切削阻力，並使排屑過程更順暢。
超音波縱向的高頻率微振動，使刀具在加工過程中，間接性地接觸工件。可幫助排除刀具尖點累積的切削熱，有效降低刀具磨耗。

(圖4. 漢鼎超音波輔助加工技術的縱向高頻率微振動幫助排除切屑)

降低切削阻力

切削阻力的降低除了可以幫助減少刀具與工件的摩擦，也可以讓切線速度／切削速度（Cutting Speed）與進給率（Feed Rate）往上提升。超音波輔助切削，搭配高壓（高達70bar）中心出水（Coolant Through Spindle，CTS）功能，在加工過程中，幫助移除切削熱。這樣子的切削機制除了可以達到改善工件品質、穩定刀具壽命，也可在縮短加工時間的同時，節省能源的耗費，順應企業永續ESG的趨勢。

(圖5. 漢鼎超音波輔助加工技術幫助降低切削阻力, 帶來更穩定的刀具壽命)

排屑過程更順暢

在超音波輔助加工技術的排屑機制，可以減少因大量積屑造成刀具與工件之間的摩擦。尤其當材料具備特定材料特性，而在切削時生成較長且容易纏結的切屑時，容易產生積屑瘤（Built-Up Edge，BUE）或是切屑二次切削（Chip Re-cutting）的現象，這都會使工件品質變差，且嚴重危害刀具壽命的穩定性。漢鼎超音波的高頻率微振動輔助切削機制幫助降低切削阻力，可以讓刀具更容易切斷材料，排屑過程也更加順暢。有效去除纏屑也可達到更優良的工件品質，並延長刀具壽命。（閱讀更多：切屑形狀及其形成介紹）

漢鼎超音波輔助加工不鏽鋼之優勢

針對醫療等級不鏽鋼材料的加工，漢鼎超音波輔助加工技術幫助降低切削阻力，使刀具更容易切斷材料，同時，超音波的高頻率微振動，刀具反覆提刀的過程中，使切削液更容易流入，有效排除切屑。這樣的輔助切削機制針對不鏽鋼材料的加工，可達到更好的工件品質（去除毛邊、鑽孔真圓度較佳）以及更穩定的刀具壽命（更易排屑、抑制刀具纏屑的現象）。

漢鼎的超音波高頻率微振動輔助加工模組產品提供了一個改善先進材料加工過程的解決方案。

了解更多漢鼎超音波加工技術

💡 閱讀更多：超音波輔助加工金屬、合金、硬鋼等材料之效益

超音波輔助不鏽鋼加工成功案例分享

420不鏽鋼（SUS420 Stainless Steel）：微銑削與微鑽孔加工

(圖6. 漢鼎超音波輔助420不鏽鋼微銑削與微鑽孔加工工件)

漢鼎幫助一醫療領域的客戶，針對420不鏽鋼材料的微細加工，完成後的工件成品用作醫療微創手術（Minimally Invasive Surgery，MIS）的手術器械零件。由於工件尺寸極為微小，工件總長度僅4mm，槽寬僅0.8mm，因此在加工製程以及維持產品良率上都為客戶帶來極大的挑戰。

使用漢鼎BT30超音波加工模組，輔助420不鏽鋼微細零件之表面精修及微鑽孔加工，超音波的高頻率微振動幫助降低切削阻力。有效在僅透過機加工搭配超音波輔助的方式，省去人工後製程之噴砂、去毛邊處理的時間，即可大幅降低工件表面的刀痕、接刀痕（Tool/Feed Marks）以及毛邊（Burrs）。

無超音波vs.漢鼎超音波輔助420不鏽鋼微銑削與微鑽孔加工之工件品質比較

(圖7. 無超音波vs.漢鼎超音波輔助420不鏽鋼微銑削與微鑽孔加工之工件品質比較)

漢鼎超音波輔助加工技術幫助醫療領域客戶將原本不到10%的產品良率提升至100%，除了節省整體製程的時間之外（省去人工後製程），也避免人工精修製程中可能對產品良率所造成的風險（如噴砂後刀痕仍無法去除、人工去毛邊破壞了工件的微細特徵等），成功替客戶取下訂單。

420不鏽鋼這樣的微細特徵被應用在醫療產業，特別用作如內視鏡等微創類型手術之器械零件，例如活檢鉗（Biopsy Forceps）、抓取鉗（Grasping Forceps）等。

了解更多不鏽鋼(SUS420) : 微銑削&微鑽孔加工

304不鏽鋼（SUS304 Stainless Steel）：曲面微鑽孔加工

(圖8. 漢鼎超音波輔助304不鏽鋼曲面微鑽孔加工工件)

漢鼎針對304不鏽鋼材料進行曲面微鑽孔加工。使用漢鼎HSKA63超音波加工模組，超音波的高頻率微振動幫助降低切削阻力。在去除插銑（Plunge Milling）製程的情況下，有效防止刀具在入鑽時因切削阻力過大而造成偏斜（Tool Deflection）的現象，藉此提升曲面微鑽孔之孔真圓度（Hole Roundness）。

無超音波vs.漢鼎超音波輔助304不鏽鋼曲面微鑽孔加工之鑽孔品質比較

(圖9. 無超音波vs.漢鼎超音波輔助304不鏽鋼曲面微鑽孔加工之鑽孔品質比較)

切削阻力的降低，使刀具更容易切斷材料，配合超音波的高頻率微振動，切削液更容易幫助帶走切屑，在顯微鏡下，達到曲面微鑽孔處零毛邊；同時，相較無超音波加工，成功延長4倍刀具壽命。

無超音波vs.漢鼎超音波輔助304不鏽鋼曲面微鑽孔加工之刀具壽命與刀具磨耗比較

(圖10. 無超音波vs.漢鼎超音波輔助304不鏽鋼曲面微鑽孔加工之刀具壽命與刀具磨耗比較)

304不鏽鋼的微鑽孔特徵被應用在半導體產業以及3C電子產業，特別是用作真空吸盤（Vacuum Plates）、電子零件等。

了解更多不鏽鋼(SUS304) : 曲面微鑽孔加工

醫療等級不鏽鋼加工常見問題

Q1 針對不鏽鋼材料的平面或曲面微鑽孔加工，在去除定位鑽（Pilot Drilling）或插銑（Plunge Milling）製程的情況下，漢鼎超音波如何做到維持良好的孔真圓度？

A1 孔真圓度差通常是來自於刀具在入鑽時，承受過大的切削阻力，導致刀具打滑（Tool Wondering）、偏斜（Tool Deflection）。
漢鼎超音波輔助加工技術提供刀具每秒超過20,000次的縱向（Z軸方向）高頻率微振動，幫助大幅降低切削阻力。這樣子的輔助切削機制可以避免刀具在入鑽時因承受過大切削阻力而產生偏斜的現象。
超音波的高頻率微振動也幫助刀具更容易切斷材料，並有更良好的排屑機制，在針對不鏽鋼材料的微鑽孔特徵的加工，可有效去除毛邊，達到更好的鑽孔品質。

漢鼎超音波輔助加工驅動模組產品

(圖11. 漢鼎超音波輔助加工驅動模組產品)

了解更多漢鼎超音波加工模組

Q2 欲使用漢鼎超音波加工模組進行不鏽鋼材料的加工時，如何適當地調整進給率、切線／切削速度、超音波振幅等加工參數呢？

A2 漢鼎智慧科技主要提供先進材料加工與智慧自動化解決方案模組，目標不僅是提供客戶精密的超音波輔助加工模組產品，更是提供相關的專業知識，幫助客戶在使用產品時，能將超音波輔助加工技術所帶來的效益做最大化的呈現。
這包括提供優化後的加工參數（依據目標加工材料與特徵）以及相關工程服務，來幫助客戶獲得漢鼎超音波加工模組產品的最佳使用體驗。讓客戶了解到，這不僅是向漢鼎購買一項產品，更重要的是合作間知識、技術的分享與交流。

漢鼎超音波輔助加工刀把系列產品

(圖12. 漢鼎超音波輔助加工刀把系列產品)

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*參考資料：