不鏽鋼CNC加工 | 可加工性、牌號、解決方案

不銹鋼因其高強度、高韌性以及優異的耐熱性和耐腐蝕性而在工程領域廣受歡迎。然而，正是這些使其備​​受青睞的物理和機械性能，也為製造過程帶來了巨大的挑戰。從加工角度來看，由於其嚴重的加工硬化特性、高切削力和低導熱性，不銹鋼通常被認為是一種難加工材料。

機械加工性概述

可加工性是指金屬材料易於進行切削加工的程度。一旦切削加工正常進行，金屬的可加工性就會根據工件表面粗糙度、切削速度和刀具磨損程度來評估。

可加工性是一種複雜的表面層現象，涉及摩擦以及高速彈塑性變形。因此，切削的難易度和加工結果的品質與許多因素有關：

1. 工具材料和幾何形狀。
2. 工件材料的切削性能。
3. 加工過程中切削液的存在及其特性。
4. 切割類型和條件。

在其他條件相同的情況下，最易切削的金屬應具備以下特點：切削速度最高、刀具磨損最小、能耗最低，同時表面粗糙度也最令人滿意。在大多數情況下，切削的主要要求是高速和長刀具壽命；然而，在某些情況下，對錶面光滑度的要求更為嚴格。

確定可加工性的方法

1. 比較同一刀具在給定切削速度下切削不同金屬時的使用壽命。
2. 比較在相同壓力、轉速和時間下鑽入不同金屬的深度。
3. 透過切割一定體積的不同金屬時消耗的能量或散發的熱量來比較其可加工性。

這些方法沒有考慮加工零件的表面粗糙度；它們只利用切削的難易度來相對比較金屬的可加工性。

金屬的可加工性是一個非常複雜的技術特性，它與其他金屬特性密切相關。首先，我們應該了解金屬難以加工的原因：

1. 當硬度或強度過高時，切削消耗的能量很大；當速度增加時，產生的熱量容易軟化刀具刃口，使切削變得非常困難。
2. 具有高塑性的軟金屬在切削過程中容易產生積屑瘤（BUE）並粘附在刀具刃口上，這會使切削變得困難，並增加表面粗糙度。
3. 易發生加工硬化的金屬難以切削，例如高碳鋼、高錳鋼、耐磨鋼和奧氏體不銹鋼。含有硬質第二相的金屬也難以切削，例如碳化物和氧化物，這些物質容易磨損刀片。

其次，我們應該了解什麼樣的組織結構有利於金屬切削。不溶於基體的第二相，如果具有潤滑性或能增加材料的脆性，就能改善切削性能。例如，石墨、鉛和鉍可以增強切削過程中的潤滑作用；脆性硫化物和磷化物（例如鋼中的MnS和Fe3P）可以使切屑更容易斷裂。

提高加工性能的方法

1. 軟化硬金屬（回火 或退火）。
2. 對過軟的金屬進行硬化處理（冷加工、晶粒細化、正火）。
3. 減少硬質第二相（提高冶煉質量，減少夾雜物）。
4. 改善硬第二相的分佈（退火 或標準化）。
5. 加入可改善切削性能的第二相元素（Pb、Bi、石墨、MnS、Fe3P 等）。

最後一種方法（5）可以生產出適用於自動機床的具有優異加工性能的合金，因此稱為易切削鋼和合金。

一些影響加工性能的物理和機械性質對微觀結構不敏感，因此難以透過改善結構來改變。這些性能包括基體金屬的熱膨脹係數、熱導率和彈性模量。

不銹鋼切割概述

不同類型的不銹鋼具有不同的加工性能，且差異顯著。一般來說，不銹鋼的加工性能比其他鋼材差。例如，與碳鋼相比，奧氏體不銹鋼的加工性能最差。這是由於奧氏體不銹鋼具有嚴重的加工硬化和低導熱性所致。因此，在切削過程中必須使用水性切削液來減少熱變形。尤其是在焊接後熱處理不佳的情況下，無論切削精度如何提高，變形都難以避免。其他類型的不銹鋼，例如馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼，只要不進行淬火後切削，其加工性能與碳鋼相差不大。但是，對於馬氏體和鐵素體不銹鋼而言，碳含量越高，加工性能越差。由於組織和處理方法的不同，沉澱硬化不銹鋼表現出不同的加工性能，但一般來說，在退火狀態下，它們的加工性能與同系列、同強度的馬氏體和奧氏體不銹鋼基本相同。

不銹鋼因其優異的耐熱性和耐腐蝕性，以及高強度和高韌性而被廣泛應用。在許多應用中，一種金屬材料切割另一種金屬材料的能力取決於它們的加工性能。所有不銹鋼，包括所有等級的不銹鋼，都可以進行機械加工。不銹鋼的加工性能，如同其物理和機械性能一樣，存在很大的差異。

通常，不鏽鋼是指鉻含量超過11.5%的鐵基合金。為了達到所需的耐腐蝕性和/或機械性能，可以添加碳、鎳、錳、矽、鋁、鈦、鈮等合金元素。

根據可加工性劃分的不銹鋼類型

根據顯微組織和熱處理條件進行分類是最常用的方法。此方法將所有不鏽鋼分為三類：可淬硬（馬氏體）、不可淬硬（鐵素體）和奧氏體。每一類都包含一些易切削鋼種。

可硬化不銹鋼

此組鋼材為400系列鋼，可透過熱處理進行硬化。易切削鋼種包括：416、420F和440F不鏽鋼。一般可加工鋼種包括403、410、420、431、440A、440B和440C。這些鋼材均為馬氏體鋼，退火狀態下具有磁性，可透過淬火和回火達到不同的強度等級。 416鋼最容易加工，而440C鋼最難加工，因為其高碳含量會導致嚴重的刀具磨損。

不可淬硬不銹鋼

這組鋼材包括400系列鋼，這些鋼材無法透過熱處理顯著提高硬度。它們在退火狀態下為鐵素體且具有磁性。易切削鋼種包括430F；一般可切削鋼種包括405、430和446。

奧氏體不銹鋼

這些是鉻鎳300系列鋼，最近又擴展至包括一些鉻鎳錳200系列鋼。它們在退火狀態下為奧氏體組織，基本上不具磁性，且無法以熱處理進行硬化。然而，大多數奧氏體鋼具有很高的加工硬化率，遠高於鐵素體和馬氏體鋼。易切削牌號碼包括303和303Se。標準牌號包括201、202、301、302、304、305、308、309、310、316、317、321、347等。奧氏體鋼比大多數馬氏體或鐵素體鋼更難加工。它們在退火狀態下具有黏性，除非採用特殊加工技術，否則會產生纖維狀切屑。高加工硬化率也是造成切削困難的原因之一。

不銹鋼CNC加工的特性

不銹鋼的切削加工性能遠差於中碳鋼。如果1045鋼的切削加工性能為100%，那麼奧氏體321鋼為40%；鐵素體10Cr28鋼為48%；馬氏體420鋼為55%。奧氏體和奧氏體+鐵素體鋼的切削加工性能最差。其特性包括：

嚴苛的工作強化

奧氏體鋼和奧氏體+鐵素體鋼中最為顯著。淬硬後強度可達1470～1960 MPa。屈服極限從退火狀態下的30%～45%提升到淬硬後的85%～95%。淬硬層深度可達切削深度的1/3或更深，硬度為原硬度的1.4～2.2倍。這歸因於高塑性、晶格畸變以及應力作用下奧氏體向馬氏體的轉變。

強大的切割力

06Cr18Ni11Ti鋼具有極高的塑性，尤其是在奧氏體中，其延伸率是1045鋼的1.5倍，從而提高了切削力。加工硬化和高熱強度進一步增強了其抗切削力，使切屑難以斷裂。 06Cr18Ni11Ti鋼的單位切削力為2450 MPa，比1045鋼高25%。

高切削溫度

較大的塑性變形和摩擦會產生大量熱量。由於導熱係數低（僅1045鋼的1/4至1/2），熱量集中在切削區域。在相同條件下，321鋼的溫度比1045鋼高約200℃。

難以打破的薯片

高塑性和高韌性會導致持續切屑產生，從而刮傷表面。對其他金屬的高親和力會導致沾黏和積屑瘤，加劇刀具磨損和表面撕裂。

刀具磨損

親和力會導致黏著磨損和擴散磨損，進而造成刀具表面出現凹坑和微崩刃。鋼材中的硬質碳化物顆粒也會導致磨粒磨損。

大線性膨脹係數

約為碳鋼的1.5倍。切削熱會導致工件熱變形，從而難以控制尺寸精度。

在各種加工設備中，自動車床是將不銹鋼棒材加工成無數零件的高效率設備。

不鏽鋼加工注意事項：

1. 工具應堅固耐用、技術先進，並具有較高的過載能力。最好不要超過機器額定能力的75%。
2. 工件和工具必須牢固夾緊。工具懸伸部分應盡可能短；必要時可使用額外支撐。
3. 始終保持工具鋒利（高速鋼或硬質合金）。定期打磨工具，不要等到必要時才打磨。
4. 使用高性能潤滑劑，例如氯化石油潤滑脂。這種潤滑劑適用於低速進給下的重切削。對於高速精加工，可與煤油稀釋以降低溫度。
5. 注意鉻鎳奧氏體鋼。採用強制切削，避免停頓，以防止加工硬化和滑移。

與碳鋼相比：

1. 退火不銹鋼的強度通常較高。
2. 屈服強度和抗拉強度之間的差距更大。
3. 工作適應力增強率較高。
4. 高碳鋼（440A/B/C）含有遊離合金碳化物，這些碳化物會使基體硬化，並且具有磨蝕性，從而增加磨損。

不銹鋼CNC加工工藝

不銹鋼加工的製造流程包括CNC車削、銑削、研磨、鑽孔等。

數控車削

通常認為是單點切削。刀具應具有正前角。馬氏體鋼（420、440）需要負前角以減少磨損。奧氏體鋼（200/300）容易發生加工硬化；保持強制進給，切勿突然停止。使用具有良好結構剛性的高功率車床。建議在轉塔車床上使用硬質合金刀頭的刀具。

• 粗加工進給量：0.229–0.406 毫米。
• 精加工進給量：0.076–0.254 毫米。
• 速度（鉻合金類型）：61–152 公尺/分鐘。
• 速度（Cr-Ni 型）：61–122 公尺/分鐘。
• 使用濃縮可溶性油混合物。

數控銑床

高黏附性和熔合性意味著切屑會黏附在齒上。在逆銑加工中，齒在硬化表面上滑動，導致表面硬化加劇。振動和衝擊也很大。

• 工具：使用高速鋼（鎢鉬鋼或高釩鋼）或硬質合金（YG8、YW2、813、798 等）。
• 幾何形狀：使用較大的螺旋角（20°–45°）。而立銑刀最好使用β=35°的螺旋角，以避免削弱齒的強度。
• 方法：採用逆銑（順銑）方式，確保刀具平穩地離開金屬，並透過離心力將切屑甩出。
• 冷卻：噴霧冷卻效果最佳；否則，確保 10% 乳液的充分流動。
• 速度：硬質合金起始速度約 24 公尺/分鐘，高速鋼起始速度約 9 公尺/分鐘。

數控磨削

高韌性和耐熱強度意味著負前角的磨粒難以切屑。能量很高，溫度可達 1000–1500°C，切屑容易堵塞砂輪。低導熱性會導致表面燒傷或退火（深度 0.01–0.02 mm）。膨脹會導致變形，尤其是在薄壁零件。大多數不銹鋼不具磁性，需要機械夾緊，這可能會導致振動或變形。避免磨削不均勻或局部過熱。

CNC鑽孔

通常情況下，使用麻花鑽。對於硬化鋼，使用硬質合金或超硬高速鋼鑽頭。扭矩較大，切屑容易黏附並硬化。磨削斷屑槽並減薄鑽腹以降低軸向力。

• 滑移/硬化：在邊緣或孔上撒上粉筆粉，以幫助切割開始。
• 鑽孔夾具：保持襯套較短；保持一個鑽頭直徑的間隙以便排屑。
• 速度：12-38 公尺/分鐘，取決於坡度和深度。
• 進給量：0.051–0.508 毫米/轉。盡量減少停頓，以減少硬化。

數控攻絲

易切削鋼材的性能與碳鋼類似。 15° 的前角更佳。加工深孔時，使用薄刃絲錐以降低壓力。使用高速鋼絲錐，並採用精密研磨螺紋和拋光槽。螺旋槽絲錐更有利於排屑。確保螺紋深度不超過 75%（通常 65% 更佳），以防止斷裂。為了獲得更高的精度，鑽孔時先鑽小一點（比實際尺寸小 0.152–0.305 毫米），然後鉸孔後再攻絲。避免手工研磨絲錐。

• 速度：3–11 公尺/分鐘。
• 潤滑：粗螺紋使用硫磺基油；細螺紋使用煤油稀釋；重攻絲使用白鉛粉。

加工後的清洗和鈍化

為確保耐腐蝕性，請清除所有污垢和污漬。乾淨的表面有利於鈍化膜的形成。

脫脂：必須徹底清除所有潤滑劑和油污。

硝酸浴：通常濃度為20%，溫度為49℃，浸泡至少30分鐘。它可以溶解鐵顆粒並清除腐蝕部位。

調整：對於 300 系列或高鉻 400 系列，使用 20%–40% 的濃度，在 54–71°C 下處理 30–60 分鐘。對於低鉻 400 系列，則使用較低的溫度。用熱水沖洗並立即擦乾。

不鏽鋼CNC加工的表面光潔度

與一般認知相反，不銹鋼並非完全不會生鏽，只是相對耐鏽蝕。其表面有一層極薄的富鉻氧化膜，起到保護作用。然而，這層氧化膜容易受到環境因素和機械加工的影響，例如表面刮痕、清潔不當、碳鋼污染或焊接。這些表面污染會嚴重損害這層保護膜。

因此，在不銹鋼製品的製造過程中必須採取有效措施。防止腐蝕的最佳方法是進行適當的表面處理。常見的表面處理工藝包括拉絲、鏡面拋光、噴砂和防指紋塗層，每種工藝都能帶來獨特的視覺效果和功能優勢。

鏡面拋光

鏡面處理本質上是利用物理或化學方法對不銹鋼表面進行拋光。拋光可以應用於整個表面或局部區域。鏡面拋光的等級分為標準拋光、6K（標準鏡面）、8K（精細研磨）和10K（超精細研磨）。鏡面拋光賦予不鏽鋼高端、簡約、時尚且充滿未來感的美感。

噴砂

這是不銹鋼加工中常用的一種表面處理工藝。它利用壓縮空氣作為動力，將磨料高速噴射到工件表面，從而改變表面紋理。噴砂主要用於工程和製程優化，例如提高黏合部件的附著力、去除加工表面的毛邊、淨化污漬以及獲得霧面。該工藝遠優於手工打磨，能夠提供均勻的表面結構，並具有低輪廓、耐用的外觀和更高的生產效率。雖然手工打磨也能產生粗糙的表面，但速度太慢；而化學清洗往往會使表面過於光滑，不利於塗層的最佳附著。

化學處理

此製程結合了化學和電化學方法，在不銹鋼表面生成穩定的化合物層。電鍍是化學處理的典型例子。此方法主要依靠單一或混合的酸性溶液和陽極溶液進行除垢。隨後，透過鉻酸鹽處理、磷酸鹽處理或黑色氧化處理生成保護膜。該工藝主要用於製作複雜圖案或滿足特定的復古或現代設計要求。

染色

表面著色工藝可以賦予不銹鋼各種顏色，使其更具光澤。除了視覺美感外，著色還能有效提升產品的耐磨性和耐腐蝕性。常見的著色方法包括化學著色、電化學氧化著色、離子沉積氧化著色、高溫氧化著色和氣相熱解著色。

Brushing 打磨

金屬拉絲是一種非常常見的裝飾工藝。它可以形成多種圖案，包括直線、螺紋、波浪、隨機和旋轉圖案。拉絲表面具有觸感舒適、光澤柔和、耐磨性強等特性。這種處理流程廣泛應用於電子設備、家用電器和機械設備等領域。

噴塗層

不銹鋼噴塗工藝與上述著色工藝有很大不同。根據所用材料的不同，某些塗料實際上可能會損壞不銹鋼的氧化層。然而，某些噴塗工藝可以透過簡單的步驟實現不同的顏色，並且可以使用不同類型的塗層來改變不銹鋼表面的觸感或「手感」。

Getzshape CNC加工公差與產能

Getzshape 提供高品質的客製化數控加工、鈑金加工、電火花加工、壓鑄等服務。我們的不銹鋼CNC加工能力如下圖所示。