1、研究背景

鎳鈦形狀記憶合金是一類以形狀記憶效應(yīng)和超彈性等功能特性聞名的功能性材料，同時(shí)還具有高耐磨性、高耐腐蝕性、高阻尼能力、高生物相容性等優(yōu)異性能。已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)和航空航天行業(yè)的首選材料[3-4]。

導(dǎo)絲被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)血管內(nèi)手術(shù)、如血管成形術(shù)。在此類應(yīng)用中，導(dǎo)絲通過(guò)狹窄的血管系統(tǒng)被引導(dǎo)到所需位置，要求導(dǎo)絲應(yīng)具有良好的可導(dǎo)向性、扭矩響應(yīng)性、柔韌性。導(dǎo)絲的主體通常由覆蓋有薄聚合物蓋板的金屬芯組成，聚合物外殼或者護(hù)套通常被涂覆，以減少設(shè)備輸送系統(tǒng)和血管系統(tǒng)內(nèi)的摩擦[5-6]。導(dǎo)絲實(shí)物如圖1所示。導(dǎo)絲通常包括導(dǎo)引段和功能段。其中，導(dǎo)引段呈圓錐形或圓柱形。為了獲得較高的通過(guò)性和靈活性，導(dǎo)引段的直徑遠(yuǎn)小于功能段的直徑，這一特殊設(shè)計(jì)使導(dǎo)絲的加工難度大大增加。

目前，醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的加工方法主要是機(jī)械磨削加工和模拉法。機(jī)械磨削加工時(shí)，導(dǎo)絲在剛性墊板上磨削，受力較大，磨削之后導(dǎo)絲表面質(zhì)量較差，而且導(dǎo)絲磨削后的形狀也無(wú)法控制[7-8]。模拉法借助專用磨具滿足導(dǎo)引段的尺寸要求，雖然設(shè)備簡(jiǎn)單，但是模具磨損較快，需要頻繁檢查和更換，增加生產(chǎn)成本。此外，模拉后的導(dǎo)絲通常還需要進(jìn)行機(jī)加工等后續(xù)處理。總體而言，醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的加工工藝仍存在一些技術(shù)難題，需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)，以提高合格率，降低生產(chǎn)成本。

電解加工是一種基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理而實(shí)現(xiàn)工作成形的制造技術(shù)[9-10]。與其他傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，電解加工具有許多優(yōu)點(diǎn)，任何導(dǎo)電材料都可以加工，不用考慮材料強(qiáng)度、硬度、沒有加工力和刀具磨損，是一種適用于不銹鋼、高溫合金、鎳鈦合金等難加工材料的精密高效加工方法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電解加工鎳鈦合金開展了許多研究，取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。Maurer 等[7]利用超短脈沖電解加工，在鎳鈦形狀記憶合金材料表面加工出微抗結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證電解加工可實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金材料的精密加工。Lee 等[8]研究鎳鈦形狀記憶合金在中性和酸性電解質(zhì)中的電解拋光工藝，結(jié)果表明，中性電解質(zhì)能迅速去除金屬，但加工表面會(huì)產(chǎn)生微孔洞，在酸性電解液中使用大電流可以獲得較好的加工表面，但冗余電流會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程不穩(wěn)定。Ma Xinzhou 等[9]利用微細(xì)電解加工方法，在鎳鈦形狀記憶合金的表面蝕刻出復(fù)雜形狀圖案。Frengemeier 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，相較于直流電解加工，脈沖電解加工更適合加工鎳鈦形狀記憶合金材料，可以提供無(wú)變形和無(wú)熱損傷的微觀結(jié)構(gòu)。Ao Sansan 等[11]利用電解加工技術(shù)在無(wú)水電解質(zhì)中制備鎳鈦形狀記憶合金微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)乙醇電解質(zhì)溶液可以溶解氧化鈦，從而減少氧化物的出現(xiàn)，但過(guò)量的乙醇也會(huì)影響表面質(zhì)量。

盡管目前已有多項(xiàng)關(guān)于電解加工鎳鈦形狀記憶合金材料的研究，但是主要集中于微結(jié)構(gòu)的制備，針對(duì)醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工研究還相對(duì)較少。筆者對(duì)醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲導(dǎo)引段電解加工方法開展研究，分析陰極結(jié)構(gòu)、沖液方式、電壓、脈沖頻率等對(duì)醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲加工質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化最佳加工參數(shù)，加工出不同直徑的醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲，驗(yàn)證電解加工醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的可行性。

2、試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取直徑為4 mm、長(zhǎng)度為5 cm的鎳鈦合金導(dǎo)絲，鍍層量分?jǐn)?shù)為55.6%，余量為鈦。由游標(biāo)卡尺測(cè)量加工后的直徑變化，由粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度變化。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察鎳鈦合金導(dǎo)絲表面電解加工情況。為減小誤差，試驗(yàn)所需測(cè)量的直徑與粗糙度均為三個(gè)位置所測(cè)得的數(shù)據(jù)均值。

3、電解加工方法

為開展鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工研究，試驗(yàn)機(jī)床采用三軸定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作的精確定位，定位誤差為0.001 mm。工作通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)誤差為0.02 mm，確保加工精度。電解液通過(guò)冷卻管向井口充滿加工區(qū)域，電解液流速為15 L/min。通過(guò)向陰極與陽(yáng)極之間持續(xù)噴淋電解液，不僅保證電解液充滿加工區(qū)域，而且可以帶走加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量與殘?jiān)跃S持良好的電解加工環(huán)境。脈沖電源正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)電銅座與引電針連接于工作陽(yáng)極與工具陰極，實(shí)現(xiàn)鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工。電解加工如圖2所示。

4、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分析整圓和半圓陰極結(jié)構(gòu)對(duì)鎳鈦合金導(dǎo)絲加工的影響，通過(guò)測(cè)試和分析工件表面粗糙度、尺寸精度等指標(biāo)，得出最優(yōu)的陰極結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析電壓、脈沖頻率等加工參數(shù)對(duì)電解加工結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)不同電解加工參數(shù)條件下工件的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，獲得最佳的電解加工參數(shù)。利用最佳電解加工參數(shù)開展不同直徑鎳鈦合金導(dǎo)絲電解加工試驗(yàn)，驗(yàn)證鎳鈦合金導(dǎo)絲電解加工方法的可行性。

5、試驗(yàn)結(jié)果

5.1 陰極結(jié)構(gòu)影響

在電解加工過(guò)程中，工具陰極結(jié)構(gòu)對(duì)加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生重要影響，陰極結(jié)構(gòu)是電解加工試驗(yàn)中首先面臨并解決的問題。為了滿足鎳鈦合金導(dǎo)絲加工要求，提出整圓陰極加工和半圓陰極加工，分別如圖3、圖4所示。陰極厚度均為10 mm，圓孔直徑為5 mm，兩個(gè)陰極在相同電參數(shù)下分別加工2 min。

整圓陰極加工效果如圖5所示，半圓陰極加工效果如圖6所示。可以看出，整圓陰極加工后鎳鈦合金導(dǎo)絲呈現(xiàn)明顯的剛性狀，半圓陰極加工后鎳鈦合金導(dǎo)絲整體為直線。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)半圓陰極加工相較于整圓陰極加工能夠獲得更加好的加工效果。

綜上所述，合理的陰極設(shè)計(jì)對(duì)于提高鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工質(zhì)量至關(guān)重要。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)半圓陰極加工相比整圓陰極加工具有更優(yōu)的加工性能。

5.2 電壓影響

電壓是電解加工中十分重要的參數(shù)。為分析電壓對(duì)電解加工效率的影響，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為直徑4 mm、長(zhǎng)度5 cm的鎳鈦合金導(dǎo)絲，電解液采用10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鈉溶液，初始加工間隙為0.5 mm，占空比為0.5 脈沖頻率為1000 Hz，回轉(zhuǎn)速度為600 r/min，加工時(shí)間為1 min，電壓為10～40 V。加工1 min后，鎳鈦合金導(dǎo)絲直徑變化與電壓關(guān)系如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，直徑變化隨電壓增大而增大，當(dāng)電壓超過(guò)30 V后，直徑變化增量逐漸減小。這是由于隨著電壓增大，單位時(shí)間內(nèi)材料去除量增大，導(dǎo)致加工間隙快速增大。隨著加工間隙增大，電壓對(duì)單位時(shí)間內(nèi)直徑變化的影響減小。

鑒于鎳鈦合金導(dǎo)絲應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，對(duì)表面質(zhì)量有較高要求，因此試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注不同電壓條件下加工件的表面粗糙度。不同電壓下測(cè)得的表面粗糙度見表1。

表 1 不同電壓下表面粗糙度

由表1可知，表面粗糙度值隨著電壓增大而增大，當(dāng)電壓達(dá)到30 V后，表面粗糙度值逐漸減小。這是由于隨著電壓增大，電解效率逐漸提高，同時(shí)由于鎳和鈦的電解效率不同，導(dǎo)致表面粗糙度值逐漸增大。另一方面，由于電解效率隨著電壓增大而提高，單位時(shí)間內(nèi)加工間隙的變化量增大，同時(shí)由于鎳的電解效率高于鈦，鎳與陰極的加工間隙也大于鈦，因此隨著加工間隙的逐漸增大，鈦的電解效率逐漸高于鎳的電解效率，由此使表面粗糙度值逐漸減小。使用光學(xué)顯微鏡觀察不同電壓下的加工效果，如圖8所示。可以明顯看出，10 V電壓下鎳鈦合金導(dǎo)絲表面初步去除30 V電壓去除效果顯著提升，但鎳鈦合金導(dǎo)絲表面出現(xiàn)較為粗糙的情況。電壓進(jìn)一步增大至40 V進(jìn)行加工，鎳鈦合金導(dǎo)絲表面更為均勻，表面粗糙度值有所減小，呈現(xiàn)出更為優(yōu)質(zhì)的加工效果。

5.3 占空比與脈沖頻率影響

占空比與脈沖頻率同樣是電解加工中的重要參數(shù)。為分析占空比與脈沖頻率對(duì)加工效率與表面粗糙度的影響，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)基本同上，電壓為30 V，占空比為0.4、0.5、0.6 脈沖頻率為1000 Hz、5000 Hz、10000 Hz，獲得單位時(shí)間直徑變化與表面粗糙度數(shù)據(jù)，見表2。

表 2 不同脈沖頻率和占空比時(shí)直徑變化與表面粗糙度數(shù)據(jù)

當(dāng)脈沖頻率一定時(shí)，隨著占空比增大，直徑變化逐漸增大，表面粗糙度值逐漸增大。這是由于在脈沖頻率一定時(shí)，占空比越大，脈寬越寬。在脈沖的一個(gè)周期內(nèi)，用于工具電極加工的時(shí)間越多，工件的單位去除量越大，從而使加工間隙增大，使加工精度降低，表粗糙度值增大\[^{12}\]。

當(dāng)占空比一定時(shí)，隨著脈沖頻率增大，直徑變化逐漸減小，表面粗糙度值逐漸減小。這是由于脈沖頻率越大，脈寬越窄。在脈沖的一個(gè)周期內(nèi)，用于工具電極加工的時(shí)間越少，工件的單位去除量越小，從而使加工間隙減小，使加工精度提高，表面粗糙度值減小。

6、加工參數(shù)優(yōu)化

電解加工試驗(yàn)中涉及的加工參數(shù)眾多，相互之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，很難建立一個(gè)完整的理論模型來(lái)精確預(yù)測(cè)加工結(jié)果，這就需要通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累經(jīng)驗(yàn)，逐步優(yōu)化加工參數(shù)。不同材料的電化學(xué)特性存在差異，對(duì)于同一種材料，也可能因微觀結(jié)構(gòu)差異而導(dǎo)致電解反應(yīng)差異，這就要求針對(duì)具體的材料和工作進(jìn)行針對(duì)性的加工參數(shù)優(yōu)化。電解加工的目標(biāo)一般是實(shí)現(xiàn)高精度和高表面質(zhì)量，這需要在眾多指標(biāo)間進(jìn)行權(quán)衡與優(yōu)化，如本次研究就需要在加工效率和表面質(zhì)量間進(jìn)行權(quán)衡，這樣的多目標(biāo)優(yōu)化同樣需要大量的試驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)。由此，電解加工中選擇最佳加工參數(shù)需要通過(guò)大量試驗(yàn)積累和實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)較好的加工效果。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，選出最佳加工參數(shù)為電壓40 V、占空比0.4、脈沖頻率10 000 Hz。選用以上加工參數(shù)電解加工1～3 min后的鎳鈦合金導(dǎo)絲實(shí)物如圖9所示。電解加工后鎳鈦合金導(dǎo)絲直徑變化與表面粗糙度見表3。可以看出，隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，鎳鈦合金導(dǎo)絲直徑逐漸減小，表面加工質(zhì)量逐漸改善，表明電解加工能夠在一定程度上有效控制鎳鈦合金導(dǎo)絲的尺寸，并且提高表面加工質(zhì)量。這種變化趨勢(shì)說(shuō)明，電解加工對(duì)于鎳鈦合金導(dǎo)絲具有一定的加工效果，可以實(shí)現(xiàn)所需的加工目標(biāo)。

表 3 電解加工后直徑變化與表面粗糙度

7、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲導(dǎo)引段加工難題，筆者提出電解加工方法，詳細(xì)分析陰極結(jié)構(gòu)、電壓、占空比、脈沖頻率等加工參數(shù)對(duì)鎳鈦合金導(dǎo)絲加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

分析陰極結(jié)構(gòu)對(duì)加工效果的影響，半圓陰極相較于整圓陰極能獲得更佳的加工效果。

分析電壓對(duì)去除效率的影響，電壓增大會(huì)顯著提高去除效率，但電壓高于30 V后，去除速度的增大趨勢(shì)將放緩，這可能暗示電解反應(yīng)在較高電壓下已接近一定飽和狀態(tài)。適度增大電壓能夠略微改善表面粗糙度，這可能與不同金屬去除速率有關(guān)，但需注意過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。

增大脈沖頻率和降低占空比有助于提高電解加工精度，確定最佳加工參數(shù)為加工電壓 40 V、占空比 0.4、脈沖頻率 10 000 Hz。

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