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性和靈活性，導(dǎo)引段的直徑遠小于功能段的直徑，這一特殊設(shè)計使導(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械磨削加工和模拉法。機械磨削加工時，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)絲通常還需要進行機加工等后續(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，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)陽極溶解原理而實現(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，任何導(dǎo)電材料都可以加工，不用考慮材料強度、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，國內(nèi)外對電解加工鎳鈦合金開展了許多研究，取得了不錯的進展。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)，驗證電解加工可實現(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，但冗余電流會導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定。Ma Xinzhou 等[9]利用微細電解加工方法，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，可以提供無變形和無熱損傷的微觀結(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)，但過量的乙醇也會影響表面質(zhì)量。

盡管目前已有多項關(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，針對醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工研究還相對較少。筆者對醫(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，驗證電解加工醫(yī)用鎳鈦合金導(dǎo)絲的可行性。

2、試驗材料

試驗選取直徑為4 mm、長度為5 cm的鎳鈦合金導(dǎo)絲，鍍層量分數(shù)為55.6%，余量為鈦。由游標(biāo)卡尺測量加工后的直徑變化，由粗糙度儀測量表面粗糙度變化。通過光學(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，試驗所需測量的直徑與粗糙度均為三個位置所測得的數(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，試驗機床采用三軸定位系統(tǒng)，實現(xiàn)工作的精確定位，定位誤差為0.001 mm。工作通過同步帶驅(qū)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)誤差為0.02 mm，確保加工精度。電解液通過冷卻管向井口充滿加工區(qū)域，電解液流速為15 L/min。通過向陰極與陽極之間持續(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程中產(chǎn)生的熱量與殘渣，以維持良好的電解加工環(huán)境。脈沖電源正負極分別通過導(dǎo)電銅座與引電針連接于工作陽極與工具陰極，實現(xiàn)鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工。電解加工如圖2所示。

4、試驗設(shè)計

試驗分析整圓和半圓陰極結(jié)構(gòu)對鎳鈦合金導(dǎo)絲加工的影響，通過測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，進一步分析電壓、脈沖頻率等加工參數(shù)對電解加工結(jié)果的影響。通過對不同電解加工參數(shù)條件下工件的性能指標(biāo)進行對比分析，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，驗證鎳鈦合金導(dǎo)絲電解加工方法的可行性。

5、試驗結(jié)果

5.1 陰極結(jié)構(gòu)影響

在電解加工過程中，工具陰極結(jié)構(gòu)對加工質(zhì)量會產(chǎn)生重要影響，陰極結(jié)構(gòu)是電解加工試驗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。通過對比分析，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)計對于提高鎳鈦合金導(dǎo)絲的電解加工質(zhì)量至關(guān)重要。通過試驗驗證，確認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)。為分析電壓對電解加工效率的影響，進行試驗。試驗對象為直徑4 mm、長度5 cm的鎳鈦合金導(dǎo)絲，電解液采用10%質(zhì)量分數(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，電壓對單位時間內(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，對表面質(zhì)量有較高要求，因此試驗重點關(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，單位時間內(nèi)加工間隙的變化量增大，同時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。電壓進一步增大至40 V進行加工，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加工效率與表面粗糙度的影響，進行試驗。試驗參數(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直徑變化與表面粗糙度數(shù)據(jù)

當(dāng)脈沖頻率一定時，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，占空比越大，脈寬越寬。在脈沖的一個周期內(nèi)，用于工具電極加工的時間越多，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，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。在脈沖的一個周期內(nèi)，用于工具電極加工的時間越少，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，很難建立一個完整的理論模型來精確預(yù)測加工結(jié)果，這就需要通過大量試驗數(shù)據(jù)積累經(jīng)驗，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，這就要求針對具體的材料和工作進行針對性的加工參數(shù)優(yōu)化。電解加工的目標(biāo)一般是實現(xiàn)高精度和高表面質(zhì)量，這需要在眾多指標(biāo)間進行權(quán)衡與優(yōu)化，如本次研究就需要在加工效率和表面質(zhì)量間進行權(quán)衡，這樣的多目標(biāo)優(yōu)化同樣需要大量的試驗積累經(jīng)驗。由此，電解加工中選擇最佳加工參數(shù)需要通過大量試驗積累和實踐，從而實現(xiàn)較好的加工效果。經(jīng)過大量試驗，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，隨著加工時間的延長，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。這種變化趨勢說明，電解加工對于鎳鈦合金導(dǎo)絲具有一定的加工效果，可以實現(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

針對醫(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，詳細分析陰極結(jié)構(gòu)、電壓、占空比、脈沖頻率等加工參數(shù)對鎳鈦合金導(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。

分析電壓對去除效率的影響，電壓增大會顯著提高去除效率，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)，但需注意過高的電壓會導(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。

參考文獻

[1] SETH A ACHARYA B R SAHA P. Real-time Monitoring of Process Current and Its Correlation with Micro-feature Accuracy and Surface Topography in Electrochemical Micromachining of Nitinol[J/OL]. Engineering Research Express, 2023 ,5 ,https://doi.org/10.1088/2631-8695/a00a1e.

[2] LUO M J JI R D ZHENG D et al. Formation Mechanism of Inherent Spatial Heterogeneity of Microstructure and Mechanical Properties of NiTi SMA Prepared by Laser Directed Energy Deposition [J/OL]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2023 ,5 ,https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd96f.

[3] WEI S S ZHANG J L ZHANG L et al. Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of NiTi Shape Memory Alloys: A Review [J/OL]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2023 ,5 ,https://doi.org/10.1088/2631-7990/ace7d9.

[4] RONAN W , MCGRATH D J ,SHIRAZI R N ,et al. Computational Modelling of the Mechanical Performance of Nitinol Guidewires in an Idealised Tortuous Path for Medical Device Applications [J/OL]. European Journal of Mechanics — A/Solids ,2023 ,102 ,https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2023.105101.

[5] 黎橋 朱振祥 周立武 等. 細絲微細磨削中的輪廓成形研究[J]. 中國機械工程 2017 ,28(1) :35 - 40.

[6] 朱家 房曉龍 王登勇 等. 電化學(xué)制造新進展[J]. 機械工程學(xué)報 2023 ,59(19) :330 - 347.

[7] MAURER J J ,HUDSON J L ,FICK S E ,et al. Electrochemical Micromachining of NiTi Shape Memory Alloys with Ultrashort Voltage Pulses[J/OL]. Electrochemical and Solid-State Letters, 2012 ,15 ,https://doi.org/10.1149/2.002202e4.

[8] LEE E S SHIN T H. An Evaluation of the Machinability of Nitinol Shape Memory Alloy by Electrochemical Polishing [J]. Journal of Mechanical Science and Technology 2011 ,25:963 - 969.

[9] MA X Z ,ZHANG L ,CAO G-H ,et al. Electrochemical Micromachining of Nitinol by Confined-etchant-layer Technique[J]. Electrochimica Acta 2007 ,52(12) :4191 - 4196.

[10] FRENSEMEIER M SCHIRRA D ,WEINMANN M ,et al. Shape-Memory Topographies on Nickel-Titanium Alloys Trained by Embossing and Pulse Electrochemical Machining[J]. Advanced Engineering Materials, 2016 ,18 (8) :1388 - 1395.

[11] AO S S ,LI K B ,LIU W D ,et al. Electrochemical Micromachining of NiTi Shape Memory Alloy with Ethylene Glycol-NaCl Electrolyte Containing Ethanol [J]. Journal of Manufacturing Processes 2020 ,53:223 - 228.

[12] 余艷青 王建業(yè) 韓冠軍. MOSFET 高頻窄脈沖電解加工工程化電源研制[J]. 電加工與模具 2005(2) :59 - 63.