医用镍钛合金导丝电解加工研究

1、研究背景

镍钛形状记忆合金是一类以形状记忆效应和超弹性等功能特性闻名的功能性材料，同时还具有高耐磨性、高耐腐蚀性、高阻尼能力、高生物相容性等优异性能。已经成为生物医学和航空航天行业的首选材料[3-4]。

导丝被广泛应用于微创血管内手术、如血管成形术。在此类应用中，导丝通过狭窄的血管系统被引导到所需位置，要求导丝应具有良好的可导向性、扭矩响应性、柔韧性。导丝的主体通常由覆盖有薄聚合物盖板的金属芯组成，聚合物外壳或者护套通常被涂覆，以减少设备输送系统和血管系统内的摩擦[5-6]。导丝实物如图1所示。导丝通常包括导引段和功能段。其中，导引段呈圆锥形或圆柱形。为了获得较高的通过性和灵活性，导引段的直径远小于功能段的直径，这一特殊设计使导丝的加工难度大大增加。

目前，医用镍钛合金导丝的加工方法主要是机械磨削加工和模拉法。机械磨削加工时，导丝在刚性垫板上磨削，受力较大，磨削之后导丝表面质量较差，而且导丝磨削后的形状也无法控制[7-8]。模拉法借助专用磨具满足导引段的尺寸要求，虽然设备简单，但是模具磨损较快，需要频繁检查和更换，增加生产成本。此外，模拉后的导丝通常还需要进行机加工等后续处理。总体而言，医用镍钛合金导丝的加工工艺仍存在一些技术难题，需要不断优化和改进，以提高合格率，降低生产成本。

电解加工是一种基于电化学阳极溶解原理而实现工作成形的制造技术[9-10]。与其他传统加工技术相比，电解加工具有许多优点，任何导电材料都可以加工，不用考虑材料强度、硬度、没有加工力和刀具磨损，是一种适用于不锈钢、高温合金、镍钛合金等难加工材料的精密高效加工方法。

目前，国内外对电解加工镍钛合金开展了许多研究，取得了不错的进展。Maurer 等[7]利用超短脉冲电解加工，在镍钛形状记忆合金材料表面加工出微抗结构，验证电解加工可实现镍钛形状记忆合金材料的精密加工。Lee 等[8]研究镍钛形状记忆合金在中性和酸性电解质中的电解抛光工艺，结果表明，中性电解质能迅速去除金属，但加工表面会产生微孔洞，在酸性电解液中使用大电流可以获得较好的加工表面，但冗余电流会导致加工过程不稳定。Ma Xinzhou 等[9]利用微细电解加工方法，在镍钛形状记忆合金的表面蚀刻出复杂形状图案。Frengemeier 等[10]研究发现，相较于直流电解加工，脉冲电解加工更适合加工镍钛形状记忆合金材料，可以提供无变形和无热损伤的微观结构。Ao Sansan 等[11]利用电解加工技术在无水电解质中制备镍钛形状记忆合金微观结构，发现乙醇电解质溶液可以溶解氧化钛，从而减少氧化物的出现，但过量的乙醇也会影响表面质量。

尽管目前已有多项关于电解加工镍钛形状记忆合金材料的研究，但是主要集中于微结构的制备，针对医用镍钛合金导丝的电解加工研究还相对较少。笔者对医用镍钛合金导丝导引段电解加工方法开展研究，分析阴极结构、冲液方式、电压、脉冲频率等对医用镍钛合金导丝加工质量的影响规律，优化最佳加工参数，加工出不同直径的医用镍钛合金导丝，验证电解加工医用镍钛合金导丝的可行性。

2、试验材料

试验选取直径为4 mm、长度为5 cm的镍钛合金导丝，镀层量分数为55.6%，余量为钛。由游标卡尺测量加工后的直径变化，由粗糙度仪测量表面粗糙度变化。通过光学显微镜观察镍钛合金导丝表面电解加工情况。为减小误差，试验所需测量的直径与粗糙度均为三个位置所测得的数据均值。

3、电解加工方法

为开展镍钛合金导丝的电解加工研究，试验机床采用三轴定位系统，实现工作的精确定位，定位误差为0.001 mm。工作通过同步带驱动实现回转，回转误差为0.02 mm，确保加工精度。电解液通过冷却管向井口充满加工区域，电解液流速为15 L/min。通过向阴极与阳极之间持续喷淋电解液，不仅保证电解液充满加工区域，而且可以带走加工过程中产生的热量与残渣，以维持良好的电解加工环境。脉冲电源正负极分别通过导电铜座与引电针连接于工作阳极与工具阴极，实现镍钛合金导丝的电解加工。电解加工如图2所示。

4、试验设计

试验分析整圆和半圆阴极结构对镍钛合金导丝加工的影响，通过测试和分析工件表面粗糙度、尺寸精度等指标，得出最优的阴极结构。在此基础上，进一步分析电压、脉冲频率等加工参数对电解加工结果的影响。通过对不同电解加工参数条件下工件的性能指标进行对比分析，获得最佳的电解加工参数。利用最佳电解加工参数开展不同直径镍钛合金导丝电解加工试验，验证镍钛合金导丝电解加工方法的可行性。

5、试验结果

5.1 阴极结构影响

在电解加工过程中，工具阴极结构对加工质量会产生重要影响，阴极结构是电解加工试验中首先面临并解决的问题。为了满足镍钛合金导丝加工要求，提出整圆阴极加工和半圆阴极加工，分别如图3、图4所示。阴极厚度均为10 mm，圆孔直径为5 mm，两个阴极在相同电参数下分别加工2 min。

整圆阴极加工效果如图5所示，半圆阴极加工效果如图6所示。可以看出，整圆阴极加工后镍钛合金导丝呈现明显的刚性状，半圆阴极加工后镍钛合金导丝整体为直线。通过对比分析，发现半圆阴极加工相较于整圆阴极加工能够获得更加好的加工效果。

综上所述，合理的阴极设计对于提高镍钛合金导丝的电解加工质量至关重要。通过试验验证，确认半圆阴极加工相比整圆阴极加工具有更优的加工性能。

5.2 电压影响

电压是电解加工中十分重要的参数。为分析电压对电解加工效率的影响，进行试验。试验对象为直径4 mm、长度5 cm的镍钛合金导丝，电解液采用10%质量分数氧化钠溶液，初始加工间隙为0.5 mm，占空比为0.5 脉冲频率为1000 Hz，回转速度为600 r/min，加工时间为1 min，电压为10～40 V。加工1 min后，镍钛合金导丝直径变化与电压关系如图7所示。可以发现，直径变化随电压增大而增大，当电压超过30 V后，直径变化增量逐渐减小。这是由于随着电压增大，单位时间内材料去除量增大，导致加工间隙快速增大。随着加工间隙增大，电压对单位时间内直径变化的影响减小。

鉴于镍钛合金导丝应用于医疗领域，对表面质量有较高要求，因此试验重点关注不同电压条件下加工件的表面粗糙度。不同电压下测得的表面粗糙度见表1。

表 1 不同电压下表面粗糙度

由表1可知，表面粗糙度值随着电压增大而增大，当电压达到30 V后，表面粗糙度值逐渐减小。这是由于随着电压增大，电解效率逐渐提高，同时由于镍和钛的电解效率不同，导致表面粗糙度值逐渐增大。另一方面，由于电解效率随着电压增大而提高，单位时间内加工间隙的变化量增大，同时由于镍的电解效率高于钛，镍与阴极的加工间隙也大于钛，因此随着加工间隙的逐渐增大，钛的电解效率逐渐高于镍的电解效率，由此使表面粗糙度值逐渐减小。使用光学显微镜观察不同电压下的加工效果，如图8所示。可以明显看出，10 V电压下镍钛合金导丝表面初步去除30 V电压去除效果显著提升，但镍钛合金导丝表面出现较为粗糙的情况。电压进一步增大至40 V进行加工，镍钛合金导丝表面更为均匀，表面粗糙度值有所减小，呈现出更为优质的加工效果。

5.3 占空比与脉冲频率影响

占空比与脉冲频率同样是电解加工中的重要参数。为分析占空比与脉冲频率对加工效率与表面粗糙度的影响，进行试验。试验参数基本同上，电压为30 V，占空比为0.4、0.5、0.6 脉冲频率为1000 Hz、5000 Hz、10000 Hz，获得单位时间直径变化与表面粗糙度数据，见表2。

表 2 不同脉冲频率和占空比时直径变化与表面粗糙度数据

当脉冲频率一定时，随着占空比增大，直径变化逐渐增大，表面粗糙度值逐渐增大。这是由于在脉冲频率一定时，占空比越大，脉宽越宽。在脉冲的一个周期内，用于工具电极加工的时间越多，工件的单位去除量越大，从而使加工间隙增大，使加工精度降低，表粗糙度值增大\[^{12}\]。

当占空比一定时，随着脉冲频率增大，直径变化逐渐减小，表面粗糙度值逐渐减小。这是由于脉冲频率越大，脉宽越窄。在脉冲的一个周期内，用于工具电极加工的时间越少，工件的单位去除量越小，从而使加工间隙减小，使加工精度提高，表面粗糙度值减小。

6、加工参数优化

电解加工试验中涉及的加工参数众多，相互之间存在复杂的耦合关系，很难建立一个完整的理论模型来精确预测加工结果，这就需要通过大量试验数据积累经验，逐步优化加工参数。不同材料的电化学特性存在差异，对于同一种材料，也可能因微观结构差异而导致电解反应差异，这就要求针对具体的材料和工作进行针对性的加工参数优化。电解加工的目标一般是实现高精度和高表面质量，这需要在众多指标间进行权衡与优化，如本次研究就需要在加工效率和表面质量间进行权衡，这样的多目标优化同样需要大量的试验积累经验。由此，电解加工中选择最佳加工参数需要通过大量试验积累和实践，从而实现较好的加工效果。经过大量试验，选出最佳加工参数为电压40 V、占空比0.4、脉冲频率10 000 Hz。选用以上加工参数电解加工1～3 min后的镍钛合金导丝实物如图9所示。电解加工后镍钛合金导丝直径变化与表面粗糙度见表3。可以看出，随着加工时间的延长，镍钛合金导丝直径逐渐减小，表面加工质量逐渐改善，表明电解加工能够在一定程度上有效控制镍钛合金导丝的尺寸，并且提高表面加工质量。这种变化趋势说明，电解加工对于镍钛合金导丝具有一定的加工效果，可以实现所需的加工目标。

表 3 电解加工后直径变化与表面粗糙度

7、结束语

针对医用镍钛合金导丝导引段加工难题，笔者提出电解加工方法，详细分析阴极结构、电压、占空比、脉冲频率等加工参数对镍钛合金导丝加工质量的影响规律。

分析阴极结构对加工效果的影响，半圆阴极相较于整圆阴极能获得更佳的加工效果。

分析电压对去除效率的影响，电压增大会显著提高去除效率，但电压高于30 V后，去除速度的增大趋势将放缓，这可能暗示电解反应在较高电压下已接近一定饱和状态。适度增大电压能够略微改善表面粗糙度，这可能与不同金属去除速率有关，但需注意过高的电压会导致表面质量下降。

增大脉冲频率和降低占空比有助于提高电解加工精度，确定最佳加工参数为加工电压 40 V、占空比 0.4、脉冲频率 10 000 Hz。

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