用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，包括：根據驅動結構形狀尺寸設計要求構造三維結構模型，并生成用于三維掃描軌跡的數控加工代碼；根據數控加工代碼，利用具有三軸數控功能的微細電火花加工裝置采用兩軸聯動和一軸伺服控制運動的微細電火花伺服掃描加工工序在鎳鈦合金管上加工出所設計的三維結構；采用超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光方法去除三維結構的表面重熔層，得到鎳鈦合金主動導管。本發明具有如下優點：可實現在鎳鈦合金難加工材料上加工出管狀復雜微三維驅動結構，可克服現有基于光刻工藝的加工深度、復雜度及加工精度受限問題，有利于提高血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構加工成形精度。
【專利說明】
用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法
技術領域
[0001]本發明涉及微細特種加工技術領域，具體涉及一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法。
【背景技術】
[0002]血管介入式微創手術是借助微細導管和導絲，通過血管管腔到達體內較遠的病變部位，實施相應的微創診斷或治療的醫療技術。傳統的導管插管過程依賴于操作人員手工經驗，而且血管內部的復雜環境使得插管控制困難。為了克服這些不足，在介入裝置前端集成微小的介入導管機器人，以實現一種能隨血管環境主動變形的毫米級微細主動導管，可使插管及微創手術操作具有控制精確、靈活、安全等優點。但介入式導管機器人的尺寸微小，其設計制造都比較困難，特別是驅動零部件中復雜的三維驅動結構加工是關鍵制造難題之一。
[0003]鎳鈦合金作為形狀記憶合金應用于主動導管的驅動結構，通過通電溫控變形做功即可實現較大輸出力，具有易于控制、響應快、結構緊湊等優點，而且鎳鈦合金材料還有耐腐蝕、生物兼容性好特性，因此在主動導管驅動技術中具有顯著的應用優勢。如圖1所示為一種較為理想的鎳鈦合金驅動結構，該主動導管的外形尺寸直徑在Imm左右，驅動結構尺寸在30-100μπι之間，屬于微小薄壁復雜三維結構。為實現主動導管伸長、彎曲等動作的精確控制，加工需滿足較高的尺寸精度，保證結構的完整性和一致性。
[0004]然而，由于鎳鈦合金本身的難加工性，傳統切削加工難以實現微小薄壁復雜三維結構的加工。目前國內外研究已提出兩種加工工藝方案。
[0005]工藝方案一:基于平面光刻的電化學刻蝕工藝。此工藝通過光刻掩膜的雙面電化學刻蝕方法，在鎳鈦合金薄板上先加工出三個獨立的二維“S形”結構，然后拼接裝配到導管其它部件上。這種工藝的問題在于利用二維結構的拼接構造三維結構，微小“S形”結構難于操作和難于保證拼接裝配精度和可靠性，從而影響驅動控制的精確性和可靠性。此外，基于光刻刻蝕加工的深度受到限制，只能加工出二維的薄結構。
[0006]工藝方案二:基于多角度位置光刻的電化學刻蝕與化學刻蝕相結合的工藝。此工藝以鎳鈦合金微管作為加工對象，通過光刻掩膜的電化學刻蝕出一定深度“S形”結構，再從內表面化學刻蝕進行減薄，形成最終微小的“S形”彎曲結構。這種工藝雖然可直接加工出整體的結構，但由于采用平面掩膜版光刻圓管微結構時曝光距離不同必然會造成微結構加工誤差，難以保證“S形”微小結構各部位加工精度的一致性，從而影響驅動控制的精確性。
[0007]總之，這種基于光刻加工原理的上述兩種工藝，無法從根本上解決復雜微小三維結構的加工問題。
【發明內容】
[0008]本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
[0009]為此，本發明的一個目的在于提出一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法。
[0010]為了實現上述目的，本發明的實施例公開了一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，包括以下步驟:S1:根據驅動結構形狀尺寸設計要求構造三維結構模型，并根據所述三維結構模型生成用于三維掃描軌跡的數控加工代碼;S2:根據所述數控加工代碼，利用具有三軸數控功能的微細電火花加工裝置采用兩軸聯動和一軸伺服控制運動的微細電火花伺服掃描加工工序在鎳鈦合金管上加工出所設計的三維結構；S3:采用超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光方法去除所述三維結構的表面重熔層，得到具有復雜三維微結構且無微觀損傷表面的鎳鈦合金主動導管。
[0011]根據本發明實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，可實現在鎳鈦合金難加工材料上加工出管狀復雜微三維驅動結構，可克服現有基于光刻工藝的加工深度、復雜度及加工精度受限問題，有利于提高血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構加工成形精度。
[0012]另外，根據本發明上述實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，還可以具有如下附加的技術特征:
[0013]進一步地，在步驟SI中，所述三維結構模型的尺寸為最終目標結構尺寸與步驟S3中拋光所去除的加工余量之和。
[0014]進一步地，在步驟SI中，所述三維掃描軌跡的掃描方式為沿著S形結構內外單次多層掃描。
[0015]進一步地，在步驟S2中，通過加在工具電極或工件上的第一坐標軸，與加在工件上的第二坐標軸的聯動運動速度進行加工以形成所述S形結構，同時通過加在工具電極或工件上的第三坐標軸伺服運動保持放電間隙來補償工具電極損耗，并在加工過程中附加工具電極上的第四坐標軸旋轉運動以均化電極端部損耗，所述第一坐標軸與主動導管的中心軸線重合，所述第二坐標軸繞所述第一坐標軸旋轉，所述第三坐標軸與所述第一坐標軸垂直正交，所述第四坐標軸繞所述第三坐標軸旋轉。
[0016]進一步地，步驟S3進一步包括:在工件和電解液上附加低幅值的超聲振動來加強電解液更新及加工產物排出，在所述電解液恒溫控制下，通過調控電流密度和拋光時間，以實現精確去除電火花加工后表面重熔層和表面拋光。
[0017]進一步地，在步驟S3的拋光工序中，采用管狀陰極旋轉運動、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極豎直固定的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量;或采用管狀陰極豎直固定、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極旋轉運動的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量。
[0018]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0019]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0020]圖1是相關技術中的鎳鈦合金主動導管的結構示意圖；
[0021]圖2是本發明實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法的流程圖；
[0022]圖3(a)是本發明一個實施例的構造三維結構模型的示意圖；
[0023]圖3(b)是本發明一個實施例的電極軌跡示意圖；
[0024]圖3(c)是本發明一個實施例的數控代碼示意圖；
[0025]圖4是本發明一個實施例的微細工具電極在線制作過程示意圖；
[0026]圖5是本發明一個實施例的微細電火花伺服掃描加工工序過程示意圖；
[0027]圖6是本發明一個實施例的超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光工序示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0029]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0030]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0031]參照下面的描述和附圖，將清楚本發明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0032]以下結合附圖描述根據本發明實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法。
[0033]圖2是本發明一個實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法的流程圖。
[0034]請參考圖2，一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，包括以下步驟:
[0035]S1:根據驅動結構形狀尺寸設計要求構造三維結構模型，并根據三維結構模型生成用于三維掃描軌跡的數控加工代碼。
[0036]在本發明的一個實施例中，在步驟SI中，三維結構模型的尺寸為最終目標結構尺寸與步驟S3中拋光所去除的加工余量之和。
[0037]在本發明的一個實施例中，在步驟SI中，三維掃描軌跡的掃描方式為沿著S形結構內外單次多層掃描。
[0038]S2:根據數控加工代碼，利用具有三軸數控功能的微細電火花加工裝置采用兩軸聯動和一軸伺服控制運動的微細電火花伺服掃描加工工序在鎳鈦合金管上加工出所設計的三維結構。
[0039]在步驟S2中，通過加在工具電極或工件上的第一坐標軸，與加在工件上的第二坐標軸的聯動運動速度進行加工以形成S形結構，同時通過加在工具電極或工件上的第三坐標軸伺服運動保持放電間隙來補償工具電極損耗，并在加工過程中附加工具電極上的第四坐標軸旋轉運動以均化電極端部損耗，所述第一坐標軸與主動導管的中心軸線重合，所述第二坐標軸繞所述第一坐標軸旋轉，所述第三坐標軸與所述第一坐標軸垂直正交，所述第四坐標軸繞所述第三坐標軸旋轉。
[0040]S3:采用超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光方法去除三維結構的表面重熔層，得到具有復雜三維微結構且無微觀損傷表面的鎳鈦合金主動導管。
[0041]在本發明的一個實施例中，步驟S3進一步包括:在工件和電解液上附加低幅值的超聲振動來加強電解液更新及加工產物排出，在電解液恒溫控制下，通過調控電流密度和拋光時間，以實現精確去除電火花加工后表面重熔層和表面拋光。
[0042]在本發明的一個實施例中，在步驟S3的拋光工序中，采用管狀陰極旋轉運動、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極豎直固定的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量;或采用管狀陰極豎直固定、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極旋轉運動的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量。
[0043]為使本領域技術人員進一步理解本發明，將通過以下實施例進行詳細說明。
[0044]根據圖3所示的一種典型主動導管驅動結構加工技術要求，利用Pro/Engineer三維CAD/CAM軟件設計出主動導管驅動結構的三維造型(圖3a)，具體實施例以尺寸a =
0.060mm、Rib = 0.1501111]1、尺寸0 = 0.200mm為實例，此三維造型尺寸為后續電化學拋光留有加工余量0.010_。沿著“S形”結構規劃出微細電火花伺服掃描(銑削)加工用內外單次多層掃描加工軌跡(圖3b)，生成并轉換為符合要求的X軸(或Y軸)、A軸(或B軸)、Z軸的數控加工代碼(圖3c，本例中分層厚度0.004_為例)。
[0045]根據圖3所示主動導管驅動結構的“S形”結構內部尺寸(0.090mm)，考慮微細電火花伺服掃描(銑削)加工側向加工間隙(本例中以1wii加工為例)，利用現有成熟的在線制作技術(比如圖4所示，線放電磨削WEDG技術)制作出直徑為0.070mm的微細工具電極。
[0046]根據生成的數控加工代碼，利用具有三軸數控功能的微細電火花加工裝置，如圖5
(a)所示采用已制作好的安裝在Z軸上的微細工具電極，將管狀鎳鈦合金工件軸線(X軸)相對于微細工具電極軸線(Z軸)垂直安裝;本例中通過加在工件上的X軸平移與A軸旋轉聯動運動、加在工具電極上Z軸伺服進給運動、以及附加工具電極上的C軸旋轉運動，采用正極性加工方式(工件接脈沖電源正極)、水基或油基工作液作為電介質，實現微細電火花伺服掃描(銑削)加工工序過程，在鎳鈦合金管上加工出所設計的三維結構。
[0047]將微細電火花伺服掃描(銑削)加工出的帶有“S形”結構鎳鈦合金管件(圖5b)，安裝到超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光系統中，如圖6所示采用管狀結構作為電解拋光過程的陰極旋轉運動(本示例)，鎳鈦合金管件作為電解拋光過程的陽極豎直固定(本示例)，以及采用恒溫(本例中以20°C為例)控制酸基電解液(本例中氫氟酸、濃硝酸、去離子水成分的電解液為例)，通過調控電流密度和控制拋光時間(本例中以30s為例)的工藝措施，精確去除電火花加工后表面重熔層并進行表面拋光，實現預留加工余量0.0lOmm去除，最終加工出具有復雜三維微結構且無微觀損傷表面的鎳鈦合金主動導管，達到血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構的最終形狀和表面精度加工技術要求。
[0048]本發明實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，具有以下有益效果:
[0049]采用兩軸聯動和一軸伺服控制運動的微細電火花伺服掃描(銑削)加工，可實現在鎳鈦合金難加工材料上加工出管狀復雜微三維驅動結構，可克服現有基于光刻工藝的加工深度、復雜度及加工精度受限問題，有利于提高血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構加工成形精度。
[0050 ]在微細電火花伺服掃描(銑削)加工工序中，規劃為沿著“ S形”結構內外單次掃描軌跡方式，可有效減少工件材料加工蝕除量，可提高血管主動導管鎳鈦合金驅動結構的加工效率。
[0051 ]在微細電火花伺服掃描(銑削)加工工序中，通過X軸(或Y軸)與A軸(或B軸)的聯動運動控制方式，以及Z軸伺服運動控制并附加工具電極的C軸旋轉運動的控制方式，使得電極損耗實時補償控制更方便且易于實現電極損耗補償的實時性。
[0052]采用超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光，不僅可以有效去除微細電火花加工后的重熔層，而且有利于更新電解液和排出加工產物，有利于提高微結構表面的拋光精度。
[0053]在超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光工序中，采用電解液恒溫控制工藝措施，有利于拋光過程的穩定性和拋光去除速度的線性化控制，可提高拋光去除厚度的可控性精度，從而提高血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構的拋光精度。
[0054]在超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光工序中，采用管狀陰極旋轉運動(或豎直固定)、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極豎直固定(或旋轉運動)的拋光工藝措施，可減少或避免由于電流密度不均勻造成的微結構各位置去除厚度不均勻問題，即可提高提高血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構的拋光精度。
[0055]另外，本發明實施例的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法的其它構成以及作用對于本領域的技術人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。
[0056]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0057]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同限定。
【主權項】
1.一種用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:根據驅動結構形狀尺寸設計要求構造三維結構模型，并根據所述三維結構模型生成用于三維掃描軌跡的數控加工代碼； S2:根據所述數控加工代碼，利用具有三軸數控功能的微細電火花加工裝置采用兩軸聯動和一軸伺服控制運動的微細電火花伺服掃描加工工序在鎳鈦合金管上加工出所設計的三維結構； S3:采用超聲振動輔助酸基電解液電化學拋光方法去除所述三維結構的表面重熔層，得到具有復雜三維微結構且無微觀損傷表面的鎳鈦合金主動導管。2.根據權利要求1所述的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，在步驟SI中，所述三維結構模型的尺寸為最終目標結構尺寸與步驟S3中拋光所去除的加工余量之和。3.根據權利要求1所述的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，在步驟SI中，所述三維掃描軌跡的掃描方式為沿著S形結構內外單次多層掃描。4.根據權利要求3所述的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，在步驟S2中，通過加在工具電極或工件上的第一坐標軸，與加在工件上的第二坐標軸的聯動運動速度進行加工以形成所述S形結構，同時通過加在工具電極或工件上的第三坐標軸伺服運動保持放電間隙來補償工具電極損耗，并在加工過程中附加工具電極上的第四坐標軸旋轉運動以均化電極端部損耗，所述第一坐標軸與主動導管的中心軸線重合，所述第二坐標軸繞所述第一坐標軸旋轉，所述第三坐標軸與所述第一坐標軸垂直正交，所述第四坐標軸繞所述第三坐標軸旋轉。5.根據權利要求1所述的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，步驟S3進一步包括: 在工件和電解液上附加低幅值的超聲振動來加強電解液更新及加工產物排出，在所述電解液恒溫控制下，通過調控電流密度和拋光時間，以實現精確去除電火花加工后表面重恪層和表面拋光。6.根據權利要求1所述的用于血管主動導管的鎳鈦合金驅動結構特種加工方法，其特征在于，在步驟S3的拋光工序中，采用管狀陰極旋轉運動、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極豎直固定的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量;或 采用管狀陰極豎直固定、帶有微三維結構的鎳鈦合金管陽極旋轉運動的拋光工藝措施，以加強拋光過程中電解液更新并均化微結構各位置的拋光去除量。
【文檔編號】A61L29/02GK106078113SQ201610575464
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月19日
【發明人】佟浩, 劉雪玲, 李勇, 劉國棟
【申請人】清華大學