用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，包括：根据驱动结构形状尺寸设计要求构造三维结构模型，并生成用于三维扫描轨迹的数控加工代码；根据数控加工代码，利用具有三轴数控功能的微细电火花加工装置采用两轴联动和一轴伺服控制运动的微细电火花伺服扫描加工工序在镍钛合金管上加工出所设计的三维结构；采用超声振动辅助酸基电解液电化学抛光方法去除三维结构的表面重熔层，得到镍钛合金主动导管。本发明具有如下优点：可实现在镍钛合金难加工材料上加工出管状复杂微三维驱动结构，可克服现有基于光刻工艺的加工深度、复杂度及加工精度受限问题，有利于提高血管主动导管的镍钛合金驱动结构加工成形精度。
【专利说明】
用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法
技术领域
[0001]本发明涉及微细特种加工技术领域，具体涉及一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法。
【背景技术】
[0002]血管介入式微创手术是借助微细导管和导丝，通过血管管腔到达体内较远的病变部位，实施相应的微创诊断或治疗的医疗技术。传统的导管插管过程依赖于操作人员手工经验，而且血管内部的复杂环境使得插管控制困难。为了克服这些不足，在介入装置前端集成微小的介入导管机器人，以实现一种能随血管环境主动变形的毫米级微细主动导管，可使插管及微创手术操作具有控制精确、灵活、安全等优点。但介入式导管机器人的尺寸微小，其设计制造都比较困难，特别是驱动零部件中复杂的三维驱动结构加工是关键制造难题之一。
[0003]镍钛合金作为形状记忆合金应用于主动导管的驱动结构，通过通电温控变形做功即可实现较大输出力，具有易于控制、响应快、结构紧凑等优点，而且镍钛合金材料还有耐腐蚀、生物兼容性好特性，因此在主动导管驱动技术中具有显著的应用优势。如图1所示为一种较为理想的镍钛合金驱动结构，该主动导管的外形尺寸直径在Imm左右，驱动结构尺寸在30-100μπι之间，属于微小薄壁复杂三维结构。为实现主动导管伸长、弯曲等动作的精确控制，加工需满足较高的尺寸精度，保证结构的完整性和一致性。
[0004]然而，由于镍钛合金本身的难加工性，传统切削加工难以实现微小薄壁复杂三维结构的加工。目前国内外研究已提出两种加工工艺方案。
[0005]工艺方案一:基于平面光刻的电化学刻蚀工艺。此工艺通过光刻掩膜的双面电化学刻蚀方法，在镍钛合金薄板上先加工出三个独立的二维“S形”结构，然后拼接装配到导管其它部件上。这种工艺的问题在于利用二维结构的拼接构造三维结构，微小“S形”结构难于操作和难于保证拼接装配精度和可靠性，从而影响驱动控制的精确性和可靠性。此外，基于光刻刻蚀加工的深度受到限制，只能加工出二维的薄结构。
[0006]工艺方案二:基于多角度位置光刻的电化学刻蚀与化学刻蚀相结合的工艺。此工艺以镍钛合金微管作为加工对象，通过光刻掩膜的电化学刻蚀出一定深度“S形”结构，再从内表面化学刻蚀进行减薄，形成最终微小的“S形”弯曲结构。这种工艺虽然可直接加工出整体的结构，但由于采用平面掩膜版光刻圆管微结构时曝光距离不同必然会造成微结构加工误差，难以保证“S形”微小结构各部位加工精度的一致性，从而影响驱动控制的精确性。
[0007]总之，这种基于光刻加工原理的上述两种工艺，无法从根本上解决复杂微小三维结构的加工问题。
【发明内容】
[0008]本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0009]为此，本发明的一个目的在于提出一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法。
[0010]为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，包括以下步骤:S1:根据驱动结构形状尺寸设计要求构造三维结构模型，并根据所述三维结构模型生成用于三维扫描轨迹的数控加工代码;S2:根据所述数控加工代码，利用具有三轴数控功能的微细电火花加工装置采用两轴联动和一轴伺服控制运动的微细电火花伺服扫描加工工序在镍钛合金管上加工出所设计的三维结构；S3:采用超声振动辅助酸基电解液电化学抛光方法去除所述三维结构的表面重熔层，得到具有复杂三维微结构且无微观损伤表面的镍钛合金主动导管。
[0011]根据本发明实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，可实现在镍钛合金难加工材料上加工出管状复杂微三维驱动结构，可克服现有基于光刻工艺的加工深度、复杂度及加工精度受限问题，有利于提高血管主动导管的镍钛合金驱动结构加工成形精度。
[0012]另外，根据本发明上述实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，还可以具有如下附加的技术特征:
[0013]进一步地，在步骤SI中，所述三维结构模型的尺寸为最终目标结构尺寸与步骤S3中抛光所去除的加工余量之和。
[0014]进一步地，在步骤SI中，所述三维扫描轨迹的扫描方式为沿着S形结构内外单次多层扫描。
[0015]进一步地，在步骤S2中，通过加在工具电极或工件上的第一坐标轴，与加在工件上的第二坐标轴的联动运动速度进行加工以形成所述S形结构，同时通过加在工具电极或工件上的第三坐标轴伺服运动保持放电间隙来补偿工具电极损耗，并在加工过程中附加工具电极上的第四坐标轴旋转运动以均化电极端部损耗，所述第一坐标轴与主动导管的中心轴线重合，所述第二坐标轴绕所述第一坐标轴旋转，所述第三坐标轴与所述第一坐标轴垂直正交，所述第四坐标轴绕所述第三坐标轴旋转。
[0016]进一步地，步骤S3进一步包括:在工件和电解液上附加低幅值的超声振动来加强电解液更新及加工产物排出，在所述电解液恒温控制下，通过调控电流密度和抛光时间，以实现精确去除电火花加工后表面重熔层和表面抛光。
[0017]进一步地，在步骤S3的抛光工序中，采用管状阴极旋转运动、带有微三维结构的镍钛合金管阳极竖直固定的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量;或采用管状阴极竖直固定、带有微三维结构的镍钛合金管阳极旋转运动的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量。
[0018]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0019]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0020]图1是相关技术中的镍钛合金主动导管的结构示意图；
[0021]图2是本发明实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法的流程图；
[0022]图3(a)是本发明一个实施例的构造三维结构模型的示意图；
[0023]图3(b)是本发明一个实施例的电极轨迹示意图；
[0024]图3(c)是本发明一个实施例的数控代码示意图；
[0025]图4是本发明一个实施例的微细工具电极在线制作过程示意图；
[0026]图5是本发明一个实施例的微细电火花伺服扫描加工工序过程示意图；
[0027]图6是本发明一个实施例的超声振动辅助酸基电解液电化学抛光工序示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0029]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0031]参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0032]以下结合附图描述根据本发明实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法。
[0033]图2是本发明一个实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法的流程图。
[0034]请参考图2，一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，包括以下步骤:
[0035]S1:根据驱动结构形状尺寸设计要求构造三维结构模型，并根据三维结构模型生成用于三维扫描轨迹的数控加工代码。
[0036]在本发明的一个实施例中，在步骤SI中，三维结构模型的尺寸为最终目标结构尺寸与步骤S3中抛光所去除的加工余量之和。
[0037]在本发明的一个实施例中，在步骤SI中，三维扫描轨迹的扫描方式为沿着S形结构内外单次多层扫描。
[0038]S2:根据数控加工代码，利用具有三轴数控功能的微细电火花加工装置采用两轴联动和一轴伺服控制运动的微细电火花伺服扫描加工工序在镍钛合金管上加工出所设计的三维结构。
[0039]在步骤S2中，通过加在工具电极或工件上的第一坐标轴，与加在工件上的第二坐标轴的联动运动速度进行加工以形成S形结构，同时通过加在工具电极或工件上的第三坐标轴伺服运动保持放电间隙来补偿工具电极损耗，并在加工过程中附加工具电极上的第四坐标轴旋转运动以均化电极端部损耗，所述第一坐标轴与主动导管的中心轴线重合，所述第二坐标轴绕所述第一坐标轴旋转，所述第三坐标轴与所述第一坐标轴垂直正交，所述第四坐标轴绕所述第三坐标轴旋转。
[0040]S3:采用超声振动辅助酸基电解液电化学抛光方法去除三维结构的表面重熔层，得到具有复杂三维微结构且无微观损伤表面的镍钛合金主动导管。
[0041]在本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括:在工件和电解液上附加低幅值的超声振动来加强电解液更新及加工产物排出，在电解液恒温控制下，通过调控电流密度和抛光时间，以实现精确去除电火花加工后表面重熔层和表面抛光。
[0042]在本发明的一个实施例中，在步骤S3的抛光工序中，采用管状阴极旋转运动、带有微三维结构的镍钛合金管阳极竖直固定的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量;或采用管状阴极竖直固定、带有微三维结构的镍钛合金管阳极旋转运动的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量。
[0043]为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行详细说明。
[0044]根据图3所示的一种典型主动导管驱动结构加工技术要求，利用Pro/Engineer三维CAD/CAM软件设计出主动导管驱动结构的三维造型(图3a)，具体实施例以尺寸a =
0.060mm、Rib = 0.1501111]1、尺寸0 = 0.200mm为实例，此三维造型尺寸为后续电化学抛光留有加工余量0.010_。沿着“S形”结构规划出微细电火花伺服扫描(铣削)加工用内外单次多层扫描加工轨迹(图3b)，生成并转换为符合要求的X轴(或Y轴)、A轴(或B轴)、Z轴的数控加工代码(图3c，本例中分层厚度0.004_为例)。
[0045]根据图3所示主动导管驱动结构的“S形”结构内部尺寸(0.090mm)，考虑微细电火花伺服扫描(铣削)加工侧向加工间隙(本例中以1wii加工为例)，利用现有成熟的在线制作技术(比如图4所示，线放电磨削WEDG技术)制作出直径为0.070mm的微细工具电极。
[0046]根据生成的数控加工代码，利用具有三轴数控功能的微细电火花加工装置，如图5
(a)所示采用已制作好的安装在Z轴上的微细工具电极，将管状镍钛合金工件轴线(X轴)相对于微细工具电极轴线(Z轴)垂直安装;本例中通过加在工件上的X轴平移与A轴旋转联动运动、加在工具电极上Z轴伺服进给运动、以及附加工具电极上的C轴旋转运动，采用正极性加工方式(工件接脉冲电源正极)、水基或油基工作液作为电介质，实现微细电火花伺服扫描(铣削)加工工序过程，在镍钛合金管上加工出所设计的三维结构。
[0047]将微细电火花伺服扫描(铣削)加工出的带有“S形”结构镍钛合金管件(图5b)，安装到超声振动辅助酸基电解液电化学抛光系统中，如图6所示采用管状结构作为电解抛光过程的阴极旋转运动(本示例)，镍钛合金管件作为电解抛光过程的阳极竖直固定(本示例)，以及采用恒温(本例中以20°C为例)控制酸基电解液(本例中氢氟酸、浓硝酸、去离子水成分的电解液为例)，通过调控电流密度和控制抛光时间(本例中以30s为例)的工艺措施，精确去除电火花加工后表面重熔层并进行表面抛光，实现预留加工余量0.0lOmm去除，最终加工出具有复杂三维微结构且无微观损伤表面的镍钛合金主动导管，达到血管主动导管的镍钛合金驱动结构的最终形状和表面精度加工技术要求。
[0048]本发明实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，具有以下有益效果:
[0049]采用两轴联动和一轴伺服控制运动的微细电火花伺服扫描(铣削)加工，可实现在镍钛合金难加工材料上加工出管状复杂微三维驱动结构，可克服现有基于光刻工艺的加工深度、复杂度及加工精度受限问题，有利于提高血管主动导管的镍钛合金驱动结构加工成形精度。
[0050 ]在微细电火花伺服扫描(铣削)加工工序中，规划为沿着“ S形”结构内外单次扫描轨迹方式，可有效减少工件材料加工蚀除量，可提高血管主动导管镍钛合金驱动结构的加工效率。
[0051 ]在微细电火花伺服扫描(铣削)加工工序中，通过X轴(或Y轴)与A轴(或B轴)的联动运动控制方式，以及Z轴伺服运动控制并附加工具电极的C轴旋转运动的控制方式，使得电极损耗实时补偿控制更方便且易于实现电极损耗补偿的实时性。
[0052]采用超声振动辅助酸基电解液电化学抛光，不仅可以有效去除微细电火花加工后的重熔层，而且有利于更新电解液和排出加工产物，有利于提高微结构表面的抛光精度。
[0053]在超声振动辅助酸基电解液电化学抛光工序中，采用电解液恒温控制工艺措施，有利于抛光过程的稳定性和抛光去除速度的线性化控制，可提高抛光去除厚度的可控性精度，从而提高血管主动导管的镍钛合金驱动结构的抛光精度。
[0054]在超声振动辅助酸基电解液电化学抛光工序中，采用管状阴极旋转运动(或竖直固定)、带有微三维结构的镍钛合金管阳极竖直固定(或旋转运动)的抛光工艺措施，可减少或避免由于电流密度不均匀造成的微结构各位置去除厚度不均匀问题，即可提高提高血管主动导管的镍钛合金驱动结构的抛光精度。
[0055]另外，本发明实施例的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
[0056]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1.一种用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:根据驱动结构形状尺寸设计要求构造三维结构模型，并根据所述三维结构模型生成用于三维扫描轨迹的数控加工代码； S2:根据所述数控加工代码，利用具有三轴数控功能的微细电火花加工装置采用两轴联动和一轴伺服控制运动的微细电火花伺服扫描加工工序在镍钛合金管上加工出所设计的三维结构； S3:采用超声振动辅助酸基电解液电化学抛光方法去除所述三维结构的表面重熔层，得到具有复杂三维微结构且无微观损伤表面的镍钛合金主动导管。2.根据权利要求1所述的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，在步骤SI中，所述三维结构模型的尺寸为最终目标结构尺寸与步骤S3中抛光所去除的加工余量之和。3.根据权利要求1所述的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，在步骤SI中，所述三维扫描轨迹的扫描方式为沿着S形结构内外单次多层扫描。4.根据权利要求3所述的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，在步骤S2中，通过加在工具电极或工件上的第一坐标轴，与加在工件上的第二坐标轴的联动运动速度进行加工以形成所述S形结构，同时通过加在工具电极或工件上的第三坐标轴伺服运动保持放电间隙来补偿工具电极损耗，并在加工过程中附加工具电极上的第四坐标轴旋转运动以均化电极端部损耗，所述第一坐标轴与主动导管的中心轴线重合，所述第二坐标轴绕所述第一坐标轴旋转，所述第三坐标轴与所述第一坐标轴垂直正交，所述第四坐标轴绕所述第三坐标轴旋转。5.根据权利要求1所述的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，步骤S3进一步包括: 在工件和电解液上附加低幅值的超声振动来加强电解液更新及加工产物排出，在所述电解液恒温控制下，通过调控电流密度和抛光时间，以实现精确去除电火花加工后表面重恪层和表面抛光。6.根据权利要求1所述的用于血管主动导管的镍钛合金驱动结构特种加工方法，其特征在于，在步骤S3的抛光工序中，采用管状阴极旋转运动、带有微三维结构的镍钛合金管阳极竖直固定的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量;或 采用管状阴极竖直固定、带有微三维结构的镍钛合金管阳极旋转运动的抛光工艺措施，以加强抛光过程中电解液更新并均化微结构各位置的抛光去除量。
【文档编号】A61L29/02GK106078113SQ201610575464
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】佟浩, 刘雪玲, 李勇, 刘国栋
【申请人】清华大学