使用不同电介质介质，对喷流近干式电火花加工（jet-flow near-dry EDM）与传统电火花加工（conventional EDM）在镍钛合金（nitinol）上的加工性能及生物腐蚀性进行了对比分析

本研究采用近干式电火花加工（NDEDM）结合压缩空气与两种绝缘雾（EDM油和去离子水）的混合介质，显著提升镍钛合金（Nitinol）的加工效率（8.06 mm3/min）、表面质量（粗糙度0.62 μm）及抗生物腐蚀能力，形成保护性TiO?层，较传统湿EDM效率提升97.8%，且工具磨损率降低至0.0558 mm3/min。结论强调绝缘介质的选择对关键性能指标的重要性。

　　

Muniraju M|Gangadharudu Talla

印度瓦朗加尔国立技术学院机械工程系，506004

摘要

由于具有形状记忆效应和超弹性，镍钛诺（Nitinol）被广泛应用于生物医学和工业领域。然而，其应用受到加工难度大、表面损伤以及传统湿式电火花加工（EDM）过程中镍离子释放等问题的限制。本研究探讨了使用两种混合介电雾的近干式喷射电火花加工（NDEDM）技术，以提高加工效率、表面完整性和抗生物腐蚀性能。实验中分别使用含有电火花油的压缩空气和去离子（DI）水的压缩空气，与传统湿式EDM进行了对比。结果表明，使用去离子水雾的NDEDM具有最短的击穿电压延迟时间，材料去除率达到了8.06 mm3/min，比湿式EDM高出97.8%，比使用电火花油雾的NDEDM高出45.3%。此外，该技术还实现了最低的表面粗糙度（0.62 μm）和较薄的再铸层厚度（16.57 μm），且表面缺陷较少。电化学生物腐蚀测试表明，这种混合介电介质通过形成保护性的TiO?被动层增强了镍钛诺的耐腐蚀性。湿式EDM的径向过切量为0.15 mm，而使用电火花油雾的NDEDM的刀具磨损率仅为0.0558 mm3/min，远低于使用去离子水的NDEDM（0.30692 mm3/min）。因此，介电介质的选择应根据具体应用的关键性能要求进行优化。

引言

镍钛诺是一种由镍和钛等量组成的合金，常用于医疗行业，如支架、骨科植入物和正畸丝等设备[1]。这类合金以其卓越的超弹性及高生物相容性而著称，非常适合用于医疗植入物和设备中。它们能够有效融入人体内部生理环境，并可用于多种医疗程序而不会引发不良反应或免疫系统激活[2]。形状记忆效应是指物质在分子层面能够发生可逆变化的能力，从而在受到外部热或加工影响时恢复到原始形状[3]。这一特性促使科学家探索将形状记忆合金应用于自修复结构和可根据环境条件变形的可重构建筑材料中[4]。人们还研究这种合金组合在制造自适应结构和机器人中的应用[5]。由于其独特的性能，镍钛诺被用于机器人技术和自适应结构设计中[6]。特别是在智能系统和精密结构中，镍钛诺能够平衡空间、重量和性能要求，简化系统复杂性、提高可靠性并提升能源效率。然而，这种合金的加工难度较大，导热性低且硬化性能差，导致传统加工方法中刀具磨损严重[7]。为有效加工镍钛诺部件，人们开发了专门的方法和设备，例如电火花加工（EDM），该技术可以精确制造复杂形状并减少对材料的机械应力[8,9]。但传统EDM存在材料去除率低、刀具磨损严重及加工精度有限等问题，同时还会释放有毒气体，对环境和操作人员造成威胁[10,11]。因此，人们开始关注可持续的EDM技术，如干式和近干式EDM，这些技术通过减少介电液消耗、降低大气排放和改善表面质量来减轻环境影响[12]。近干式和干式EDM是减少环境影响和加工难加工材料的有效方法，具有介电液使用量少、气体排放低和表面质量优异等优点，是传统EDM技术的理想替代方案。随着ISO 14000等环境标准的实施，提高加工效率并降低其危害性的需求日益增加[12]。

Kunieda和Yoshida[13]在他们的研究中强调了干式EDM（DEDM）的优势。他们指出，向EDM过程中添加氧气可通过氧化反应提高放电频率，从而提高加工效率；干式EDM的去除率约为油基EDM的6倍，刀具磨损率仅为油基EDM的1/3[14]。干式EDM的主要问题是产生的碎屑可能导致二次泄漏和加工效率下降[15]。近干式电火花加工（NDEDM）作为一种替代方案，采用低浓度的介电液（通常是气体和液体的混合物）来提高加工稳定性和表面质量，并降低放电能量[16]。与DEDM相比，NDEDM具有更高的材料去除率（MRR）、更低的刀具磨损率（TWR）和更好的表面质量[17]。Dhakar等人发现，使用甘油-空气作为介电液的NDEDM可以获得更好的材料去除率、几乎零的刀具磨损率、极薄的再铸层以及更优的表面质量[18]。Bisaria和Shandilya指出，WEDC工艺的参数对NiTi形状记忆合金（SMA）的表面质量有重要影响，较高的放电能量密度会导致更深的凹坑和相变，生成二氧化钛（TiO?）和镍锌化合物[19]。Jiang等人比较了绿色介电液与氩辅助NDEDM的效果，发现绿色介电液可减小放电凹坑尺寸并降低材料去除率[16]。Choudhari等人发现，使用空气和去离子水混合物的近干式线电火花加工（NDWEDM）比使用去离子水的湿式线电火花加工的材料去除率降低了8.94%，表面粗糙度也降低了41.56%[20]。这些结果表明，NDEDM具有巨大潜力，提示应考虑使用空气和电火花油等替代介电材料[20]。Vora等人强调，V-I特性对于理解电火花加工等离子体的放电效率和控制至关重要[21]。Torres等人研究了三种介电液（电火花油、去离子水和羟基磷灰石混合水）对Ti–6Al–4V合金在模拟体液中的腐蚀影响，发现水基介电液形成的致密TiO?被动层可提高耐腐蚀性[22]。Balaji等人通过实验分析了Ni–Ti-Hf SMA在NaCl溶液中的电化学腐蚀特性，发现基础材料的耐腐蚀性最强[23]。近期研究主要集中在传统单相介电液下镍钛诺的生物腐蚀行为，而关于干式和近干式条件下镍钛诺加工的研究较少，也很少有研究探讨混合介电液对表面完整性和生物腐蚀行为的影响[24]。

本研究提出了一种新方法，通过结合近干式喷射流电火花加工、混合介电雾和铜电极，显著提升了镍钛诺的加工性能、表面完整性和抗生物腐蚀性能。以往的研究主要集中在湿式EDM或单相近干式介电液上。本研究表明，空气辅助的去离子水雾和电火花油雾显著改变了放电特性、再铸层化学成分和被动膜的形成过程。通过Nyquist和Bode分析，建立了原始状态和加工后镍钛诺的EEC模型，揭示了不同的电荷转移路径。模拟体液实验表明，击穿电压延迟时间、氧化物相形成、微观硬度梯度和耐腐蚀性之间存在直接关联。这一统一的实验-电化学框架为介电驱动的表面改性机制提供了新见解，证实了近干式喷射流NDEDM是一种环境友好的生物医学镍钛诺加工方法。

实验装置

喷射流近干式EDM实验装置

喷射流型NDEDM的实验装置包括压缩机、MQL单元、FORMATICS沉孔电火花加工机（型号EDM-50）和示波器，如图1所示。压缩机向MQL单元提供加压空气（4–12巴），空气与电火花油混合形成空气-雾介电液。介电液流量由流量计控制，并通过侧面安装的直径为1毫米的倾斜喷嘴导入电极间隙中。

NDEDM和湿式EDM过程中的V–I特性

图2展示了在不同介电介质条件下近干式EDM的V–I特性（最低表面粗糙度情况）。图2(b)中的空气+去离子水雾实验中，开路电压（V?）为154伏，放电电压（Vd）为24伏，放电电流（Id）为4安培，峰值电流为7.5安培。去离子水的高介电强度（65 MV/m）和导热性（0.606 W/m·K）分别促进了高效的离子化和热扩散。

结论

本研究评估了两种新型介电液组合在喷射流型NDEDM中的加工性能和抗生物腐蚀性能，并将其与传统EDM技术进行了对比。研究结果表明：

• ?
  空气和去离子水雾的组合具有最短的击穿延迟时间，表明其加工效率优于空气+电火花油组合，比电火花油单独使用提高了12.5%。

作者贡献声明

Muniraju M：负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验实施、数据分析及概念构建。

Gangadharudu Talla：负责撰写、审稿与编辑、结果可视化、验证及实验监督。

手稿制备过程中未使用人工智能工具或自动化内容生成服务

作者在撰写、编辑和审稿过程中未使用任何人工智能工具或自动化内容生成服务，对文章的准确性和完整性负全责。

资金支持

作者声明本研究未获得任何财务支持。

利益冲突声明

作者声明在研究、署名及论文发表方面不存在任何利益冲突。