微織構(gòu)刀具骨切削過程的仿真和試驗(yàn)研究.pdf

1、骨切削手術(shù)廣泛應(yīng)用于整形外科、牙齒和神經(jīng)外科手術(shù)中，在骨切削過程中，過高的溫度可以導(dǎo)致骨神經(jīng)壞死以及影響骨再生能力；切削中過高的應(yīng)力可能導(dǎo)致軟骨和神經(jīng)損傷。在骨切削中，刀具與皮質(zhì)骨不斷的摩擦，摩擦是影響切削溫度的重要因素之一，而仿生摩擦學(xué)的相關(guān)研究表明，摩擦表面如果具有良好的微織構(gòu)，能夠有效的減少摩擦阻力同時(shí)提高摩擦表面的耐磨性能。著眼于微織構(gòu)的減摩功能，本文對(duì)微織構(gòu)刀具在骨切削過程中第三變形區(qū)的溫度和應(yīng)力進(jìn)行分析。
　　本文運(yùn)用

2、有限元仿真軟件ABAQUS6.11進(jìn)行模擬皮質(zhì)骨的切削過程，進(jìn)而將仿生摩擦學(xué)與骨切削相互結(jié)合，進(jìn)行微織構(gòu)刀具骨切削有限元仿真分析，為了研究微織構(gòu)刀具在外科骨切削手術(shù)中的減摩效果，以切削過程中第三變形區(qū)的平均應(yīng)力與溫度為研究對(duì)象。研究過程如下：
　　1.進(jìn)行凹槽微織構(gòu)設(shè)計(jì)，通過激光設(shè)備將微織構(gòu)加工在銷試樣工作表面，然后進(jìn)行摩擦磨損銷盤試驗(yàn)，得出各組實(shí)驗(yàn)的摩擦系數(shù)，總結(jié)摩擦系數(shù)與微織構(gòu)幾何尺寸（間距、寬度）的關(guān)系，通過研究分析：微織構(gòu)

3、銷試樣相對(duì)于普通銷試樣具有明顯的減摩效果，并且摩擦系數(shù)隨著微織構(gòu)寬度的增大而減小，隨著微織構(gòu)間距的增大而增大。
　　2.分析皮質(zhì)骨切削特性，確立模型材料、參數(shù)、邊界條件、網(wǎng)格分配等相關(guān)參數(shù)，建立ABAQUS有限元骨切削仿真模型，分別創(chuàng)建普通刀具模型和微織構(gòu)刀具模型，然后進(jìn)行骨切削仿真，通過兩組骨切削仿真實(shí)驗(yàn)：使用微織構(gòu)刀具進(jìn)行骨切削比使用普通刀具第三變形區(qū)的平均溫度和平均應(yīng)力低。
　　3.改變微織構(gòu)形貌，分別建立圓形截面、方

4、形截面和三角形截面微織構(gòu)刀具，溝槽幾何尺寸（寬度，間距、深度）相同，三種刀具分別進(jìn)行骨切削仿真，仿真實(shí)驗(yàn)表明：三角形截面微織構(gòu)刀具的切削溫度與應(yīng)力結(jié)果比圓形截面和方形截面的微織構(gòu)刀具低。
　　4.通過單因素對(duì)比探究微織構(gòu)幾何參數(shù)變化對(duì)第三變形區(qū)應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)范圍為：織構(gòu)間距0.07-0.19mm，深度0.01-0.05mm，寬度0.02-0.06mm，在此實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)當(dāng)織構(gòu)深度0.03mm，間距為0.16mm，寬度0.04mm時(shí)，

5、第三變形區(qū)應(yīng)力最小。
　　5.根據(jù)刀具的微織構(gòu)間距、寬度、深度安排中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)，分別建立微織構(gòu)刀具進(jìn)行骨切削仿真，得出第三變形區(qū)的平均應(yīng)力，切削溫度的仿真結(jié)果，然后將微織構(gòu)幾何參數(shù)及相應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入Design-expert進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，得出微織構(gòu)間距、深度、寬度與切削溫度之間的關(guān)系：第三變形區(qū)的溫度隨著微織構(gòu)間距的增大而增大，隨著微織構(gòu)寬度的增大而減小，隨著微織構(gòu)深度的增大而增大，但是深度在0.01-0.05mm范圍內(nèi)的變化對(duì)第三變