基于微织构刀具的皮质骨钻削力的研究

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 骨钻削研究概述 (2)

1.3 微织构研究现状 (4)

1.4 本文研究内容 (5)

第二章钻削理论及皮质骨钻削仿真建模 (8)

2.1 骨的材质特性 (8)

2.2 钻削轴向力及扭矩分析 (9)

2.2.1 钻削力分析 (13)

2.2.2 轴向力和扭矩分析 (14)

2.3 皮质骨钻削仿真建模 (12)

2.3.1 几何模型的建立 (13)

2.3.2 材料模型的选择 (14)

2.3.3 网格划分 (15)

2.3.4 摩擦模型及相互作用关系的定义 (17)

2.3.5 切屑分离准则的选择 (17)

2.4 基于有限元模拟的钻削过程分析 (18)

2.4.1 等效应力分析 (18)

2.4.2 轴向力和扭矩分析 (18)

2.5 小结 (20)

第三章激光加工技术研究及微织构刀具制备 (21)

3.1 激光加工技术 (22)

3.2 激光加工试验设备与方案 (22)

3.2.1 试验设备 (22)

3.2.2 试样的微织构化处理 (23)

3.2.3 试样的后处理及形貌测量 (24)

3.3 激光加工试验结果分析 (25)

3.3.1 打标次数对微织构尺寸的影响 (25)

3.3.2 脉冲频率对微织构尺寸的影响 (26)

3.3.3 输出功率对微织构尺寸的影响 (26)

3.3.4 建立数学模型 (27)

3.4 设计及制备微织构刀具的制备 (29)

3.5 小结 (29)

第四章皮质骨钻削试验研究及仿真模型验证 (30)

4.1 试验平台设计 (30)

4.2 试验方案及流程 (32)

4.3 试验结果与分析 (33)

4.3.1 轴向力分析 (33)

4.3.2 扭矩分析 (34)

4.4 小结 (36)

第五章基于中心复合试验建立钻削力预测模型 (37)

5.1 响应面法的理论 (37)

5.2 基于中心复合试验的试验方案 (37)

5.3 响应面分析 (38)

5.4 预测模型的构建及检验 (41)

5.5 小结 (43)

第六章结论与展望 (44)

6.1 结论 (44)

6.2 展望 (44)

参考文献 (45)

发表论文和科研情况说明 (48)

致谢 (49)

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

随着社会的不断发展，人们越来越重视自身的健康问题。在医学领域，近些年骨钻孔已然是骨外科手术中至关重要的手术操作之一。影响骨钻孔质量的因素有很多方面，如钻头自身的结构参数、钻削用量、制冷剂的使用等等，参数的选择直接影响到钻孔的质量，如果参数选择不当可能会导致骨缺陷，例如围绕钻孔周围会出现骨断裂、裂缝、骨质溶解和组织损失等等，严重时会导致骨热坏死。由于人们对医疗条件和医疗水平的需求越来越高，优化钻削用量和钻头结构的研究成为一种趋势。

在外科手术中，手术医生在进行手术前，必然要进行手术培训及术前规划，一般传统的培训价格昂贵、数量有限，所以严重的制约了医师的培训学习和医师的手术精准度、成功率。近些年，随着图像处理、计算机、机器人等先进科学技术的不断创新与提高，新发展一种崭新的技术——虚拟手术系统（VSS, Virtual Surgery System），VSS是将图像处理学技术融合到虚拟现实技术，针对手术过程中的各个步骤进行实时检测与模拟，给医师提供一个虚拟的手术环境[1,2,3]。VSS可提供理想的平台，让受训医生通过医疗影像设备和三维可视化技术[4]观察到高分辨率三维人体图像，并通过力反馈和触觉反馈工作台摸拟临床手术，让接受培训的医者在进行手术操作时感觉就像在真的人体上手术一样，让手术培训者反复操作练习[5]。但由于缺少真实精准的触觉反馈及力学反馈，触觉反馈旳相关研究和应用还有待进一步研究提高[6,7]。本文将利用ABAQUS软件研究皮质骨钻削过程中的轴向力和扭矩变化情况，为虚拟骨外科手术系统的钻削力反馈信号提供较可靠的理论依据。

近些年，随着仿生微织构技术不断应用于摩擦学领域，且证明了微织构能有效的降低表面磨损，改善刀具与切屑之间的摩擦磨损状态，提高零部件的寿命。在切削加工中，由于微织构技术的减摩特性日渐被肯定，微织构的应用也逐渐显示出优势并应用范围越来越广泛。

因此，本课题针对虚拟手术对力反馈系统的迫切需求，并基于表面微织构能改善刀屑界面间的摩擦状态和降低摩擦系数，提出了“基于微织构刀具的皮质骨钻削力的研究”，利用三维软件建立微凹坑型的医疗麻花钻4Cr13的几何模型，利用ABAQUS建立起微织构麻花钻钻削皮质骨的模拟模型。对皮质骨钻削过程中的轴向力和扭矩的变化趋势、应力的分布进行仿真分析；并通过试验验证及修正了皮质骨钻削的模拟模型；然后通过中心复合实验设计了参数化的微织构尺寸结构，系统分析了微织构尺寸参数对麻花钻轴向力和扭矩的影响，建立关于微织构尺寸参数的钻削力预报模型，其中主要研究的微织构参数有微凹坑深度、微凹坑直径、微凹坑间距。从而设计制造出具有明显减摩效果的医疗麻花钻，改善骨钻削过程中的摩擦磨损状况，降低刀具磨损，从而提高钻孔表面质