本文關(guān)鍵詞：骨材料切削加工及一種新型刀具研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 骨材料切削 切削變形機(jī)理 刀具開發(fā) 切削力 切削溫度 切削過程監(jiān)測(cè)

【摘要】：隨著電氣化技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)的突飛猛進(jìn),近年來越來越多的自動(dòng)化手術(shù)系統(tǒng)及醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人開始在臨床上應(yīng)用。而骨切削手術(shù)作為外科手術(shù)中的一項(xiàng)重要操作,得益于電氣化和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,其切削方法也越來越多樣化,例如鉆削、磨削、銑削等傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在骨外科手術(shù)中也得到廣泛應(yīng)用。然而,骨頭材料的切削本質(zhì)上是一種破壞式去材加工,需要破壞骨組織的原貌而利用其再生長(zhǎng)功能來達(dá)到醫(yī)學(xué)目的。其切削過程中過高的切削力、切削溫度及異常的切削狀態(tài)會(huì)造成骨組織及其周圍組織的嚴(yán)重?fù)p傷并制約病人術(shù)后的康復(fù)。此外,骨頭材料作為一種各向異性材料,其密質(zhì)骨層結(jié)構(gòu)類似纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu),且呈現(xiàn)出一定脆性,在切削過程中易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至骨結(jié)構(gòu)內(nèi)部。因此,研究骨頭材料切削的相關(guān)機(jī)理及切削手段,在切削過程中保持骨材料組織結(jié)構(gòu)的完整性,對(duì)骨科手術(shù)技術(shù)發(fā)展及相關(guān)設(shè)備的開發(fā)具有重要意義。本文圍繞骨頭材料的切削加工技術(shù),先從其切削機(jī)理入手,通過觀察密質(zhì)骨正交切削過程中切屑形成的物理過程,提出骨材料正交切削包括剪切變形切削、剪切裂紋切削和斷裂切削的三種切削模式。通過采用斷裂力學(xué)對(duì)其切削變形進(jìn)行建模,并結(jié)合骨材料各向異性特性對(duì)骨材料切削過程不同切屑形態(tài)的去除機(jī)理提出了統(tǒng)一解釋。基于該模型對(duì)骨材料切削過程切屑形態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè),得到不同切削模式間轉(zhuǎn)變的臨界切削厚度,并通過實(shí)驗(yàn)觀察其切削力及切削表面微觀形貌分析了不同切削模式下骨材料的切削加工性能及對(duì)骨材料的表面破壞。根據(jù)骨材料密質(zhì)骨層的纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)特性,建立了與骨單位纖維方向相關(guān)的切削剪切強(qiáng)度各向異性模型。在該材料模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合骨材料切削過程中的纖維切削角度、材料切削變形模式、犁溝效應(yīng)等相關(guān)效應(yīng)建立骨材料動(dòng)態(tài)銑削力模型。通過骨材料銑削實(shí)驗(yàn)證明該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)骨材料銑削過程動(dòng)態(tài)切削力,為骨材料銑削過程切削參數(shù)的選擇提供了指導(dǎo)意義。在骨材料切削區(qū)域優(yōu)化布置熱電偶以測(cè)量真實(shí)的切削溫度,觀察骨材料銑削過程中溫度分布及隨切削參數(shù)的變化。分析了骨材料銑削溫度的分布特性,結(jié)合切削理論建立骨材料銑削過程的溫度場(chǎng)分布解析模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。通過對(duì)骨材料銑削溫度場(chǎng)分布和切削溫度穿透深度分析骨材料銑削過程中對(duì)骨材料產(chǎn)生熱效應(yīng)的主要影響因素。針對(duì)骨材料切削過程中易發(fā)生斷裂切削及過高切削力和溫度的情況,根據(jù)骨材料切削機(jī)理設(shè)計(jì)一種斷裂-剪切復(fù)合銑削刀具以實(shí)現(xiàn)骨材料的高效低溫切削。通過特殊的螺旋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得刀具在較小進(jìn)給速度時(shí)可以工作在剪切變形或剪切裂紋切削模式,而在較大進(jìn)給速度時(shí)工作在斷裂-剪切復(fù)合切削模式,從而達(dá)到減小骨材料切削表面損傷的目的。采用PCD聚晶金剛石作為刀具材料制造刀具,并通過與相同尺寸的普通銑削刀具進(jìn)行骨材料切削加工試驗(yàn)對(duì)比,實(shí)驗(yàn)證明該刀具可以在相同切削參數(shù)下改善骨材料切削表面質(zhì)量,降低切削力和切削溫度,從而有效提高切削效率,縮短手術(shù)切削時(shí)間。針對(duì)骨材料切削過程伴隨剪切裂紋及斷裂變形的特點(diǎn),研究了聲發(fā)射信號(hào)對(duì)骨材料切削過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效性。采用小波包分解提取了聲發(fā)射信號(hào)的小波能比特征實(shí)現(xiàn)骨材料切削層深度的監(jiān)測(cè)。建立了小波系數(shù)時(shí)域軸及頻域軸的多尺度混合隱馬爾科夫模型的監(jiān)測(cè)策略,對(duì)骨材料切削過程的刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)分析證明聲發(fā)射信號(hào)可以有效表征骨材料切削過程的切削層深度及刀具磨損的狀態(tài)特征。
[Abstract]:With the rapid development of electrical technology and robot technology, automatic operation system and medical surgical robot is more and more widely used in clinic in recent years. And the operation of bone cutting is an important operation in surgery, thanks to the development of electrical and automation technology, the cutting method is becoming more and more diversified, such as drilling. Grinding, milling and other traditional machining methods have been widely used in bone surgery. However, the nature of the material cutting head is a kind of damage to material processing, requires the destruction of bone tissue and the use of the original growth function to achieve medical purpose. The cutting force cutting temperature is too high, the cutting and abnormal state will cause bone tissue and its surrounding tissue damage and restrict patient rehabilitation after surgery. In addition, the bone material as an anisotropic material, the Cancellous bone layer structure similar to fiber reinforced composite structure, and showed certain brittleness, easy to crack and extended to the bone structure in the cutting process. Therefore, the research on its mechanism of bone material cutting and cutting tools, maintain the integrity of tissue bone structure in the cutting process, is of great significance to the development of the development of Department of orthopedics operation technology and related equipment. This paper cutting technology on bone material, first from the cutting mechanism of chip formation process through physical observation of cancellous bone in orthogonal cutting process, the bone material including shear deformation orthogonal cutting cutting, three kinds of cutting shear crack and fracture mode of cutting cutting through. By using the fracture mechanics on the cutting deformation model, and combined with the characteristics of anisotropic bone material removal mechanism of bone material cutting process of different chip forms a unified solution Release. The model of the process of bone chip morphology is predicted based on the obtained critical cutting thickness between different cutting patterns change, and through the experimental observation of the cutting force and surface morphology analysis of the cutting performance of bone material and surface material for bone destruction under different cutting patterns according to the structural characteristics of composite. Bone cancellous bone layer reinforced, a cutting shear strength anisotropy model related to bone unit fiber direction. Based on the material model, combined with the fiber cutting angle of bone material in the cutting process, the deformation mode of material cutting, ploughing and other related effects to establish the dynamic model of milling force. The bone material the bone material milling experiments show that the model can accurately predict the bone material milling process of dynamic cutting force, cutting parameters of bone material milling process can provide the guidance Meaning. In bone material cutting area layout optimization of thermocouple cutting temperature measurement real temperature distribution, observation of bone material in the milling process and changes with the cutting parameters. Analysis of the distribution characteristics of bone material milling temperature, combined with cutting theory to establish the bone material milling process temperature field analytical model, and verified the validity of the model through the experiment. Based on the milling temperature field distribution of bone material and cutting temperature penetration depth analysis on the main factors influencing the thermal effect of bone material milling process. The bone material is easy to break and crack cutting and high cutting force and temperature of the bone material cutting process, according to the high low temperature cutting cutting mechanism design of a bone material fracture shear composite milling tool to achieve bone materials. Through the design of the special spiral surface of the cutter can work in shear in smaller feed speed Shear deformation or shear crack cutting mode, and in the larger feed speed in fracture shear composite cutting mode, it can reduce the damage of bone material cutting surface. Using PCD as tool materials made of polycrystalline diamond tool, and bone material cutting test by comparing the ordinary milling cutter with the same size, experimental results show that the the tool can improve the bone cutting surface quality at the same cutting parameters, cutting force and cutting temperature, thus effectively improve the cutting efficiency, shorten the operation time. According to the cutting process of cutting bone material with characteristics of shear deformation and crack fracture, the research of acoustic emission signal on the effectiveness of bone material cutting process monitoring using wavelet. The ratio of packet decomposition to extract feature monitoring bone material cutting depth of the acoustic emission signal. Wavelet can establish wavelet coefficients in time domain The monitoring strategy of multiscale mixed hidden Markov model and frequency axis axis, to monitor tool wear cutting process of bone material. The experiment result shows that the acoustic emission signal can be effectively characterized by bone material cutting process of cutting depth and tool wear state characteristic.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH777

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