在骨鉆孔過程中,軸向力過大會導(dǎo)致鉆頭斷裂、骨穩(wěn)定性差等問題。引入三尖鉆增加鉆削穩(wěn)定性,使用ABAQUS對三尖鉆鉆削皮質(zhì)骨進(jìn)行有限元仿真;通過試驗驗證模型的正確性,使用中心復(fù)合設(shè)計(CCD)進(jìn)行仿真試驗設(shè)計,通過響應(yīng)面法得到軸向力的二次回歸方程,研究轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和鉆頭直徑對軸向力的影響。該研究為手術(shù)中使用三尖鉆提供理論指導(dǎo),二次回歸方程作為預(yù)測模型為手術(shù)中控制軸向力提供可能。

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圖1三尖鉆結(jié)構(gòu)簡圖

三尖鉆是普通麻花鉆進(jìn)行適當(dāng)修磨后形成的,改變主切削刃的切削狀態(tài),縮短橫刃的長度,使鉆芯和兩側(cè)形成3個鋒利的刃尖;有定心效果好、鉆孔軸向力小、鉆削溫度低、鉆孔效率高等優(yōu)點,結(jié)構(gòu)如圖1所示。2鉆削有限元模型

圖2鉆削模型

模型的邊界條件即施加力或者約束來控制模型的運(yùn)動形式。鉆削仿真中需要約束皮質(zhì)骨模型的6個自由度;鉆頭的運(yùn)動路徑是沿著Z軸向下進(jìn)給并繞軸旋轉(zhuǎn),由于已經(jīng)約束鉆頭為剛體且設(shè)置參考點,所以對參考點施加Z軸向下進(jìn)給和繞軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動,同時應(yīng)約束其他4個自由度。考慮到鉆削的實際情況,將鉆頭模型和....

圖3試驗設(shè)備

為了確定仿真模型的正確性,設(shè)計試驗,進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的鉆骨試驗。試驗平臺為YCM-V65A立式加工中心,使用Kistler9257B三向測力儀測量鉆削皮質(zhì)骨過程中產(chǎn)生的軸向力,試驗設(shè)備見圖3。3.2試驗材料與參數(shù)

圖4不同轉(zhuǎn)速下的軸向力曲線及其誤差(進(jìn)給量f=0.5mm/s，鉆頭直徑d=4mm)

選用試驗使用的鉆削參數(shù)進(jìn)行有限元仿真,仿真結(jié)果與試驗結(jié)果見圖4,在保持進(jìn)給量和三尖鉆直徑不變的情況下,仿真結(jié)果和試驗結(jié)果中軸向力都隨著轉(zhuǎn)速的增加而減少,并且相對誤差在0.9%～2.1%,可以證明模型的正確性。應(yīng)力云圖是顯示ABAQUS模型應(yīng)力分布的一種合理方法[5-6]。仿真結(jié)果....

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