轴向低频振动微创骨钻孔技术的研究

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骨钻孔是临床上治疗骨折、骨坏死等症状的一个重要的步骤。由于高转速,高进给的骨钻作用于骨,会使骨与钻头产生剧烈的摩擦,产生大量的热,从而引起钻削区温度升高过快,对人体造成损伤;另一方面,钻孔过程中产生较大的轴向力和扭矩容易破坏骨的结构并损坏刀具,从而对人体造成二次损伤。过高的温升和过大的轴向力会导致固定螺钉的松动,造成内外固定与假体的失效等情况。针对这个问题,本文提出在钻孔的过程中引入低频振动,并对其进行了初步的研究,主要内容如下:(1)对骨钻孔过程热量的产生和传导过程进行了分析;分析轴向振动钻孔在降低产热和加速散热方面的优势;在施加低频振动时,分析麻花钻的运动轨迹,并对振动钻削的有效时间进行了计算;在不同钻削方式下,观察骨屑的形态和大小,并分析了超声振动钻孔产生高温的原因。(2)通过试验方法,研究了不同的转速、进给和三种钻削模式下温升的变化规律,并对钻孔过程中的轴向力和扭矩进行了研究。试验结果表明:采用低频振动辅助钻孔的形式能有效降低温升、轴向力和扭矩。运用田口设计方法和相应曲面设计方法对温升进行统计学分析。(3)建立了麻花钻钻骨的有限元三维模型,分析了转速、进给速度和钻削形式对温升的影响;并分析采用低频振动的钻孔形式时,改变频率和振幅对温度的影响规律;分析在低频振动的一个周期内温度的变化趋势;分析了在不同的钻削方式下应力的分布状态;通过仿真试验验证低频振动钻孔形式的优势。对比仿真结果与试验结果,误差在一定的范围内,证明了仿真结果的有效性。
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