白小帆 侯书军 李 慨 曲云霞

河北工业大学机械工程学院，天津，300130

0 引言

骨组织是一种复杂的各向异性材料[1]。人体中的骨主要分为两种：一种是支撑躯体和承受力量的皮质骨，另一种是质地疏松的松质骨。随着治疗效果更好的骨折内固定技术逐渐普及和髋、膝关节置换技术日趋成熟，骨钻孔成为骨折治疗、假体植入等手术的必要操作之一。医生在致密坚固的皮质骨上进行钻削作业，如果施加的钻削力过大，不仅会直接导致钻削区域的骨组织产生机械损伤，还会增大钻削过程中的温升[2]。因为骨细胞的活性对温度极其敏感，当钻削区域的最高温度超过47 ℃且持续时间超过1 min时，骨细胞会发生不可逆转的热损伤甚至热坏死[3]。骨组织受到机械损伤和热损伤会导致骨强度降低、假体失稳，延长康复周期，甚至导致手术失败等严重后果[4]。因此一个成功的医疗骨钻削操作必须尽量减小钻削过程中的钻削力并减小温升。

为了更加深入地研究LFVAD方式在骨钻削过程中对钻削力和温升的影响，以及钻削参数变化对LFVAD方式的影响，本文首先进行了钻削力和温升对比实验；然后使用统计学方法识别了影响钻削力和温升的控制参数，并针对钻削力和温升进行了双目标优化；基于切削能理论和动态切削参数，使用MATLAB软件建立了钻头切削刃部分的钻削力和产热模型，并对比了相同钻削参数下CD和LFVAD方式的钻削力和产热情况。

1 振动钻削特性和模型的建立

钻头复杂的几何结构和高速运动状态使得精确表述其整体在钻削过程中的工作状态非常困难。……