何玲瑞，胡亚辉，林贻泽，张善青，张春秋，郑清春

天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室；机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学)

1 引言

人工关节置换是常见的骨科手术，在操作中需铣削切除已损关节处骨骼，固定假体。在骨铣削过程中，切削力导致周围骨组织发生裂纹，过大的骨裂纹会对患者造成二次伤害，影响术后恢复[1]。

球头铣刀具有几何自适应性好、精度高以及铣削平稳等优点[2]，在人工关节置换手术中，使用球头铣刀能较好地控制切削深度。此外，球头铣刀能较好地切除关节处不规则形状骨骼，加工出质量较高的骨槽，以便固定人工假体。A.Mehrpanahi等[3]根据球形铣刀去除单位体积骨所需的力来确定骨铣削力大小。为实现安全钻削，张立斌等[4]结合有限元仿真和试验研究了钻削力随不同钻削参数变化的变化规律。K.Denisk等[5]研究铣削参数对铣削力的影响，但未建立模型估算铣削力。

通过研究骨铣削力与切削参数之间的关系，可优化切削参数，实现平稳切削。本文借助ABAQUS软件建立球头铣刀铣削皮质骨模型，利用Minitab软件设计正交试验。采用极差分析法分析了刀具直径、进给速度及主轴转速对铣削力的影响。通过建立多元回归方程，利用最小二乘法进行求解，得到铣削力的预测模型，为提高皮质骨铣削精度和切削稳定性提供理论基础。

2 有限元仿真模型构建及试验验证

2.1 铣削有限元模型的建立

(1)几何模型的建立

骨组织包括两部分：皮质骨或外骨及小梁骨或内骨。……