微织构刀具骨切削过程的仿真和试验研究

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1、中图分类号TG7论文编号1006015-0029学科分类号460.2530密级TIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY硕士学位论文DISSERTATION微织构刀具骨切削过程的仿真和试验研究Studyofsimulationandexperimentofbonecuttingbymicro-texturetoolyl机械工程机械制造及其自动化崔洪胤胡亚辉副教授天津理工大学研究生部二〇一五年鬌分类号：TG7密级：天津理工大学研究生学位论文微织构刀具骨切削过程的仿真和试验研究（申请硕士学位）学科专业：机械制造及其自动化研究方向：生物材料切削理论作者姓名：崔洪胤指导教师：胡亚辉副

2、教授2015年1月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyofsimulationandexperimentofbonecuttingbymicro-texturetoolByCuiHongyinSupervisorAssociateProf.HuYahuiJanuary2015ii独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宂工作和取得的研宄成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或

3、证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：力/J年3月//日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字U期：年3月//日签字日期：力f年3月从日摘要骨切削手术广泛应用于整形外科、牙齿和神经外科手术中，在骨切削过

4、程中，过高的温度可以导致骨神经坏死以及影响骨再生能力；切削中过高的应力可能导致软骨和神经损伤。在骨切削中，刀具与皮质骨不断的摩擦，摩擦是影响切削温度的重要因素之一，而仿生摩擦学的相关研究表明，摩擦表面如果具有良好的微织构，能够有效的减少摩擦阻力同时提高摩擦表面的耐磨性能。着眼于微织构的减摩功能，本文对微织构刀具在骨切削过程中第三变形区的温度和应力进行分析。本文运用有限元仿真软件ABAQUS6.11进行模拟皮质骨的切削过程，进而将仿生摩擦学与骨切削相互结合，进行微织构刀具骨切削有限元仿真分析，为了研究微织构刀具在外科骨切削手术中的减摩效果，以切削过程中第三变形区的平均应力与温度为研究对象。研究

5、过程如下：1.进行凹槽微织构设计，通过激光设备将微织构加工在销试样工作表面，然后进行摩擦磨损销盘试验，得出各组实验的摩擦系数，总结摩擦系数与微织构几何尺寸（间距、宽度）的关系，通过研究分析：微织构销试样相对于普通销试样具有明显的减摩效果，并且摩擦系数随着微织构宽度的增大而减小，随着微织构间距的增大而增大。2.分析皮质骨切削特性，确立模型材料、参数、边界条件、网格分配等相关参数，建立ABAQUS有限元骨切削仿真模型，分别创建普通刀具模型和微织构刀具模型，然后进行骨切削仿真，通过两组骨切削仿真实验：使用微织构刀具进行骨切削比使用普通刀具第三变形区的平均温度和平均应力低。3.改变微织构形貌，分别建

6、立圆形截面、方形截面和三角形截面微织构刀具，沟槽几何尺寸（宽度，间距、深度）相同，三种刀具分别进行骨切削仿真，仿真实验表明：三角形截面微织构刀具的切削温度与应力结果比圆形截面和方形截面的微织构刀具低。4.通过单因素对比探究微织构几何参数变化对第三变形区应力的影响。实验范围为：织构间距0.07-0.19mm，深度0.01-0.05mm，宽度0.02-0.06mm，在此实验范围内当织构深度0.03mm，间距为0.16mm，宽度0.04mm时，第三变形区应力最小。5.根据刀具的微织构间距、宽度、深度安排中心复合实验，分别建立微织构刀具进行骨切削仿真，得出第三变形区的平均应力，切削温度的仿真结果，然

7、后将微织构几何参数及相应结果导入Design-expert进行数据优化，得出微织构间距、深度、宽度与切削温度之间的关系：第三变形区的温度随着微织构间距的增大而增大，随着微织构宽度的增大而减小，随着微织构深度的增大而增大，但是深度在0.01-0.05mm范围内的变化对第三变形区温度的变化影响极小。关键词：皮质骨切削ABAQUS切削温度微织构刀具ivAbstractBonecuttingoperationisge