克氏针结构优化及骨钻削实验研究

发布时间：2022-11-09 21:29

　　在骨科手术中,骨钻削时超过55℃会导致骨组织坏死甚至发生氧化,影响手术效果。而克氏针与骨组织之间的摩擦,克氏针的结构对钻削过程的影响等是决定钻削热的产生和钻削温度的主要因素。在针尖表面设计分屑槽等微结构可以有效降低钻削温度。本文通过克氏针钻削骨过程的有限元仿真,建立骨钻削温度及骨钻削力的预报模型,对圆弧槽克氏针在骨钻削中结构参数的选择进行了研究。主要研究内容如下:（1）对传统的克氏针结构进行了改进设计,通过研究分屑槽减磨机理,选取合理结构参数;设计克氏针分屑槽加工工艺及专用加工平台,通过该平台可加工具有分屑槽和前角的新型克氏针,以解决传统克氏针钻孔过程中易产生温升过高而损伤骨细胞的问题;（2）利用Abaqus软件分析骨钻削过程,对比分析了有无分屑槽的克氏针在骨钻削过程中的应力场分布及温度场变化,以及多孔钻削时温度场的分布情况;（3）搭建了基于直角坐标机器人的骨钻削测温实验平台,并进行了对比分析实验,分析了分屑槽参数对钻削温度的影响;（4）利用MATLAB及SPSS（Statistical Product and Service Solutions）软件,通过正交实验极差分析判断出克氏针... 

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源、研究背景和目的意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究背景和目的意义
    1.2 骨钻削国内外研究现状
        1.2.1 国内研究现状
        1.2.2 国外研究现状
    1.3 克氏针骨钻削研究现状
    1.4 主要研究内容
第2章 克氏针结构设计优化
    2.1 克氏针分屑槽设计优化
        2.1.1 克氏针结构优化方法
        2.1.2 克氏针三维模型的建立
        2.1.3 圆弧槽克氏针强度和刚度的校核
    2.2 圆弧槽克氏针加工工艺设计
        2.2.1 圆弧槽克氏针结构参数设计
        2.2.2 四种圆弧槽克氏针结构对比分析
    2.3 克氏针加工装置设计
        2.3.1 克氏针加工装置设计依据及设计方法
        2.3.2 磨削克氏针斜面装置
        2.3.3 磨削克氏针分屑槽装置
    2.4 本章小结
第3章 克氏针骨钻削温度及应力有限元分析
    3.1 简化克氏针骨钻削热源
        3.1.1 传热学模型简化
        3.1.2 热源强度计算
    3.2 骨钻削温度的理论计算
        3.2.1 剪切温度的计算
        3.2.2 克氏针-骨屑摩擦面上摩擦温度的计算
    3.3 骨钻削仿真模型的建立
        3.3.1 钻削模型的建立
        3.3.2 材料参数及边界条件的设定
        3.3.3 克氏针骨钻削失效准则选取
        3.3.4 克氏针骨钻削模型接触设定
        3.3.5 网格优化及分析
    3.4 克氏针骨钻削仿真应力场及温度场的分析
        3.4.1 克氏针骨钻削仿真应力场分析
        3.4.2 克氏针骨钻削应力场仿真与理论对比分析
        3.4.3 克氏针骨钻削仿真温度场分析
    3.5 仿真结果对比分析
        3.5.1 克氏针分屑槽形状对骨钻削温度的影响
        3.5.2 克氏针分屑槽尺寸对温度影响的仿真
        3.5.3 多孔钻削孔间温度场相互干扰仿真
    3.6 本章小结
第4章 克氏针骨钻削实验研究
    4.1 实验平台的搭建
        4.1.1 克氏针骨钻削控制系统硬件设计
        4.1.2 测试系统及数据处理
        4.1.3 克氏针骨钻削实验平台控制系统电气系统设计
        4.1.4 实验刀具及试件
    4.2 克氏针制备
        4.2.1 克氏针斜平面磨制
        4.2.2 克氏针分屑槽磨制
    4.3 分屑槽克氏针骨钻削实验研究
        4.3.1克氏针分屑槽形状单因素实验
        4.3.2 克氏针分屑槽形状对骨钻削温度及骨钻削力的影响
    4.4 圆弧槽克氏针骨钻削实验研究
        4.4.1 克氏针圆弧槽结构参数单因素实验方案及结果
        4.4.2 克氏针圆弧槽长度对骨钻削温度及骨钻削力的影响
        4.4.3 克氏针圆弧槽深度对骨钻削温度及骨钻削力的影响
        4.4.4 克氏针圆弧槽与尖端距离对骨钻削温度及骨钻削力的影响
    4.5 多孔钻削孔间温度场相互干扰影响规律的实验探究
        4.5.1 多孔钻削孔间温度场相互干扰单因素实验方案及结果
        4.5.2 多孔钻削孔间温度场相互干扰影响
    4.6 本章小结
第5章 克氏针骨钻削温度和骨钻削力预报模型的建立及参数优化
    5.1 经验模型建立方法和优化算法
        5.1.1 经验模型选择
        5.1.2 遗传算法简介
    5.2 克氏针骨钻削结构参数正交实验方案及结果分析
        5.2.1 正交实验方案及实验结果
        5.2.2 实验结果极差分析
    5.3 关于克氏针结构参数的骨钻削温度和骨钻削力经验模型
        5.3.1 经验模型建立
        5.3.2 骨钻削温度和骨钻削力的回归预测模型
        5.3.3 线性回归模型的显著性检验
        5.3.4 回归模型系数的显著性检验
    5.4 克氏针结构参数优化
        5.4.1 多目标函数的遗传算法求解方法
        5.4.2 克氏针骨钻削结构参数优化
        5.4.3 结构参数优化结果与实验值对比分析
    5.5 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]CFRP加工用内排屑钻头排屑条件的仿真分析及试验研究[J]. 王义文,许成阳,许家忠,刘献礼.  机械工程学报. 2019(05)
[2]淬硬钢模具曲面铣削有限元仿真及试验研究[J]. 岳彩旭,郝胜宇,黄翠,王彦武.  哈尔滨理工大学学报. 2018(05)
[3]虚拟砂轮磨削有限元仿真以及试验对比分析[J]. 王建军,黄景山.  装备制造技术. 2018(09)
[4]ZrO2陶瓷平面磨削温度仿真分析与实验研究[J]. 张珂,赵国欢,孙健,韩涛,刘春光.  表面技术. 2017(12)
[5]300M超高强度钢高速切削过程仿真研究[J]. 张慧萍,刘壬航,李珍灿,张庆宇.  机械科学与技术. 2017(10)
[6]硬质合金磨削温度场的仿真与试验研究[J]. 胡超,李长虹,赵先锋,何林.  工具技术. 2017(05)
[7]旋转超声磨削钛合金有限元仿真与试验研究[J]. 刘凡,秦娜,牛健地,郑亮.  工程设计学报. 2017(02)
[8]基于各向异性皮质骨的钻削温度研究[J]. 苏哩莉,胡亚辉,江汪彪,薛国彬.  工具技术. 2017(02)
[9]骨外科手术钻孔温度影响因素理论分析与实验研究[J]. 马宏亮,李长河.  机械设计与制造. 2014(03)
[10]基于回归正交试验的浅孔钻钻削的有限元仿真[J]. 应正健,周利平.  机床与液压. 2012(09)

博士论文
[1]模具钢硬态切削过程刀具磨损及表面淬火效应研究[D]. 岳彩旭.哈尔滨理工大学 2012
[2]微量润滑切削表面残余应力预测建模[D]. 季霞.上海交通大学 2014
[3]基于应变梯度塑性理论的正交微切削变形研究[D]. 吴继华.山东大学 2009

硕士论文
[1]金属铈金刚石切削加工表面质量的有限元仿真及实验研究[D]. 金铭.哈尔滨工业大学 2018
[2]齿槽骨的钻削温度及钻孔质量研究[D]. 付江焜.山东大学 2018
[3]骨钻钻头刃形结构对钻削力与温度的影响研究[D]. 杜兴泽.昆明理工大学 2018
[4]低温微量润滑高速铣削300M钢工艺参数优化研究[D]. 刘壬航.哈尔滨理工大学 2018
[5]微织构医疗钻头骨钻削温度及刀具磨损研究[D]. 江汪彪.天津理工大学 2017
[6]骨骼微切削过程的有限元仿真与实验研究[D]. 殷杰.哈尔滨工业大学 2016
[7]微织构刀具皮质骨钻削温度的预报模型研究[D]. 孙建波.天津理工大学 2016
[8]基于正交各向异性分析的皮质骨钻削的仿真与实验研究[D]. 何玲.天津理工大学 2016
[9]不锈钢材料车削加工的实验研究与有限元仿真[D]. 伊海洋.西南石油大学 2015
[10]超高速磨削温度的仿真研究[D]. 郭珍吉.东北大学 2014



本文编号：3704927