机械工程学报

作者：孙金刚, 杨敏, 杨玉莹, 张彦彬, Y S DAMBATTA, 周宗明, 李长河

单位：1. 青岛理工大学机械与汽车工程学院 青岛 266520;2. 齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学部 济南 250353;3. 艾哈迈杜·贝洛大学机械工程系 扎里亚 810106 尼日利亚;4. 汉能(青岛)润滑科技有限公司 青岛 266200

关键词：超声振动,微磨削,非均匀热源分布模型,温度场；

基金：国家自然科学基金(52205481，52105457)、泰山学者专项基金(tsqn202211179)和山东省自然科学基金(ZR2022QE159，2023KJ114，ZR2023QE057，ZR2022QE028)资助项目。

骨微磨削是神经外科、脊柱外科等高风险手术中不可或缺的方法，骨磨削去除过程热损伤是其技术瓶颈。针对以上临床需求和技术瓶颈，提出了一种超声振动辅助微磨削生物骨新工艺，但超声作用下的非均匀热源分布模型尚不明确，超声赋能作用下的生物骨热传递机制与温度场模型尚需建立。首先，研究了超声振动辅助微磨削生物骨材料去除机理，重构了球形磨头表面几何形貌，揭示了接触弧长变化机理，建立了超声振动作用下任意时间点的未变形切屑厚度模型。其次，建立了延性域去除，骨粉去除，脆性域去除阶段磨削力模型，揭示了有效磨削区的力学演变规律。进一步，研究了磨削热通量的周向和径向分布规律，建立了三维非均匀热源分布模型；研究了点热源和线热源以及面热源温度场，建立了超声振动辅助微磨削生物骨的三维非均匀热源温度场模型。最后，进行了磨削温度场的正交实验验证，结果表明，当振幅为6 μm，磨削深度为15 μm，磨头半径为3.5 mm，进给速度为3 mm/s时，与基于均匀热源模型的温度场相比，基于非均匀热源模型的温度场预测结果与实际温度场吻合，最高温度预测平均误差从10.8%降低到6.7%。研究为超声振动辅助微磨削生物骨降低磨削温度提供了理论依据与技术支持。

来源：2025年第9期

《机械工程学报》期刊编辑部

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