机械工程学报

作者：柏伟, 潘鹏飞, 舒利明, 王栋, 张建国, 许剑锋

单位：1. 华中科技大学机械科学与工程学院 武汉 430074;2. 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 武汉 430074;3. 东京大学工学院机械工程系 东京 1138656;4. 埃克塞特大学工程、数学和物理科学学院 埃克塞特EX4 4QF;5. 深圳华中科技大学研究院 深圳 518057

关键词：骨组织,超声辅助切削,切屑形成,裂纹扩展,扩展有限元法；

基金：国家自然科学基金（52005199）、中国博士后科学基金（2019M652629，2019TQ0107）和深圳市基础研究重点（JCYJ20200109150425085）资助项目。

骨组织高效、低负荷、低损伤切削去除对外科手术具有重要意义。然而，皮质骨的硬脆性和各向异性使得骨切削过程极易产生不规则的裂纹扩展、大块断裂切屑及骨表面损伤，严重影响组织的高精高效去除和术后恢复。基于正交切削过程研究了皮质骨普通切削与超声辅助切削切屑形成、裂纹扩展和切削力的差异，并基于扩展有限元法建立了考虑微观结构的皮质骨切削模型，分析了骨组织超声辅助切削裂纹萌生与扩展规律。结果表明：骨组织普通切削过程不同切削方向裂纹扩展规律不同，产生大块断裂切屑且表面损伤严重，而超声辅助切削过程裂纹主要沿主剪切方向扩展，且产生小尺寸三角形切屑并迅速脱离刀具前刀面；骨组织超声辅助切削相比普通切削主切削力显著降低近70%。原因是高频冲击切削过程产生的高应变率致使裂纹穿透骨单元扩展而非在骨单元外周的骨粘合线偏转，从而使裂纹主要沿主剪切面扩展而去除切屑，产生与普通切削不同的切屑形态、更小的切削力和更低的损伤。本研究对于揭示骨组织超声冲击切削机理、创成低损伤骨切除器械具有重要的理论意义与临床价值。

来源：2021年第11期

《机械工程学报》期刊编辑部

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