拋光機(jī)設(shè)計(jì)

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Kasai, K. Horio, T. Karaki-Doy, Ann. CIRP 39 (1) (1990).2 J.L. Yuan, Z.F. Tong, SME MR 91-193, 1991中文翻譯(2):降低超聲波切割骨骼時(shí)切削溫度的方法摘要:超聲波切割工藝廣泛應(yīng)用于食品加工以產(chǎn)生一個(gè)干凈整齊的切口。然而,它還沒有被采納作為醫(yī)療器械應(yīng)用于骨科手術(shù)中,主要由于它生成的切口位置具有較高的溫度,相應(yīng)的就要求使用額外的冷卻。例如,如果切削溫度達(dá)到55-60 C以上時(shí),特別是溫度持續(xù)期間,骨頭組織會(huì)發(fā)生壞死,危及術(shù)后康復(fù)。最近，筆者的一項(xiàng)研究結(jié)果顯示,自然界中的熱響應(yīng)材料,例如木頭和骨骼,容易受到它所吸收的超聲波能量以及切口位置的熱傳導(dǎo)的影響。在這篇研究報(bào)告中，切削參數(shù)間的相關(guān)性,例如激波振動(dòng)速度、載荷頻率和耦合接觸調(diào)諧條件下對(duì)熱響應(yīng)進(jìn)行研究和報(bào)道,結(jié)果表明,通過(guò)控制切削參數(shù)使它在安全的切削溫度范圍內(nèi)工作是可以實(shí)現(xiàn)的。因此,作者提出了一種新穎的切削葉片輪廓以降低切口位置產(chǎn)生的摩擦熱。通過(guò)一系列利用新鮮的牛股骨頭切割實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明, 可以通過(guò)選擇合適的切割參數(shù)和葉片輪廓來(lái)降低切削溫度以及熱損傷。1、簡(jiǎn)介骨骼切削工具,例如鉆頭、鋸子和鑿子，可為外科醫(yī)生提供有限的精度和機(jī)動(dòng)靈活性1,并且經(jīng)常導(dǎo)致骨組織燃燒,形成的碎片對(duì)鄰近組織造成損傷。另一種骨骼切割裝置是超聲刀,圖1(a),是將縱向振動(dòng)模態(tài)頻率調(diào)節(jié)到低頻超聲波范圍(20 - 100千赫)。這項(xiàng)研究有利于超聲波切割壞硬組織包括消除切屑、降低反應(yīng)程度以及產(chǎn)生更精準(zhǔn)的切口。超聲波骨科手術(shù)不是一個(gè)新概念,它的作業(yè)設(shè)備可以追溯到1957年2。然而,工具的限制和傳感器的設(shè)計(jì)以及缺乏合適的方法進(jìn)行功率微調(diào)控制,大大限制了早期技術(shù)的發(fā)展。在過(guò)去的15多年里,伴隨著傳感器的設(shè)計(jì)和改進(jìn),以及更復(fù)雜的機(jī)電一體化功率控制的發(fā)展，超聲外科手術(shù)設(shè)備得到了更新并快速發(fā)展3。當(dāng)前的超聲骨切割手術(shù)的挑戰(zhàn)在于在不超過(guò)骨頭壞死溫度的情況下，可調(diào)諧系統(tǒng)能否為超聲切割刀具提供足夠的聲功率來(lái)切除壞硬組織。要克服組織燃燒問(wèn)題、超聲波切割裝置通常需要加進(jìn)冷卻系統(tǒng),能為切口位置提供水（或鹽水)3,4,但是這又提出了交叉感染的問(wèn)題。這項(xiàng)研究顯示了如何控制切削溫度,通過(guò)研究切削參數(shù)以及切削刃幾何參數(shù)對(duì)切削溫度的影響，目的在于設(shè)計(jì)出有能力在骨骼切割中切割深切口而不需要冷卻系統(tǒng)的超聲波切割設(shè)備。圖1 (a)超聲波切割系統(tǒng)的原理,(b)超聲波切割牛骨在不同靜負(fù)載下的溫度響應(yīng)2、超聲波切割中的熱響應(yīng)特性作者先前的研究表明, 時(shí)測(cè)的不同材料的超聲波切割熱響應(yīng),表現(xiàn)出兩個(gè)溫度峰5,6。圖1顯示一個(gè)典型牛股骨頭樣本(b)測(cè)量的熱響應(yīng)。人造股骨和幾個(gè)等級(jí)的木頭測(cè)定的熱響應(yīng)定性相似。測(cè)量反應(yīng)時(shí)的第一個(gè)頂峰溫度是由于物質(zhì)樣品吸收葉片震動(dòng)產(chǎn)生的超聲波能量所產(chǎn)生的。溫度峰值的大小隨著作用在葉片上的靜載荷的增加而增加,因?yàn)殪o態(tài)負(fù)荷的增加提高了葉片和材料之間的耦合。時(shí)域響應(yīng)與測(cè)量傳感器在標(biāo)本上的位置無(wú)關(guān)4。測(cè)量反應(yīng)是的第二個(gè)頂峰溫度是由于葉片滲入材料組織時(shí)葉片和標(biāo)本之間的摩擦熱的熱傳導(dǎo),導(dǎo)致溫度逐步增加,即在測(cè)量過(guò)程中測(cè)定溫度的衰退期。在這種情況下,反應(yīng)時(shí)間取決于傳感器在標(biāo)本中的位置。同樣的切削深度,測(cè)量溫度的峰值傳導(dǎo)的響應(yīng)隨著靜態(tài)載荷的降低而降低,主要因?yàn)檫@種切割出現(xiàn)的非常快。3、葉片輪廓的設(shè)計(jì)對(duì)溫度的影響為當(dāng)前研究設(shè)計(jì)制造四個(gè)鈦合金超聲波切割刀片，并將它們調(diào)節(jié)在兩種截然不同的縱向共振頻率(圖2)。使用有限的元分析(FEA)確定刀片的尺寸。刀身共振頻率基本調(diào)整為兩個(gè)19.5千赫和兩個(gè)35千赫。 雖然葉片被要求來(lái)調(diào)整成不同的長(zhǎng)度，但是振動(dòng)幅度保持不變,設(shè)計(jì)的每一個(gè)刀片的輪廓也都保持一致。先前的切割實(shí)驗(yàn)顯示,樣品溫度與吸收超聲能量可以達(dá)到的峰值溫度有關(guān),溫度高于正常會(huì)引用骨組織壞死。然而,眾所周知的是壞死溫度并不是一成不變的,它取決于骨組織經(jīng)歷高溫的持續(xù)時(shí)間。事實(shí)上,骨組織能承受高溫的時(shí)間如果很短的話是沒有熱損傷7。圖2 35千赫(短)和19.5千赫(長(zhǎng))超聲波切割刀片(a)和(b)定切削刃的部分(簡(jiǎn)介1)和(c),(d)鋸齒狀的尖端部分(側(cè)面2)實(shí)驗(yàn)還表明,暴露的條件下切割股骨頭時(shí)，延長(zhǎng)間隔的高溫會(huì)產(chǎn)生摩擦熱。這項(xiàng)研究旨在調(diào)查葉片輪廓對(duì)超聲波切割骨的期間切削溫度的影響,特別是不同輪廓的刀片和骨頭之間的關(guān)系對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的影響。因此,兩個(gè)不同切割邊緣輪廓的刀具,一個(gè)具有刃部保持不變和尖端(刀片簡(jiǎn)介1),另一個(gè)具有相同的尖端并呈鋸齒狀 (葉片輪廓2)。3.1、 實(shí)驗(yàn)器材該實(shí)驗(yàn)是切割牛股骨樣品，如圖3(a)所示。樣品被切碎并用金屬板夾緊綁在一個(gè)水平的導(dǎo)軌上。變頻控制器和刀組合安裝在一個(gè)可以沿著導(dǎo)軌自由滑動(dòng)的滑塊上。為了研究施加的靜態(tài)力的影響,采用一個(gè)由滑輪、纜繩和砝碼連接在滑塊的一側(cè)組成的系統(tǒng)。用千分尺記錄下每次剪斷后測(cè)得的深度。采用六個(gè)熱電偶均勻分布來(lái)測(cè)量溫度，使其排成兩排，每排三個(gè)，放在切割線的兩側(cè),如圖3(b)描述。在每一行的三個(gè)熱電偶放在距離樣本頂部5、10和15毫米處。1 3號(hào)探測(cè)器和1和4 6號(hào)探測(cè)器相應(yīng)的放置在距離切割線的1毫米和2毫米處。3.2、 切割邊緣輪廓、頻率調(diào)整以及振動(dòng)頻率對(duì)樣本溫度的影響首先,利用兩個(gè)調(diào)諧到35 kHz的刀片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將兩葉片配置(型材1和2)的超聲波振幅調(diào)節(jié)到23微米,并經(jīng)行測(cè)試得到一組在20 - 75 牛范圍內(nèi)變化的靜態(tài)負(fù)載。對(duì)于每個(gè)切削實(shí)驗(yàn)樣品的溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間為300秒,在未切割的時(shí)間里，允許標(biāo)本回到室溫。圖4反映了放置在骨標(biāo)本的六個(gè)熱電偶探測(cè)到的結(jié)果,當(dāng)使用35千赫葉片和型材1和2和靜態(tài)負(fù)荷20 N的情況下,如下所示?？梢悦黠@看到，當(dāng)采用鋸齒形刀片時(shí)，探測(cè)到的溫度明顯偏低，如圖4(b)所示,特別是探測(cè)器1探測(cè)的峰值溫度40 C明顯降低。這些改進(jìn)源于熱力學(xué)條件切割過(guò)程中減少刀片和樣本之間的摩擦接觸面積。這也產(chǎn)生一個(gè)更快切割和便利地從切口位置去除骨碎片。作為一個(gè)結(jié)果,通過(guò)摩擦加熱碎片燃燒,先前被當(dāng)作損傷骨組織的主要原因是可以降低的5,6。圖3 (一)超聲波切割實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材和(b)樣本中的熱電偶分布圖4 使用兩個(gè)35千赫、葉片輪廓(a)和(b)1葉片輪廓2，六個(gè)熱電偶分布在樣本上測(cè)量的溫度顯示圖5 不同切削刃輪廓1和2,都是35 kHz,尖端振動(dòng)幅值(a)和(b)為23微米和40微米的激光束，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)負(fù)荷對(duì)峰值溫度的影響應(yīng)用靜態(tài)載荷對(duì)溫度的影響,可以用圖5所示的刀片型材1和2，尖端振幅23微米和40微米的激光束。在本圖中, 葉片輪廓葉片1和2記錄的不同的切削溫度峰值與應(yīng)用靜載荷成反比。這些測(cè)量值一致記錄了當(dāng)使用葉片輪廓2時(shí)峰值溫度的下降。出現(xiàn)某些少量的趨勢(shì)偏離是由于探頭定位時(shí)的輕微錯(cuò)誤。使用同樣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行19.5千赫葉片在任意頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的切削溫度。每個(gè)葉片都是40微米的振幅,像35千赫葉片在23微米的激光振幅下操作一樣給予同樣的激波振動(dòng)速度。在先前的研究中, 超聲波切割實(shí)驗(yàn)論證了振動(dòng)速度對(duì)振動(dòng)參數(shù)的影響 6。通過(guò)比較圖6和圖5(a)可以看到，葉片輪廓1和2之間測(cè)量的結(jié)果要比35千赫刀片下測(cè)量的結(jié)果差別性很小,因此,19.5千赫切的削溫度的峰值并非如此依賴于切割邊緣輪廓的激波振動(dòng)速度。再次,在19.5 kHz時(shí),刀片輪廓2比刀片輪廓1的切割速度快得多。4、改進(jìn)葉片振動(dòng)性能的設(shè)計(jì)方法盡管切削刀片調(diào)整為縱向模式,它曾明確指出,切削性能與調(diào)諧后的刀片的振動(dòng)特性緊密相關(guān)。在這種情況下,我們發(fā)現(xiàn)將葉片輪廓2調(diào)諧為19.5千赫時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的切削效果比預(yù)期還要差，這表明35千赫和19.5千赫的葉片對(duì)于切削溫度有不同的影響。因此, 進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于葉片輪廓2調(diào)諧為19.5千赫下的振動(dòng)特性研究。圖6 對(duì)不同靜載荷使用19.5千赫葉片和40微米幅值的激光束下測(cè)量的切削刃輪廓1和2的峰溫差4.1、線性和非線性模態(tài)耦合振動(dòng)特性可以通過(guò)三維激光的多普勒效應(yīng)（LVD）的模態(tài)分析(EMA)實(shí)驗(yàn)和LMS模態(tài)分析軟件來(lái)確定。圖7(a)顯示一個(gè)側(cè)面角度測(cè)量的調(diào)整模型,這對(duì)于揭示彎曲葉片的縱向模式具有重大貢獻(xiàn)。圖8(b)顯示了發(fā)生在非常接近縱向模態(tài)頻率的彎曲模式,而且它是調(diào)諧頻率下模態(tài)耦合的原因。圖7 由(a) EMA和(b)FEA有限元分析確定調(diào)諧縱向模式圖8 縱向耦合彎曲模式(a)和(b)彎曲模式的EMA的模態(tài)數(shù)據(jù)圖9 19.5千赫縱向模式下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)此外,當(dāng)這個(gè)裝置在調(diào)諧頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),大量的能量泄漏進(jìn)入一個(gè)內(nèi)在的模態(tài)來(lái)響應(yīng)調(diào)諧頻率的一半,這是主參數(shù)共振的特色8,如圖9所示。9.9千赫下產(chǎn)生的內(nèi)部響應(yīng)模式與刀片的扭轉(zhuǎn)模式相呼應(yīng),如圖10。4.2、通過(guò)輪廓變更來(lái)提高葉片調(diào)整響應(yīng)我們已經(jīng)闡明了19.5千赫葉片的振動(dòng)測(cè)量反應(yīng)的特點(diǎn)是兩個(gè)線性的非線性模態(tài)之間的相互作用。這類能量泄漏會(huì)影響切削過(guò)程中的熱響應(yīng),因此,重新提出了消除這些影響的設(shè)計(jì)方法。要求是, 在不改變?nèi)~片長(zhǎng)度并在葉片輪廓保持足夠的振幅從而允許刀片操作刀尖獲得必須的振幅的情況下將不調(diào)諧的彎曲模式以及扭轉(zhuǎn)模式和縱向模式分離開9,10。將兩個(gè)鋸齒狀的刀片合并來(lái)改變?nèi)~片寬度,如圖11(b)(葉片輪廓3)所示。新刀片彎曲模式頻率下測(cè)量的EMA數(shù)據(jù)有一個(gè)重大轉(zhuǎn)折,將彎曲模態(tài)響應(yīng)與調(diào)諧縱向模式響應(yīng)分離。同時(shí),縮進(jìn)寬度輪廓明顯影響扭轉(zhuǎn)模式模態(tài)頻率,實(shí)現(xiàn)了頻率下降1.1 kHz,導(dǎo)致非線性模態(tài)耦合被剔除。改進(jìn)的葉片對(duì)刀尖的單一線性頻率響應(yīng)振幅達(dá)到55微米。5、葉片輪廓3對(duì)溫度的影響用19.5千赫的葉片輪廓3，40微米刀尖振幅進(jìn)行了進(jìn)一步的切削溫度測(cè)量。圖12顯示了隨著靜載荷的增加，19.5千赫切削刀片1號(hào)和3號(hào)的峰值切削溫差。盡管提高了切削速度,由于新設(shè)計(jì)型材3、消除模態(tài)相互作用圖10 (a) EMA和(b)FEA有限元分析測(cè)定的內(nèi)部扭轉(zhuǎn)模式圖11 頂視圖:(一)初始19.5千赫鋸齒狀葉片輪廓(葉片輪廓2),(b)新設(shè)計(jì)的具有額外寬度的呈鋸齒狀葉片輪廓(葉片輪廓3)圖12 在19.5千赫和刀尖幅值:(a)微米和(b)55微米的情況下，不同切削刃輪廓1和3靜態(tài)載荷下的峰值差振動(dòng)特性作為實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)影響因素,利用設(shè)計(jì)的這種刀片沒有顯著降低溫度。在一個(gè)更高的超聲波振幅，即55微米,樣本記錄了溫度的降低。結(jié)果表明,在19.5 千赫時(shí),影響切削刃結(jié)構(gòu)溫度在較高的超聲波振幅下更明顯(見表1)。6、結(jié)論葉片輪廓對(duì)切削溫度的影響正在被加以研究,以探討在超聲波切割骨頭時(shí)控制溫度的方法。結(jié)果表明減少葉片和樣本之間的接觸面積可以降低樣品溫度。特別是,在更高的調(diào)諧頻率下, 在靜態(tài)負(fù)荷變動(dòng)范圍內(nèi)呈鋸齒狀切割邊緣輪廓的刀片可以始終如一的降低切削溫度，而且兩個(gè)刀尖振幅滿足使用要求。然而,在較低的調(diào)諧頻率下,明顯的降低溫度只有更高刀尖的振動(dòng)振幅下獲得。葉片振動(dòng)對(duì)刀片的影響更加顯著,并且，它顯示了如何改變?nèi)~片輪廓可消除線性的非線性模態(tài)之間的相互作用,從而消除這些在切割實(shí)驗(yàn)中的影響。參考文獻(xiàn)1 J.Y. 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