摘要
生物医疗与机械工程结合十分紧密，机械工程推动了生物医疗领域的发展。各种的传统切削手段如铣削、磨削等广泛应用于骨外科手术中，这些手段在切削过程中产生较大的切削力，使得切削断面容易产生裂纹。骨切削断面的裂纹、表面损伤以及微米、亚微米级的破坏，这些都影响着骨骼的再生、愈合。磨料水射流技术作为一种冷态加工方法，切削过程具有无热效应的优势，减少了对骨组织造成热坏死的风险；同时磨粒的粒径小，产生较小切削力使得切削断面产生裂纹少，在微米尺度去除材料，去除效果好。采用可溶性磨料射流对生物骨材料切削，切削断面无磨料残留，同时可以保证切削断面结构的完整性，对骨科手术以及医疗器械的研发具有重大意义。 本文采用磨料水射流切削皮质骨，重点研究切削断面的表面特性，通过对磨料水射流切削机制的理论分析及实验研究，结合切削断面微观形貌，得到了磨料水射流对皮质骨的去除机理。为了探明射流切削皮质骨所得加工表面的微观特性，首先采用单因素变量法进行了垂直于骨单元和平行于骨单元两方向的切削实验，研究横移速度和靶距对骨切削断面粗糙度的影响规律；同时设计正交实验，分析射流压力、横移速度以及靶距对骨表面粗糙度的主次影响以及最佳参数组合；并且对切削断面微观表面的形貌结构进行表征分析。本文主要得到以下研究结果： （1）不同方向切削断面粗糙度随着切削深度的增加均呈现先减小后稳定再增大的趋势，切削后形成了独特的断面形貌，根据其特征差异与粗糙度分布规律，沿着切削深度增加可依次划分为“初始区”、“光滑区”、“粗糙区”。沿同一切削方向不同区域的表面粗糙度值存在一定差异，其对比关系为：粗糙区＞初始区＞光滑区。横移速度为10mm/min时，骨切削断面粗糙度最小，随着横移速度的增加，骨切削断面粗糙度增大。随着靶距的增加，骨切削断面粗糙度先减小后增大，靶距为3mm，骨切削断面的粗糙度最小。在相同的实验参数条件下，不同切削方向上骨切削断面粗糙度不同，沿垂直方向切削所得加工表面的粗糙度大于平行方向切削所得表面。 （2）横移速度对皮质骨表面粗糙度影响最明显，其次为射流压力和靶距；垂直方向上射流压力对表面粗糙度的影响大于靶距，而平行方向上靶距影响大于射流压力。射流压力从240MPa到320MPa过程中，骨切削断面的粗糙度逐渐减小。适当增加靶距以及射流压力可以获得较高质量的切削断面。本实验中，最佳的实验参数为：横移速度10mm/min、压力320MPa、靶距3mm。 （3）在垂直方向上，初始区划痕长度分布在100-300μm之间、宽度分布在8-18μm之间，深度分布在6-10μm之间。初始区和光滑区划痕长度基本一致，粗糙区划痕长度与前两区域相比增大，随着切削深度增加，划痕的宽度先减小后增大，划痕深度呈现逐渐减小的趋势。平行方向初始区划痕长度分布在100-170μm之间、宽度分布在8-13μm之间，深度分布在3-7μm之间。划痕分布规律与垂直方向上的分布规律相似，与垂直方向相比初始区和光滑区划痕深度减小2-3μm，粗糙区划痕的长度增加100-200μm。 （4）磨料射流切削皮质骨时，材料的去除主要依靠磨粒对胶原纤维的冲击破坏，裂纹的产生与扩展加速了材料的去除进程。在切入和切出区域存在骨纤维拔出的现象，切削过程中，多个磨粒经一次或多次对骨纤维进行切削作用，骨纤维的断口平整，骨切削断面形成微裂纹，裂纹的扩展造成桥连的胶原纤维断裂。
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