医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺与钻削性能研究

摘要

医用微型钻头作为外科手术中最重要的医疗器械之一，对手术质量起着至关重要的作用。而现有的医用微型钻头制备技术普遍存在制备工艺复杂、加工难度大、生产成本高等问题。激光增材制造技术具有材料利用率高、流程短、自由成型制造和制造过程迅速等特点，可以有效地弥补现有医用微型钻头制备技术的不足。因此，本文研究了医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺、磨削工艺和钻削性能。
　　仿真研究了微型器件的选区激光熔化成形温度场，分析了激光功率和扫描速度对温度场的影响规律。结果表明，粉末层最高温度、熔池最大半宽度和深度随着扫描速度的增加而减小，随着激光功率的增加而增大，实现了对特定熔池尺寸下的合理工艺参数范围的选择。
　　研究了医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺和精密磨削工艺。采用选区激光熔化技术制备出了医用微型钻头毛坯。对医用微型钻头毛坯进行了磨削加工，提出了后刀面磨削、横刃修磨和钻径磨削的新刃磨工艺，制备出了符合技术要求的直径为Φ3mm的医用微型钻头。
　　仿真研究了医用微型钻头钻削皮质骨的钻削过程，分析了转速和进给速度对钻削温度和轴向钻削力的影响规律。结果表明，皮质骨钻削温度的最大值随着转速的增加而升高，随着进给速度的增加而降低;医用微型钻头的轴向钻削力在稳定阶段时的平均值随着转速的增加而减小，随着进给速度的增加而增大。选择了钻削皮质骨时的合理钻削参数范围。
　　实验研究了医用微型钻头钻削皮质骨时的钻削性能，对钻削过程进行了分析。结果表明，整个钻削过程切屑排出顺畅，没有出现由于所制备的医用微型钻头未进行螺旋槽磨削加工而影响排屑的现象;当钻削用量为转速600r/min、进给速度40mm/min时，皮质骨的钻削温度最大值为43℃，医用微型钻头的轴向钻削力在稳定阶段时的平均值为41N，钻削温度和轴向钻削力的实验结果与仿真结果随钻削时间的变化趋势是一致的，实验结果与仿真结果的差别较小，验证了有限元仿真结果的有效性。
　　研究了医用微型钻头的钻孔质量和钻头磨损情况。结果表明，医用微型钻头的钻孔质量较高，除了孔出口存在少量毛刺外，孔入口和孔壁都无明显的加工缺陷;医用微型钻头的主要失效形式是后刀面磨损和崩刃，越靠近主切削刃外缘磨损越严重，钻头后刀面的磨损机理是磨粒磨损。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 激光增材制造技术的研究现状

1．1．2 激光增材制造技术的分类

1．1．3 激光增材制造技术在微型器件制造中的应用

1．2 医用微型钻头的研究现状

1．2．1 骨科手术医用钻头

1．2．2 医用不锈钢的制备技术

1．2．3 微型钻头的设计与制备技术

1．3 医用微型钻头制造中存在的问题

1．4 本文的研究目的、意义和主要研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 主要研究内容

第2章 微型器件的选区激光熔化成形温度场研究

2．1 有限元模型的建立

2．1．1 几何模型

2．1．2 基本假设

2．2 温度场的有限元分析

2．2．1 材料的热物性参数

2．2．2 相变潜热的处理

2．2．3 网格划分

2．2．4 初始条件和边界条件

2．2．5 高斯激光束的加载

2．2．6 参数的选择

2．3 有限元分析结果与讨论

2．3．1 温度场分布情况

2．3．2 工艺参数对熔池深度的影响规律

2．3．3 工艺参数对熔池半宽度的影响规律

2．3．4 温度变化规律

2．4 本章小结

第3章 医用微型钻头的选区激光熔化成形工艺研究

3．1 医用微型钻头毛坯的制备

3．1．1 选区激光熔化成形工艺

3．1．2 医用微型钻头毛坯几何参数的检测

3．2 医用微型钻头毛坯的刃磨

3．2．1 精密磨削刃磨工艺

3．2．2 医用微型钻头几何精度的检测

3．3 本章小结

第4章 医用微型钻头钻削皮质骨的钻削过程仿真研究

4．1 有限元模型的建立

4．1．1 几何模型

4．1．2 基本假设

4．2 钻削过程的有限元分析

4．2．1 材料属性

4．2．2 网格划分

4．2．3 失效准则

4．2．4 初始条件和边界条件

4．2．5 参数的选择

4．3 有限元分析结果与讨论

4．3．1 钻削温度分析

4．3．2 轴向钻削力分析

4．3．3 钻削用量的选择

4．3．4 钻头应力分析

4．4 本章小结

第5章 医用微型钻头的钻削性能实验研究

5．1 钻削实验条件

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方法

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 钻削过程分析

5．2．2 钻孔质量

5．2．3 钻头磨损

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和获得的奖励

致谢