骨钻削与骨磨削过程热控制方法研究综述

王博文,曾青松,谢硕,罗明发

绍兴文理学院 机械与电气工程学院，绍兴

摘要：生物骨材料结构复杂，有各向异性，在外科手术中常以钻削和磨削的方法进行切除，在此过程中不可避免会产生大量热，而因其所处环境的温度敏感性，避免切削热使周边区域细胞、神经、血管发生热损伤，使得外科手术在对骨切削加工过程中对温度的控制有很高的要求。因此，从热量产生和热量交换的角度出发，阐述了钻削、磨削过程中的参数和切削方法对切削过程产热的影响，并对在不同冷却条件下温度控制的效果进行了探究。

关键词：骨钻削 骨磨削 切削温度 冷却方法

前言：

从1974年，美国的 JACOBS 等提出了骨材料切削变型理论开始，学者们对于骨材料切削的研究逐步开展，但要想让骨材料切削安全、稳定地应用于医疗当中，始终面临着一个重大的挑战——温度控制。生物骨材料有复杂的结构特征，在力学、化学和生物学性能上也存在差异，在结构上主要分为质地坚硬的皮质骨和质地疏松的松质骨。皮质骨位于骨质最外层，结构致密，抗压性能大，是骨材料切削的主要研究对象。在外科手术中，无论是钻削还是磨削都避免不了切削热的产生，而骨细胞对温度极其敏感，目前学术界普遍把温度达到47℃并保持一分钟作为人体骨组织的热坏死阈值，50℃是保持生物活性而不发生坏死的极限，同时，切削温度的升高也会影响周边组织的生物活性，从而影响术后恢复。

影响骨材料切削温度的因素有很多，从刀具方面来讲，刀具的结构形态、刀具的直径大小、刀具的材料、刀刃的设计和数量等都会或多或少的对切削温度产生影响；从切削要素来讲，切削速度、背吃刀量、切削深度都会影响材料的去除速率，也都是影响切削温度的直接因素；除此之外，切削时的角度、冷却的种类与形式也会影响切削温度。随着科学技术的不断进步和现代化医疗水平的不断提高，各种现代化的医疗器械不断更新，切削工艺不断优化改善，在保证切削质量的情况下有效控制切削热这一难题也在一步步攻克当中，目前骨切削虽然已经被广泛应用于医学治疗当中，但如何更好地解决切削热这一问题仍然值得我们去探索。

1 骨钻削与骨磨削机理

骨钻削和骨磨削都是骨科、外科手术中较普遍的去除骨组织的方法。骨材料钻削在口腔手术中或者在整形外科手术中用于骨折修复或者固定假肢等方面起着重要作用；而骨材料磨削则广泛应用于脑内骨肿瘤切除、腰椎间突出症开窗治疗、面部轮廓整形、小腿胫骨切断等手术中。生物组织的切削加工是一种能量密集型的加工方式，加工过程伴随着热和力的产生，是一个复杂的过程，其切削质量的好坏和切削过程温度的控制都关系到手术效果和术后的康复。

骨材料钻削是用医疗麻花钻在骨上加工孔以便植入螺钉或假体等，孔加工质量好坏严重影响着病人的术后康复，其中钻削工艺的特点在一定程度上也影响着孔加工质量。钻削过程中由钻头通过横刃的挤压和负前角切削作用使切削部位发生弹塑性剪切滑移变形，生物骨材料被切除，产生微量微小骨屑并在钻头的螺旋槽中积聚后螺旋排出。在此过程中，高速旋转的钻头在轴向力的作用下会使骨组织产生不同程度的微裂纹，而不同的参数会影响微裂纹的形成，XU 等发现了钻削速度对钻削力的影响程度最大，其次是钻削环境，最后为进给速度，他们发现当转速在 1 000～6 000 r/min 范围内，增大钻削速度可以有效减少钻削力，减少微裂纹产生，提升钻削质量。宋金榜等【1】（2014）研究发现轴向力随着进给速度的增大而增大，随着主轴转速的增大而减小，而且主轴转速对轴向力的影响作用强于进给速度。因此，为了降低钻孔过程中的轴向力，应该选择较小的进给速度和较高的转速。除了钻削参数的影响，钻头的几何结构、直径和材料等方面都有可能影响钻削质量，ALAM 等采用了不同直径的钻头对骨材料钻削过程中的轴向力和扭矩进行了量化研究，并指出钻头轴向力和扭矩与钻头钻速成负相关关系，与进给速度成正相关关系。

骨材料磨削作为一种传统的精密加工方法，主要是利用高速旋转中磨头上的细小磨粒对软硬组织进行少量、多次去除，达到对组织修整或者去除的目的。在磨削过程中，磨削力的变化会引起磨头振动，对组织产生机械损伤，因此减小磨削过程的磨削力在所难免。根据ZHANG、BABBAR和朱铮【2】等从切削深度、进给速度和砂轮转速的角度分析对磨削力的影响，结果表明磨削力随工件进给速度和磨削深度的增大而增大，而提高砂轮转速可以有效降低磨削力，减小组织损伤。从这一结果可以显而易见，在磨削过程中磨头进给速度的增大和切削深度增加都会使得皮质骨材料去除率增加，单位时间内磨粒对皮质骨的穿透量增加，导致磨削力显著增加，而对于转速的增加会降低磨削力，研究人员表示可能是随着转速的增加，磨削区内的砂粒数量显著增加，导致单个砂粒的负荷减少，每粒砂粒的体积材料去除率降低所致，因此还需要更多的研究去证实。

2 骨材料切削温度研究

2.1 钻削温度研究：

骨材料钻削过程中，产生的热量主要来源于切削刃与前刀面、已加工表面与刀具后刀面摩擦所做的功以及骨材料在刀具作用下发生弹塑性变形所消耗的功，产生的钻削热一般有三种散热路径：一部分钻削热随着血液循环及新陈代谢等活动传递到血液及其他液体组织中；一部分钻削热传导到骨屑中，随骨屑离开加工区域；最后一部分钻削热则通过骨本身来传递，但由于生物骨导热率低，表层是质地致密的骨密质，内层为疏松多孔的骨松质，形成的半封闭式的加工导致热量不容易与外界流通，钻削产生的热量集中，发生热损伤等现象的几率会大大增加。宋金榜等在高速微细钻骨研究过程中发现进给速度和转速增加时，切削温度产生了较大的波动，变化主要集中在（50~80）℃之间，但没有呈现一致的变化规律，结果倾向于较大的进给有利于降低切削温度。考虑到切削过程的其余要素对切削温度的影响，学者孙建波等【3】（2016）通过极差法分析切削用量对钻削温度的影响程度的研究得出切削速度影响最大，然后是进给量，最后是切削深度。根据大部分学者对切削要素的研究，钻削速度增大会增加摩擦，增加产热，而增加进给量能减少钻削时间，防止热量积聚，达到较好的控温效果，但由于试验方法差异，学者们在临床转速范围内得到的最优参数始终没有一个普适性的结论。

图 1 钻削温度随钻削参数的变化而变化【3】

除了切削要素的影响，有部分学者认为钻头的结构特征也会对温度产生影响。FERNADES 等提出了一种研究热应力与钻头直径、钻削工艺参数的关系的三维有限元模型，结果显示增大直径或者转速会导致切削温度上升，而增大进给速度可缩短钻削时间，避免过多钻削热积累，抑制了钻削温度上升。LEE 等在总结骨材料钻削的加工特征时指出顶角角度为 70°～90°或120°～140°、后角为 12°～15°、螺旋角为 24°～36°的钻头结构有利于减少骨材料钻削过程中的摩擦力，减少骨屑堵塞导致钻削温度上升的风险。除此之外，白小帆等【4】在轴向低频振动辅助皮质骨钻削的研究中发现较大的轴向振幅导致的间歇性切削过程和周期性变化的动态参数是钻削力和温升减小的主要原因。

2.2 磨削温度研究：

骨材料磨削温度主要来源于高速旋转的磨具与骨材料的直接接触产生，因此与进给速度、切削深度和砂轮转速等磨削参数息息相关。根据范镇浩【5】（2021）对颅骨磨削的研究，进给速度的增大会导致大的材料去除率，磨头在皮质骨中的穿透体积将增加，磨削温度上升；磨削深度的增大会导致磨屑尺寸增大、材料去除量增大、能耗增加、快速升温；而磨头转速对磨削温度的影响则稍有不同，在较低转速时，磨削温度上升的幅度较小，转速较高时会使得磨削温度有显著上升。这与早先BABBAR等学者所研究的结论基本一致。

（a）磨削深度0.4mm（b）磨削深度0.6mm（c）磨削深度0.8mm

图 2  不同转速、进给速度及磨削深度得到的磨削温度【5】

对磨削温度的研究还有一个重要的点就是建立有效的磨削热源以及磨削区域热分配模型，采用试验与数值模拟相结合的方法来研究骨材料磨削产热及传热问题。张丽慧【6】(2016)用热电偶测温以及电机PWM信号测量等方法计算获得出磨削过程的磨削热，采用了顺序函数发和序列二次元优化方法分别反演了平均热流密度和热流空间分布，重建了骨磨削过程中的三维瞬态温度场。杨敏【7】(2019)则计算并分析了不同磨削行为下磨粒磨削几何运动以及材料断裂消耗的能量，得到磨削热源分布模型。

3 冷却方法研究

骨材料加工过程的冷却方法从机理上主要分为外部冷却和内部冷却，从形式上则分为内部气体冷却，滴液冷却，喷雾式冷却和纳米粒子射流喷雾式冷却（NJMC）等。为探究内、外部冷却条件下散热性能的差异，学者们进行了各方面的对比实验。Sönke Harder等在探究钻头材料和冷却方法对骨内温度发展的影响，发现内、外部冷却的选择对温度有较大影响，而温度发展与钻头材料几乎没有关联。Ehsan Shakouri等设计了在不同转速和冷却条件下的钻孔实验，通过生理盐水外部冷却条件与无冷却条件对比，发现温度升高虽然有所下降，但仍会随转速和深度的增加而增大，而在气体内冷却条件下，局部温升的结果与钻孔的转速和深度无关。

图 3 不同冷却条件下温度曲线【7】

不同的外部冷却形式也会影响冷却效果。杨敏等【7】在已建立的动态热流密度模型的基础上建立了神经外科骨磨削温度场预测新模型，减小了计算的温度值误差，实验结果显示喷雾式和 NJMC 比干磨削条件下骨表面平均温度值分别下降了13.6%和33.9%，而 NJMC 能达到理想的冷却效果，这是由于高表面能的纳米粒子在高压气体的作用下具有了高活性，使得布朗运动加剧，加速了换热，另一方面，HA纳米粒子形状多呈棒状或球形，一定程度上减少了摩擦副的形成，从而减少热量的产生。

4 总结和思考

骨材料切削是一种常见的临床手术操作。本文概述了骨材料钻削和磨削加工的理论和研究现状，目前针对骨材料切削的温度控制方面的研究已开展很多，大部分都是针对于切削要素和冷却方法，不同的切削参数会对切削质量和切削温度产生影响，其中切削速度影响最大，然后是进给量，最后是切削深度，不同的冷却方式可以不同程度减少温度积聚，其中以纳米粒子射流喷雾冷却效果最佳，而针对于切削方法和刀具结构方面的研究却相对较少。此外，对于温度场的研究也并未完善，着眼于当前研究现状，我们提出以下思考：

（1）对于骨材料切削加工过程，目前大部分研究集中在使用正交切削，正交切削是一种简单的切削方式，可以解释单一参数下骨材料的切削特性、材料失效机理及切削模型，但对于骨材料切削研究，我们应该探索更多的切削方式。现有研究表明骨材料的刀具切削方向与骨单元的相对位置关系是影响切削力与切削温度的关键因素之一。但由于切削加工过程复杂，且切削模式不唯一。因此，正交切削用于研究骨切削加工也存在一定的的局限性，需要更多的加工方式研究数据来进行综合分析。

（2）针对于不同的切削加工方式，需要使用不同的刀具，而刀具的结构会影响切削过程的产热，也会在一定程度上影响骨屑的排放，从而影响切削温度的变化。根据现有研究显示，已有学者开始了刀具结构上的研究，但针对不同切削方式，每位学者都会有不同的思考方向，因此刀具的结构设计依然值得去不断探索。

（3）在骨材料切削加工方面，温度始终是最重要的指标之一，过高的温度会导致人体不可逆转的伤害，而在骨材料切削加工这一复杂工况下的钻削温度场模型始终尚未有比较完备的结论。因此，对于骨切削加工的温度控制研究仍需要更多学者来进行更全面的分析研究。

参考文献：

[1] 宋金榜,陈明,赵梓涵,文亮.高速微细骨钻过程中切削力与切削温度试验研[J].机械设计与制造, 2015,(4),137-143.

[2] 朱铮,胡中伟,张志斌,等.不同砂轮磨削牛密质骨的磨削力研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2014(5):13-16.

[3]孙建波.微织构刀具皮质骨钻削温度的预报模型研究[D].天津:天津理工大学,2016.

[4]白小帆,侯书军,李慨,曲云霞.轴向低频振动辅助皮质骨钻削的钻削力和温升[J].中国机械工 程, 2021,32(3),321-330.

[5]范镇浩.开颅手术中皮质骨磨削机理分析与损伤研究[D].天津:天津理工大学,2021.

[6]张丽慧,王广军,陈红,等.基于导热反问题求解骨磨削过程移动边界热流[J].工程热物理学报，2016,37(12):2621-2625.

[7]杨敏.医用纳米粒子射流喷雾式冷却生物骨微磨削热力学作用机理与温度场动态模型[D].青岛:青岛理工大学,2019.