CN111700663A

CN111700663A - 一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法

Info

Publication number: CN111700663A
Application number: CN202010366844.3A
Authority: CN
Inventors: 连云崧; 游昌堂; 谢超平; 周伟; 褚旭阳; 张田园
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111700663B

Abstract

本发明属于骨切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。在刀屑接触区加工出仿蜣螂表面微结构的织构阵列，包括分布于蜣螂头部的半椭球凸包微结构和分布于蜣螂背部的半椭球凹坑微结构，能够降低刀具切削骨材料过程中的切削温度，并使切削过程更加稳定，抑制裂纹产生，提高表面质量。该仿生刀具可广泛应用于骨干切削手术，不仅能够降低切削温度，还能抑制裂纹产生，从而改善骨材料切削表面质量，不对病人造成二次伤害。

Description

一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及骨切削刀具领域，特别是一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

背景技术

近年来骨质增生、骨坏死、腰椎间盘突出、颈椎病等骨科疾病患者日益增加，在假体植入和矫形外科技术中对骨外科手术的需求与日俱增。骨外科手术中往往需要对骨材料进行修整加工，如在关节置换和骨折修复手术中，需对骨头进行切削加工，才能满足人工关节和固定钢板的安装匹配的要求。骨材料切削加工的核心技术之一是切削刀具的设计与制造。而采用传统刀具对骨材料进行切削过程中，容易对骨周围组织、血管以及神经组织带来机械和热损伤。特别是当切削温度达到55℃并且持续30s时，骨细胞会严重的坏死；此外，切削过程中容易产生裂纹从对已受损骨骼、周围的骨组织和神经再次造成伤害，阻碍病人术后恢复。

目前，为了提高骨切削手术的可靠性，采取的方法主要包括两个方面：刀具几何尺寸设计和切削工艺参数优化。近些年来，仿生学的研究显示，将具有特殊功能的生物表面微观结构加工到刀具表面上，使刀具在切削加工时实现特殊功能，引起了国内外学术界和产业界的极大关注，为骨切削刀具的研究提供了新的方向。

蜣螂长年在土壤中穿行，其表面微结构尤其是密集排布的头部凸包结构和背部凹坑结构的存在，使其能够大大减少在土壤中的穿行阻力。可见，蜣螂表面形态结构使其具有优秀的抵抗阻力的能力，将其运用在刀具表面上可有效降低摩擦阻力，减少切削热产生。凸包和凹坑微结构边缘对流动切屑易产生“衍生切削”(即二次切削)，使切屑底面部分切屑脱落利于断屑，有效抑制骨材料在切屑分离区域因切屑振动和牵拉产生的裂纹。

中国专利“申请号：200910127238.X”报道了一种齿槽骨切削装置，主要包含一切削组件与一连结组件。切削组件具有一用以研磨切削齿槽骨的研磨切削面，且在研磨切削面开设一主流体流出口。连结组件包含一切削驱动组件与一流体通道。当切削驱动组件驱动切削组件研磨切削出植牙孔，使植牙孔邻接于上颚窦黏膜时，自流体通道经由主流体流出口喷出的一流体，使上颚窦黏膜自植牙孔处与齿槽骨分离，以形成一供进行植牙手术的填骨空间，提高植牙手术成功率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种新型的基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设有刀屑接触区，其特征在于：该刀屑接触区设有点阵结构，其包括若干半椭球凸包和若干半椭球凸包，该若干半椭球凸包和若干半椭球凹坑交错排列在刀屑接触区。

所述半椭球凸包为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为143.2-183.9μm，短轴为55.2-94.7μm。

所述半椭球凸包的椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃夹角为0°-90°，相邻半椭球凸包横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，高度值同半椭球凸包椭圆旋成面半短轴长度，为27.6-47.35μm。

所述半椭球凹坑为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为60.5-115.8μm，椭圆短轴为35.6-85.8μm。

所述半椭球凹坑的椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃夹角为0°-90°，相邻半椭球凹坑横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，半椭球凹坑与相邻所述半椭球凸包等间距排列，其横向间距为77.55-100.7μm，纵向间距为44.2-66.8μm，深度值同半椭球凹坑椭圆旋成面半短轴长度，为17.8-42.9μm。

如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凹坑与所述半椭球凸包等间距排列。

所述刀具本体为铣刀或钻头。

一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)去除刀具本体表面的氧化层，再进行超声波清洗、氮气吹干、真空烘干；

2)在刀屑接触区加工若干半椭球凸包，其椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃的夹角为0°-90°，相邻半椭球凸包横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，高度值为27.6-47.35μm；

3)在刀屑接触区加工若干半椭球凹坑，其相邻半椭球凹坑横向间距、纵向间距、椭圆旋成面长轴与切削横刃的夹角同半椭球凸包排列方式,且与相邻半椭球凸包等间距排列，其横向间距为77.55-100.7μm，纵向间距为44.2-66.8μm，深度值为17.8-42.9μm；

4)将激光加工后刀具本体依次置入酸蚀溶液进行酸蚀处理，消除熔渣定形；

5)强化仿生结构表面，沉积减摩耐磨涂层。

在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层为通过微喷砂处理。

在步骤1)中，所述超声波清洗结束后，再用去离子水冲洗刀具本体，之后用氮气吹干。

在步骤1)中，所述真空烘干为采用真空烘箱进行烘干。

所述步骤2)和步骤3)中，分别采用激光打标机在刀屑接触区加工所述若干半椭球凸包和所述若干半椭球凹坑。

在步骤4)中，所述依次置入酸蚀溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸/硝酸混合溶液。

在步骤5)中，所述强化仿生结构表面方式为等离子体轰击，所述沉积减摩耐磨涂层方式为磁控溅射技术。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所研究的仿蜣螂表面的仿生骨切削刀具即是一种新型的、仿生的切削刀具。通过在刀屑接触区加工出仿蜣螂表面微结构的织构阵列，包括分布于蜣螂头部的半椭球凸包微结构和分布于蜣螂背部的半椭球凹坑微结构，能够降低刀具切削骨材料过程中的切削温度，并使切削过程更加稳定，抑制裂纹产生，提高表面质量。该仿生刀具可以广泛应用于骨干切削手术，不仅能够降低切削温度，还能抑制裂纹产生，从而改善骨材料切削表面质量，不对病人造成二次伤害。

附图说明

图1为本发明的仿生对象蜣螂的表面结构图；

图2为本发明的仿生刀具的示意图；

图3为仿生微结构加工区域俯视图；

图4为半椭球凸包与半椭球凹坑截面图；

图中：1为仿生微结构加工区域即刀屑接触区；2为半椭球凸包；3为半椭球凹坑；4为半椭球凸包椭圆旋成面；5为半椭球凹坑椭圆旋成面；6为切削横刃。

A1为半椭球凸包椭圆旋成面长轴；B1为半椭球凸包椭圆旋成面短轴；A2为半椭球凹坑椭圆旋成面长轴；B2为半椭球凹坑椭圆旋成面短轴；L1为半椭球凸包横向间距；L2为半椭球凸包纵向间距；L3为半椭球凹坑横向间距；L4为半椭球凹坑纵向间距，L5为半椭球凹坑与相邻半椭球凸包横向间距；L6为半椭球凹坑与相邻半椭球凸包纵向间距；K1为半椭球凸包椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃的夹角；K2为半椭球凹坑椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃的夹角。

H1为半椭球凸包高度；H2为半椭球凹坑深度；

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，对应的，以元件在上一面为正面、在下一面为背面以便于理解，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参见图2至图4，一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设有刀屑接触区1，该刀屑接触区1设有点阵结构，其包括若干半椭球凸包2、半椭球凹坑3、半椭球凸包椭圆旋成面4、半椭球凹坑椭圆旋成面5、切削横刃6等。

该若干半椭球凸包2为半椭球凸包椭圆旋成面4旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面4长轴，该椭圆旋成面4长轴A1为143.2-183.9μm，优选为160μm，短轴B1为55.2-94.7μm，优选为75μm。若干半椭球凹坑3为半椭球凹坑椭圆旋成面5旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面5长轴，该椭圆旋成面5长轴A2为60.5-115.8μm，优选为90μm，短轴B2为35.6-85.8μm，优选为65μm。半椭球凸包椭圆旋成面长轴A1延长线与切削横刃6的夹角K1为0°-90°，优选为45°。相邻半椭球凸包横向间距L1为155.1-201.4μm，优选为180μm，纵向间距L2为88.4-133.6μm，优选为120μm，其高度值H1同半椭球凸包椭圆旋成面半短轴长度(B1)/2，为27.6-47.35μm。相邻半椭球凹坑横向间距L3同L1、纵向间距L4同L2、半椭球凹坑椭圆旋成面长轴A2延长线与切削横刃6的夹角K2同K1,且与相邻半椭球凸包2等间距排列，其横向间距L5为77.55-100.7μm，纵向间距L6为44.2-66.8μm，其深度值H2同半椭球凹坑椭圆旋成面半短轴长度(B2)/2，为17.8-42.9μm。

本发明还提出一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其包括如下步骤：

2)在刀屑接触区1加工若干半椭球凸包2，其椭圆旋成面长轴A1延长线与切削横刃6的夹角K1为0°-90°，优选为45°,相邻半椭球凸包横向间距L1为155.1-201.4μm，优选为180μm，纵向间距L2为88.4-133.6μm，优选为120μm，高度值H1为27.6-47.35μm，优选为37.5μm；

3)在刀屑接触区1加工若干半椭球凹坑3，其相邻横向间距L3同L1、纵向间距L4同L2、椭圆旋成面长轴A2延长线与切削横刃6的夹角K2同K1,且与相邻半椭球凸包2等间距排列，其横向间距L5为77.55-100.7μm，纵向间距L6为44.2-66.8μm，深度值H2为17.8-42.9μm，优选为32.5μm；

5)强化仿生结构表面，沉积减摩耐磨涂层。

实施例一

一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，该刀具本体为铣刀，其材料为硬质合金，采用激光加工技术结合酸蚀在刀具前刀面的刀屑接触区1.5mm×1.5mm的方形区域内加工出前文所述的结构，其制备方法步骤如下：

1)进行前处理：通过微喷砂处理，去除刀具本体表面的氧化层。微喷砂处理后，将一定量的有机溶液倒入烧杯中，后将烧杯放入超声清洗机内，再将刀具本体放入烧杯中，有机溶液依次使用无水乙醇和丙酮，分别对刀具本体进行20min的超声波清洗。清洗结束后，用去离子水冲洗刀具本体，清洗后用氮气吹干。最后将吹干后的刀具本体放到真空烘箱中进行脱水烘焙，保证充分干燥；

2)激光加工半椭球凸包：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出半椭球凸包2，其椭圆旋成面长轴A1延长线与切削横刃6的夹角K1为45°,相邻半椭球凸包横向间距L1为180μm，纵向间距L2为120μm，高度值H1为37.5μm；

3)激光加工半椭球凹坑：采用激光打标机在刀具本体的刀屑接触区内加工出半椭球凹坑3，其相邻横向间距L3同L1、纵向间距L4同L2、椭圆旋成面长轴A2延长线与切削横刃6的夹角K2同K1,且与相邻半椭球凸包2等间距排列，其横向间距L5为90μm，纵向间距L6为60μm，深度值H2为32.5μm；

4)将激光加工后刀具本体依次置入盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸/硝酸混合溶液进行酸蚀处理，消除熔渣定形；

5)采用等离子体轰击强化仿生结构表面，利用磁控溅射技术在仿生结构表面沉积减摩耐磨涂层。

经过上述步骤，刀具加工区域呈现出半椭球凸包与半椭球凹坑交错排列的规律性几何点阵结构。

实施例二

一种基于蜣螂表面微结构的仿生切削刀具及其制备方法，其结构和制备方法与实施例一相同，区别在于，刀具本体为钻头。

本发明所研究的仿蜣螂表面的仿生骨切削刀具即是一种新型的、仿生的骨切削刀具。所谓仿生骨切削手刀具，是指利用特定加工技术在前刀面的刀屑接触区加工出仿生物表面结构的微纳米尺度织构阵列的骨切削手刀具。在进行干切削时，由于刀具前刀面上微纳米尺度织构阵列的存在，减小了切削过程中的刀屑接触长度，减小摩擦阻力，进而降低了切削温度。此外，凸包和凹坑微结构边缘对流动切屑易产生“衍生切削”(即二次切削)，使切屑底面部分切屑脱落利于断屑，有效抑制骨材料在切屑分离区域因切屑振动和牵拉产生的裂纹，不对病人造成二次伤害。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设有刀屑接触区，其特征在于：该刀屑接触区设有点阵结构，其包括若干半椭球凸包和若干半椭球凹坑，该若干半椭球凸包和若干半椭球凹坑交错排列在刀屑接触区。

2.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凸包为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为143.2-183.9μm，短轴为55.2-94.7μm。

3.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凸包的椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃夹角为0°-90°，相邻半椭球凸包横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，高度值同半椭球凸包椭圆旋成面半短轴长度，为27.6-47.35μm。

4.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凹坑为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为60.5-115.8μm，椭圆短轴为35.6-85.8μm。

5.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凹坑的椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃夹角为0°-90°，相邻半椭球凹坑横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，深度值同半椭球凹坑椭圆旋成面半短轴长度，为17.8-42.9μm。

6.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述半椭球凹坑与相邻所述半椭球凸包等间距排列，其横向间距为77.55-100.7μm，纵向间距为44.2-66.8μm。

7.如权利要求1所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述刀具本体为铣刀或钻头。

8.一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3)在刀屑接触区加工若干半椭球凹坑，其相邻半椭球凹坑横向间距、纵向间距、椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃的夹角同半椭球凸包排列形式，且与相邻半椭球凸包等间距排列，其横向间距为77.55-100.7μm，纵向间距为44.2-66.8μm，深度值为17.8-42.9μm；

5)强化仿生结构表面，沉积减摩耐磨涂层。

9.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述去除刀具本体表面的氧化层为通过微喷砂处理。

10.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述超声波清洗结束后，再用去离子水冲洗刀具本体，之后用氮气吹干。

11.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，所述真空烘干为采用真空烘箱进行烘干。

12.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中，分别采用激光打标机在刀屑接触区加工所述若干半椭球凸包和所述若干半椭球凹坑。

13.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：依次置入酸蚀溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸/硝酸混合溶液。

14.如权利要求8所述的一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于：采用等离子体轰击强化仿生结构表面，利用磁控溅射技术在仿生结构表面沉积减摩耐磨涂层。