CN111759488B - 一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法及系统与制备 - Google Patents

一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法及系统与制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法，属于医疗器械制造领域，包括：对镍钛锉的整体结构进行离散化处理；对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模；建立了根管预备过程三维锉削力模型，获得镍钛锉各微元截面的最优参数；对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整。本发明通过对镍钛锉器械的离散化处理，借助于金属切削、磨削相关思路，利用微分几何，生物力学、牙体牙髓等多学科知识，对每一单元结构及整体结构进行参数优化，提高了镍钛锉器械的在使用过程中发生器械分离的问题，同时可以获得较高的镍钛锉器械抗扭转断裂能力，进而提高根管预备过程的效率和质量。

Description

一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法及系统 与制备
技术领域
本发明属于医疗器械制造领域，具体涉及一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
牙齿根管预备是指利用专门手术器械的旋转和往复运动，清除根管内的病变牙本质等，形成一个平滑、锥形的根管，是治疗牙髓病关键步骤之一。镍钛锉是根管预备过程中常用和首先的器材，与传统不锈钢器械相比，镍钛锉具有形状记忆、超弹性功能，在根管预备过程中，由于偏移程度和工作长度丧失小，碎屑推出根尖孔少等优点，近年来广泛应用于临床。
发明人发现，由于镍钛锉沿着根管内不同位置的接触状态不同，导致其所受载荷不同，所受载荷过大将会导致镍钛锉的器械的断裂、脱落等，造成根管堵塞现象，进而对牙组织造成不可逆的伤害，并影响根管预备的成功率。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种变截面镍钛锉器械的设计方法。本发明解决了根管预备过程中镍钛锉器械容易发生器械分离的问题。现有的镍钛锉器械，使用过程中会出现切削力过大的情况，进而导致器械的扭转断裂。本发明中，通过对镍钛锉器械的离散化处理，借助于金属切削、磨削相关思路，利用微分几何，生物力学、牙体牙髓等多学科知识，对每一单元结构及整体结构进行参数优化，建立镍钛锉工作过程变形、挤压，扭转和锉削载荷模型，揭示刀具结构与锉削力和扭矩之间的内在关联关系，研究螺旋角、刀尖形状、锥度等结构对切削力影响规律。能够有效避免镍钛锉器械的在使用过程中发生器械分离的问题，同时可以获得较高的镍钛锉器械抗扭转断裂能力，进而提高根管预备过程的效率和质量。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法，包括：
对镍钛锉的整体结构进行离散化处理，将完整的结构离散为各切削微元；
对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模；
以锉削力合力最小为优化目标，建立了根管预备过程三维锉削力模型，获得镍钛锉各微元截面的最优参数；
以整体扭矩最小为目标，以几何连续性为约束条件，对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整，即得。
本发明提出的镍钛锉结构设计新理论，可以完善当前根管治疗体系，完善根管锉削过程理论支撑及其设计方法。能够有效改善锉削过程的锉削力，提高锉的抗折断能力，提高疲劳寿命和切削性能，进而提高根管预备的导引能力、效率和质量。
本发明的第二个方面，提供了一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计系统，包括：
用于对镍钛锉的整体结构进行离散化处理的单元；
用于对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模的单元；
用于建立了根管预备过程三维锉削力模型的单元；
用于对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整的单元。
本发明提出的镍钛锉二次优化的设计方法，能够为根管预备操作如：镍钛锉型号选择，锉削扭矩的施加等提供科学准确的数据支持，摆脱了单纯依赖医师的经验，临床应用背景显著；在此基础上，本发明提出的基于锉削力的镍钛锉结构优化设计方法，将刀具离散为一系列单元刀具，进而优化刀具参数，改善受力状态，提高了镍钛锉产品的可靠性和清理能力。
本发明的第三个方面，提供了一种根管预备的变截面镍钛根管锉的制造方法，根据任一上述的设计方法对镍钛根管锉的结构进行设计；
按照设计参数制造镍钛根管锉。
基于本发明的变截面镍钛根管锉的设计方法，可以显著提高新型镍钛锉整体抗扭转断裂的能力，避免手术过程中出现因断裂、脱落等原因造成的根管堵塞现象，提高了手术过程中的使用性与安全性。
本发明的有益效果在于：
(1)通过本发明结构优化方法的实施，形成了一种新型变截面镍钛锉器械。基于上述锉削力模型，研究刀具几何结构(螺旋角、刀尖宽度、刀尖角度和锥度)对切削力载荷、扭矩影响规律，绘制刀具几何结构与切削力、扭矩图谱，为刀具结构设计及手术中钻机扭选择提供指导。
(2)目前镍钛根管锉大多采用磨削或扭曲的方法制造而成，通过与本发明提出的镍钛锉设计方法对比，通过对于截面的参数优化，可以显著提高新型镍钛锉整体抗扭转断裂的能力，能够避免手术过程中出现因断裂、脱落等原因造成的根管堵塞现象，提高了手术过程中的使用性与安全性。
(3)本发明提出的镍钛锉结构设计新理论，可以完善当前根管治疗体系，完善根管锉削过程理论支撑及其设计方法。能够有效改善锉削过程的锉削力，提高锉的抗折断能力，提高疲劳寿命和切削性能，进而提高根管预备的导引能力、效率和质量。
(4)本发明提出的镍钛锉二次优化的设计方法，能够为根管预备操作如：镍钛锉型号选择，锉削扭矩的施加等提供科学准确的数据支持，摆脱了单纯依赖医师的经验，临床应用背景显著；在此基础上，本发明提出的基于锉削力的镍钛锉结构优化设计方法，将刀具离散为一系列单元刀具，进而优化刀具参数，改善受力状态，提高了镍钛锉产品的可靠性和清理能力。
(5)本发明的设计方法简单、刀具性能改善明显、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1的镍钛锉的离散微元化及分析过程图；
图2是本方面实施例1的单元镍钛锉的锉削过程建模图。
图3是本方面实施例1的镍钛锉锉削过程仿真图。
图4是本发明变截面镍钛根管锉的设计流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种变截面镍钛锉器械的设计方法，包括：
1)对现有镍钛锉的整体结构进行离散化处理，将完整的结构离散为各切削微元；
2)基于步骤1)，对每个切削微元进行二维单元刀具锉削力建模；
3)基于步骤2)，以锉削力合力最小为优化目标，建立了根管预备过程三维锉削力模型，获得镍钛锉各微元截面的最优参数；
4)以整体扭矩最小为目标，以几何连续性为约束条件，对步骤3)各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整；
进一步的1.1)如图1(a)所示，将镍钛锉在根管内的切削过程，离散为若干个微元刀具；
进一步的1.2)在二维单元刀具锉削过程中，如图2所示，刀具结构参数为刀尖角θ和刀尖宽度L，单元刀具在在一定压力Fs作用下，切入牙本质材料深度为ap，刀具的锉削速度为V，在锉削过程中，刀具在锉削速度方向会受到一个反向的锉削力Ff。在锉削过程中，锉削层深度ap与刀尖压强、刀尖角度和材料硬度有关，因此提出了如公式(1)所示的表达公式，其中
Figure BDA0002577652620000061
为刀尖压强，Δd为单位刀具的刃线长度，H为材料硬度。函数关系式f1通过有限元仿真，利用多项式拟合获得。
本发明将锉削力F分为两部分：压力作用下的摩擦力和去除材料所需要的力，其中，压力作用下的摩擦力可由库伦定律求得，去除材料所需要的力与锉削层面积呈线性关系。因此提出公式(2)计算公式，其中μ为摩擦系数，k为锉削系数，与材料力学性质，刀具结构和锉削速度有关，进而提出了公式(3)。其中函数关系f2通过有限元仿真，利用多项式拟合获得。
Figure BDA0002577652620000062
Ff＝μFs+k·ap·Δd (2)
k＝f2(θ,L,V,H) (3)
进一步的1.3)，通过镍钛锉和根管的几何接触及运动状态，确定每个微元在某时刻的工作状态，建立图1(b)所示的微元的锉削模型；针对刀具微元的切削刃，根据刀刃几何型线，计算切削刃的受力状态，并根据刀具的刃形可将单位锉削力在空间域进行几何分解，其分解方式如图1(c)所示。依次计算各微元的受力状态和空间分解，即可获得镍钛锉载荷分布，最终通过单元综合法，得到公式(4)-(6)即，根管预备过程三维锉削力模型。其中，Fx,Fy,Fz为根管预备过程中沿X、Y、Z轴三个方向的受力。
Figure BDA0002577652620000071
Figure BDA0002577652620000072
Figure BDA0002577652620000073
其中，m为刀刃齿数；α为刀具锥度；β为刀具螺旋角；i、n是大于0的自然数，且n大于i。
进一步的1.4)相邻单元连续性：在单元级优化中，没有考虑各单元的之间的连接状态，若相邻两单元几何结构差距过大，会造成几何奇点，导致刀具综合受力状态恶化(应力集中)。因此对相邻刀具微元进行连续性检验，以相邻刀具微元几何变化率小于5％为约束条件，若超过5％，按照5％变化率对相邻微元几何参数进行修正。刀具综合受力分析：检验刀具受力满足刀具强度条件；刀具扭矩分析：刀具扭矩满足疲劳寿命要求，并以综合扭矩最小为目标，对刀具总体参数—螺旋角进行优化。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
1)对现有的镍钛锉在根管内的锉削过程进行离散化处理，以0.1mm为单位切削微元，将完整镍钛锉结构离散为120个切削微元；
2)对于每个切削微元进行而为刀具锉削力建模，如图2所示，在具体的实例中，获得的刀具结构参数为刀尖角θ为30°，和刀尖宽度L为0.2mm，单元刀具所受压力Fs为15N，切入牙本质材料深度为ap为0.2mm，镍钛锉在根管马达控制下，旋转速度为350r/min，刀具在锉削速度方向会受到一个反向的锉削力Ff。
在实例锉削过程中，锉削层深度ap与刀尖压强、刀尖角度和材料硬度有关，因此提出了如公式(1)所示的表达公式，其中为刀尖压强计算
Figure BDA0002577652620000081
Figure BDA0002577652620000082
Δd为单位刀具的刃线长度，为0.1mm，H为材料硬度，在本实例中取HRC＝20。函数关系式f1通过有限元仿真(如图3所示)，仿真结果如下表所示，系数通过多项式拟合获得。
a<sub>p</sub>(mm) F<sub>s</sub>(N) L(mm) Δ<sub>d</sub>(°) θ(°) H(mm) F<sub>f</sub>(N)
0.20 5.0 0.10 0.20 30.1 20.0 2.61
0.38 6.5 0.12 0.25 33.2 18.1 3.37
0.50 7.1 0.13 0.29 36.8 15.9 3.94
Figure BDA0002577652620000083
本发明将锉削力F分为两部分：压力作用下的摩擦力和去除材料所需要的力，其中，压力作用下的摩擦力可由库伦定律求得，去除材料所需要的力与锉削层面积呈线性关系，因此提出公式(2)计算公式，其中μ为摩擦系数，在本例中取0.5，k为锉削系数，与材料力学性质，刀具结构和锉削速度有关，进而提出了公式(3)。其中函数关系f2与K通过有限元仿真，利用多项式拟合获得。
Ff＝0.5·Fs+2.63·ap·Δd (2)
K＝0.13·θ+2.72·L-0.21·V+2.09·H (3)
通过镍钛锉和根管的几何接触及运动状态，确定每个微元在某时刻的工作状态，建立图1(b)所示的微元的锉削模型；针对刀具微元的切削刃，根据刀刃几何型线，计算切削刃的受力状态，并根据刀具的刃形可将单位锉削力在空间域进行几何分解，其分解方式如图1(c)所示。依次计算各微元的受力状态和空间分解，即可获得镍钛锉载荷分布，最终通过单元综合法，得到公式(4)-(6)即，根管预备过程三维锉削力模型。
Figure BDA0002577652620000091
Figure BDA0002577652620000092
Figure BDA0002577652620000093
其中，m为刀刃齿数，在本实例中取3；α为刀具锥度，在本实例中取30°；β为刀具螺旋角，在本实例中取45°；i取1；n为微元个数，在本实例中共截取120个微元。通过以上公式计算可以得出根管预备过程的三维锉削力模型。
相邻单元连续性：在单元级优化中，没有考虑各单元的之间的连接状态，若相邻两单元几何结构差距过大，会造成几何奇点，导致刀具综合受力状态恶化(应力集中)。因此对相邻刀具微元进行连续性检验，以相邻刀具微元几何变化率小于5％为约束条件，若超过5％，按照5％变化率对相邻微元几何参数进行修正。刀具综合受力分析：检验刀具受力满足刀具强度条件；刀具扭矩分析：刀具扭矩满足疲劳寿命要求，并以综合扭矩最小为目标，对刀具总体参数—螺旋角进行优化。
按照上述优化后的刀具参数制造刀具。使用结果表明：与数据分析一致，刀具的使用寿命、可靠性和清理能力都得到了提升。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法，其特征在于，包括：
对镍钛锉的整体结构进行离散化处理，将完整的结构离散为各切削微元；
对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模；
以锉削力合力最小为优化目标，建立了根管预备过程三维锉削力模型，获得镍钛锉各微元截面的最优参数；
以整体扭矩最小为目标，以几何连续性为约束条件，对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整，即得；
在二维单元刀具锉削过程中，模型如下：
Figure 900799DEST_PATH_IMAGE001
其中， θ为刀尖角，L为刀尖宽度，Fs为刀具正向压力，ap为锉削层厚度，V为刀具的锉削速度，Ff为刀具锉削力，μ为摩擦系数，k为锉削系数，△d为单位刀具的刃线长度，H为材料硬度；
根管预备过程三维锉削力模型如下：
Figure 349098DEST_PATH_IMAGE002
其中，m为刀刃齿数，β为刀具螺旋角，α为刀具锥度，△d为微元刃长；
对相邻刀具微元进行连续性检验，以相邻刀具微元几何变化率小于5%为约束条件，若超过5%，按照5%变化率对相邻微元几何参数进行修正。
2.一种根据权利要求1所述的应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计方法所利用的设计系统，其特征在于，包括：
用于对镍钛锉的整体结构进行离散化处理的单元；
用于对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模的单元；
用于建立了根管预备过程三维锉削力模型的单元；
用于对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整的单元。
3.如权利要求2所述的应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计系统，其特征在于，所述用于对每个所述的切削微元进行二维单元刀具锉削力建模的单元中，建立的模型如下：
Figure 925573DEST_PATH_IMAGE003
其中， θ为刀尖角，L为刀尖宽度，Fs为刀具正向压力，ap为锉削层厚度，V为刀具的锉削速度，Ff为刀具锉削力，μ为摩擦系数，k为锉削系数，△d为单位刀具的刃线长度，H为材料硬度。
4.如权利要求2所述的应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计系统，其特征在于，所述用于建立了根管预备过程三维锉削力模型的单元中，根管预备过程三维锉削力模型如下：
Figure 55203DEST_PATH_IMAGE004
其中，m为刀刃齿数，β为刀具螺旋角，α为刀具锥度，△d为微元刃长。
5.如权利要求2所述的应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计系统，其特征在于，所述用于对各切削单元进行组装，对各截面几何参数进行二次调整的单元中，以整体扭矩最小为目标，以几何连续性为约束条件。
6.如权利要求5所述的应用于根管预备的变截面镍钛根管锉的设计系统，其特征在于，对相邻刀具微元进行连续性检验，以相邻刀具微元几何变化率小于5%为约束条件，若超过5%，按照5%变化率对相邻微元几何参数进行修正。
7.一种根管预备的变截面镍钛根管锉的制造方法，其特征在于，根据权利要求1所述的设计方法对镍钛根管锉的结构进行设计；
按照设计参数制造镍钛根管锉。
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