CN111947784A - 用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，包括：设置于立式机床上的带有钻头的刀柄和设置于夹具内的红外热像仪，其中：试样固定于夹具上且由钻头对其钻孔，红外热像仪设置于夹具的底部并实时对钻孔出口处的温度场进行测量；所述的夹具包括：内框、外框和红外滤光片，以及带有对应圆孔的盖板和亚克力挡板，其中：外框固定于机床上且顶部与盖板连接，内框固定于外框内且将红外热像仪垂直固定，亚克力挡板位于内框的上方，红外滤光片置于亚克力挡板的圆孔处。本发明实现了实时捕获立式机床上骨钻削出口处的温度场；能够为骨钻削热损伤面积评价提供技术支撑；能够适应不同钻削方式下的孔出口处的温度场测量，消除限制。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种立式机床的骨钻削领域的技术，具体是一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统及方法。
背景技术
骨钻削已广泛应用于各种外科手术，如全膝关节置换术、神经外科开颅术、牙种植术、钢板植入术和整形外科手术。骨钻孔是一种机械-热耦合过程，通过去除骨组织达到医疗目的。由于骨组织导热系数小，且钻孔属于封闭式加工工艺，切削区产生的热量难以耗散。但是骨组织对温度非常敏感，骨的热损伤与手术成功率和术后疼痛程度密切相关。特别是高温会导致骨坏死、血液凝固和神经损伤，从而引发严重的并发症。根据以往研究的结论，当温度超过55℃时，人体活的骨细胞会发生不可逆的损伤。因此研究骨钻削过程中的温度和热损伤具有重要意义，准确测量骨钻削时的温度场对骨钻削工艺优化和骨钻削质量评价具有重要作用。现有技术主要通过钻削温度评价骨钻削的热损伤，最常用的钻削温度测量方式是红外测温法和热电偶法。但对于骨的热损伤，损伤区域大小也是需要考虑的重要指标。但是热电偶测温法无法测量温度场，也就无法对热损伤面积进行评价。另外，使用立式机床进行孔加工，孔的出口处朝向机床工作台，而红外热像仪设置于机床侧面的方式无法测得孔出口处的温度场。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统及方法，能够准确捕获骨钻削出口处的温度场。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，包括：设置于立式机床上的带有钻头的刀柄和设置于夹具内的红外热像仪，其中：试样固定于夹具上且由钻头对其钻孔，红外热像仪设置于夹具的底部并实时对钻孔出口处的温度场进行测量。
所述的夹具包括：不锈钢薄板内框、不锈钢外框、红外滤光片、带有对应圆孔的不锈钢盖板和亚克力挡板，其中：外框固定于机床上且顶部与盖板连接，内框固定于外框内且将红外热像仪垂直固定，亚克力挡板位于内框的上方，红外滤光片置于亚克力挡板的圆孔处。
所述的外框的两相对内侧设有凸起以放置亚克力挡板。
所述的亚克力挡板的中央设有圆孔，该圆孔的边缘设有凸台以放置红外滤光片。
本发明涉及一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量方法，具体步骤如下：
步骤1：将红外热像仪的镜头朝上，即让镜头对准工件，然后使用螺栓将红外热像仪固定于不锈钢薄板内框上。使用螺栓穿过不锈钢外框底部的孔将夹具固定于机床工作台上，当需要在骨钻削过程中测力时，则使用螺栓将夹具固定于测力仪上。将骨试样用螺栓固定于夹具的不锈钢盖板上；
步骤2：使用机床进行骨钻削，在钻孔时，亚克力挡板能够挡住掉落的切屑以避免切屑干扰红外热像仪测量，钻削区域为在不锈钢盖板的中央圆孔范围内并透过红外滤光片，既能通过红外热像仪捕获孔出口处的温度场，又能避免钻头与夹具的不锈钢盖板发生干涉；
步骤3：在骨钻削过程中使用红外热像仪全程记录骨试样的下表面温度场，当钻头钻至出口处，捕获钻削温度场；
步骤4：根据红外热像仪捕获的钻头钻至出口处的孔出口处温度场，计算骨钻削热损伤因子，以此来对骨钻削热损伤区域大小进行定量分析。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法实现不同骨钻削工艺的定量评价，本发明通过在立式机床上测量骨钻削出口温度场，并计算得到骨钻削热损伤因子。与现有技术相比，本发明测量过程操作简单。另外，提出了使用骨钻削热损伤因子对骨钻削热损伤区域大小进行评价。基于骨钻削温度场的测量图像可以准确快速地计算得到骨钻削热损伤因子。
附图说明
图1为本实施例应用时的示意图；
图2为本实施例的夹具示意图；
图3为本实施例的骨钻削出口温度场实测图；
图中：刀柄1、钻头2、骨试样3、红外热像仪4、夹具5、不锈钢薄板内框501、不锈钢外框502、不锈钢盖板503、亚克力挡板504、红外滤光片505。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，包括：设置于立式机床上的带有钻头2的刀柄1和设置于夹具5内的红外热像仪4，其中：骨试样3固定于夹具5上，钻头2对骨试样3进行钻孔，红外热像仪4设置于夹具5的底部以对钻孔出口处的温度场进行测量。
如图2所示，所述的夹具5用于实现在立式机床上准确且快速测量骨钻削出口温度场。提出了骨钻削热损伤因子fT用于评价骨钻削热损伤区域大小，其具体包括：不锈钢薄板内框501、不锈钢外框502、不锈钢盖板503、亚克力挡板504和红外滤光片505，其中：不锈钢外框502通过其底部的螺纹通孔固定于机床上，不锈钢外框502侧壁的顶部各通过垂直方向设置的三个螺纹孔与不锈钢盖板503进行螺栓连接，不锈钢薄板内框501固定于不锈钢外框502内且将红外热像仪4垂直固定，亚克力挡板504位于不锈钢薄板内框501的上方，红外滤光片505置于亚克力挡板504的圆孔处并介于红外热像仪4和骨试样3之间。
所述的不锈钢薄板内框501的两侧各设有一枚带有两个圆孔的耳片以采用螺栓将不锈钢薄板内框501与不锈钢外框502相固定，其板厚为1.6mm以便于装卸并减轻重量。
所述的红外热像仪4的外壳上设有与不锈钢薄板内框501的侧壁上的孔对应的螺纹孔以便于螺栓固定。
所述的不锈钢外框502的厚度为10mm以保证夹具5的刚性和钻削过程的稳定性，其两相对侧壁上各设一条截面为3mm×3mm的凸起以安置亚克力挡板504。
所述的不锈钢盖板503的厚度为10mm，其中间设有直径为35mm的圆孔且两侧各设有M3螺纹孔。
所述的亚克力挡板504的厚度为1.5mm，其中间设有直径为60mm的圆孔，该圆孔的边缘设有凸台以放置红外滤光片505。
本实施例涉及一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量方法，具体步骤如下：
步骤1：将红外热像仪4用螺栓固定于夹具5上，将红外热像仪4的镜头朝上，即让镜头对准骨试样3的下表面，然后使用螺栓将红外热像仪4固定于不锈钢薄板内框501上。使用螺栓穿过不锈钢外框502底部的孔将夹具5固定于机床工作台上，当需要在骨钻削过程中测力时，则使用螺栓将夹具5固定于测力仪上。将骨试样3固定于夹具5的不锈钢盖板503上，将制备好的骨试样3用螺栓固定于不锈钢盖板503上。
步骤2：进行骨钻削，并通过红外热像仪4捕获孔出口处温度场，具体是使用机床进行钻孔，在钻孔时，亚克力挡板504能够挡住掉落的切屑以避免切屑干扰红外热像仪4测量，钻削区域为在不锈钢盖板503的中央圆孔范围内并透过红外滤光片505，既能通过红外热像仪4捕获孔出口处的温度场，又能避免钻头2与夹具5的不锈钢盖板503发生干涉。
所述的骨钻削包括使用各种类型的钻头、使用不同的钻削工艺和不同的钻削参数。
所述的不同的钻削工艺包括钻削、超声辅助钻削、低频振动钻削、干切削、湿切削。
所述的不同的钻削参数包括转速和进给速度。
步骤3：在骨钻削过程中使用红外热像仪4全程记录骨试样3的下表面温度场，当钻头钻至出口处，捕获钻削温度场；
步骤4：根据红外热像仪4捕获的钻头2钻至出口处的孔出口处温度场，计算骨钻削热损伤因子，以此来对骨钻削热损伤区域大小进行定量分析。
所述的骨钻削热损伤因子
其中：DEC是骨细胞不可逆热损伤的临界温度等温线的等效圆直径；Dhole是骨钻削得到的孔的直径。
本实施例中采用新鲜牛股骨的皮质骨，皮质骨试样的厚度为8mm。骨钻削采用医用不锈钢麻花钻，直径为4mm，顶尖角为90°，螺旋角为23°。钻削时转速为3000r/min，进给速度为0.04mm/z，常规钻削，干切削。采用如图1所示的骨钻削方法和测温方法进行测量，得到如图3所示的孔出口处的温度场。以18℃温升作为骨细胞不可逆热损伤的临界温度，计算得到热损伤因子为1.44。
综上，本发明为在立式机床上进行骨钻削出口温度场测量和骨钻削损伤评价提供了有效的方法。并且本发明应用范围广泛，可以满足各种类型的钻头、不同的钻削工艺(包括常规钻削、超声辅助钻削、低频振动钻削、干切削、湿切削)和不同钻削参数(转速和进给速度)条件下的骨钻削出口温度场测量。因此，本发明为骨钻削温度测量实验的开展提供了技术支持，为骨钻削工艺开发和对比评价提供了实验保障。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，其特征在于，包括：设置于立式机床上的带有钻头的刀柄和设置于夹具内的红外热像仪，其中：试样固定于夹具上且由钻头对其钻孔，红外热像仪设置于夹具的底部并实时对钻孔出口处的温度场进行测量；
所述的夹具用于实现在立式机床上准确且快速测量骨钻削出口温度场，提出了骨钻削热损伤因子fT用于评价骨钻削热损伤区域大小，其具体包括：不锈钢薄板内框、不锈钢外框、红外滤光片、带有对应圆孔的不锈钢盖板和亚克力挡板，其中：外框固定于机床上且顶部与盖板连接，内框固定于外框内且将红外热像仪垂直固定，亚克力挡板位于内框的上方，红外滤光片置于亚克力挡板的圆孔处。
2.根据权利要求1所述的用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，其特征是，所述的外框的两相对内侧设有凸起以放置亚克力挡板。
3.根据权利要求2所述的用于立式机床的骨钻削出口温度场测量系统，其特征是，所述的亚克力挡板的中央设有圆孔，该圆孔的边缘设有凸台以放置红外滤光片。
4.一种根据上述任一权利要求所述系统的用于立式机床的骨钻削出口温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将红外热像仪用螺栓固定于夹具上；
步骤2：将夹具固定于机床上；
步骤3：将试样固定于夹具的盖板上；
步骤4：进行钻削，并通过红外热像仪实时捕获孔出口处温度场；
所述的骨钻削包括使用各种类型的钻头、使用不同的钻削工艺和不同的钻削参数；
所述的不同的钻削工艺包括钻削、超声辅助钻削、低频振动钻削、干切削、湿切削；
所述的不同的钻削参数包括转速和进给速度。
5.根据权利要求4所述的骨钻削出口温度场测量方法，其特征是，所述的骨钻削热损伤因子
其中：DEC是骨细胞不可逆热损伤的临界温度等温线的等效圆直径；Dhole是骨钻削得到的孔的直径。
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