骨銑削過程中切削溫度測量方法研究

(天津理工大學中環信息學院 天津 300380)

一、引言

骨細胞對溫度異常敏感，高溫會使骨細胞失去生物活性，發生脫水死亡，失去恢復再生的能力。骨細胞承受高溫的能力是非常弱的，當溫度達到70℃時，骨細胞幾乎瞬間發生了死亡，溫度降低，骨細胞承受高溫的時間延長。骨科手術中如圖1.1所示，骨的銑削是必不可少的，骨銑削表面質量的好壞直接影響人工假體與骨的配合，稍有失誤就有可能損傷脊髓和神經根，造成肢體功能障礙。骨切削過程中產生的熱量，會導致刀具與切削表面的溫度升高，從而導致周圍骨細胞脫水死亡。切削溫度是銑削操作過程中影響切削質量其中一個重要指標，對手術成功與否有著至關重要的作用。為了減少骨細胞和周圍組織的損傷，獲得良好的切削表面質量，應該找出切削參數與切削溫度的影響關系，便于確定合理的切削參數，實驗中，選取精確測量出切削溫度的方式具有重要意義。

圖1.1 骨頭鉆削示意圖

二、骨銑削過程中切削溫度測量方法

切削溫度的測量可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量，傳感器與被測部位直接接觸。熱電偶法是典型的接觸式測量方法。它是基于“熱電效應”原理制成的，如圖2.1所示。兩種不同成分的導電材質接連在一起形成閉合回路時，材質表層會有電子溢出，由于不同材質產生電子的能力不同，所以，在兩種材質接觸界面間會形成電位差，回路中就會產生電流。由于特定材質構成的材料副在一定溫度條件下產生的電位差是一定的，所以，經過標定后，可通過電位差的大小來判斷溫度的高低。

圖2.1 熱電偶工作原理示意圖

非接觸式測量，感溫元件與被測物體不直接接觸，主要是基于物體的熱輻射原理設計的，通過檢查熱輻射強度的大小來判斷溫度的高低，溫度越高，輻射強度越大，溫度越低，輻射強度越小。

(一)自然熱電偶法

將刀具、骨頭，毫伏計首尾串聯起來，利用能量轉換來測量出切削加工中的溫度值。其具體操作為：在毫伏計的一端接口處連接由骨頭引出的導線，而另一端接口處則連接由刀具引出的導線。在整個金屬切削過程中，隨著切削加工的開始，骨頭與刀具勢必會產生熱量，而與之相連接的毫伏計兩端由于處于常溫狀態，則在接口處勢必會產生溫差。通過冷端與熱端之間的溫差引發熱電勢，由此會引發毫伏計指針發生變化。而毫伏值的記錄可以達到測量金屬切削溫度的目的。

(二)人工熱電偶法

人工熱電偶法解決了自然熱電偶法只能測切削區平均溫度這一限制，其能夠測得切削區刀、屑、骨頭某一具體點的溫度。人工熱電偶是由2種絕緣的金屬絲構成的，而且金屬絲事先已進行標定，金屬絲焊接于刀具或骨頭的測溫點上或埋進測溫點開的小孔內(小孔會影響刀具里熱流及溫度分布，甚至減弱刀具強度，所以孔的直徑在滿足要求的情況下應盡可能的小)，形成熱端。冷端通過導線串聯毫伏計，與自然熱電偶法同理，冷熱端之間因為溫差導致熱電勢，根據記錄的毫伏值和標定曲線得到熱端溫度，如圖2.2所示。

1. 骨頭 2. 刀具 3. 豪伏計

有學者研究了主軸轉速、進給速度和鉆削深度對溫度分布的影響。通過在鉆孔周圍不等距離處安放熱電偶，以檢測溫度在骨骼中的分布情況。

(三)熱電偶與LabVIEW相結合的溫度測量系統

在切削溫度測量中，鉆削溫度是比較難測得的，單純采用熱電偶法會有許多局限，測量不便利，誤差較大。采用軟件與熱電偶等硬件相結合的方法是鉆削溫度測量的新渠道。軟件采用LabVIEW虛擬儀器技術實現，利用LabVIEW軟件模塊化、層次化軟件結構，建立鉆削溫度測試信號的界面系統。硬件部分由計算機、數據采集卡、放大電路和電耦回路組成。系統以半人工熱電偶作為傳感器，獲取信號后由數據采集卡送入計算機，在虛擬儀器界面獲取鉆削溫度相關數據或所需圖形，系統示意圖如圖2.3所示。

1. 夾具;2. 墊板;3. 骨頭;4. 刀具;5. 卡具;6. 主軸;7. 計算機;

(四)紅外測溫法

紅外測溫法是輻射式測溫的一種利用物體的熱輻射現象來測量物體溫度，裝置示意圖見圖2.4。紅外測溫儀主要包括光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分。在鉆削加工中，針對筒壁內表面溫度難以直接測得的情況，采用響應速度快、靈敏度高、體積小的紅外傳感器對鉆削溫度進行間接測試的方法。無論密封與非密封狀態，被測物體內部溫度場會隨著所處環境溫度場的變化而變化，其間存在著某一對應關系。根據傳熱學理論，如果被測介質隨環境溫度的變化關系是已知的，通過測定被測體外表面的溫度，所需點的溫度便可間接獲得。

1. 步進電機;2. 蝸輪蝸桿減速機;3. 主軸;4. 鉆頭;5. 紅外傳感器

有學者采用紅外測溫儀來檢測骨銑削表面的溫度，但是由于切削刀具的干擾，很難直接測得切削刃與骨骼接觸處的溫度，只能記錄已切削表面的溫度，檢測到的溫度不是最大溫度，實驗結果存在較大誤差。陶媛等對紅外熱像儀測量切削溫度的方法進行了誤差來源分析與實驗研究，研究結果對于紅外熱像儀現場監測切削溫度，具有實際的指導意義。

三、結語

骨切削過程中產生的熱量，會導致刀具與切削表面的溫度升高，從而導致周圍骨細胞脫水死亡。骨銑削過程中，選擇合適的切削溫度測量方法，研究切削參數與切削溫度的影響關系，有助于優化切削參數，減少切削熱的產生。

【參考文獻】

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