王震等：临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 ·711· 牛皮质骨的有限元正交切削仿真，忽略温度效应，故 指导作用.但是缺乏对失效准则的定义，因此仿真 式(1)简化为式(2)，将骨简化为弹塑性材料，研究 中看到的是连续不断的切屑，如图2(a)所示. 切削参数和刀具几何形态对切削力、热的影响，仿真 =(A+Be)[1+Cln so (2) 结果由实验得到验证0，对临床骨手术有一定的 Mise等效应力fMPa (a) 温度/℃ 142.3 2.6-b 85 55 35 13. 24 8.4 2.2 56.9 , 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 x/mm 图2正交切骨切屑形态.(a)连续切削回：(b)锯齿切屑) Fig.2 Chip morphology of bone orthogonal cutting:(a)continuous chip (b)serrated chip 随后Childs和Arola将骨视为均质弹塑性材 少.哈尔滨工业大学殷杰的推导了骨骼微切削条 料，对骨正交切削中的切屑形态做了仿真研究，不过 件下流动应力关于应变梯度的关系，并修正了骨骼 在Alam的基础上定义了与应变路径相关的材料失 微切削的J-C本构模型.分别基于均质各向同性材 效准则.同时，与压力相关的流动应力同样未考虑 料和非均质各向异性材料模型，模拟并分析了骨单 热软化，屈服应力则采用Drucker-Prager准则u,发 位方向对正交切削过程中切削力和切削温度的影 现切削形态以锯齿形为主，如图2(b)所示 响，并观察了材料失效行为.廖志荣等6-切研究了 2014年，Santiuste等考虑到骨组织的各向异性， 皮质骨正交切削中切屑形成及断裂机制，发现在骨 将骨看成是长纤维增强型复合材料，在采用JC本 切削中主要以剪切一裂纹模式和断裂模式为主.对 构的基础上，以Hou模型作为材料的失效准则，研 比不同骨单位方向时的切屑形态，发现断裂模式下 究牛长骨的骨单位方向对切削效果的影响回.结 表面质量差，骨单位的损伤严重，如图3所示.另 果表明，相同条件下骨单位方向和主切削刃方向平 外，在骨单位方向和主切削刃方向垂直时，由于骨纤 行和垂直时，切削温度较低.当切削方向与骨单位 维的强度和韧性增强，剪切应力和切削力最大.天 平行时为连续切屑，切削刃与骨单位方向垂直时为 津理工大学崔洪胤等图针对微织构切骨刀具，采用 锯齿切屑. 线性回归法对不同参数下的骨材料钻削和正交切削 Li等采用光滑粒子流(SPH)）+有限元(FE) 进行建模得到其经验模型，后续的研究在仿真时采 方法数值模拟牛皮质骨的穿透过程，SPH采用拉格 用了正交各向异性的本构建模以更好地模拟骨的力 朗日算法和粒子单元从而避免了网格缠绕和单元的 学行为回 过度扭曲，同时可以保持对历程变量的追踪.骨材 由于骨材料的黏弹性和脆性特征，切削时随着 料被模拟为横观各项同性均质材料，同时采用Hl 切削条件的不同其切削变形和切屑形态变化多样， 各向异性屈服准则和渐进式材料退化.仿真结果显 这与金属切削的塑型变形差异较大.现有的骨材料 示穿透力与骨组织结构取向密切相关，然而实验观 切削仿真研究大多将骨简单类比于金属的弹塑性均 察到的骨材料微观结构增韧机制如裂纹偏转等在仿 质各向同性材料，没有考虑骨材料包含密质骨与松 真中未被考虑 质骨的梯度异构复合结构特征，显然现有的本构模 此外，Feldmann等实验研究了骨的正交切削 型还不能准确有效地指导切削机理的研究. 过程中，刀具前角和切深对切削力和温度的影响. 2骨切削工艺与机理 发现前角和切削深度增大，切削力和温度降低明显. 另外，提出一种从正交试验中计算材料断裂韧性的 2.1骨的钻削 简化方法. 在骨科骨折、神经外科开颅手术、口腔外科牙体 相比之下，国内在骨正交切削方面研究相对较 种植及关节置换术和修复手术中，为了固定植入体王 震等: 临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 牛皮质骨的有限元正交切削仿真，忽略温度效应，故 式( 1) 简化为式( 2) ，将骨简化为弹塑性材料，研究 切削参数和刀具几何形态对切削力、热的影响，仿真 结果由实验得到验证［9--10］，对临床骨手术有一定的 指导作用． 但是缺乏对失效准则的定义，因此仿真 中看到的是连续不断的切屑，如图 2( a) 所示． σ = ( A + Bεn p [ ) 1 + Cln ε · 0 ε · ] 0 ( 2) 图 2 正交切骨切屑形态． ( a) 连续切削［9］; ( b) 锯齿切屑［11］ Fig． 2 Chip morphology of bone orthogonal cutting: ( a) continuous chip［9］; ( b) serrated chip［11］ 随后 Childs 和 Arola 将骨视为均质弹塑性材 料，对骨正交切削中的切屑形态做了仿真研究，不过 在 Alam 的基础上定义了与应变路径相关的材料失 效准则． 同时，与压力相关的流动应力同样未考虑 热软化，屈服应力则采用 Drucker-Prager 准则［11］，发 现切削形态以锯齿形为主，如图 2( b) 所示． 2014 年，Santiuste 等考虑到骨组织的各向异性， 将骨看成是长纤维增强型复合材料，在采用 J-C 本 构的基础上，以 Hou 模型作为材料的失效准则，研 究牛长骨的骨单位方向对切削效果的影响［12］． 结 果表明，相同条件下骨单位方向和主切削刃方向平 行和垂直时，切削温度较低． 当切削方向与骨单位 平行时为连续切屑，切削刃与骨单位方向垂直时为 锯齿切屑． Li 等［13］采用光滑粒子流( SPH) + 有限元( FE) 方法数值模拟牛皮质骨的穿透过程，SPH 采用拉格 朗日算法和粒子单元从而避免了网格缠绕和单元的 过度扭曲，同时可以保持对历程变量的追踪． 骨材 料被模拟为横观各项同性均质材料，同时采用 Hill 各向异性屈服准则和渐进式材料退化． 仿真结果显 示穿透力与骨组织结构取向密切相关，然而实验观 察到的骨材料微观结构增韧机制如裂纹偏转等在仿 真中未被考虑． 此外，Feldmann 等［14］实验研究了骨的正交切削 过程中，刀具前角和切深对切削力和温度的影响． 发现前角和切削深度增大，切削力和温度降低明显． 另外，提出一种从正交试验中计算材料断裂韧性的 简化方法． 相比之下，国内在骨正交切削方面研究相对较 少． 哈尔滨工业大学殷杰［15］推导了骨骼微切削条 件下流动应力关于应变梯度的关系，并修正了骨骼 微切削的 J-C 本构模型． 分别基于均质各向同性材 料和非均质各向异性材料模型，模拟并分析了骨单 位方向对正交切削过程中切削力和切削温度的影 响，并观察了材料失效行为． 廖志荣等［16--17］研究了 皮质骨正交切削中切屑形成及断裂机制，发现在骨 切削中主要以剪切--裂纹模式和断裂模式为主． 对 比不同骨单位方向时的切屑形态，发现断裂模式下 表面质量差，骨单位的损伤严重，如图 3 所示． 另 外，在骨单位方向和主切削刃方向垂直时，由于骨纤 维的强度和韧性增强，剪切应力和切削力最大． 天 津理工大学崔洪胤等［18］针对微织构切骨刀具，采用 线性回归法对不同参数下的骨材料钻削和正交切削 进行建模得到其经验模型，后续的研究在仿真时采 用了正交各向异性的本构建模以更好地模拟骨的力 学行为［19］． 由于骨材料的黏弹性和脆性特征，切削时随着 切削条件的不同其切削变形和切屑形态变化多样， 这与金属切削的塑型变形差异较大． 现有的骨材料 切削仿真研究大多将骨简单类比于金属的弹塑性均 质各向同性材料，没有考虑骨材料包含密质骨与松 质骨的梯度异构复合结构特征，显然现有的本构模 型还不能准确有效地指导切削机理的研究． 2 骨切削工艺与机理 2. 1 骨的钻削 在骨科骨折、神经外科开颅手术、口腔外科牙体 种植及关节置换术和修复手术中，为了固定植入体 · 117 ·