CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究

郭鹏 赵韡 郝宇聪 杨焘

郭鹏, 赵韡, 郝宇聪, 杨焘. 可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(2): 144-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128
引用本文: 郭鹏, 赵韡, 郝宇聪, 杨焘. 可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(2): 144-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128
GUO Peng, ZHAO Wei, HAO Yucong, YANG Tao. Influence factors of soluble crystal properties on cutting quality of biological bone materials[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(2): 144-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128
Citation: GUO Peng, ZHAO Wei, HAO Yucong, YANG Tao. Influence factors of soluble crystal properties on cutting quality of biological bone materials[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(2): 144-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128

可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128
基金项目: 国家自然科学基金青年基金(51905499);第66批中国博士后科学基金面上项目(2019M661067);山西省高等学校科技创新项目(2019L0607);山西省研究生创新项目(2021Y584);山西省研究生创新项目(2021Y585)
详细信息
    通讯作者:

    赵韡,男,1987年生,副教授、硕士研究生导师。主要研究方向:射流理论与技术、特种射流开发与应用 、特种智能制造装备。E-mail:weizhao1987@nuc.edu.cn

  • 中图分类号: R318.08;TG664;TG73

Influence factors of soluble crystal properties on cutting quality of biological bone materials

  • 摘要: 为了弥补传统磨料水射流可能造成的磨料残存不利于组织愈合且存在毒害影响的不足,采用具有生物相容性的氯化钠、蔗糖和木糖醇3种可溶性晶体颗粒为磨料,通过改变横移速度和靶距对牛股骨进行切削,测量其表面粗糙度和切削深度,探究可溶性晶体性质对生物骨切削质量的影响。结果表明:氯化钠、蔗糖和木糖醇3种可溶性晶体颗粒作为磨料掺入射流束中,能够明显改善纯水射流切削生物骨材料的质量;可溶性晶体的密度、硬度、溶解性和晶体结构等性质对切削质量均有影响,在能够完全切透骨样的情况下,其中的密度差异表现最明显,密度小的可溶性晶体加工得到的骨样粗糙度更小;在不能够完全切透骨样的情况下,其中的溶解性差异表现最明显,溶解速度慢的晶体加工得到的骨样切削深度更大。在试验设计的参数条件下,3种可溶性晶体射流都能够完全实现生物骨材料的稳定切割,用密度最小的木糖醇颗粒为磨料切削时,在压力为280 MPa,横移速度为10 mm/min,靶距为1 mm时,表面粗糙度值Ra最小,Ra值为3.19 μm;用溶解速度慢的蔗糖为磨料,在压力为280 MPa,横移速度为 10 mm/min,靶距为1 mm时,最大切削深度值为47.15 mm。

     

  • 图  1  骨样制备流程

    Figure  1.  Preparation of bone samples

    图  2  3种可溶性颗粒形貌

    Figure  2.  Morphology of three kinds of soluble particles

    图  3  试验现场

    Figure  3.  Experimental site

    图  4  纯水与可溶性晶体射流切削骨样形貌

    Figure  4.  Bone morphology of pure water and soluble crystal jet cutting

    图  5  不同参数下3种晶体射流切削牛股骨断面粗糙度的变化

    Figure  5.  Variation of cross section roughness of bovine femur cut with three kinds of crystal jet under different parameters

    图  6  不同参数下3种晶体射流切削牛股骨切削深度的变化

    Figure  6.  Variation of cutting depth of femur of three kinds of crystal jet cutting with different parameters

    图  7  晶体溶解时间随温度变化曲线

    Figure  7.  Crystal dissolution time as a function of temperature

    图  8  3种晶体溶解过程

    Figure  8.  Dissolution process of three crystals

    表  1  3种可溶性晶体的物化性质

    Table  1.   Physical and chemical properties of three soluble crystals

    名称晶体类型晶体结构密度 ρ /($ \mathrm{g}·{\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-3} $)
    氯化钠离子晶体立方体2.165
    蔗糖分子晶体单斜体1.770
    木糖醇分子晶体斜方体1.529
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    表  2  试验参数

    Table  2.   Test parameters

    项目参数或取值
    磨料类型氯化钠、蔗糖、木糖醇
    切割材料牛股骨
    横移速度 vn /(mm·min−110,30,50
    靶距 H / mm1,3,5
    射流压力 p / MPa280
    喷嘴角度 $ \alpha $ /(°)90
    下载: 导出CSV
  • [1] 廖志荣. 骨材料切削加工及一种新型刀具研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.

    LIAO Zhirong. Research on bone material cutting and a new tool [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.
    [2] 王成勇, 陈志桦, 陈华伟, 等. 生物骨材料切除理论研究综述 [J]. 机械工程学报,2021,57(11):2-32. doi: 10.3901/JME.2021.11.002

    WANG Chengyong, CHEN Zhihua, CHEN Huawei, et al. Review on the theory of biomaterial excision [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2021,57(11):2-32. doi: 10.3901/JME.2021.11.002
    [3] GUPTA V, SINGH R P, PANDEY P M, et al. In vitro comparison of conventional surgical and rotary ultrasonic bone drilling techniques [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine,2020,234(4):398-411. doi: 10.1177/0954411919898301
    [4] YAN L, WANG Q, LI H, et al. Experimental investigation on cutting mechanisms in fixed diamond wire sawing of bone [J]. Precision Engineering,2021,68:319-325. doi: 10.1016/j.precisioneng.2020.12.020
    [5] 弓永军. 磨料水射流切割技术研究现状及其发展趋势 [J]. 液压与气动,2016(10):1-5. doi: 10.11832/j.issn.1000-4858.2016.010.001

    GONG Yongjun. Research status and development trend of abrasive water jet cutting technology [J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics,2016(10):1-5. doi: 10.11832/j.issn.1000-4858.2016.010.001
    [6] AGARWAL R, SINGH R P, GUPTA V, et al. Influence of cutting force on temperature, microcracks and chip morphology during rotary ultrasonic bone drilling: An in-vitro study [J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2022,44(7):1-10.
    [7] WANG J, SHANMUGAM D K. Cutting meat with bone using an ultrahigh pressure abrasive waterjet [J]. Meat Science,2009,81(4):671-677. doi: 10.1016/j.meatsci.2008.11.010
    [8] MCGEOUGH J A. Cutting of food products by ice-particles in a water-jet [J]. Procedia Cirp,2016,42:863-865. doi: 10.1016/j.procir.2016.03.009
    [9] EHSAN S, MOHAMMAD A. Investigation of cutting quality and surface roughness in abrasive water jet machining of bone [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine,2018,232(9):850-861. doi: 10.1177/0954411918790777
    [10] SCHWIEGER K, CARRERO V, RENTZSCH R, et al. Abrasive water jet cutting as a new procedure for cutting cancellous bone—in vitro testing in comparison with the oscillating saw [J]. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials,2004,71(2):223-228.
    [11] 王震, 宋晓菲, 陈彤云. 临床外科手术中骨切削技术的研究现状及进展 [J]. 工程科学学报,2019,41(6):709-718.

    WANG Zhen, SONG Xiaofei, Chen Tongyun. Research status and progress of bone cutting technology in clinical surgery [J]. Chinese Journal of Engineering Science,2019,41(6):709-718.
    [12] 王文魁. 晶体形貌学 [M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2001.

    WANG Wenkui. Crystal topography [M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2001
    [13] 李福来, 荆正军, 马少华, 等. 磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析 [J]. 山东化工,2021,50(2):129-132. doi: 10.3969/j.issn.1008-021X.2021.02.046

    LI Fulai, JING Zhengjun, MA Shaohua, et al. Analysis of material removal mechanism and influencing factors in abrasive water jet machining [J]. Shandong Chemical Industry,2021,50(2):129-132. doi: 10.3969/j.issn.1008-021X.2021.02.046
    [14] 冯辉霞. 无机及分析化学 [M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2008.

    FENG Huixia. Inorganic and analytical chemistry [M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2008.
    [15] 陈显均, 周文, 徐茂钦. 磨料粒径及形状对磨料水射流切割钛合金表面微观形貌的影响 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2020,40(2):78-83. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.2.0013

    CHEN Xianjun, ZHOU Wen, XU Maoqin. Effect of abrasive particle size and shape on the surface micromorphology of titanium alloy cut by abrasive water jet [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2020,40(2):78-83. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.2.0013
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-12
  • 修回日期:  2022-11-07
  • 录用日期:  2022-11-24
  • 刊出日期:  2023-04-20

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