《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：Cortical Bone Longitudinal-Torsional Ultrasonic Vibration-Assisted Milling for Multi-Tooth Cutter under Flexible Fixation Condition
编辑推荐：
本研究针对骨科手术中骨组织无法完全固定的临床难题，创新性地提出柔性固定条件下多齿刀具纵向-扭转超声振动辅助铣削（LTUVAM）技术。通过压力板和螺栓实现骨组织柔性固定，系统研究了正弦刃和玉米刃等多齿刀具对切削力、毛刺抑制和切屑形态的影响。结果表明，多齿刀具可显著降低切削力（正弦刃降低22.3%-46.8%，玉米刃降低29.5%-52.3%），有效抑制切削振动，改善加工质量。该研究为临床骨切削提供了重要的技术支撑。
在骨科手术中，医生常常面临一个棘手的问题：患者的骨骼无法像工业零件那样被完全固定。由于手术时患者的皮肤直接接触手术台，骨组织实际上处于一种"柔性固定"状态。这种不完全固定的条件会导致切削过程中的振动加剧，进而引发骨组织表面和亚表面损伤、细胞死亡甚至热坏死，严重影响手术质量和患者术后恢复。然而，现有的大多数骨切削研究都是在刚性固定条件下进行的，难以真实反映临床手术的实际状况。
为了解决这一临床难题，北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室的研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》上发表了一项创新性研究。他们开发了一种基于多齿刀具的纵向-扭转超声振动辅助铣削（Longitudinal-Torsional Ultrasonic Vibration-Assisted Milling，LTUVAM）技术，并首次在柔性固定条件下系统评估了该技术对皮质骨切削性能的影响。
研究团队采用了三种不同类型的多齿铣刀：直刃、正弦刃和玉米刃刀具。通过压力板和螺栓实现骨组织的柔性固定，真实模拟了临床手术条件。实验系统包括西门子840D数控加工中心和纵向-扭转超声振动系统，采用压电力传感器记录切削力数据，并通过扫描电子显微镜观察表面形貌和切屑形态。
在技术方法上，研究团队首先建立了LTUVAM的运动轨迹模型，分析了刀具与工件之间的接触比率。通过单因素实验设计，系统研究了主轴转速、超声频率和切削深度等参数对切削性能的影响。特别值得关注的是，研究人员创新性地将转子系统松动故障分析方法应用于骨切削过程的频谱分析，为切削状态监测提供了新思路。
研究结果显示出多齿刀具在柔性固定条件下的显著优势：
在平均切削力方面，随着切削深度增加，X、Y、Z三个方向的切削力均呈现上升趋势。但多齿刀具表现出明显的减力效果，其中正弦刃刀具在X方向切削力降低19.1%-35.2%，玉米刃刀具在Y方向切削力降低高达82.4%-86.0%。整体而言，正弦刃和玉米刃刀具的合力分别降低22.3%-46.8%和29.5%-52.3%。
通过切削力频谱分析发现，直刃刀具的切削力频谱出现明显边带，表明切削过程存在强迫振动。当切削深度增大时，在786.4Hz和790.8Hz处出现高频分量，振幅显著增加，反映出颤振现象。而正弦刃刀具的频谱主要以主轴旋转频率及其谐波为主，表现出更稳定的切削状态。
表面形貌分析结果显示，直刃和正弦刃刀具在槽铣沟侧壁表面产生较大毛刺和分层损伤，伴有骨边缘撕裂和裂纹损伤。相比之下，玉米刃铣刀加工的表面几乎无毛刺和裂纹，这得益于其左右切削刃的设计，能够产生向下的切削力，压紧骨侧壁的纤维层。
切屑形态研究揭示了不同刀具的独特切削特性。直刃刀具产生体积较大的碎片状切屑，表面呈现规则皱纹；正弦刃刀具形成窄而厚的小型切屑，具有锯齿状表面；玉米刃刀具则产生大卷曲形状和小破碎条状切屑，表现出更好的排屑能力。
研究还深入探讨了超声振动骨切削的刚度增强机制。通过建立骨切削系统的动力学模型，研究人员发现超声振动切削能够提高弱刚性构件的切削刚度。等效刚度比ku/kn≥1的关系表明，超声振动通过周期性地中断切屑形成，有效提高了系统的动态刚度。
这项研究的结论具有重要的临床意义。首先，多齿刀具LTUVAM技术能够显著降低切削力，抑制毛刺形成，产生更小的切屑，有利于提高手术精度和安全性。其次，在柔性固定条件下，玉米刃刀具表现出最优的切削稳定性，这为手术刀具的选择提供了重要参考。最后，超声振动切削的刚度增强效应为弱刚性骨结构的精密加工开辟了新途径。
该研究不仅为骨科手术提供了有效的技术支撑，其研究方法和技术路线也可推广至其他生物医学加工领域。通过模拟真实手术条件，研究团队成功搭建了临床前研究到临床应用的重要桥梁，为未来手术器械的优化设计和手术方案的改进提供了科学依据。
值得注意的是，这项研究首次将柔性固定条件纳入骨切削性能评估体系，突破了传统刚性固定研究的局限性。研究人员采用的多学科交叉方法，结合了机械工程、骨科手术和振动分析等多个领域的专业知识，体现了现代医学工程研究的创新趋势。
随着精准医疗和微创手术的不断发展，对骨切削技术提出了更高要求。这项研究为解决临床实际问题提供了新思路，其研究成果有望在脊柱外科、关节置换、整形外科等领域发挥重要作用，最终惠及广大患者。
