一种骨磨削装置的制作方法

本发明属于精密磨削加工技术领域，尤其是涉及一种骨磨削装置。

背景技术：

近年来，各种骨组织疾病(如骨质增生、骨关节炎、骨头萎缩或坏死、骨癌和骨折等)日益增多，整形外科、植牙技术以及微创外科手术应运而生并蓬勃发展。在骨外科手术过程中，一些传统的机械加工方法如钻削、锯削、铣削等切削加工方法已被广泛应用。不同于传统机械加工，骨组织加工过程需关注的关键要素为：一、保持材料去除的高效性以缩短手术时间，降低手术风险；二、尽量减少磨削过程对人体正常组织造成的各类损伤，包括机械应力所引起的组织裂纹损伤和加工温度过高引起的组织热损伤。

磨削作为一种传统的精密加工方法，近年来被逐渐用于骨外科手术。在神经外科领域的颅底肿瘤摘除手术中，医生常采用微小球形金刚石磨头的高速磨削方式实现骨组织的材料去除，用以充分暴露颅底区肿瘤的位置。该加工方式细腻精确，对软组织创伤小，能更好地避免偶然性的机械损伤(如过切)，而且磨削后的细粉状骨屑具有止血功效，受到外科医生的青睐，但磨削热是骨磨削技术应用于神经外科手术的关键问题。人体耐受高温的能力较差，当温度高于临界值50℃，骨头会出现不同程度的热损伤，神经组织对温度更为敏感，其热损伤的临界温度值为43℃。磨削是能量密集型加工方式，且大部分能量消耗均转化为热能，研究表明金刚石磨具在磨削过程的产热量明显高于切削钻头的产热量，因此，研究应用于骨磨削过程的高效冷却方法具有十分重要的科学意义和实用价值。

技术实现要素：

为了克服现有骨磨削技术存在骨磨削过程中骨组织热损伤的缺陷，本发明提供一种骨磨削过程的高效冷却、保证骨外科手术的顺利进行的骨磨削装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种骨磨削装置，包括机架以及安装在机架上的三维线性丝杠滑台、电主轴、球形磨头、热电偶和用于夹持骨磨削样本的精密平口钳，所述电主轴的左端与电主轴驱动电机连接，所述电主轴驱动电机安装在三维线性丝杠滑台的竖直滑台上，所述球形磨头通过夹具安装在电主轴的右端，所述精密平口钳位于所述三维线性丝杠滑台的前方，所述热电偶包括热电偶探头和热电偶主机，所述热电偶探头通过连接线与热电偶主机连接，所述热电偶探头放置在骨磨削样本底部的沟槽中，所述球形磨头位于骨磨削样本的骨磨削区域的上方，所述装置还包括低温喷雾冷却装置，所述低温喷雾冷却装置包括气源处理元件、用于盛装低温生理盐水的液体容器、冷却室、气液混合器和喷嘴，所述气源处理元件包括气泵、过滤器、调压器和干燥器，所述气泵通过气管与过滤器的进气端连接，所述过滤器的出气端通过调压器与干燥器的进气端连接，所述干燥器的出气端通过气管与冷却室的进气口连接，所述冷却室的出气口与所述气液混合器的进气口连接，所述液体容器通过流量阀与冷却室的进液口连接，所述冷却室的出液口与所述气液混合器的进液口连接，所述气液混合器的混合出口通过软管与所述喷嘴的左端连接，所述喷嘴的左端固定在电主轴驱动电机的外壳上，所述喷嘴的右端与球形磨头贴近。

进一步，所述液体容器上还设有用于显示液体流量的流量表，所述流量表位于流量阀的左上方。

再进一步，所述调压器上还设有用于实时查看当前气体气压的压力表。

再进一步，所述精密平口钳的下方还放置有用于对骨磨削加工过程中球形磨头对骨磨削样本压力测量的压力传感器，压力传感器与控制装置连接，所述控制装置与电主轴驱动装置连接。

更进一步，所述喷嘴为凹面朝向主轴的弧形。

本发明的有益效果主要表现在：

通过高压气体与低温生理盐水的混合，设计了一种气液比可控的低温生理盐水喷雾产生装置，生理盐水喷雾的温度为0-5℃，实现了一种冷却液用量少、换热效率高的骨磨削冷却方法，从而解决了骨磨削技术对磨削及邻近区域带来热损伤风险的问题；同时，在该装置中，喷嘴设计依附在高速主轴下，以尽量减少装置对手术环境的干扰，喷嘴的左端依附在主轴驱动电机外壳的外表面上，喷嘴的右端与球形磨头贴近，借助磨削切向力将生理盐水带入骨磨削区域，保证球形磨头沿不同方向运动时都能获得有效的冷却。

附图说明

图1为本发明的轴测图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的冷却室的正视图。

图5为本发明的球形磨头与喷嘴的安装位置示意图。

图6为图5的局部放大图。

图7为精密平口钳与骨磨削样本、压力传感器之间的安装图。

图8为热电偶探头在骨磨削样本上的布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种骨磨削装置，包括机架以及安装在机架上的三维线性丝杠滑台6、电主轴7、球形磨头8、热电偶9和用于夹持骨磨削样本的精密平口钳11，所述电主轴7的左端与电主轴驱动电机连接，所述电主轴驱动电机安装在三维线性丝杠滑台6的竖直滑台上，所述球形磨头8通过夹具安装在电主轴的右端，所述精密平口钳11位于所述三维线性丝杠滑台6的前方，所述热电偶9包括热电偶探头和热电偶主机，所述热电偶探头通过连接线与热电偶主机连接，所述热电偶探头放置在骨磨削样本17底部的沟槽中，所述球形磨头8位于骨磨削样本17的骨磨削区域的上方，所述装置还包括低温喷雾冷却装置，所述低温喷雾冷却装置包括气源处理元件、用于盛装低温生理盐水的液体容器5、冷却室14、气液混合器13和喷嘴10，所述气源处理元件包括气泵1、过滤器2、调压器3和干燥器4，所述气泵1通过气管与过滤器2的进气端连接，所述过滤器2的出气端通过调压器3与干燥器4的进气端连接，所述干燥器4的出气端通过气管与冷却室14的进气口连接，所述冷却室14的出气口与所述气液混合器的13进气口连接，所述液体容器5通过流量阀15与冷却室14的进液口连接，所述冷却室14的出液口与所述气液混合器13的进液口连接，所述气液混合器13的混合出口通过软管与所述喷嘴10的左端连接，所述喷嘴10的左端固定在电主轴驱动电机的外壳上，所述喷嘴10的右端与球形磨头8贴近。

进一步，所述液体容器5上还设有用于显示液体流量的流量表，所述流量表位于流量阀的左上方。

再进一步，所述调压器3上还设有用于实时查看当前气体气压的压力表。

再进一步，所述精密平口钳11的下方还放置有用于对骨磨削加工过程中球形磨头对骨磨削样本压力测量的压力传感器12，压力传感器12与控制装置连接，所述控制装置与电主轴驱动装置连接。

更进一步，所述喷嘴10为凹面朝向主轴的弧形。

本实施例中，机架包括大理石平台16和立柱，三维线性运动装置6通过螺钉连接固定在大理石平台16上，电主轴驱动电机通过连接块固定在三维线性运动装置6的竖直滑台上，球形磨头8通过夹具固定在电主轴7的轴端，精密平口钳11放置于三维线性运动平台6的前方右侧；热电偶探头放置在磨削样本17的底部沟槽中，目的是检测磨削过程中产生的热量，热电偶探头通过连接线与热电偶主机连接，连接线沿着磨削样本17底部的沟槽引致外部；气泵1放置于大理石平台16的下方立柱的旁边，过滤器2与调压器3以及干燥器4组成气源处理元件固定于大理石平台16的左侧面，液体容器5放置在大理石平台16的左部上，流量阀15设置在液体容器5的前面，冷却室14和气液混合器13位于液体容器5的右侧；喷嘴10通过塑料软管与气液混合器13进行连接；喷嘴的右端即是喷嘴的喷雾端；压力传感器可以起到一个压力反馈作用，防止球形磨头8对磨削样本17压力过大；所述精密平口钳包括u型基座、滑块和丝杠螺母机构，骨磨削样本17在丝杠螺母机构的作用下被夹持在u型基座的侧壁与滑块之间。

本发明的工作过程为：热电偶探头放置在底部钻有沟槽的骨磨削样本17的沟槽中，目的是检测磨削过程中产生的热量，精密平口钳11夹持住骨磨削样本17，且固定在压力传感器12的上表面；电主轴7通过三维线性丝杠滑台6到达骨磨削区域的上方，启动电主轴驱动电机，电主轴7带动球形磨头8高速旋转，从而对骨磨削样本17进行磨削；与此同时，气泵1通过气管将气体传送到过滤器2与调压器3以及干燥器4组成的气源处理元件，气源处理元件通过气管将气体传送到冷却室14中的螺旋铜管中进行冷却，液体容器5内装有低温生理盐水，液体容器5通过液体管与流量阀15进行低温生理盐水的传递，流量阀15通过液体管将低温生理盐水传送到冷却室14中的螺旋铜管中进行冷却，冷却后的气体和液体分别通过气管、液体管连接到气液混合器13的进气口和进液口，经过气液混合器13的混合，通过喷嘴10形成低温喷雾，从而实现了骨磨削过程中高效冷却的要求。