（机械工程专业论文）牙科陶瓷调磨过程中磨削力与温度实验研究与仿真.pdf

中文摘要 牙科切割器械高速调磨陶瓷修复体过程中产生的热量不仅会对陶瓷修复体 造成热损伤，使之不能达到预期寿命的标准，还会对患者造成痛苦。本文在国家 自然科学基金的资助下，研究了高速电动牙科手机和金刚石车针磨削牙科陶瓷进 程中的磨削力学性能、温度场等问题，主要工作和结果如下： ( 1 ) 利用高速电动手机替代传统的空气涡轮手机，结合动态的牙科磨削实 验，测量了不同磨削参数下电动手机磨削牙科陶瓷磨削力信号，观测了表面质量， 揭示了磨削参数对于电动手机性能参数的影响及其变化规律。 ( 2 ) 搭建了测量磨削温度的实验平台，使用红外热像仪对电动手机高速磨 削过程中的磨削表面温度进行测量，揭示了磨削过程中磨削参数对磨削温度的影 响。研究结果表明，去除深度对电动手机调磨过程中表面磨削温度的影响最大， 并且随着去除深度的增加，磨削温度随之增加。 ( 3 ) 借助有限元方法，构造适当的磨削热模型，建立了电动牙科手机高速 调磨牙科陶瓷时的温度场的数值仿真模型。利用该模型，研究了去除深度与进给 速度对牙科调磨过程中的表面温度、形变及应力的分布。研究结果表明，在磨削 区内的温度和应力最大，最大变形出现在磨削区的边缘处。最后，通过与实验数 据的对比，验证了数值仿真模型的合理性与有效性。 上述结果不仅为电动手机口腔调磨过程中产生的热现象提供了理论和实验 依据，而且为临床上牙科医生合理地进行牙科调磨手术提供了积极的指导作用。 关键词：牙科陶瓷电动牙科手机磨削温度场移动热源 有限元 a b s t r a ct i nd e n t a lg r i n d i n go f b i o c e r a m i cr e s t o r a t i o n su s i n gd e n t a lh i g h - s p e e dh a n d p i e c e ， t h em a c h i n i n g i n d u c e dt h e r m a lp r o b l e m sc o u l dn o tb ei g n o r e d ，b e c a u s et h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r ei nd e n t a lg r i n d i n gofc e r a m i c sw o u l dn o to n l yb r i n g p a i n st op a t i e n t s ，b u t a l s oc a t l s ed a m a g ei nc e r a m i cr e s t o r a t i o n sr e s u l t i n gi nar e d u c t i o ni ns t r e n g t ha n d l i f e t i m eoft h er e s t i o r a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ei m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r s r e l a t e dw i t hf o r c ea n dt e m p e r a t u r ed u r i n gt h ei nv i t r od e n t a lg r i n d i n go f b i o c e r a m i c s u s i n gah i g h - s p e e de l e c t r i ch a n d p i e c ea n dd i a m o n db u r sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h e h e l po f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h ef o l l o w i n gw o r ka n d t h er e s u l t sa r ed r a w n ： ( 1 ) f i r s ta u t h o ru s e dh i g h - s p e e de l e c t r i ch a n d p i e c et or e p l a c et h et r a d i t i o n a l a i r - t u r b i n eh a n d p i e c e ，a n dt h e nm e a s u r e da n d a n a l y z e dt h eg r i n d i n gf o r c es i g n a li nt h e p r o g r e s so fg r i n d i n gd e n t a lc e r a m i c su s i n ga ne l e c t r i ch a n d p i e c ea n dd i a m o n db u r s s u r f a c er o u g h n e s sa n dm o r p h o l o g yw e r eo b s e r v e db yas t y l u s p r o f i l o m e t e ra n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e a tl a s t , a u t h o ri n v e s t i g a t e dg r i n d i n gf o r c e sa n ds u r f a c e q u a l i t yu l c e rd i f f e r e n tg r i n d i n gp a r a m e t e r s ，a n da s s e s s e dt h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo f t h ee l e c l r i ch a n d p i e c e ( 2 ) g r i n d i n gf o r c e sa n dg r i n d i n gt e m p e r a t u r ew h e nu s i n ga ne l e c t r i ch a n d p i e c et o g r i n dd e n t a lc e r a m i c sw e r em e a s u r e db yap i e z o e l e c t r i cf o r c ed y n a m o m e t e ra n da t h e r m a li n f r a r e di m a g e r t h e na n a l y z e dt h eg r i n d i n gt e m pe r a t u r eu n d e rt h ed i f f e r e n t g r i n d i n gp a r a m e t e r sw i t hs i n g l ef a c t o ra r i a l y s i sm e t h o d ，t h er e s u l tw o u l dp r o v i d et h e d e n t i s t sw i t hp o s i t i v es u g g e s t i o n st or e d u c et h ep a i na n dh e a td a m a g e ( 3 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l d i ng r i n d i n gd e n t a lc e r a m i c sw a sn u m e r i c a la n a l y z e d u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h d ，a n di m p o r t a n ti n f l u e n t i a lf a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r ea n ds i m u l a t e dt e m p e r a t u r ew e r ec o m p a r e da n dt h e r e s u l tw e r ec o n s i s t e n t i ti n d i c a t e st h a tt h eh e a ts o u r c es i m u l a t i o nw a sc o r r e c t t h ea b o v er e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i st op r o p e ri n l r a o r a l d e n t a lg r i n d i n go f c e r a m i cr e s t o r a t i o n s k e yw o r d s ：d e n t a l c e r a m i c s ，e l e c t r i ch a n d p i e c e ，s u r f a c eg r i n d i n g ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，m o v i n gh e a ts o u r c e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 人们有时会由于某种原因，比如突然撞击、摔伤、龋齿等，造成牙体缺损， 这时必须进行口腔修复，使用其他材料来替代缺损部位。近年来，牙科陶瓷正以 其独特的美观性，良好的生物相容性以及稳定的化学性能，越来越受到口腔疾病 患者和牙科医生们的欢迎 1 引。随着人们生活质量的提高，患者对修复体的质量 以及它的美学性能提出了更高的要求，希望修复体的外观颜色可以接近天然牙齿 的色泽。 牙科陶瓷修复体制作完成后，装入患者口腔内时，还得进行一定的修整，这 个过程主要是使用高速牙科手机及金刚石车针对患处以及修复体进行调整，使得 修复体与其他牙齿之问可以正常咬合，减轻患者的不适感，这个过程通常称为口 腔调磨，也是口腔修复工作中必要的操作。图1 1 所示为牙科医生对患者1 3 内的 陶瓷修复体进行调磨的实景照片 3 1 ，图1 - 2 为牙科用金刚石车针对陶瓷修复体调 磨过程的示意图 4 】。在1 3 腔调磨过程中，由于陶瓷材料本身属于硬脆材料，而且 该过程由医生手工操作，这样很容易在修复体表面及亚表面造成定程度的裂 纹，这直接导致了陶瓷修复体的强度下降，从而临床上表现为过早失效，给患者 带来肉体上的痛苦和不必要的经济损失【5 卅。由于牙科工作者本身理论的局限性， 加之人体口腔环境非常特殊并且型面复杂，1 3 腔临床调磨操作缺乏科学和系统的 理论依据的指导，牙科医生主要依靠其临床经验对修复体进行调磨。 图1 - 2 车针调磨示意图 在早期研究中也发现，陶瓷修复体的质量除了与高速牙科手机的振动、磨削 力有关之外，i 岳速调磨引起的热问题也不容忽视。在1 3 腔高速调磨过程中，金刚 ；!j!： 赡行 进医才图 第一章绪论 石车针在陶瓷表面高速磨削，每分钟的转速可达三十万转以上，这会使得磨削区 的温度急剧上升，如果不及时控制温度的话，不仅会对陶瓷修复体造成热损伤、 降低其强度，并且产生的高温也有可能伤及修复体周围的软组织、刺激牙髓，给 患者造成疼痛。牙体预备时产生的温度刺激是牙髓损坏的主要原因。z a c h 等人 对此进行过研究，髓腔温度每升高5 5 ，1 5 的牙髓坏死：升高8 3 有2 0 的牙髓坏死；升高11 1 有6 0 牙髓坏死；升高1 6 6 所有牙髓均发生坏死； 而当髓腔温度达到4 2 5 时，牙髓将发生不可逆的组织损伤 刀。郑弟泽等人采用 热电偶对空气涡轮手机进行牙体预备时牙髓腔的温度进行了测量，发现随着冷却 水量得增加，牙髓腔的温度逐步降低，并且间断磨削可以一定程度控制温升【8 j 。 然而国内外对牙体预备过程中的磨削温度以及表面温度的研究的报道还是很少， 因此，研究牙体调磨过程中的磨削温度变化，对口腔调磨过程中的温度值进行定 量的分析，从热学方面探讨磨削温度对于牙齿的潜在性损害是很有必要的。 由于高速牙科手机调磨过程中的热损伤不能被忽视，本文将利用高速电动牙 科手机对牙科陶瓷材料进行体外调磨实验研究，并对磨削过程中的磨削温度进行 测量，揭示牙体预备过程中各参数与磨削温度之间定量关系 1 2 口腔调磨发展与研究现状 1 2 1 牙科手机 上世纪五十年代，由空气涡轮驱动的高速手机问世，其速度目前可高达 3 0 0 0 0 0 4 5 0 0 0 0r p m 。由于其具有快速的去除率、良好的重量及尺寸、牙髓损伤 的低风险性以及便于修理，至今仍在牙科切削领域中广泛使用p 1 1 】。然而涡轮手 机也有着一定的缺陷，比如噪声高、振动大以及同轴度不好【1 2 1 。同时，传统的空 气涡轮手机停转之后回气可能会造成管内的负压，使得患者口中的体液有可能回 流入手机，在牙科治疗过程中目前还没有将乙肝病人、艾滋病病人、结核病人与 其他病人分开区别对待，如果没有有效严格地对口腔齿科器械进行消毒灭菌，那 可能会造成医患之间、患者之间的交叉感染，因此，传统的涡轮手机在使用完后， 必须将手机机头浸入水杯中，踩动踏板让手机空转半分钟，排出回吸到手机内部 的污染物【l jj 。 随着科学技术的发展，高速电动手机被设计出来以取代空气涡轮手机，图 1 3 为日本n s k 公司牛产的电动马达和加速手机，其最高转速可达2 0 0 0 0 0r p m 。 在牙科诊所中，电动手机逐渐被牙科医生们所接受，它可以保持设定的转速，有 着高扭矩并且很少会有失速，并且比传统的涡轮手机更安静以及振动更小。 第一章绪论 c h a r l s o nc h o i 等人曾做过关于涡轮手机和电动手机去除牙科陶瓷的效率对比的 试验，结果证明，电动牙科手机比涡轮手机更加有效型1 4 】。e r c o l ic 等人在先期 的研究中也指出，尤其在使用碳化硅车针磨削牙科陶瓷时，电动手机的去除率要 高于涡轮手机 1 5 。k e n y o nb j 等人曾做了一个有趣的调查，他们让学生们使用涡 轮手机和电动手机进行牙体预备，并且对每一种手机的使用感受进行打分，最终 电动手机得的分数高于涡轮手机【l 2 l 。 1 2 2 牙科陶瓷 图1 3 电动手机 口腔中的环境十分特殊，这使得对口腔陶瓷修复体的综合要求非常高。日前 市面上商用的牙科可切削陶瓷材料主要有：长石瓷类、玻璃陶瓷类、氧化铝陶瓷、 氧化锆陶瓷、陶瓷复合材料等。主要用于口腔修复中的贴面、嵌体、基底冠、全 瓷冠、桥支架、固定桥修复体、全瓷种植基台等。 ( 1 ) 长石类陶瓷 长石瓷在结构上与玻璃更为相近，实际是一种硼硅长石质玻璃，玻璃中含有 分散的结晶成分。目前市面上主要使用的长石类牙科陶瓷是德国v i t a 公司生产 的v i t am a r ki i 牙科陶瓷，其结晶相为透长石，晶粒大小平均为4g m 。v i mm a r k i i 可用于制作前牙和后牙嵌体、高嵌体和部分冠、全冠，以及贴面 1 6 ，18 1 。经过了 超过1 2 0 万次的临床使用，并且在抗拉强度及抗磨耗性等方面上具有与天然牙釉 质相似的耐磨特性。它的结构精细均一，因此特别容易修磨和抛光，同时也能减 少磨具的损耗。 ( 2 ) 玻璃陶瓷 玻璃陶瓷也称为微晶玻璃，是由玻璃经过受控晶化制备而成的一种由微晶体 和玻璃相组成的多晶体硅酸盐材料，包括有云母基玻璃陶瓷、白榴石基玻璃陶瓷 世 口o 第一章绪论 云母基玻璃陶瓷中含有呈片状的云母晶体，因此可切削性能良好，但是它的 机械强度较低，因此在临床上表现为失败率较甜1 6 1 。商品化的玻璃陶瓷的代表有 d i c o r m g c ( d e n t s p l yi n t e r n a t i o n a l ，u s a ) ，其抗弯强度为2 2 9m p a ，断裂韧性为1 6 2 m p a m 坦。 义获嘉公司生产的p r o c a d 瓷块是一种含有白榴石细微晶体的玻璃陶瓷，其 抗弯强度约为1 3 0m p a ，断裂韧性约为1 3m p a m 2 ，上釉后强度可达2 0 0m p a ， 此外，义获嘉公司还开发出了两种新型的玻璃陶瓷，即i s pe m p r e s si i 和i p se i n a x c a d ，在这两种产品的玻璃基中加入了硅酸锂晶体，其力学性能相比p r o c a d 陶 瓷要高，并可制作后牙冠修复体 17 1 。 ( 3 ) 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是在玻璃基质里分散一定量的氧化铝晶体，采用纯度9 9 9 以上 的氧化铝微粉用很高的压力将氧化铝细粉加压成型，其抗弯强度为6 0 1 6 8 7 1 v i p a ，断裂韧性约为4 4 8m p a m “2 。氧化铝陶瓷可以修复后牙全瓷冠以及全瓷固 定桥【1 9 1 。此外，v i t a 公司生产的i n - c e r a ma l u m i n a 氧化铝陶瓷可用于临床的全 冠制作。 ( 4 ) 氧化锆陶瓷 氧化锆( z r 0 2 ) 陶瓷的主要成分为采用氧化钇为稳定剂的四方相氧化锆多晶 陶瓷，其抗拉强度高达9 0 0 1 2 0 0m p a ，抗压强度约为2 0 0 0m p a ，具有很好的耐 腐蚀性和生物相容性，由于氧化锆非常硬，很难加工，而且加工过程其力学性能 可能会受影响 2 0 】。目前许多齿科陶瓷公司都开发出了氧化锆产品，如v i m 、k a v o 、 s i r o n a 、l a v a 等。v 妇公司开发的v i t ai n - c e r a mz c o m i a 和n o r t o n 公司的p r o z y r y t z p 牙科陶瓷均属于商品化十分成熟的高强度可切削氧化锆陶瓷。主要用作冠 桥修复材料，除了其力学性能上的优势外，还有良好的美观性。 ( 5 ) 玻璃渗透的陶瓷复合材料 玻璃渗透过后的复合陶瓷材料相对于单一成分的材料有着更优秀的力学性 能。通常采用多孔坯料作支架，再用不同颜色的玻璃浸渍，制备致密的材料，最 后上饰瓷。市面上目前常见的有v i t a 公司生产的三种玻璃渗透陶瓷：v i t a i n - c e r a m 尖晶石陶瓷有良好的半透明性，但是其强度较低，仅为3 5 0m p a ，适用 于前牙冠修复【1 9 ；v i t ai n - c e r a ma l 纯氧化铝瓷块是在1 5 3 0 的特殊高温熔炉 里致密烧结而成，可用于制作高强度全瓷冠，其强度大于5 0 01 v i p a ，半透性最好； v i t ai n - c e r a my z 纯氧化锆瓷块是由稳定的氧化锆在温度高达1 5 3 0 的高温熔 炉里致密烧结而成。纯氧化锆瓷块有着高于9 0 0m p a 的弯曲强度和高的断裂韧 性，是目前商业化产品中硬度最高，寿命最长的修复体材料，但同时价格也非常 4 第一章绪论 昂贵，其可以用于制作及其精细的修复体，但其透明度较低，适用于制作前后牙 桥、前后牙冠的修复以及极高强度全瓷支架。 为了提高牙科陶瓷材料的各项性能指标，许多学者也进行了一系列增韧增强 工艺以及切削性能的研究，开发出了一些强度更高，韧性更强，可机械加工性更 好的牙科陶瓷材料，相信随着科技的发展，会有越来越多的性能良好，价格低廉 的新产品问世。 1 2 3 口腔调磨手术 为了研究口腔调磨手术，从上世纪九十年代起，研究者们设计了多种体外实 验装置模拟高速牙科手机调磨进程，并对过程中的切削力及相关进程参数进行了 测试与研究。 马里兰大学的s c s j e g e l 等人设计了一种装置，研究了高速手机切削过程中 的切削力、车针粒度等因素对材料去除率的影响，见图1 4 【2 1 1 。 图1 4 马里兰大学研制的体外实验装型2 1 美国国家标准局的s j a b l a n m i r 等人研究出一种类似准静态、定常切削力的体 外模拟装置，见图1 5 ，主要研究了手机负载力和车针粒度对于陶瓷修复体的表 面质量的影响 2 2 1 。 天津大学的y i n l 等人设计了一种新型的模拟口腔调磨手术二维实验装置， 见图1 - 6 ，打破了国外一维准静态的局限，并利用该装置对高速手机在多种典型 调磨进程下的性能参数( 包括切削力、转速、扭矩、比磨削能等) 进行了动态测 试及评价【2 3 j 。 第一章绪论 图1 - 5 美国国家标准局设计的口腔调磨装型2 2 】 图1 - 6 二维体外牙科调磨实验系统吲 然而，之前很少有关于电动手机切削性能的量化测试研究，包括磨削力、扭 矩以及比磨削能，因此很有必要对电动手机的切削性能进行定量的分析，同时， 在磨削过程中磨削力与磨削温度的关系很大，对牙科陶瓷口腔调磨过程产生的温 度进行深入的研究也是十分重要的，这将对降低修复体的热损伤以及降低患者疼 痛有着重要意义。 第一章绪论 1 3 磨削温度研究现状 1 3 1 磨削温度测量方法 在温度的测量方法中，按照温度传感器的使用方式可分为接触式与非接触式 测量两类，其中接触式一般采用热电偶，而非接触法主要是通过光学手段通过测 量辐射能的大小，然后转化为温度值。 ( 1 ) 接触法。由热平衡原理可得，两个物体接触一段时间达到热平衡后， 两者温度必然相等，若其中一个物体为温度计，则可以用来对另外一个物体进行 测温，这种方法称为接触测温法。其特点为被测物体和温度计之间必须有着良好 的热接触，使得两者问达到热平衡，因此测量的温度结果精确度较高。使用接触 法测温，感温元件与被测物体接触可能会破坏热平衡状态，并且被测介质也有可 能腐蚀测温元件，因此接触法测温对感温元件的结构、性能要求比较严格。比较 典型的方法可将热电偶固定在工件或磨具上进行测量。 ( 2 ) 非接触法。通过测量物体的热辐射能来测定物体温度的方法称为非接 触法。它不与被测物体接触，也不改变温度分布，热惯性小。从原理上讲，这种 方法的测温上限非常高，可以用来测量1 0 0 0 以上的移动、旋转和反应迅速的 物体温度。红外热像仪测温由于其具有测温方便、迅速准确以及图像数据存储功 能，可以准确获得动态温度场图像，随着技术的不断发展，其测温性能也不断完 善，应用越来越广泛。 两种不同测温方法的特点如下表1 1 所示【2 4 j 。 表1 1 接触法与非接触法测温特点 磨削温度是加工过程中磨削热所引起的工件温度升高的总称。测量磨削温度 是可以为避免热损伤、提高表面加t 质量提供前提条件，因此也有大量的学者在 研究如何测量磨削温度 2 5 1 。而磨削温度根据研究目的的不同，可分为工件的平 第一章绪论 均温度、工件的表面温度、磨削区的温度以及磨粒点的温度。工件的平均温度指 的是磨削热传入工件后引起的工件平均温升：磨削区温度是指磨削时磨具与工件 接触部位的温度；表面温度是为工件加工表面的温度；磨粒磨削点的温度是指磨 粒刃尖上与工件接触的微小部分的温度，磨粒点的温度是磨削热的主要来源，也 是温度最高的部位。从临床医学的需求上来看，应该着手对高速牙科手机调磨过 程中的表面温度和内部温度进行研究，因为表面温度影响陶瓷表面的表面质量， 进而影响修复体的使用寿命，而内部温度可能会造成牙髓的损伤和坏死。表1 2 列出了上述四种不同的磨削温度的测量方法【2 6 | 。 表1 - 2 测量磨削温度的方法 分类 测量方法 平均温度 表面温度 磨削区温度 磨粒温度 1 标准热电偶测量已磨削表面 2 埋装热电偶测量内部温度 3 示温涂料法测量工件侧面温度分布 1 打孔埋装热电偶法 2 红外测量法 1 分块试件包夹热电偶丝 2 砂轮埋装热电偶法 3 红外测量法 1 分块试件包夹热电偶丝 2 s i c 砂轮与工件组成自然热电偶 1 3 2 磨削温度理论研究 在磨削过程中，磨削区内的产生的热量主要是通过工件、磨削液、切屑和砂 轮等传递出去，其中由于传入工件的热量是导致其温度升高而产生热损伤的直接 原因，因此传入工件的热量是人们所关注的重点【27 1 。由于磨削过程非常复杂，要 建立一个能够完全真实反映磨削区热量传递真实情况的模型是非常困难的，因 此，在建立热源模型时常常会对一些条件做各种各样的理想化假设，这就使得理 论模型与原始情况存在着不同程度的差异。多年来，各国的学者们对磨削区内热 量的传递进行了大量研究，为能够准确描述磨削过程的热量传递情况提供了理论 基础 2 引。 目前为止，广大学者提出的磨削热理论模型主要以1 9 4 2 年j a e g e r t 29 提出的 移动热源理论为基础，假定带状热源在半无限大物体上运动，当到达某一位置时 设时间为零，再对宽度为出的线状热源在半无限大物体中的温度场在该位置所 第一章绪论 造成的温升进行积分，得到带状热源对该位置造成的温升。早在五十年代， o u t w a t e r 和s h a w 3 0 】采用j a e g e r 移动热源理论对热现象进行了解释，并通过热电 偶进行了实验验证，他们假定磨削能都是在剪切面产生并在此传递出去的，并基 于剪切面移动热源理论建立了热量传递给工件的热源模型，磨削中产生的能量只 有一部分传递到工件，并如移动热源般作用于工件，由于磨粒和磨屑间也有滑动 现象产生，因此还有一部分磨削能量传递到了磨粒内。由于剪切面热源理论对在 实际中出现的大量摩擦能问题不能进行合理解释，h a h n 3 1 】从磨削能的角度出发， 提出了大部分热量是在磨粒磨损平面上产生的理论，认为热量的产生可以通过磨 损平面上的力以及忽略剪切面上的力来进行精确描述。 m a l k i n t 3 2 的研究结果表明几何接触长度内的热量有超过三分之二进入了工 件，并对模型进行了调整，并建议使用几何接触长度来计算，他提出在剪切面上 通过磨屑带走的热量是有限的，其值非常接近磨屑的熔化能。d e sr u i s s e a u x 3 3 j 在j a e g e r 模型的基础上加入了冷却液对磨削工件的冷却效果，分析了磨削液从工 件表面带走的热量，在该模型中，假设在磨粒接触位置传入工件的一部分热量能 够迅速地通过磨削液带走。如果传播速度足够快，则传入工件的热量来不及传入 工件深处而被磨削液带走，使得磨削区工件的温度不会过高。由于磨削区工件表 面出现高温的持续时间过长会导致工件材料出现相变和氧化反应，因此磨削区工 件最高磨削温度一直是人们所关注的问题。h o w e s 3 4 1 发现当磨削区的温度超过磨 削液的沸腾温度时，磨削液的沸腾膜严重地降低了冷却效果，因此得到结论，对 于浅磨削，磨削液所起的作用是其更有效的润滑来减小了磨削力和磨削温度。 s h a f i o 3 5 】提出在缓进给磨削中，磨削液的对流冷却非常重要，有时候在接触区磨 削液对流冷却带走的热量比其它要素带走热量的总和还要多，但是他也提出当磨 削液沸腾时，对流冷却带走的热量大大减少。 1 9 8 8 年p e t t i t 基于砂轮材料的复合体特性建立了一种热源模型，见图1 7 ， 提出了确定能量传递给工件的热量分配比的一种简便算法 36 l 。1 9 8 9 年l a v i n e 建立了热量传递给单颗锥形磨粒的传热模型，该模型考虑了不同锥角对传热的影 响，并且假设4 5 。角度作为评定分配率的基准。 第一章绪论 v w 砂轮 图1 7 热分配比简易模型 1 9 9 6 年，r o w e 在前人研究的基础上，将砂轮工件接触假设为一系列的磨 粒离散接触，获得了一个更加简单、准确的计算模，考虑了砂轮和工件的热特性、 磨粒的锋锐程度、转速和进给速度、磨削深度以及接触长度的影响【37 1 。在此基础 上，1 9 9 9 年，g u o 综合考虑了磨削液、磨粒、砂轮和工件之间的影响，建立了 一个新的热量分配模型，见图1 8 【3 8 】。 l ! 遭? 磨削液r 、磨削液 ， 工件 q 图1 - 8 考虑冷却液的分布模型 在我国，学者们对磨削温度的理论研究和实验研究也做了不少工作。1 9 6 4 年，上海交通大学的贝季瑶教授考虑到接触弧上磨粒厚度不同的情况，提出了热 源强度在沿接触弧长上为三角形分布的假设，见图1 9 3 9 ，适用于工作台低速运 动，并分别按单向导热和双向导热推导了磨削区的温度公式，并且用实验的方法 确定了，= d a 作为接触弧长是合理的，其中d 为砂轮的直径，a 为磨削深度。 东北大学的蔡光起教授研究了高速重负荷钢坯修磨热模型 锄 ，高航教授考虑磨削 液的影响，建立了断续磨削的热源温度模型【4 1 1 。西北工业大学王西彬教授分析了 金刚石砂轮磨削结构陶瓷时磨削热传入工件的比例，研制了一种人工热电偶表面 温度传感器 4 2 】。天津大学林彬教授和张洪亮于2 0 0 1 年根据杯形砂轮平面磨削的 特点，首次提出并建立了弧形热源三维温度场模型，给出了解析表达式，并进行 了数值计算 4 3 1 。 第一章绪论 、 莉 2 q 0 卜二i 一卜- 战 l 1 3 3 牙科磨削温度研究 图1 - 9 三角形热源分布 在牙科领域内，牙齿调磨过程中的热现象很少得到关注，对此的报道也很少。 郑弟泽等人采用热电偶测温方法对空气涡轮手机进行牙体预备时牙髓腔的温度 进行了测量，发现随着冷却水量的增加，牙髓腔的温度逐步降低，并且间断磨削 可以一定程度控制温升，但是并没有对磨削过程中的磨削参数比如去除深度以及 进给速度进行精确的控制【8 。e r c o l ic 【1 5 也采用了埋装热电偶的方法对牙齿调磨 过程中牙髓腔的温度进行了测量。由于牙科手机调磨过程中产生的热损伤与表面 磨削力以及表面温度有关，对此方面的研究扔属于空白。 图1 1 0e r c o l i 的测温装置【1 5 】 1 4 本文的主要研究内容 本文将从电动手机调磨牙科陶瓷过程中的温度研究出发，通过对高速电动手 机磨削牙科陶瓷的温度进行试验测量以及数值仿真，为今后的研究提供一些量化 第一章绪论 的数据，也可以为牙科医生进行指导，提供科学翔实的理论依据。本文的主要内 容如下： 第一章：阐明本课题的研究背景与研究意义，并对牙科 2 1 腔调磨现状、磨削 温度场的理论模型以及磨削温度的测量方法进行了概述，最后提出本文的主要研 究内容。 第二章：首次使用高速电动手机替代传统的空气涡轮手机，并对电动手机磨 削牙科陶瓷进行了力学实验以及表面质量的研究，分析磨削参数对于电动手机磨 削牙科陶瓷的磨削力以及表面质量的影响，评估电动手机的使用性能。 第三章：搭建测量磨削力和磨削温度的实验平台，使用测力仪与红外热像仪 分别进行电动手机高速磨削过程中的力和温度的测量，研究去除深度与进给速度 等磨削参数对磨削温度的影响。 第四章：确定热源模型，利用有限元方法，建立了电动牙科手机高速调磨牙 科陶瓷时的温度场数值仿真模型，研究了磨削参数对牙科调磨进程中的表面温 度、形变以及应力分布。最后将实验测得的温度数据与仿真得到的测量结果进行 比较。 第五章：对全文的工作做出了总结，并对后续工作进行了展望。 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 2 1 引言 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 磨削去除是牙科手机磨削牙科陶瓷修复材料时的最主要的去除形式。在磨削 过程中对磨削力、表面形貌等信息的测量，是了解牙科陶瓷磨削机理的主要方法。 在口腔调磨进程中，当高速车针与陶瓷修复体相互作用时，牙科手机所表现的进 程性能，比如车针转速、扭矩、切削力、切削能量等参数不仅关系到修复体的修 复质量，而且还关系到患者的临床感受【2 3 】。 本章首次使用电动牙科手机替代了之前研究中使用的空气涡轮手机，主要对 长石瓷和白榴石基牙科陶瓷进行了磨削力学实验研究，测量了不同磨削参数下的 磨削力信号，分析了去除深度和电动手机进给速度对于磨削力，扭矩，比磨削能 等磨削数据的影响，并对表面质量包括表面粗糙度以及表面形貌进行了观测，确 定了牙科陶瓷的去除形式。 2 2 实验过程 本次实验选用了两种不同的牙科陶瓷作为试件材料，并希望通过不同的材料 来进行力学性能的对比。v i t am a r ki i ( v i t az a h n f a b i r c ，b a ds a c k i n g e n , g e r m a n y ) 是一种长石瓷基体的陶瓷材料，在其玻璃基中大约弥散有3 0 不规则状的尺寸约 为1 7 m 的晶粒，主要成分包括s i 0 2 ( 6 0 6 4 ) ，a h 0 3 ( 2 0 2 3 ) ，n a 2 0 和 k 2 0 4 7 】。在口腔修复临床上，v i mm a r ki i 一般被用于前牙贴面和后牙嵌体的制 作。试验中所用的另一种材料为i p sp r o c a d ( i v o c l a rv i v a d e n t s c h a n n , l i e c h t e n s t e i n ) 是一种白榴石基玻璃陶瓷，其主要成分为s i 0 2 a 1 2 0 3 一k 2 0 州，它的 强度要比v i t am a r k 高，而美观性略低于v i m m a r ki i ，在临床上不仅可制作贴 面和嵌体，也可制作全冠。两种材料的机械性能见下表2 1 。 本次实验平台采用的是先前课题中研制的体外口腔调磨的模拟装置 4 8 1 。图 2 一l 为实验装置的实物图，由数据采集系统、电动牙科手机系统和运动控制系统 三个部分组成。 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 维氏硬度日 杨氏硬度e ( g p a ) 断裂韧性k i c ( m p a m 17 2 ) 弯曲强度c r ( m p a ) 6 2 6 8 0 9 1 0 0 5 6 7 0 1 3 1 2 7 图2 1 实验装置图 实验选用瑞士k i s t l e r 公司的9 2 5 7 a 型三向压电传感测力仪以及5 0 7 0 型电荷 放大器，测力仪的分辨率为0 0 1n 。使用夹具将测力仪平台与牙科陶瓷试件刚性 连接，当电动牙科手机磨削牙科陶瓷块时，测力仪可以测得试件受到的切向与法 向两个方向的动态磨削力。如图2 - 2 所示，车针平行于牙科陶瓷块的去除表面， 在实验进程中，电动马达驱动高速金刚石车针以速度乃进行高速旋转，同时电 动牙科手机按照程序控制的轨迹带动车针以一定的切削深度和进给速度民试 件的表面进行磨削去除，在此过程中，对磨削力信号进行动态监控与采集，采得 的压电信号经过电荷放大器放大传入电脑，然后利用k i s t l e r 公司研发的数据采 集与分析软件，可以实时对采集的数据进行时域与频域分析。 电动手机是由日本n s k 公司生产，速度可以从1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 转分设定，不 过不可以无级变速，调速间隔为1 0 0 0 0 转分。 实验采用的牙科车针是标准粒度的高速金刚砂车针( 2 11 ，i s o1 1 0 5 2 4 0 1 4 ， s h o f o 。j a p a n ) ，车针上的金刚石磨粒的平均直径为1 0 6 1 2 5g m 。车针形状为直 圆柱形，直径1 4 i n l t l ，有效磨削长度为7m m 。进口车针比国产的车针的耐磨性 更好，一般在，一组试验之后磨粒也很少脱落及磨损，实验过程中一般根据实际情 况，视车针的磨损度更换。 1 4 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 图2 - 2 调磨实验示意图2 3 1 整个实验进程根据临床上牙科调磨的运动形式，采用往复磨削去除实验法， 通过l a b v i e w 软件编程使得牙科手机以一定的切削深度顺磨( 车针旋转方向与进 给方向相反) 和逆磨( 车针旋转方向与进给方向相同) 各一次。实验过程中采用 的磨削深度分别是：1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0g m ，牙科手机的进给速度为：1 5 、3 0 、 4 5 、6 0 、7 5m m m i n 。牙科手机的驱动气压为临床标准气压0 2m p a ，磨削过程 中采用水冷却，冷却水流速为4 0m l m i n 。实验条件见表2 2 。 表2 - 2 实验条件列表 项目参数 试样材料 金刚石车针 电动手机 切削深度 进给速度 驱动气压 冷却水流量 v i t am a r ki i 、p r o c a d 瓷块 长度7r a i n ；直径1 4m i l l ；磨粒粒度1 0 6 1 2 5g m n l 4 0 0 ，日本n s k 公司，最大转速2 0 0 0 0 0r p m 1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0u l n 1 5 、3 0 、4 5 、6 0 、7 5m m m i n 0 2n 口a 4 0m l m i n 动态切削力信号包含切向力r 与法向力e 。测量力学信号前，为了获得合 理稳定的数据，牙科手机必须先按照程序编制的磨削运动路线平稳运行三个来 回，在同种磨削参数下每次测量三组数据。测得切削力的原始数据之后，发现测 得的力信号中夹杂着噪声，力信号曲线存在着波动，因此有必要结合m a t l a b 软 件编程，对力信号进行相应的处理，通过滤波等方法消除干扰信号。这里主要对 切削时以及手机空转时的切削力频域信号进行了对比，找到了噪声以及磨削力信 号的频段分布，然后通过滤波消除振动以及电信号带米的干扰，最后得到磨削力 的信号，将三组数据的平均值和标准偏差作为不同磨削参数条件下力的数值。 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 车针扭矩与磨削切向力及车针直径有关，其计算公式如下： t = f t d 2 ( 2 1 ) 式中厅是磨削过程中车针承受的切向力，d 为高速金刚砂车针的直径。 比磨削能也是材料去除过程中的一个重要参数，它是指磨削过程中实际消耗 的能量，这一能量包含了磨削区域内材料去除所需的能量和磨削过程摩擦产生的 热量，代表每去除单位体积材料时所消耗的磨削能，其计算公式如下： u2f 如p v w b ( 2 - 2 ) 其中以是车针外径的线速度，a p 是去除深度，v w 是电动牙科手机的进给速 度，b 是牙科陶瓷试件的宽度。根据该公式可以算出不同磨削参数下对应的比磨 削能。 2 3 进程参数 2 3 1 磨削力与力比 磨削力是表现整个磨削过程的重要特征之一，它也影响着工件表面加工精 度，与表面损伤程度也有着直接联系。它来源于磨具与试件接触磨削后所引起的 弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨料与工件表面间的摩擦作用。陶瓷材料由 于本身脆性比较大，在磨削过程中极易造成表面的力学损伤，因此对金刚石车针 磨削牙科陶瓷材料过程中的磨削力的分析可以解释牙科陶瓷材料去除机理。 图2 3 显示了逆磨状态下两种不同牙科陶瓷切向磨削力与去除深度以及进给 速度的关系曲线图。实验结果表明，在一定的去除深度和电动牙科手机进给速度 下，切向力随着进给速度和去除深度的增加而增加，同时可以看出，磨削深度的 变化对产生的切向力值的影响明显要比进给速度的变化带来的切向力大小的变 化要大，磨削白榴石基玻璃陶瓷产生的切向力也要比磨削长石瓷基陶瓷时要大。 图2 4 给出了逆磨状态下不同材料法向磨削力与磨削深度以及进给速度的变 化曲线。显而易见，磨削深度以及进给速度的增大都使得法向磨削力增大。与切 向力类似，磨削法向力在不同的进给速度下地变化也不如磨削深度的改变带来的 变化明显，并且磨削白榴石基玻璃陶瓷时的磨削力要高于磨削长石瓷基陶瓷时产 生的法向力。通过两种材料磨削切向力与法向力的对比，可以发现磨削白榴石基 玻璃陶瓷产生的磨削力比长石瓷基陶瓷要大，这与两种材料的硬度有关，白榴石 基玻璃陶瓷硬度要大于长石瓷基陶瓷。 1 6 1 4 1 2 g1 0 丧8 墨6 4 _ 2 0 0 4 3 善 c k2 r 暴 0 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 01 02 03 04 05 0 去除深度( m ) 2 o 一1 5 三 妻1 0 尽 尽 5 0 o 6 001 53 04 56 07 59 0 进给速度l m m m i n ) 图2 3 磨削参数对切向力的影响：( a ) 去除深度；( b ) 进给速度 02 03 04 05 06 0 去除深度( 1 a m ) 5 4 喜s l l 萎z 1 0 01 53 04 56 07 59 0 进给速度i m m l m i n ) 图2 - 4 磨削参数对法向力的影响：( a ) 去除深度：( b ) 进给速度 图2 5 给出了不同磨削深度和牙科手机进给速度影响下磨削力比的曲线图。 从图中可以看出，磨削力比值一般在1 3 3 之间，没有明显的变化规律，这也表 明磨削深度和进给速度对磨削力比的影响不大，同时也发现白榴石基玻璃陶瓷的 力比要大于长石瓷基牙科陶瓷。 3 u t2 u 丑 r 1 0 01 02 03 04 05 0 去除深度l 岬) 2 5 2 0 _ 崔1 5 u 蓑仙 5 0 0 6 0 01 53 04 5 6 07 59 0 进给速度( m m m i n ) 图2 5 磨削参数对力比的影响：( a ) 去除深度：( b ) 进给速度 第二章牙科陶瓷高速调磨力学实验研究 2 3 2 扭矩 图2 - 6 给出了长石瓷基陶瓷与白榴石基玻璃陶瓷两种不同材料在不同去除深 度以及进给速度下的扭矩变化曲线图。其曲线形状以及变化规律与切向力类似。 图2 - 6 磨削参数对扭矩的影响：( a ) 去除深度；( b ) 进给速度 2 3 3 比磨削能 比磨削能是每去除单位材料系统所消耗的能量，它可以用来作为评价材料去 除过程中的一个基本参数。在材料磨削过程中，如果磨削能过高，磨削区域内的 温度会显著增加，这样容易导致陶瓷修复体造成热损伤，并且磨削过程中产生的 高温可能会伤及修复体周围的牙龈等软组织。图2 7 给出了两种牙科陶瓷在不同 去除深度以及进给速度下的比磨削能曲线。从图线中可以看出，随着牙科手机去 除深度增加，比磨削能有下降的趋势。而对于白榴石基玻璃陶瓷材料，它的比磨 削能量随着进给速度增加而下