ارائه يك مدل تحليلي و بررسي تجربي رفتار پارامتر‌هاي موثر در نيروي محوري فرآيند سوراخ كاري استخوان كورتيكال

Providing an analytical model and experimental study of the behavior of cortical bone drilling the thrust force

يكي از مهم‌ترين فرآيند‌هاي ماشين كاري در حوزه جراحي‌ها و مهندسي پزشكي، فرآيند سوراخكاري استخوان مي‌باشد. سوراخكاري استخوان كاربرد عمده‌اي در جراحي‌هاي ارتوپدي، نمونه‌برداري‌هاي استخواني و همچنين دندان‌پزشكي دارد. در طول عمل سوراخكاري استخوان، اعمال نيروي بيش‌از‌حد به بافت استخوان سبب ايجاد شكست و ترك‌خوردگي و ايجاد آسيب جدي در بافت استخوان مي‌گردد. در اين مقاله، يك مدل تحليلي بهبود‌يافته براساس كار‌هاي انجام شده توسط بونو و ني، چاندراسخاران و لي براي پيش‌بيني رفتار نيروي محوري در فرآيند سوراخكاري استخوان ارائه‌شده است، در اين مدل عمل برش در راس مته به سه ناحيه تقسيم مي‌شود: لبه‌هاي برش اوليه، بخش بيروني لبه اسكنه (لبه برش ثانويه) و بخش داخلي لبه اسكنه (ناحيه دندانه). در مدل تحليلي ارائه‌شده فرآيند برش در هريك از اين سه ناحيه مورد‌ بررسي قرار‌گرفته است. به‌منظور صحه‌گذاري مدل تحليلي، آزمايش‌هاي تجربي با بهره‌گيري از استخوان تازه گاو انجام‌شده است. نرخ پيشروي و سرعت دوراني ابزار به‌عنوان پارامتر‌هاي موثر در سوراخكاري در نظر گرفته‌شده و مدل آماري براي بدست‌اوردن مدل رياضي و ارائه نمودار‌هاي برهم‌كنش متغير‌هاي ورودي ازمايش، به روش سطح پاسخ و تحليل تجربي فرايند سوراخكاري استخوان ارائه گرديده است. انطباق نتايج حاصل از مدل تحليلي و آزمايش‌هاي تجربي مناسب ارزيابي مي‌گردد. نتايج به‌دست آمده از مدل تحليلي و مدل تجربي بدين‌صورت است كه با كاهش مقدار پيشروي و افزايش سرعت دوراني ابزار نيروي وارده به بافت استخوان كاهش مي‌يابد.

One of the most important machining processes in the field of orthopedic surgeries and biomedical engineering is the drilling process. Applying excessive force on the bone tissue can cause cracking and damage bone tissue during the drilling process. In this paper, an improved analytical model is produced based on early work done by Bono and Ni, Chandrasekharan, and Lee to predict the thrust force in the bone drilling process. In this model, the cutting action at the drill point is divided into three regions: the primary cutting lips, outer portion of the chisel edge (the secondary cutting edges), and inner portion of the chisel edge (the indentation zone). All three regions have been investigated for the cutting process by the analytical model. In order to validate the model, some experiments are performed on the fresh bovine bone. Feed rate and rotational speed are adapted as the effective parameter in the drilling process, The statistical model to obtain the mathematical model and provide interaction diagrams of input variables experiments, to response surface methodology and experimental investigation of bone drilling have been offered. Comparing the analytical model and experimental results shows good agreement. From both analytical model and experiments, it can be concluded that with decreasing feed rate and increasing rotational speed, thrust force on the bone tissue decreases.