Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии (1040534), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Н. Э. Баумана на кафедре технологии проф. В. Н. Подураевым и нашли распространение в промышленности. Были проведены опыты по наложению ультразвуковых колебаний на пилообразные окончания концентраторов. Уже первые опыты, проведенные на кафедре «Сварочное производство»„дали обнадеживающие результаты. Ультразвук для резания костей был признан с положительной стороны всеми хирургами, опробовавшими указанный метод в травматологии, ортопедии, торакальной хирургии, стоматологии и т. д. Сущность способа заключается в том, что иа режущий инструмент, представляющий собой пластину, геометрические параметры которой определяются плотностью разделяемой ткани, накладываются упругие механические колебания ультразвуковой частоты.
Оборудование, инструменты при ультразвуковом разделении совершенно аналогичны оборудованию н инструментам, применяемым при соединениях (сварки) и восстановлении (наплавки) тканей, рассмотренные в главе 2-й. Непосредственно инструмент для резания костных тканей ультразвуком состоит из узкой тонкой пластины в концевой части концентратора. На ее узкую грань наносится насечка, форма зуба и шаг устанавливают нз условия обеспечения оптимальных технологических параметров процесса. Зубья насечки йнструмецта прн резании совершают продольные колебания с частотами 20 000 — 30 000 Гц и амплитудами А=20 — 60 мкм.
Физический процесс резания костных тканей включает два этапа. В первом этапе в результате ультразвуковых колебаний производится съем микростружки, зубья пилы внедряются в костную ткань, во втором этапе происходит срезывание ткани между зубьями насечки. Срезывание осуществляется за счет сдвигаюшей (горнзонтальной) составляющей силы Рв, усилия хирурга Р, прикладываемого к инструменту, в процессе перембщепия инструмента. Физические и технологические параметры процесса резания, а также форма инструмента определяют тем. пературу в зоне резания и производительность процесса. Использование ультразвука позволяет в значительной степени облегчить работу, совершаемую рукой хирурга, энергией ультразвуковых колебаний. Таким образом, 156 „Р г 1'р ~М /|и «РП 0,2 МП Рру лап бо г Рис.
63. Производительность процесса (1'р) и усилия резания (Ра) от давления на обрабатываемую поверхность. 1 — баз ультразвука; 2 — с ультразвукам. применение для разделения костей ультразвуковыми ин- )«7:; струментами является еще одним шагом в механизации ;:у.:', хирургических разделительных процессов. Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент оказывает существенное влияние на процесс резания костной ткани. Как показано на рис. 63, производительность процесса резания с ультразвуком значитель- ~~~!::!;::,; но превосходит производительность процесса обычного резания механическим инструментом, в то время как усилия резания в направлении главного движения Р, отличаются не более, чем в 2 раза.
Следует отметить характерную особенность процесса резания с ультразвуком: кривая производительности имеет четко выраженный максимум, соответствующий определенному значению "'Ф";::„- Р†усил давления режущего инструмента на обрабатйваемую поверхность. Дальнейшее увеличение давления приводит к снижению производительности процесса при заданных технологических параметрах. Производительность резания костных тканей зависит от амплитуды колебаний, их частоты, геометрии режуще- 167 кл Пннн)р» ггА,ка о,г 'гг= — 1' созозг 168) Го 20 ЗО 40 ВО Л, нкн г" .
Зо го клина инструмента, давления Р на инструмент, скор сти перемещения инструмента по обрабатываемой поо т верхи ости. Повысить производительность процесса можно за счет увеличения энергии ультразвуковых колебаний, распространяющихся в инструменте, а именно, за счет увеличения амплитуды и частоты колебаний. Амплитуда вынужденных механических колебаний инструмента при ультразвуковом резании является одним из важнейших параметров процесса. С увеличением амплитуды колебаний увеличивается н скорость микро- перемещения режущей кромки вдоль обрабатываемой поверхности.
И звестно, что с изменением скорости резания силы ж е резания также изменяются. При распространении в рущем инструменте ультразвуковых колебаний максимальная скорость микроперемещений режущей кромки достигает значительных величин. При изменении амплитуды колебаний от А=10 до А=60 мкм при частоте /=26 кГц скорость микроперемещений режтгщей кромки изменяется от Ъ' =96 м/мин до Ъ" =565 м/мнн. Как показали эксперименты, подобное изменение скорости резания приводит к снижению усилия нормального давления Рт более чем в 3 раза, причем производительность процесса увеличивается в 10 раз. Амплитуда колебаний инструмента является фактором, определяющим объем стружки в процессе микрорезания.
Как показали исследования, увеличение амплитуды колебаний способствует росту производнтельнос пое р ц оса при одновременном снижении значений усилий ти нормального давления Р» 1рис. 64). Усилия резани правлении главного движения с увеличением амплитуды колебаний инструмента увеличиваются, С увеличние гнем амплитуды колебаний инструмента производитель- увеличеность процесса микрорезания, т.
е. объем стружки, снятой за счет микроперемещений режущей кромки, растет в связи с увеличением длины снимаемого слоя при малых значениях силы нормалыгого давления Р . Увели ние усилия давления на инструмент способствует бол е ичегл )бокому внедрению режущего клина и костную ткань, лее тем самым увеличивает толщину срезаемого слоя, а, 158 ов ов го гг внн гзнс, 64. Влияние амплитуды колебаний и шага насечки инструмента на производительность процесса и усилия резания. 1 т,ннЯ:к гмкг Рис.
65. Влияние переднего угла резания на прокаводительность процесса и усилия резания с ультразвуком. г,'с Рис. 67. Влияние технолотнчсских параметров процесса на температуру в зоне резания. Рис. 66. Влииние акустических параметров колебания инструмента иа температуру в зоне резании. 80 60 80 80 аа д икхт Л б 8 0л,очес 0 »0 сзз ив 800 и», г ззхяз ы тсз 161 яо гг гл 88 88 ~, зГЧ следовательно, и площадь сдвига, что вызывает пропорциональный рост силы резании в направлении главного движения.
Сила резания Р» является нагрузкой для акустической системы инструмента. Увеличение нагрузки приводит к изменению резонансных характеристик системы, и, как следствие, — к уменьшению амплитуды колебания инструмента, что приводит к снижению производительности процесса. Влияние частоты колебаний инструмента не столь существенно. При взменснии частоты колебаний от 20 до 30 кГц производительность возрастает на 15 — 20с1з. Производительность возрастает с увеличением шага насечки. Изменение шага от 0,4 до 1,1 мм вызывает увелечение 1 в несколько раз (см. рис. 64), однако при этом ухудшается чистота обработки. Существенное влияние на производительность оказывает угол резания инструмента у,. Изменение переднего угла от минус 45' до плюс 20' в 1,8 раза повышает производительность, а также усилия резания в направлении главного движения Р, (рнс.
65). Угол резания оказывает влияние иа физико-механические процессы. При отрицательных углах резания имеет место явление, напоминающее соскабливание, при положительном угле резко выражено скалывание материала. Это положение подтверждается изменением грануля- ции стружки. При значениях переднего угла у'~0 величина частиц костной стружки на 15 — 20% больше, чем при у'(О. Увеличение переднего угла уменьшает усилия Р». Величина угла резания у' оказывает влияние на физико-механические процессы, регулирующие температуру нагрева. При изменениях угла от минус 45' до плюс 15' температура снижается на 20'. По-видимому, это может быть объяснено повышением производительности, большим расходом энергии на разрушение ткани.
Крометого, при у>0 тепловой поток направляется в большей мере в стружку, нежели при отрицательных значениях угла. Следует помнить, что повышение Т' связано с повышением значения давления Р . Последнее вызывает рост сил и работы трения, что естественно сопровождается ростом температуры, Т' снижается при увеличении скорости резания. Качественное изменение процесса резания происходит вместе с изменением скорости перемещения инструмента. С увеличением скорости процесс резания приобретает прерывистый, ударный характер, это может сопровождаться образованием трещин в корне стружки, что ведет к снижению энергии деформации.' На рис. 66, 6Т даны значения температуры в зависи'-:;„мости от амплитуды колебаний А, частоты 1, скоро- сти перемещения инструмента и давления на инструмент Ру.
Как следует из построенных кривых, избежать повышения температуры свыше 60 возможно при Р, не превышающем 250 — 260 г. Установлено, что существенным условием, обеспечивающим производительность процесса резекции костных тканей пилами, является рациональный профиль зубьев, обеспечивающий хорошие условия отвода стружки.
В МВТУ им. Н. Э. Баумана был предложен ультразвуковой инструмент с разведенными зубьями и рекомендована специальная технология доводки. Увеличение угла развода зубьев до 20 — 25'С приводит к повышению производительности более чем в 2 раза. Увеличение пространства между зубьями обеспечивает более глубокое внедрение в кость и, кроме того, улучшает условия отвода стружки. При разводе костная стружка выводится через полость, образованную за счет уменьшения площади передней поверхности зубьев насечки. Дальнейшее увеличение угла развода относительно указанных значений нерационально, так как приводит к снижению производительности. При наличии разведения зубьев увеличение усилия нормального давления Ру на инструмент повышает усилие Р, в направлении движения при резке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
