بررسي تجربي وتحليلي نيرو درفرآيند سوراخ كاري استخوان به كمك ارتعاشات آلتراسونيك

Experimental and analytical investigation of thrust force in ultrasonic assisted drilling of bone

عارضه شكستگي استخوان در پزشكي كه ناشي از عوامل سانحه، كهولت سن و بيماري مي باشد، از همان زمان كه بشر شروع به كار و فعاليت نموده، وجود داشته است. فرآيند سوراخكاري استخوان، مرحله مهمي از بي حركت سازي داخلي در عمل جراحي ارتوپدي محسوب مي شود. نيروي مورد نياز جهت تشكيل براده در فرآيند سوراخكاري، منجر به توليد حرارت در موضع سوراخ و وقوع پديده نكروز حرارتي مي گردد. تحقيق حاضر به صورت تجربي تاثير ارتعاشات آلتراسونيك بر روي نيروي محوري در فرآيند سوراخكاري استخوان ران گاو را مورد مطالعه قرار داده است. اين روش مبتني بر اعمال ارتعاشات فركانس بالا و دامنه پايين در جهت پيشروي ماشينكاري بوده و قادر است، با گسترش ترك-هاي ريز در استخوان و كاهش اصطكاك، موجب كاهش نيروهاي برشي شده و همچنين سرعت تخليه براده را افزايش داده كه اين عوامل در مجموع منجر به كاهش نيروهاي سوراخكاري مي شوند. نتايج تجربي نشان مي دهند كه فرآيند سوراخكاري استخوان به كمك ارتعاشات آلتراسونيك نيروي محوري كمتري نسبت به فرآيند سوراخكاري معمولي ايجاد مي نمايد و سرعت چرخشي rpm 1000، سرعت بهينه براي دستيابي به حداقل نيروي محوري براي تمامي نرخ هاي پيشروي مي باشد. ضمن آنكه، به علت عدم وابستگي نيرو به مقدار نرخ پيشروي در اين سرعت، قابل استفاده در عمل هاي جراحي ارتوپدي مي باشد.

The problem of bone fracture in medicine due to an accident, aging or diseases, has existed from times when humans started to work and activity. The process of bone drilling is an essential part of internal immobilization in orthopaedic and trauma surgery. The force required to chip formation in drilling process, resulting in heat generation in drill site that leads to the occurrence of thermal necrosis. This research experimentally investigates the effect of ultrasonic vibration on thrust force in drilling of bovine femur bone. This method induces high-frequency and law-amplitude vibration in the feed direction during cutting, and has the potential to spread tiny cracks in bone and decrease friction leading to reduce of cutting forces and also increase the speed of chip disposal leading to reduction of machining forces, totally. Experimental results demonstrate that ultrasonic assisted drilling of bone produces fewer thrust force than conventional drilling and rotational speed of 1000 rpm is the optimal speed to achieve at minimum thrust force for all feed rates. Moreover, this method is due to the force independence of the feed rate in the rotational speed of 1000 rpm, is applicable in orthopedic surgery.