骨钻孔是现代外科和创伤骨科手术中必不可少的步骤。目前外科手术中所使用骨钻一般是传统骨钻。在钻头高速钻孔过程中,产生大量的热量不能迅速散去,而使孔壁周围对温度敏感的骨组织温度迅速升高超过安全阈值,造成不可逆转的骨坏死;较大的钻削力会导致孔附近的骨组织出现裂纹。这两方面的不良影响会造成固定螺钉松动、假体失稳,严重时导致手术失败。前期研究表明,低频振动辅助钻削能够降低温升,减小平均轴向钻削力,提高钻孔质量,但需要进一步实现装备化。针对以上问题设计出一套可手持操作的凸轮机构式低频轴向振动钻骨设备,并进行了相关研究和试验。主要内容如下:1.对低频轴向振动辅助钻削过程的运动学进行了计算分析,对比了常规钻削和低频振动钻削中钻头的运动轨迹,分析了低频振动钻削过程中的变速、变钻削厚度、变钻削角度和分离-冲击等四大特性,表明低频振动辅助钻削在改善切屑形态和提高钻孔质量等方面具有优势。2.在原凸轮激发低频振动钻孔试验台的基础上,设计研制了手持式轴向振动骨钻样机。改进结构使其基本满足了手术环境所必须的密封、轻量化和钻孔视野开阔等要求。设计过程中,对关键零件进行了有限元模态分析避免发生共振。3.抽象出了手-钻-骨骼肌肉振动系统的物理模型,并从切削区分离,分别建立了手-钻子系统和骨骼肌肉子系统的物理模型和动力学模型。根据凸轮机构激发振动骨钻避免从动件脱离的条件,选择了弹簧材料;进行动力学分析和试验,初步掌握了系统的动力学特性,发现系统在1200 r/min的转速以下能够提供稳定振动输出。4.将手持式骨钻固定于自动进给平台,在稳定的进给和切削条件下研究该系统的钻骨试验,发现:平均轴向力和扭矩随着主轴转速的增大而减小,随着进给速度的增大而增大;在转速为800 r/min、进给速度为20 mm/min的钻削参数下,低频振动钻削对比常规钻削轴向力最多降低28.9%。温升随着主轴转速的增大而升高,随着进给速度的增加呈先上升后下降的趋势,在40 mm/min时温升最高。低频振动钻削方式下温升相应最多降低了21.3%,对应的钻削参数为600 r/min和50 mm/min。手持钻削试验发现低频振动钻削相比常规钻削平均轴向力大致降低了7.8%～30.2%;温升也明显降低,能够得到较小较均一的碎骨屑。两种操作方式均发现:低频振动钻削能够明显减小平均轴向力和扭矩、降低温升、有效改善骨屑的大小和形态、提高孔表面加工质量。