钻骨是一种外科手术,通常用于在人体骨骼形成孔以治疗骨折,安装植入物或者进行重建手术。但钻骨手术是一个复杂的过程,它涉及到人类可持续健康的发展。较差的表面质量、植入物松动、过大的轴向力和过高的钻削温度都可能影响患者康复时间或导致手术失败。目前,已经证明在钻削过程中施加超声振动在骨材料加工方面具有一定的优势。因此,本文将超声振动技术应用到钻削皮质骨的过程中,研究了超声振动辅助钻削机理、切削参数对表面质量和拔出力的影响,以及考虑到钻骨过程的复杂性,将多目标方法应用于钻骨期间,同时最小化机械损伤和热损伤。主要研究内容如下:(1)首先对超声振动辅助钻削(UAD)皮质骨的运动学进行分析,基于振动钻削的基本原理,建立运动学方程。对麻花钻切削刃运动轨迹、切削厚度、断屑机理和变速特性进行了分析,并利用MATLAB绘制图像,分析参数变化对其造成的影响。(2)设计并进行了测量钻孔的表面质量和钻孔中螺钉的拔出强度的试验方案。在对新鲜的皮质骨进行钻削试验后,利用表面轮廓仪和显微镜对钻孔进行观察和测量表面质量,微电子万能试验机用来测量拔出强度,然后与普通钻削试验结果进行对比。(3)建立超声振动辅助钻削皮质骨的三维有限元模型,并对有限元模型建立的摩擦接触条件、本构模型的选取、边界条件的设置以及网格划分等过程中的关键技术进行了介绍。基于此,利用有限元模型对钻削过程中的轴向力和温度进行了研究,并与普通钻削进行了对比,搭建超声振动辅助钻削试验平台,验证有限元模型的可靠性。(4)利用基于响应面的多目标优化方法设计仿真试验,以切削参数和振动参数为因素,轴向力和钻削温度为目标进行优化,来最大限度地减少钻骨孔过程中的机械和热损伤,最终改善手术效果。