長(zhǎng)石基牙科生物陶瓷的高速切削研究

朱穩(wěn)中，李康清，劉翁帆，吳世雄

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 前言

牙科手術(shù)中經(jīng)常涉及到高速渦輪手機(jī)的切削［1］，例如牙釉質(zhì)切割、牙釉質(zhì)表面磨削、窩洞孔制備、陶瓷牙冠切割、貼面陶瓷表面切削或切割等。目前牙科手術(shù)朝著機(jī)器人精準(zhǔn)醫(yī)療方向發(fā)展，因此有必要展開相關(guān)的牙科高速切削研究。

高速渦輪手機(jī)驅(qū)動(dòng)牙科車針?biāo)M(jìn)行的牙科陶瓷的高速切削，主要分為陶瓷表面切削以及陶瓷體切槽兩種方式［2］。文獻(xiàn)［2］對(duì)牙科陶瓷的表面磨削發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加徑向磨削深度可提高材料的去除率。文獻(xiàn)［3］采用不同粒度的金剛石車針，研究了長(zhǎng)石瓷和氧化鋯的加工特性和材料去除機(jī)理，發(fā)現(xiàn)這兩種陶瓷材料去除過程包含有脆性斷裂和塑性切除。文獻(xiàn)［4］評(píng)估了金剛石車針在三種不同載荷下對(duì)云母玻璃陶瓷的切削效率后發(fā)現(xiàn)切削效率與牙科手機(jī)的負(fù)載有關(guān)。

長(zhǎng)石基陶瓷在牙科手術(shù)中應(yīng)用廣泛，經(jīng)常涉及牙科高速手機(jī)驅(qū)動(dòng)車針做切割或表面切削處理。微創(chuàng)拔牙等手術(shù)涉及到牙科高速手機(jī)驅(qū)動(dòng)車針切割牙釉質(zhì)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明這兩方面的高速切削特征均尚未展開充分研究。牙齒牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其力學(xué)性能具有各向異性特征［5］，且各處壁厚變化較大，對(duì)其切削特征研究容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)較大變化現(xiàn)象。通過比較，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)石基陶瓷與牙釉質(zhì)力學(xué)性能較為接近。因此，長(zhǎng)石基陶瓷的切削特征應(yīng)該與牙釉質(zhì)切削特征具有較強(qiáng)相似性。以下研究將建立長(zhǎng)石基陶瓷和牙釉質(zhì)的切削過程中基本力學(xué)性能換算關(guān)系，研究并掌握長(zhǎng)石基牙科陶瓷的切削特征以及切割效率，所獲得結(jié)論對(duì)牙釉質(zhì)切削同樣有指導(dǎo)意義。該研究可為口腔牙釉質(zhì)切割和陶瓷切割手術(shù)提供技術(shù)支撐。

2 材料和方法

采用的數(shù)控工作臺(tái)APT－CNC4650模擬機(jī)械手?jǐn)?shù)控操作。牙科的高速手機(jī)通過夾具安裝于Z軸，手機(jī)可夾持車針實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速切削。該數(shù)控裝置可調(diào)節(jié)進(jìn)給方向、進(jìn)給速度f以及切削深度Ap。所加工的牙齒為人體第三磨牙（6顆），牙齒的舌面和頰面需磨平。所加工的牙科陶瓷為Vita Mark II（Vita Zahnfabric，Bad Sackingen，Germany），與牙釉的質(zhì)力學(xué)性能接近，其維氏硬度H=6.2GPa，楊氏模量E=68GPa，斷裂韌性KIC=0.9MP·m?，撓曲強(qiáng)度σ=100MPa［2］。陶瓷工件尺寸為（10×12×15）mm。切削刀具為高速的金剛石車針FG837－014（SF－12，ISO 111/014，S.S.White，America），其中，直徑為1.4mm，工作長(zhǎng)度為6mm，金剛砂粒度為（105～149）μm。實(shí)驗(yàn)中用Kistler測(cè)力儀測(cè)量切削力，用頻閃儀DSS－20測(cè)量車針轉(zhuǎn)速。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Equipment

實(shí)驗(yàn)中的切削條件，如表1所示，開展三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

表1 切削條件Tab.1 Cutting Conditions

（1）牙釉質(zhì)和陶瓷的基本力學(xué)性能換算實(shí)驗(yàn)：用金剛石車針以同樣的切削參數(shù)分別對(duì)牙釉質(zhì)和牙科陶瓷進(jìn)行切槽操作，切削深度Ap為1.5mm，進(jìn)給速度f為8mm/min和16mm/min，測(cè)量切削力大小并進(jìn)行對(duì)比。

（2）陶瓷切槽實(shí)驗(yàn)：開展切槽實(shí)驗(yàn)，以掌握加工過程的力、轉(zhuǎn)速、比磨削能等關(guān)鍵特征量。進(jìn)給速度f分別為8mm/min、16mm/min、24mm/min、32mm/min，切 削 深 度Ap分 別 為1.5mm、2.0mm和2.5mm，工作氣壓為0.3MPa。以流量為25ml/min的水作為冷卻劑。每組刀具對(duì)應(yīng)1種進(jìn)給速度和1種切削深度，每組做3次切槽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值且計(jì)算誤差。

（3）陶瓷切槽效率實(shí)驗(yàn)：通過該切槽效率實(shí)驗(yàn)獲得陶瓷或牙釉質(zhì)的合理切槽方式。以醫(yī)療切割牙齒許用力2N為限定條件，用3組刀具分別以單層、雙層和三層方式切割出一個(gè)深度為2.5mm的槽，3種切槽方式對(duì)應(yīng)的切削深度Ap分別為2.5mm、1.25mm、0.83mm。先用不同的進(jìn)給速度f對(duì)三種切深試切，當(dāng)進(jìn)給方向切削力穩(wěn)定在2N時(shí)，記錄進(jìn)給速度f。接著對(duì)以單層、雙層和三層方式切削深度Ap=2.5mm的槽，計(jì)算需要總時(shí)間和材料去除率，從而找出哪一種方式的效率更高。

3 結(jié)果與討論

3.1 牙釉質(zhì)和陶瓷的基本力學(xué)性能換算實(shí)驗(yàn)

車針進(jìn)給方向力為主要力，實(shí)驗(yàn)主要統(tǒng)計(jì)該力。

分別對(duì)牙科陶瓷和牙釉質(zhì)展開切割，測(cè)試加工過程中進(jìn)給方向的力。牙科陶瓷和牙釉質(zhì)進(jìn)給方向的切削力測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。圖2結(jié)果表明，相同條件下牙科陶瓷Vita mark II的切削力非常平穩(wěn)，而牙釉質(zhì)的切削力則可能出現(xiàn)一定波動(dòng)。從這一角度來看，牙科陶瓷在研究切槽特征和切槽效率等方面能獲得較穩(wěn)定結(jié)果。對(duì)多次實(shí)驗(yàn)獲得的切削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效值統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示。結(jié)果表明，牙科陶瓷所受的切削力與牙釉質(zhì)所受的切削力的比值大約為1.86。

表2 牙釉質(zhì)與牙科陶瓷切割力Tab.2 Cutting Force of Enamel and Dental Ceramic

圖2 切削力測(cè)試結(jié)果，（a）（c）牙科陶瓷，（b）（d）牙釉質(zhì)Fig.2 Test Results of Cutting Force，（a）（c）Dental Ceramic，（b）（d）Enamel

兩種材料的切削力特征與材料屬性有關(guān)。Vita Mark II的組成成分為基于長(zhǎng)石的晶體，包括透長(zhǎng)石（（K，Na）（Si，Al）4O8）、霞石（（Na，K）AlSiO4）和鈣長(zhǎng)石（（Na，K）AlSi3O8）組成［2］，其力學(xué)性能穩(wěn)定。牙釉質(zhì)由釉柱和釉間質(zhì)組成，釉柱自釉質(zhì)牙本質(zhì)界至牙表面的行程并不完全呈直線，近表面l/3較直，硬度和彈性模量較高，而內(nèi)2/3彎曲，硬度和彈性模量較低［5］。此外，不同位置牙釉質(zhì)壁厚不均勻。牙釉質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及壁厚不均是導(dǎo)致牙釉質(zhì)切削力波動(dòng)的主要因素。

3.2 陶瓷切槽實(shí)驗(yàn)

對(duì)切槽過程的力、轉(zhuǎn)速、切削比能等關(guān)鍵特征量測(cè)試并進(jìn)行分析。

切削速度Vc的計(jì)算公式如下：

式中：n—車針的轉(zhuǎn)速；

d—車針的直徑。

則切割牙科陶瓷受到的扭矩T的計(jì)算公式如下［6］：

式中：Ft—車針承受的進(jìn)給方向切削力；

d—車針的直徑。

比磨削能是材料去除過程中的一個(gè)基本參數(shù)，它是指磨削過程中實(shí)際消耗的能量，包含磨削區(qū)域內(nèi)材料去除所需的能量和磨削過程摩擦產(chǎn)生的熱量。比磨削能u的含義是每去除單位體積材料所消耗的磨削能。

其計(jì)算公式［7］如下：

式中：Vc—切削速度；

Ap—切削深度；

f—進(jìn)給速度；

b—槽寬度。

進(jìn)給方向切削力、法向力，如圖3（a）、圖3（b）所示。曲線顯示相同切削參數(shù)下進(jìn)給方向切削力大于法向力，且進(jìn)給方向切削力和法向力都隨著切削深度或進(jìn)給速度的增大而增大。

車針轉(zhuǎn)速、切削速度、扭矩與進(jìn)給速度的關(guān)系如圖3（c）、圖3（d）、圖3（e）所示。當(dāng)進(jìn)給速度相同時(shí)，切削深度越大則轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩越大。當(dāng)限定切削深度，隨進(jìn)給速度增加，則車針的轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)矩則增大，這是由于車針每轉(zhuǎn)一圈的切削量增加，克服切削摩擦所需能量增大。高速渦輪手機(jī)不受負(fù)載下的轉(zhuǎn)速為344460r/min，在實(shí)驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)速下降較快，最多下降30%。

雖然高速氣動(dòng)渦輪手機(jī)作為主要的切割工具已經(jīng)有50多年的歷史，但其主要缺點(diǎn)是扭矩低，導(dǎo)致車針轉(zhuǎn)速下降［8］。當(dāng)f=32mm/min，Ap=2.5mm時(shí)，車針轉(zhuǎn)速相對(duì)于空載轉(zhuǎn)速下降約30%。車針轉(zhuǎn)速下降主要是由于車針對(duì)牙科陶瓷的摩擦阻力增加，這相當(dāng)于在切割過程中施加的克服阻力的切削扭矩［6］。因此有必要探究切削速度與扭矩之間的關(guān)系。扭矩和切削速度的關(guān)系，如圖3（g）所示，在所有切削條件下，決定系數(shù)R2＞89%，切削速度隨扭矩近似線性下降。

如圖3（f）所示，隨著進(jìn)給速度的增大，比磨削能逐步減小，而切削深度對(duì)比磨削能的影響相對(duì)較小。大約55%的磨削能量以熱能的形式傳輸?shù)焦ぜ??？谇画h(huán)境中，切削熱可能對(duì)健康的牙髓和牙周組織造成潛在損害［7］。由圖3（f）可看出，進(jìn)給速度從8mm/min提高到16mm/min時(shí)，比磨削能下降幅度最大?？紤]到比磨削能越低，切削熱轉(zhuǎn)化為溫度升高的量越小。因此在口腔內(nèi)進(jìn)行切槽操作時(shí)，在切削深度不變的情況下，適當(dāng)提高進(jìn)給速度有利于減小切削熱，保護(hù)牙周組織。

圖3 陶瓷切槽關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試分析（a）進(jìn)給方向切削力；（b）法向切削力；（c）轉(zhuǎn)速；（d）切削速度；（e）扭矩；（f）比磨削能；（g）扭矩和切削速度的關(guān)系Fig.3 Testing and Analyzing the Key Parameters of Ceramic Grooving（a）Cutting Force in the Direction of Feeding；（b）Normal Force；（c）Rotational Speed；（d）Cutting Speed；（e）Torque；（f）Specific Grinding Energy；（g）Cutting Speed as a Function of Feed Speed

3.3 陶瓷切槽效率實(shí)驗(yàn)

陶瓷切槽效率采用材料去除率來表征。材料去除率Qw的計(jì)算公式如下［6］：

式中：Ap—切削深度；f—進(jìn)給速度；b—切削寬度。

列出當(dāng)控制進(jìn)給方向的切削力為2N時(shí)，切削深度為2.5mm、1.25mm、0.83mm時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)給速度的大小，由進(jìn)給速度可計(jì)算出總切削時(shí)間以及材料去除率，如表3所示。由表3可知在控制進(jìn)給方向的切削力大小為2N的前提下，凹槽采用單層、雙層及三層切削方式切槽，分別用時(shí)75s，20s和15s。圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖4所示。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出一個(gè)重要結(jié)論，切槽分三層切完的效率是最高的。三層切槽方式相比單層切槽和雙層切槽，效率分別提高397%和32.7%。

表3 不同切槽方式得到的數(shù)據(jù)Tab.3 Data Obtained by Different Grooving Methods

圖4 不同切削深度對(duì)應(yīng)的材料去除率、切削時(shí)間和進(jìn)給速度Fig.4 Material Removal Rate，Cutting Time and Feed Speed Corresponding to Different Cutting Depths

車針切入工件時(shí)，磨粒切削刃前方的材料受到擠壓超出材料極限、形成裂紋并擴(kuò)展形成碎屑［9］。如果不能有效地將切屑從切削區(qū)域清除，切屑就會(huì)沉積、阻塞于車針進(jìn)給區(qū)域，導(dǎo)致切削效率下降［10］。單層切槽方式由于切削深度大，產(chǎn)生的切屑比多層切槽更多，切屑無法順利排出時(shí)形成切屑阻塞，導(dǎo)致切削力上升。采用三層切槽的方法由于切削深度小，陶瓷碎屑較少，更有利于切屑的排出，車針轉(zhuǎn)速高，切削力明顯下降。因此，三層切槽方式在額定的切削力下，可明顯提高進(jìn)給速度，從而具有更高的切削效率。

4 結(jié)論

以高速手機(jī)及金剛石車針為工具，對(duì)牙釉質(zhì)和長(zhǎng)石基牙科陶瓷展開數(shù)控高速切削研究，得出以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)石基牙科陶瓷切削力平穩(wěn)，而牙釉質(zhì)的切削力波動(dòng)較大。牙釉質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及壁厚不均是導(dǎo)致牙釉質(zhì)切削力波動(dòng)的主要因素。

（2）兩種材料切削力對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，長(zhǎng)石基牙科陶瓷的切削力約為人體牙釉質(zhì)切削力的1.86倍。

（3）切割長(zhǎng)石基牙科陶瓷時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，切削力逐步增大，車針轉(zhuǎn)速則逐步下降。當(dāng)進(jìn)給速度相同時(shí)，切削深度越大則車針轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩越大。切削速度隨扭矩增大而近似線性下降。

（4）切割長(zhǎng)石基牙科陶瓷時(shí)，隨著車針進(jìn)給速度的增大，比磨削能逐步減小。在切削深度不變的情況下，適當(dāng)提高進(jìn)給速度有利于減小比磨削能，減小切削熱，保護(hù)牙周組織。

（5）單層、雙層和三層的切槽方式中，三層切槽方式的材料去除率最高，是最高效的切槽方式。三層切槽方式相比單層切槽和雙層切槽，效率分別提高397%和32.7%。