بررسی تجربی، مدل‌سازی ریاضی و بهینه‌سازی نیروهای برش در فرآیند اتوماتیک فرزکاری استخوان کورتیکال

فرزکاری استحوان کورتیکال در جراحی‌های اورتوپدی مانند تعویض مفصل زانو، اوتولوژیک، ستون فقرات و تعویض مفصل ران استفاده ‌می‌شود. نیروهای برش ایجاد شده توسط ابزار برشی در طول فرزکاری استخوان کورتیکال به‌منظور کنترل سایش ابزار و همچنین اعمال نیروی مجاز به‌استخوان برای جلوگیری از شکستگی باید کنترل شود. این مطالعه به‌طور مشخص به‌مدل‌سازی پارامترهای موثر در فرزکاری استخوان شامل سرعت برش، نرخ پیشروی، عمق برش و قطر ابزار با استفاده از روش سطح پاسخ برای پیش‌بینی نیروهای برش می‌پردازد. در این روش ‌می‌توان به‌صورت روشمند یک معادله رگرسیون خطی مرتبه دوم به‌منظور پیش‌بینی دقیق رفتار فرآیند فرزکاری استخوان ارایه نمود. همچنین از روش تحلیل حساسیت آماری سوبل برای بررسی دقیق میزان تاثیر پارامترهای ورودی روی رفتار نیروی برش بهره گرفته شده است. در این پژوهش رفتار پارامترهای مختلف ورودی به‌صورت جداگانه و برهم‌کنش آنها با یکدیگر روی نیروی ماشین‌کاری مورد ارزیابی و تحلیل قرارگرفته است. مولفه‌های نیروی برش در سه جهت پیشروی، عمود بر پیشروی و عمود بر سطح استخوان اندازه‌گیری و بررسی شد. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد مدل ریاضی حاکم بر مساله عملکرد مناسبی در بازه پارامترهای تعریف شده دارد و ‌می‌تواند پیش‌بینی بسیار خوبی از رفتار نیرو ارایه نماید. با انتخاب سرعت دورانی 1500دور بر دقیقه، نرخ پیشروی 12میلی‌متر بر دقیقه، قطر ابزار 2میلی‌متر و عمق برش 0/2 میلی‌متر ‌می‌توان به‌حداقل نیروی برش دست یافت. همچنین در خصوص حساسیت رفتار نیرو براساس تغییر پارامترهای ورودی در بازه ‌آزمایش‌ها، بیشترین اثر مربوط به‌اثر عمق برش با36/3% تاثیر و پس از به‌ترتیب نرخ پیشروی با 28/4%، قطر ابزار با 27/5% و سرعت دورانی با 7/8% است.

Experimental Investigation, Mathematical Modeling and Optimization of Cutting Forces in the Automatic Process of Cortical Bone Milling

Cortical bone milling is used in orthopedic surgeries such as knee replacement, otological, spinal cord, and hip replacement. The cutting forces created by the cutting tool during cortical bone milling in order to control the wear of the tool as well as applying allowable force to the bone to prevent fracture should be controlled. In this paper, the effective parameters in the bone milling including cutting speed, feed rate, cutting depth and tool diameter has been investigated using the response surface method in order to predict the cutting forces. In this method, a secondorder linear regression equation can be presented in order to predict the behavior of the bone milling process precisely. Also, Sobel's sensitivity analysis method was used to study the effect of input parameters on the behavior of cutting force. In this research, the behavior of different input parameters and the effect of their interactions on the machining force has been evaluated and analyzed. The components of cutting force were measured and investigated in three directions of feed, perpendicular to the feed and perpendicular to the bone surface. The results show that the mathematical model governing the problem has a proper function within the range of the defined parameters and it can provide a good prediction of force behavior. The minimum cutting force can be achieved in a rotational speed of 1500 rpm, feed of 12 mm/min, tool diameter of 2 mm, and cutting depth of 0.2 mm. Also, about the sensitivity of the force behavior based on the input parameters variation in the range of experiments, the greatest effect was related to the cutting depth with 36.3% of the effect, and feed rate with 28.4% of the effect, the diameter of the tool with 27.5% of the effect and the rotational speed with 7.8% of the effect.