牙科陶瓷材料旋转超声加工关键技术研究

针对国内外牙科陶瓷材料的加工机理、加工方法和工艺参数优化、加工表面质量评价等研究的不足。本项目旨在研究适合牙科陶瓷的加工方法，以接触力学和断裂力学相结合的实验研究为理论指导，综合运用有限元仿真技术研究旋转超声加工的机理。建立介观尺度下旋转超声加工的理论模型；通过断裂力学理论分析和表面形貌实验观察，揭示牙科陶瓷材料在旋转超声加工条件下的表面损伤特性及材料表面生成机理；基于有限元模拟对牙科陶瓷材料旋转超声加工中的陶瓷亚表面应力分布及损伤深度进行预测及相关实验研究；基于分层加工理论的刀具在线补偿技术，开辟利用旋转超声加工牙齿三维复杂型面的新途径，并且从定量方面分析材料的去除机理；研制具有自适应调节功能的新型超声振动系统和高精度振幅测量方法，寻求超声波振幅和亚表面损伤的关系。该项研究不仅对提高牙科陶瓷加工的质量和效率具有重要意义和理论价值，而且在生物医学陶瓷领域也有广泛的应用前景。

针对国内外牙科陶瓷材料的加工机理、加工方法和工艺参数优化、加工表面质量评价等研究的不足。本项目研究适合牙科陶瓷的加工方法，以接触力学和断裂力学相结合的实验研究为理论指导，综合运用有限元仿真技术研究牙科陶瓷材料加工方法及机理。项目按照计划书内容进行，已经完成的研究包括：牙科陶瓷旋转超声加工力学建模、牙科陶瓷旋转超声加工有限元建模和牙科陶瓷旋转超声加工实验。首先，通过分析硬脆材料脆性断裂去除机理和旋转超声加工特点，确定旋转超声加工时单颗磨粒的切削深度和材料去除体积，建立旋转超声加工硬脆材料的切削力数学预测模型。基于该模型，研究了切削力和工艺参数之间的关系（例如主轴转速，进给率，超声波振幅，磨料尺寸和磨料浓度）。研究表明：切削力随着主轴转速非线性的递减，高转速下，切削力的减小越不明显；切削力随着进给率近似线性递增；超声波振幅和频率对切削力的影响很小；研究了考虑尺度效应的介观尺度材料本构关系，基于建立的本构关系，建立了单颗粒旋转超声加工过程有限元模型，并对旋转超声加工过程进行了仿真；并通过有限元计算了最小切削厚度；建立了微型超声铣床系统：采用亚微米及三轴定位工作台，工作行程50mm，分辨率可达50nm，PMAC运动控制卡对工作台进给实现全闭环控制。为本项目的后续研究开展提供了必要的研究对象和实验平台。