长石基牙科生物陶瓷的高速切削研究

朱稳中，李康清，刘翁帆，吴世雄

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

1 前言

牙科手术中经常涉及到高速涡轮手机的切削［1］，例如牙釉质切割、牙釉质表面磨削、窝洞孔制备、陶瓷牙冠切割、贴面陶瓷表面切削或切割等。目前牙科手术朝着机器人精准医疗方向发展，因此有必要展开相关的牙科高速切削研究。

高速涡轮手机驱动牙科车针所进行的牙科陶瓷的高速切削，主要分为陶瓷表面切削以及陶瓷体切槽两种方式［2］。文献［2］对牙科陶瓷的表面磨削发现适当增加径向磨削深度可提高材料的去除率。文献［3］采用不同粒度的金刚石车针，研究了长石瓷和氧化锆的加工特性和材料去除机理，发现这两种陶瓷材料去除过程包含有脆性断裂和塑性切除。文献［4］评估了金刚石车针在三种不同载荷下对云母玻璃陶瓷的切削效率后发现切削效率与牙科手机的负载有关。

长石基陶瓷在牙科手术中应用广泛，经常涉及牙科高速手机驱动车针做切割或表面切削处理。微创拔牙等手术涉及到牙科高速手机驱动车针切割牙釉质。现有文献表明这两方面的高速切削特征均尚未展开充分研究。牙齿牙釉质结构复杂，其力学性能具有各向异性特征［5］，且各处壁厚变化较大，对其切削特征研究容易出现数据较大变化现象。通过比较，发现长石基陶瓷与牙釉质力学性能较为接近。因此，长石基陶瓷的切削特征应该与牙釉质切削特征具有较强相似性。以下研究将建立长石基陶瓷和牙釉质的切削过程中基本力学性能换算关系，研究并掌握长石基牙科陶瓷的切削特征以及切割效率，所获得结论对牙釉质切削同样有指导意义。该研究可为口腔牙釉质切割和陶瓷切割手术提供技术支撑。

2 材料和方法

采用的数控工作台APT－CNC4650模拟机械手数控操作。牙科的高速手机通过夹具安装于Z轴，手机可夹持车针实现高转速切削。该数控装置可调节进给方向、进给速度f以及切削深度Ap。所加工的牙齿为人体第三磨牙（6颗），牙齿的舌面和颊面需磨平。所加工的牙科陶瓷为Vita Mark II（Vita Zahnfabric，Bad Sackingen，Germany），与牙釉的质力学性能接近，其维氏硬度H=6.2GPa，杨氏模量E=68GPa，断裂韧性KIC=0.9MP·m½，挠曲强度σ=100MPa［2］。陶瓷工件尺寸为（10×12×15）mm。切削刀具为高速的金刚石车针FG837－014（SF－12，ISO 111/014，S.S.White，America），其中，直径为1.4mm，工作长度为6mm，金刚砂粒度为（105～149）μm。实验中用Kistler测力仪测量切削力，用频闪仪DSS－20测量车针转速。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Equipment

实验中的切削条件，如表1所示，开展三个实验。

表1 切削条件Tab.1 Cutting Conditions

（1）牙釉质和陶瓷的基本力学性能换算实验：用金刚石车针以同样的切削参数分别对牙釉质和牙科陶瓷进行切槽操作，切削深度Ap为1.5mm，进给速度f为8mm/min和16mm/min，测量切削力大小并进行对比。

（2）陶瓷切槽实验：开展切槽实验，以掌握加工过程的力、转速、比磨削能等关键特征量。进给速度f分别为8mm/min、16mm/min、24mm/min、32mm/min，切 削 深 度Ap分 别 为1.5mm、2.0mm和2.5mm，工作气压为0.3MPa。以流量为25ml/min的水作为冷却剂。每组刀具对应1种进给速度和1种切削深度，每组做3次切槽实验，结果取平均值且计算误差。

（3）陶瓷切槽效率实验：通过该切槽效率实验获得陶瓷或牙釉质的合理切槽方式。以医疗切割牙齿许用力2N为限定条件，用3组刀具分别以单层、双层和三层方式切割出一个深度为2.5mm的槽，3种切槽方式对应的切削深度Ap分别为2.5mm、1.25mm、0.83mm。先用不同的进给速度f对三种切深试切，当进给方向切削力稳定在2N时，记录进给速度f。接着对以单层、双层和三层方式切削深度Ap=2.5mm的槽，计算需要总时间和材料去除率，从而找出哪一种方式的效率更高。

3 结果与讨论

3.1 牙釉质和陶瓷的基本力学性能换算实验

车针进给方向力为主要力，实验主要统计该力。

分别对牙科陶瓷和牙釉质展开切割，测试加工过程中进给方向的力。牙科陶瓷和牙釉质进给方向的切削力测试结果，如图2所示。图2结果表明，相同条件下牙科陶瓷Vita mark II的切削力非常平稳，而牙釉质的切削力则可能出现一定波动。从这一角度来看，牙科陶瓷在研究切槽特征和切槽效率等方面能获得较稳定结果。对多次实验获得的切削力实验结果进行有效值统计分析，如表2所示。结果表明，牙科陶瓷所受的切削力与牙釉质所受的切削力的比值大约为1.86。

表2 牙釉质与牙科陶瓷切割力Tab.2 Cutting Force of Enamel and Dental Ceramic

图2 切削力测试结果，（a）（c）牙科陶瓷，（b）（d）牙釉质Fig.2 Test Results of Cutting Force，（a）（c）Dental Ceramic，（b）（d）Enamel

两种材料的切削力特征与材料属性有关。Vita Mark II的组成成分为基于长石的晶体，包括透长石（（K，Na）（Si，Al）4O8）、霞石（（Na，K）AlSiO4）和钙长石（（Na，K）AlSi3O8）组成［2］，其力学性能稳定。牙釉质由釉柱和釉间质组成，釉柱自釉质牙本质界至牙表面的行程并不完全呈直线，近表面l/3较直，硬度和弹性模量较高，而内2/3弯曲，硬度和弹性模量较低［5］。此外，不同位置牙釉质壁厚不均匀。牙釉质微观结构及壁厚不均是导致牙釉质切削力波动的主要因素。

3.2 陶瓷切槽实验

对切槽过程的力、转速、切削比能等关键特征量测试并进行分析。

切削速度Vc的计算公式如下：

式中：n—车针的转速；

d—车针的直径。

则切割牙科陶瓷受到的扭矩T的计算公式如下［6］：

式中：Ft—车针承受的进给方向切削力；

d—车针的直径。

比磨削能是材料去除过程中的一个基本参数，它是指磨削过程中实际消耗的能量，包含磨削区域内材料去除所需的能量和磨削过程摩擦产生的热量。比磨削能u的含义是每去除单位体积材料所消耗的磨削能。

其计算公式［7］如下：

式中：Vc—切削速度；

Ap—切削深度；

f—进给速度；

b—槽宽度。

进给方向切削力、法向力，如图3（a）、图3（b）所示。曲线显示相同切削参数下进给方向切削力大于法向力，且进给方向切削力和法向力都随着切削深度或进给速度的增大而增大。

车针转速、切削速度、扭矩与进给速度的关系如图3（c）、图3（d）、图3（e）所示。当进给速度相同时，切削深度越大则转速和转矩越大。当限定切削深度，随进给速度增加，则车针的转速下降，转矩则增大，这是由于车针每转一圈的切削量增加，克服切削摩擦所需能量增大。高速涡轮手机不受负载下的转速为344460r/min，在实验条件下转速下降较快，最多下降30%。

虽然高速气动涡轮手机作为主要的切割工具已经有50多年的历史，但其主要缺点是扭矩低，导致车针转速下降［8］。当f=32mm/min，Ap=2.5mm时，车针转速相对于空载转速下降约30%。车针转速下降主要是由于车针对牙科陶瓷的摩擦阻力增加，这相当于在切割过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与扭矩之间的关系。扭矩和切削速度的关系，如图3（g）所示，在所有切削条件下，决定系数R2＞89%，切削速度随扭矩近似线性下降。

如图3（f）所示，随着进给速度的增大，比磨削能逐步减小，而切削深度对比磨削能的影响相对较小。大约55%的磨削能量以热能的形式传输到工件中。口腔环境中，切削热可能对健康的牙髓和牙周组织造成潜在损害［7］。由图3（f）可看出，进给速度从8mm/min提高到16mm/min时，比磨削能下降幅度最大。考虑到比磨削能越低，切削热转化为温度升高的量越小。因此在口腔内进行切槽操作时，在切削深度不变的情况下，适当提高进给速度有利于减小切削热，保护牙周组织。

图3 陶瓷切槽关键参数测试分析（a）进给方向切削力；（b）法向切削力；（c）转速；（d）切削速度；（e）扭矩；（f）比磨削能；（g）扭矩和切削速度的关系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 陶瓷切槽效率实验

陶瓷切槽效率采用材料去除率来表征。材料去除率Qw的计算公式如下［6］：

式中：Ap—切削深度；f—进给速度；b—切削宽度。

列出当控制进给方向的切削力为2N时，切削深度为2.5mm、1.25mm、0.83mm时对应的进给速度的大小，由进给速度可计算出总切削时间以及材料去除率，如表3所示。由表3可知在控制进给方向的切削力大小为2N的前提下，凹槽采用单层、双层及三层切削方式切槽，分别用时75s，20s和15s。图统计结果，如图4所示。根据该实验结果，可以得出一个重要结论，切槽分三层切完的效率是最高的。三层切槽方式相比单层切槽和双层切槽，效率分别提高397%和32.7%。

表3 不同切槽方式得到的数据Tab.3 Data Obtained by Different Grooving Methods

图4 不同切削深度对应的材料去除率、切削时间和进给速度Fig.4 Material Removal Rate，Cutting Time and Feed Speed Corresponding to Different Cutting Depths

车针切入工件时，磨粒切削刃前方的材料受到挤压超出材料极限、形成裂纹并扩展形成碎屑［9］。如果不能有效地将切屑从切削区域清除，切屑就会沉积、阻塞于车针进给区域，导致切削效率下降［10］。单层切槽方式由于切削深度大，产生的切屑比多层切槽更多，切屑无法顺利排出时形成切屑阻塞，导致切削力上升。采用三层切槽的方法由于切削深度小，陶瓷碎屑较少，更有利于切屑的排出，车针转速高，切削力明显下降。因此，三层切槽方式在额定的切削力下，可明显提高进给速度，从而具有更高的切削效率。

4 结论

以高速手机及金刚石车针为工具，对牙釉质和长石基牙科陶瓷展开数控高速切削研究，得出以下结论：

（1）长石基牙科陶瓷切削力平稳，而牙釉质的切削力波动较大。牙釉质微观结构及壁厚不均是导致牙釉质切削力波动的主要因素。

（2）两种材料切削力对比测试数据的统计分析表明，长石基牙科陶瓷的切削力约为人体牙釉质切削力的1.86倍。

（3）切割长石基牙科陶瓷时，随着进给速度的增大，切削力逐步增大，车针转速则逐步下降。当进给速度相同时，切削深度越大则车针转速和转矩越大。切削速度随扭矩增大而近似线性下降。

（4）切割长石基牙科陶瓷时，随着车针进给速度的增大，比磨削能逐步减小。在切削深度不变的情况下，适当提高进给速度有利于减小比磨削能，减小切削热，保护牙周组织。

（5）单层、双层和三层的切槽方式中，三层切槽方式的材料去除率最高，是最高效的切槽方式。三层切槽方式相比单层切槽和双层切槽，效率分别提高397%和32.7%。