口腔医学中的超声加工技术*(2)

(a)磁致伸缩超声波 Magnetostrictive ultrasound(b)压电陶瓷超声波Piezoelectric ultrasonic wave(c)普通声波 Ordinary sound wave图3 振动形式及振幅 Fig. 3 Vibration mode and amplitude

我们在以往的文章中介绍了口腔修复刀具的研究[6]，义齿雕刻数字化装备的研究进展[7]以及口腔陶瓷修复材料加工研究的进展[8]，本文将按不同的口腔材料加工对象，分别介绍超声加工技术的不同应用，并对未来可能的应用前景做出展望。

1 钛合金的超声铣削加工

超声铣削加工主要是在机床上完成口腔支架、烤瓷牙内冠及种植体基台等金属材料产品的制造成型。这类加工产品具有尺寸较小、形状复杂的特征。图4展示了目前超声铣削技术几种典型应用领域，分别是牙齿钛盘、口腔支架及镍钛种植体基台加工制造，但由于超声铣削加工设备多为高精度的多轴加工中心，造价高昂，因此该技术尚未得到广泛的应用。超声铣削加工设备中较有代表性的是德国DMG机床的Ultrasonic linear系列超声加工中心，可对各种难加工材料构成的复杂微小零件进行高精度五轴联动超声铣削或磨削加工。该机床运行时可以满足加工表面粗糙度Ra< 0.2 μm，转速最高可达60 000 r/min，加工时超声振动频率通常在20～60 kHz之间，超声振动幅度通常在4～10 μm范围。在牙科领域中使用的金属主要包括钛合金、不锈钢和钴铬合金，但由于后2种金属韧性较好、硬度相对较低，超声铣削对提高其加工质量无明显效果，因此只有钛合金制成的零件适用于超声铣削加工成型。由于钛合金具有高强度和高硬度以及良好的韧性，适用于作为口腔支架等结构轻薄外形复杂的零件。但传统钛合金铣削加工过程中容易出现黏刀现象，使其加工表面难以达到相应的质量和精度要求，因此需要采用超声铣削加工技术来提升其加工质量。钛合金的超声铣削使加工过程由传统的连续加工变为断续加工，可提升散热及排屑效率，缓解黏刀现象，控制器械在加工过程中的温升热变形，使口腔器械的表面光洁度与形位精度得到明显提升，同时提高加工刀具的使用寿命，降低制造成本[9-10]。

(a)牙齿钛盘 Titanium plate of teeth(b)钛合金口腔支架Titanium-alloy dental stent (c)镍钛种植体基台Nickel-titanium implant base图4 口腔医学中常见金属零件Fig. 4 Common metal parts in stomatology

由于钛合金的超声铣削加工在口腔医学中具有良好的应用前景，国内外对其加工理论也进行了相应研究。NI等[11]通过建立刀具-工件接触速率模型，结合钛合金的超声铣削实验结果，验证了超声铣削能够大幅降低不同方向的切削力，同时较普通铣削能明显降低其加工表面粗糙度。LI等[12]研究了超声铣削加工中微细铣刀的刀具磨损对刀具寿命、加工表面粗糙度以及毛刺形成的影响方式，发现超声铣削加工过程中的切削速度明显低于最大振动速度时的，刀具磨损较低，同时对表面毛刺生成有较好的抑制作用，获得的加工表面质量较好。SHEN等[13]通过槽铣削实验研究了超声振动对微铣削加工表面粗糙度的影响，发现加工后的槽底面粗糙度相较于普通铣削有不同程度的提高，但槽的垂直侧壁表面质量有明显改善。GONG等[14]对超声侧铣加工进行研究，发现刀具磨损较普通磨削显著降低。

2 齿科陶瓷材料的超声磨削加工

口腔医学中的超声磨削加工适用于不同种类的齿科陶瓷的加工成型，对应产品包括全瓷冠、嵌体及种植体基台等。根据应用场合不同，口腔中的超声磨削加工可分为机床设备上的CAD/CAM磨削加工制造[8]以及医师进行的高速涡轮手机调磨[15]。由于技术和成本原因，目前齿科陶瓷的超声磨削加工机理研究仍然较为匮乏，因此超声加工技术还未在此领域得到大规模的应用。除此之外，当口腔医师使用高速涡轮手机调磨时，由于陶瓷修复体体积较小、轮廓复杂、自身易崩碎，加工难度较高，治疗加工中产生的振动也会严重影响患者舒适度。传统的多轴加工得到的表面容易产生较多微细缺陷和表面损伤，且强度不足，难以实现其与对位牙齿的精确咬合。

超声磨削加工技术可降低对加工区域的损伤，采用超声磨削加工技术可大幅提高修复体的加工质量[16]。图5分别展示了普通高速磨削与超声辅助磨削加工出的陶瓷表面形貌。在普通高速磨削条件下，

(a)普通高速磨削加工Traditional high-speed grinding(b)超声辅助磨削加工Ultrasonic assisted grinding图5 陶瓷磨削表面质量 Fig. 5 Surface quality of ceramic after grinding

加工表面存在较多沟痕，质量较差(图5a)；而超声辅助磨削条件下的加工表面普遍较光滑，损伤较小(图5b)。

文章来源：《上海口腔医学》 网址: http://www.shkqyx.cn/qikandaodu/2021/0208/387.html