一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置

摘要

本发明公开一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置，包括可实现前后、左右以及上下运动的线性三轴平台、电主轴以及工件固定装置，其中，所述线性三轴平台包括可左右运动的X轴结构、可前后运动的Y轴结构以及可上下运动的Z轴结构，工件固定装置固定在所述Y轴结构上，电主轴固定在所述Z轴结构上，且安装于工件固定装置的上端；电主轴下端安装磨头，磨头柄内部或磨头四周设置有磨削冷却装置，磨头周围设置静电雾化成膜装置。本发明的高速磨削手术实验装置，可适用于滴灌式冷却、浇注式冷却、气雾式冷却、纳米流体气雾式冷却、相变换热式磨头、亲水性磨头和静电雾化内冷磨具等降低磨削区温度的方式。

权利要求

1.一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置，其特征在于：包括可实现前后、左右以及上下运动的线性三轴平台、电主轴以及工件固定装置，其中，所述线性三轴平台包括可左右运动的X轴结构、可前后运动的Y轴结构以及可上下运动的Z轴结构，工件固定装置固定在所述Y轴结构上，电主轴固定在所述Z轴结构上，且安装于工件固定装置的上端；

电主轴下端安装磨头，磨头柄内部或磨头四周设置有磨削冷却装置，磨头周围设置静电雾化成膜装置；

磨头为相变换热式磨头、亲水性磨头或静电雾化内冷磨头；

所述静电雾化内冷磨头包括莫氏主轴、静电雾化成膜结构和静电雾化内冷磨削结构，静电雾化成膜结构套合在静电雾化内冷磨削结构的外侧，且静电雾化成膜结构的喷射口朝向磨头设置；

所述静电雾化成膜结构包括注射泵、贴合注射泵内壁安装的电极圆盘、固定在电极圆盘上的电极组件以及设置在注射泵出口端的喷射口，所述电极组件和工件加电装置分别与静电发生器的负极和正极连接，注射泵的柱塞与电机连接，喷射口垂直设置或朝向磨头倾斜设置；

所述静电雾化内冷磨头还包括可伸缩套筒结构，可伸缩套筒结构包括手旋套和推板，手旋套活动安装在固定外套上，手旋套和推板之间螺纹连接，固定外套上设置有用于将推板进行卡合的凹槽，在凹槽内部，推板与固定外套之间设置有弹性介质，所述注射泵与推板连接，所述推板为整体结构或分体结构；

在静电雾化成膜结构的注射泵与柱塞组成的压力腔内装有医用敷料，将静电纺丝结构调整到合适高度，控制系统发出运动指令后柱塞往下移动，给压力腔连续恒定的推力，医用敷料以固定速率被挤出到喷射口上，在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口，调节外加电压使其达到适当电压，液滴便会以射流的形式从喷射口喷出， 当射流被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，实现对磨削创伤面的雾化成膜保护处理。

2.根据权利要求1所述的磨削实验装置，其特征在于：所述X轴结构安装在底座上，包括X轴电机、X轴减速器、X轴丝杠和X轴导杆，所述X轴丝杠通过X轴减速器与X轴电机连接，X轴导杆与X轴丝杠平行设置；Y轴结构包括Y轴电机、Y轴减速器、Y轴丝杠和Y轴导杆，所述Y轴丝杠与X轴丝杠垂直设置，并且通过Y轴减速器与Y轴电机连接，Y轴导杆与Y轴丝杠平行设置；Z轴结构安装在Y轴丝杠上，包括Z轴电机、Z轴减速器、Z轴丝杠和Z轴导杆，Z轴丝杠通过Z轴减速器与Z轴电机连接，Z轴导杆与Z轴丝杠平行设置，电主轴安装在所述Z轴丝杠上。

3.根据权利要求1所述的磨削实验装置，其特征在于：所述磨削实验装置包括工件磨削温度监测系统，工件磨削温度监测系统包括相互连接的热电偶和热电偶数据采集器，热电偶从下向上穿透工件，并且与工件的上表面平齐，热电偶数据采集器与控制系统连接，控制系统与所述磨削冷却装置连接。

4.根据权利要求1所述的磨削实验装置，其特征在于：所述磨削实验装置包括测力系统，测力系统包括相互连接的测力装置和测力仪数据采集器，测力仪数据采集器与控制系统连接，所述测力装置包括工件固定装置和分别安装在工件固定装置两端的两个测力仪，测力仪与测力仪数据采集器连接。

5.根据权利要求1所述的磨削实验装置，其特征在于：所述磨削冷却装置为滴管式冷却装置、浇注式冷却装置、纳米流体气雾式冷却装置、相变换热式冷却装置或静电雾化内冷装置。

6.根据权利要求1所述的磨削实验装置，其特征在于：所述静电雾化内冷磨削结构包括磨头、导线连接块、高压电转换装置以及电源，所述磨头的磨头柄固定在莫氏主轴内，导线连接块固定在莫氏主轴上，所述高压电转换装置安装在固定外套上，导线连接块与高压电转换装置活动连接，高压电转换装置与电源连接，磨头柄内设置内冷孔，内冷孔贯穿磨头和磨头柄，导线连接块通过导线与内冷孔连接，所述内冷孔为双螺旋孔道。

说明书

一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置。

背景技术

[0002] 骨磨削是神经和骨科手术的一个必不可少的程序，临床上常用高速微型砂轮去除骨病理。然而，高速磨削产生大量的热，导致骨坏死和周围组织的热损伤，对组织的凝血功能也有一定的影响，临床中常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。因为在磨削过程中不能确定温度从而不能控制热损伤的程度，磨削热损伤已经得到临床中公认的关注。Kondo等人指出，在浇注式生理盐水冷却方式下，磨削热产生的最高温度仍会达到43℃，高于43℃时，视神经就会受到损伤，严重时会导致失明。人体不同部位、不同组织所能承受的最高温度也不同，例如，当温度高于临界值50℃时，骨头会出现不同程度的热损伤，从43℃起神经就开始出现热损伤。涉及到骨磨削，面部瘫痪和股骨头坏死也是骨科手术中普遍存在的一个问题。因此，在骨磨削手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。

[0003] 目前临床中常用的冷却方式为滴灌式冷却，即在磨削过程中将生理盐水滴向磨削区。当需要磨除的骨病例较多且病变处于视野较宽阔的部位时可采用浇注式冷却，即向磨削区浇注大量的生理盐水，以提高磨削区换热能力。在机械加工领域，磨削加工中微量润滑(Minimum Quantity Lubrication，简称MQL)技术是当前研究的焦点。然而微量润滑技术存在冷却性能不足的缺点，使得其应用具有较大的局限性。在微量润滑基油中添加一定比例的纳米粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在磨削区的润滑效果的纳米粒子射流微量润滑(Nano-particle jet Minimum Quantity Lubrication，简称Nano-MQL)进入了人们的视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于100nm的超细微小固体颗粒。纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向磨削液中添加纳米级固体粒子，将纳米粒子、润滑液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入磨削区进行冷却润滑。基于固体强化换热理论，利用固体粒子导热系数远大于液体和气体的优势，在相同粒子体积含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与磨削液混合后形成纳米流体的导热能力将大幅度增加。

[0004] 气雾式冷却和纳米流体气雾式冷却都需要专门的喷嘴使冷却液或纳米流体雾化，传统的雾化喷嘴为气动雾化喷嘴，即利用气路和液路使压缩空气和冷却液或纳米流体充分混合后以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。然而气动雾化喷嘴的雾化效果还不够好，并且从喷嘴喷出的液滴随意漂浮在周围的空气中。贾东洲等人分析了传统气动雾化喷嘴的优缺点，发明了一种静电雾化喷嘴，即利用静电雾化原理在气动雾化的基础上对压缩空气和冷却液或纳米流体进一步雾化，同时利用静电荷电原理将喷出的液滴荷电，被荷电的液滴在电场力的作用下定向的向工件移动，从而实现液滴分布的可控。

[0005] 由于骨磨削过程中磨具的高速转动，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区。滴灌式和浇注式冷却中能进入磨削区的有效冷却液少之又少，气雾式和纳米流体气雾式冷却的有效流量率也不是非常理想。相变换热技术的出现为小型低温医疗器械的发展带来了希望。相变换热式磨头由一空心轴组成，可划分为蒸发段，绝热段和冷凝段，其空腔内具有初始的真空度，并充有适量的工作液。当转速足够高时，工作液随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一个环形液膜。当磨头工作时，磨削区受热，该处的工作液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽将流到磨头的另一端。蒸汽在冷凝端放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热端。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的回流，把热量从加热端送到冷凝段。陈旭等人通过对相变换热式磨头的等温性能、启动性能以及自身的传热能力的评价，验证了相变换热式磨头设计的可行性和传热效果。

[0006] 磨头磨粒的性能对磨削温度也有很大影响。为了抑制磨削区产热，Toshiyuki用普通金刚石磨头，附有SiO2的金刚石磨头和附有TiO2的金刚石磨头，通过对牛股骨进行磨削实验发现，与普通金刚石磨头相比，附有SiO2的金刚石磨头在磨削初始可以略微降低磨削温度和磨削扭矩，然后在一定时间后，磨削温度超过了阈值，并出现和普通金刚石磨头磨削时一样的表面负荷。然而由于微米级TiO2颗粒的亲水性，附有TiO2的金刚石磨头显著降低了磨削温度。

[0007] 内冷方式在钻削和机械磨削加工中也是一种常用的冷却方式。它是将冷却液通过钻头或砂轮的内冷孔直接输送至切削区，从而有效降低切削温度。

[0008] 经检索，已有专利号为ZL201310277636.6的医用外科手术六自由度自动调节机械臂磨削夹持装置，该装置公开了一种控制精确度高，可有效避免对脑组织的机械损伤的技术。该机械臂磨削夹持装置具有3个旋转、3个移动共计6个自由度，可实现任意位姿的颅骨外科手术操作，解决了传统的手持式手术装置工作空间大、手术操作难度高、手术效率低、会给患者带来不必要的附加损伤的问题。该装置主要借助先进的手术器械来操作，用六自由度自动调节机械臂以及安装在机械臂前端的夹持装置，在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具有明显优势。但是该装置没有磨削温度的检测装置，从而不能控制磨削过程中温度的变化。

[0009] 专利号为ZL201310030327.9的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，公开了一种通过监测骨磨削的声发射信号来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的磨削温度，从而有效避免对脑组织的热损伤的技术。在砂轮与壳体连接处设有声发射传感器，通过信号分析处理模接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。然而声波不能穿透骨组织，在穿过含气组织时也会有明显损耗，从而影响疗效。此外，该装置没有对砂轮的速度和扭矩进行实时监测，对病理骨的有效去除情况和砂轮所受载荷不能反馈控制。

[0010] 专利号为ZL201420565334.9的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，包括微量润滑系统，三自由度平台，电主轴旋转装置，电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置。利用三根阶梯状分布的热电偶对磨削温度进行精确地测量，利用磨削测力仪对磨削力进行测量，通过分析实验数据给临床实践提供指导。然而，在临床骨磨削手术中，手术区域的不同，冷却液和冷却方式的不同，医师操作经验是否丰富都会造成实际与理论的差值。

[0011] 现有的发明或装置都没有考虑骨磨削后对创面的处理。当病变部位处于较宽阔的部位时，可以采用人工包扎的方式以防止伤口感染。然而当病变部位处于人体内部结构较复杂的部位时，比如在颅底脑瘤摘除手术中，由于颅底结构的复杂及手术空间的狭窄，手术结束后还没有有效的方式对伤口进行处理。

发明内容

[0012] 本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置。

[0013] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0014] 一种冷却与静电雾化成膜的骨外科手术磨削实验装置，包括可实现前后、左右以及上下运动的线性三轴平台、电主轴以及工件固定装置，其中，所述线性三轴平台包括可左右运动的X轴结构、可前后运动的Y轴结构以及可上下运动的Z轴结构，工件固定装置固定在所述Y轴结构上，电主轴固定在所述Z轴结构上，且安装于工件固定装置的上端；电主轴下端安装磨头，磨头柄内部或磨头四周设置有磨削冷却装置，磨头周围设置静电雾化成膜装置。

[0015] 优选的，所述X轴结构安装在底座上，包括X轴电机、X轴减速器、X轴丝杠和X轴导杆，所述X轴丝杠通过X轴减速器与X轴电机连接，X轴导杆与X轴丝杠平行设置。

[0016] 优选的，所述Y轴结构包括Y轴电机、Y轴减速器、Y轴丝杠和Y轴导杆，所述Y轴丝杠与X轴丝杠垂直设置，并且通过X轴减速器与X轴电机连接，Y轴导杆与Y轴丝杠平行设置。

[0017] 进一步优选的，所述Z轴结构安装在Y轴丝杠上，包括Z轴电机、Z轴减速器、Z轴丝杠和Z轴导杆，Z轴丝杠通过Z轴减速器与Z轴电机连接，Z轴导杆与Z轴丝杠平行设置，电主轴安装在所述Z轴丝杠上。

[0018] 优选的，所述磨削实验装置包括工件磨削温度监测系统，工件磨削温度监测系统包括相互连接的热电偶和热电偶数据采集器，热电偶从下向上穿透工件，并且与工件的上表面平齐，热电偶数据采集器与控制系统连接，控制系统与所述磨削冷却装置连接。

[0019] 优选的，所述磨削实验装置包括测力系统，测力系统包括相互连接的测力装置和测力仪数据采集器，测力仪数据采集器与控制系统连接。

[0020] 进一步优选的，所述测力装置包括工件固定装置和分别安装在工件固定装置两端的两个测力仪，测力仪与测力仪数据采集器连接。测力装置可以检测到磨削力的大小。

[0021] 优选的，所述工件固定装置包括工件腔室、用于将工件从上面进行固定的若干个上压板和用于将工件从侧面进行固定的侧面挤压装置，上压板和侧面挤压装置均安装在工件腔室侧壁上。

[0022] 优选的，所述磨削冷却装置为滴管式冷却装置、浇注式冷却装置、纳米流体气雾式冷却装置、相变换热式冷却装置或静电雾化内冷装置。

[0023] 进一步优选的，所述滴管式冷却装置和浇注式冷却装置的结构相同，均包括依次连接的储液罐、液压泵、调压阀、节流阀以及喷嘴，所述喷嘴安装在磨头的周围。

[0024] 更进一步优选的，所述滴管式冷却装置和浇注式冷却装置还都包括相互连接的溢流阀和回收箱，溢流阀与调压阀和节流阀之间的管道连通。

[0025] 优选的，所述纳米流体气雾式冷却装置包括喷嘴、气体流路和液体流路，气体流路包括依次连接的空气压缩机、储气罐、气体调压阀、气体节流阀和气体流量计，液体流路包括依次连接的储液罐、液压泵、液体调压阀、液体节流阀和液体流量计，液体流量计和气体流量计均与喷嘴连接。

[0026] 所用的冷却液为生理盐水与纳米粒子制成的纳米流体，除此之外其原理与设计均与第三种实施例相同。纳米粒子可采用羟基磷灰石，其是人及动物骨骼、牙齿的主要无机成分，具有优良的生物相容性和生物活性，植入人体后能与人体的软硬组织形成紧密结合，是广泛应用的植骨代用品。其植入人体骨内后，骨细胞和胶原纤维在其内部的孔隙中生长，它的强度和刚度会逐渐增加，最终成为活体骨的一部分。研究表明，羟基磷灰石纳米粒子对肝癌、胃癌、骨肉瘤等多种癌细胞的生长具有不同程度的抑制作用。因此，在骨磨削过程中，将含有羟基磷灰石纳米粒子的冷却液喷向病灶与磨具的接触区域，首先保证了其对人体绝对安全性，由于其导热系数比气体和液体高，还可以起到辅助降温作用。手术过程结束后使羟基磷灰石在人体内自然降解，还可以利用羟基磷灰石对癌细胞生长的抑制作用预防肿瘤的再次发生。

[0027] 进一步优选的，所述液体流路上还连接有防过载设备组件，防过载设备组件包括相互连接的溢流阀和回收箱，溢流阀与液体节流阀和液体调压阀之间的管路连接。

[0028] 进一步优选的，所述喷嘴包括液体进口、气体通路以及气体液体混合通路，气体液体混合通路沿喷嘴的轴向设置，气体通路围绕液体通路呈环状设置，气体通路通过气体进口与气体流路相通，液体进口和气体通路均与气体液体混合通路连通。

[0029] 更进一步优选的，所述气体液体混合通路包括依次连通的混合段、加速段和涡流室，所述混合段分别与液体进口和气体通路连通，加速段呈锥形，开口端与混合段连接，缩口端与涡流室连接，所述涡流室的出口端为缩口。

[0030] 优选的，所述相变换热式冷却装置为中空的，空心腔内盛装有冷凝液，相变换热式冷却装置包括蒸发段、绝热端和冷凝段，空心腔内抽真空，冷凝液在蒸发段蒸发，在冷凝段冷凝散热，循环进行。

[0031] 优选的，所述磨头为相变换热式磨头、亲水性磨头或静电雾化内冷磨头。

[0032] 进一步优选的，所述相变换热式磨头的磨头柄内安装有相变换热式冷却装置，蒸发段靠近磨头安装，冷凝段远离磨头安装，冷凝段设置散热片，蒸发段的内锥角小于90°。

[0033] 当转速足够高时，纳米流体随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一个环形液膜。磨头工作时，磨削区受热，该处的纳米流体基液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽将流到磨头内空腔的另一段。蒸汽在冷凝段放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热段。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的回流，把热量从加热段送到冷凝段。纳米流体相变换热式磨头内空腔的内锥角a一方面对纳米流体起到扰流作用以破坏边界层的形成或充分发展，从而强化换热，另一方面实现纳米流体基液的回流。

[0034] 进一步优选的，所述亲水性磨头上附有磨粒和微米级TiO2，磨粒均匀分布在磨头上，微米级TiO2分布在磨粒的周围。由于微米级TiO2具有亲水性，在磨削的过程中冷却液能较容易的附在磨粒上，从而有效增强磨削区的散热。

[0035] 进一步优选的，所述静电雾化内冷磨头包括莫氏主轴、静电雾化成膜结构和静电雾化内冷磨削结构，静电雾化成膜结构套合在静电雾化内冷磨削结构的外侧，且静电雾化成膜结构的喷射口朝向磨头设置。

[0036] 更进一步优选的，所述莫氏主轴上套合有固定设置的固定外套。

[0037] 再进一步优选的，所述莫氏主轴和固定外套之间通过圆锥滚子轴承组件连接。

[0038] 由于在实际操作时该磨削装置与水平面要成一定的角度，内冷磨头柄要承受轴向和径向两个方向的力，由此莫氏主轴也要承受轴向和径向两个方向的力，因此本装置采用圆锥滚子轴承，两个圆锥滚子轴承分别由端盖和套筒、固定外套和套筒定位。轴承两端采用密封圈密封以防止润滑油漏油。端盖由螺钉和垫片固定在固定外套上，垫片可以调整轴承间隙、游隙以及轴的轴向位置。

[0039] 更进一步优选的，所述静电雾化内冷磨削结构包括磨头、导线连接块、高压电转换装置以及电源，所述磨头的磨头柄固定在莫氏主轴内，导线连接块固定在莫氏主轴上，所述高压电转换装置套合在磨头柄的外侧，且固定设置，导线连接块与高压电转换装置活动连接，高压电转换装置与电源连接，磨头柄内设置内冷孔，内冷孔贯穿磨头和磨头柄，导线连接块通过导线与内冷孔连接。

[0040] 更进一步优选的，所述内冷孔为双螺旋孔道。在磨削过程中压缩空气、冷却液或纳米流体经两个螺旋孔中加速后直接喷射到磨削区，从而能有效降低磨削区温度，并冲走磨屑，延长刀具寿命。

[0041] 更进一步优选的，莫氏主轴上设置有磨头柄夹紧体，磨头柄安装在磨头柄夹紧体内部。

[0042] 莫氏主轴是旋转的，并带动磨头柄夹紧体旋转，高压电转换装置固定在固定外套上，也是固定不动的。滚轮与导线连接块是一体的，并在高压电转换装置的内凹槽内旋转，由此实现高压电由固定的高压电外导线向旋转的高压电内导线的传送。由于在电晕放电时负电晕放电的起晕电压低，而击穿电压高，高压电转换装置与可调高压直流电源的负极相连，使液体带电。

[0043] 更进一步优选的，所述静电雾化成膜结构包括注射泵、贴合注射泵内壁安装的电极圆盘、固定在电极圆盘上的电极组件以及设置在注射泵出口端的喷射口，所述电极组件和工件加电装置分别与静电发生器的负极和正极连接，注射泵的柱塞与电机连接，喷射口垂直设置或朝向磨头倾斜设置。

[0044] 再进一步优选的，注射泵的柱塞密封设置。

[0045] 静电雾化成膜结构是将纺丝介质雾化成液滴最后固化成纤维并成膜的装置。

[0046] 在静电雾化成膜结构的注射泵与柱塞组成的压力腔内装有医用敷料，柱塞通过导线放置槽与电机连接，柱塞外圈有密封圈。注射泵的底端有电极圆盘，电极圆盘通过四个螺钉固定在注射泵上。电极圆盘由两个电极，通过导线放置槽与高压静电发生器的负极相连，使液体带电。将静电纺丝结构调整到合适高度，控制系统发出运动指令后柱塞往下移动，给压力腔连续恒定的推力，医用敷料以固定速率被挤出到喷射口上，在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。调节外加电压使其达到适当电压，液滴便会以射流的形式从喷射口喷出。当射流被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。该装置可设置一个或多个喷射口。在实际操作时，使指示灯朝向磨削的进给方向，即让喷射口喷出的纤维落在磨削后的伤口上。

[0047] 所述的静电雾化结构，导线连接块有两根导线通入内冷磨头柄的内冷孔。莫氏主轴是旋转的并通过平键带动磨头柄夹紧体旋转，高压电转换装置通过垫片和螺钉固定在固定外套上，也是固定不动的。滚轮与导线连接块是一体的并在高压电转换装置的内凹槽内旋转，由此实现高压电由固定的高压电外导线向旋转的高压电内导线的传送。高压电转换装置通过导线放置槽和导线与可调高压直流电源的负极相连，使液体带电。可调高压直流电源的正极和工件加电装置连接并通过接地线接地。

[0048] 进一步优选的，所述静电雾化内冷磨头还包括可伸缩套筒结构，可伸缩套筒结构包括手旋套和推板，手旋套活动安装在固定外套上，手旋套和推板之间螺纹连接，固定外套上设置有用于将推板进行卡合的凹槽，在凹槽内部，推板与固定外套之间设置有弹性介质，优选弹簧，所述注射泵与推板连接，所述推板的整体结构或分体结构。

[0049] 更进一步优选的，所述推板为分体结构，包括推板本体和推板连接块，推板本体与手旋套之间螺纹连接，推板本体与推板连接块连接，固定外套上设置有用于卡合推板连接块的凹槽，在凹槽内部，推板连接块与固定外套之间弹性介质连接，优选弹簧。

[0050] 再进一步优选的，推板本体和推板连接块之间通过滚珠连接，滚珠位于手旋套和固定外套构成的通道中。

[0051] 可伸缩套筒结构的工作原理为：

[0052] 手旋套通过固定外套上的凹槽固定在固定外套上，推板与手旋套通过螺纹连接。手旋套外表面有防滑纹，防止旋转手旋套时打滑。顺时针旋转手旋套，推板便会通过螺纹连接向下移动，推动滚珠向下滚动，然后依次推动推板和推板连接块向下移动。推板连接块和注射泵通过螺钉连接，因此推动注射泵向下移动。由于固定外套在上下方向上是不动的，推板连接块向下移动时弹簧便会压缩。当逆时针旋转手旋套时，弹簧所受的压力减小，弹簧伸长并依次推动推板连接块、推板、滚珠向上移动或滚动。由此实现套筒结构的伸缩。

[0053] 本发明的有益效果是：

[0054] 1、本发明的高速磨削手术实验装置，可适用于滴灌式冷却、浇注式冷却、气雾式冷却、纳米流体气雾式冷却、相变换热式磨头、亲水性磨头和静电雾化内冷磨具等降低磨削区温度的方式，通过实验测量和理论分析，给临床实践提供指导；

[0055] 2、本发明的实验平台可将调整工件的位置进行前后调整，将磨头的位置左右和上下调整，可以适用于不同尺寸的工件的磨削；

[0056] 3、本发明的实验装置上还设置有测力系统和温度监控系统，可以通过监控磨削过程中的磨削力和磨削温度，合理控制磨削功率，合理选择冷却方式；

[0057] 4、本发明的静电雾化内冷磨头是一种静电雾化内冷磨具与静电雾化成膜集成装置，静电雾化内冷磨具与静电雾化成膜装置成套筒式结构，不仅能使冷却液充分雾化并使冷却液液滴分布可控从而有效降低磨削区温度，还能在骨磨削的同时将医用辅料通过静电雾化成膜装置及时喷向磨削后的创面，以促进伤口愈合、防止感染。

附图说明

[0058] 图1是高速磨削手术实验平台轴测图；

[0059] 图2是线性三轴平台后轴测图；

[0060] 图3是X轴保护盒正视图；

[0061] 图4是工作台正视图；

[0062] 图5是X轴结构保护盒侧视图；

[0063] 图6是电主轴和测力仪安装位置主视图；

[0064] 图7是测力仪轴测图；

[0065] 图8是温度测量装置安装示意图；

[0066] 图9是第一种和第二种实施例的液路系统简图；

[0067] 图10是第三种和第四种实施例的液路和气路系统简图；

[0068] 图11是第三种和第四种实施例的剖视图；

[0069] 图12是第五种实施例的工作原理图；

[0070] 图13是第五种实施例的剖视图；

[0071] 图14是第五种实施例的密封结构放大图；

[0072] 图15(a)是第六种实施例的结构示意图；

[0073] 图15(b)是图15(a)中标记处的放大图；

[0074] 图16是第七种实施例的工作原理图；

[0075] 图17是第七种实施例的半剖视图；

[0076] 图18是第七种实施例可伸缩套筒结构的剖视图；

[0077] 图19(a)是第七种实施例静电雾化成膜结构的剖视图；

[0078] 图19(b)是图19(a)沿A-A方向的剖视图；

[0079] 图20是第七种实施例静电雾化成膜结构喷嘴角度示意图；

[0080] 图21是第七种实施例静电雾化内冷磨削结构剖视图；

[0081] 图22是第七种实施例密封结构剖视及冷却液流向示意图；

[0082] 图23是第七种实施例静电雾化结构剖视图；

[0083] 图24是第七种实施例静电雾化及静电雾化成膜结构电路系统框图；

[0084] 图25(a)是第七种实施例内冷磨削结构的内冷孔示意图；

[0085] 图25(b)是第七种实施例内冷磨削结构的内部结构示意图。

[0086] 其中，1-Z轴导杆，2-立杆导轨，3-X轴减速器，4-控制系统，5-X轴电机，6-底座Ⅰ，7-数据连接线Ⅰ，8-热电偶数据采集器，9-数据连接线Ⅱ，10-热电偶，11-测力仪数据采集器，12-测力仪信号传输线，13-螺钉Ⅰ，14-Y轴丝杠座，15-螺钉Ⅱ，16-Y轴导杆座，17-底座Ⅱ，
18-螺钉Ⅲ，19-拐角连接件，20-工作台Ⅰ，21-工作台螺栓，22-测力仪Ⅰ，23-电主轴夹具，24-X轴导杆，25-X轴丝杠，26-Z轴电机，27-电主轴冷却液进口，28-电主轴，29-电主轴冷却液出口，30-Z轴减速器，31-X轴保护盒，32-保护盒，33-Z轴丝杠，34-Y轴电机，35-Y轴减速器，36-Y轴丝杠，37-Y轴导杆，38-磨头Ⅰ，39-骨头试样，40-环形块，41-螺钉Ⅳ，42-螺钉Ⅴ，43-测力仪底座，44-螺钉Ⅵ，45-平板Ⅰ，46-压板，47-螺栓Ⅰ，48-螺母Ⅰ，49-垫片Ⅰ，50-螺钉Ⅶ，51-平板Ⅱ，52-挡块，53-螺钉Ⅷ，54-节流阀Ⅰ，55-调压阀Ⅰ，56-液压泵Ⅰ，57-储液罐Ⅰ，58-溢流阀Ⅰ，59-回收箱Ⅰ，60-涡轮流量计Ⅰ，61-节流阀Ⅱ，62-涡轮流量计Ⅱ，63-节流阀Ⅲ，64-调压阀Ⅱ，65-储气罐，66-压力表，67-过滤器，68-空气压缩机，69-调压阀Ⅲ，70-液压泵Ⅱ，71-储液罐Ⅱ，72-溢流阀Ⅱ，73-回收箱Ⅱ，74-注液通道接头，75-注气通道接头，76-通气孔，77-喷嘴体，78-涡流室，79-加速室，80-通气孔壁，81-混合室，82-磨头柄Ⅰ，83-螺栓Ⅱ，84-螺母Ⅱ，85-套筒Ⅰ，86-套筒Ⅱ，87-磨头基体，88-圆锥筒，89-磨粒Ⅰ，90-散热片Ⅰ，91-散热片Ⅱ，
92-散热片Ⅲ，93-垫片Ⅱ，94-缠绕垫片，95-外加强环，96-填料，97-内加强环，98-磨头柄Ⅱ，99-磨头Ⅱ，100-磨粒Ⅱ，101-微米级TiO2，102-高压静电发生器，103-注射泵Ⅰ，104-纺丝介质Ⅰ，105-金属电极，106-射流，107-接收板，108-莫氏主轴，109-密封圈Ⅰ，110-螺钉Ⅸ，
111-垫片Ⅲ，112-圆锥滚子轴承Ⅰ，113-套筒Ⅲ，114-旋转密封圈Ⅰ，115-固定外套，116-旋转密封圈Ⅱ，117-手旋套，118-推板Ⅰ，119-套筒Ⅳ，120-滚珠，121-圆锥滚子轴承Ⅱ，122-推板Ⅱ，123-密封圈Ⅱ，124-弹簧，125-注射泵Ⅱ，126-内冷孔，127-夹头，128-锁紧螺母，129-可调高压直流电源，130-工件加电装置，131-工作台Ⅱ，132-测力仪Ⅱ，133-工件，134-内冷磨头，135-指示灯，136-内冷磨头柄，137-旋转密封圈Ⅲ，138-防滑纹，139-定位轴，140-垫片Ⅳ，141-端盖，142-推板连接块，143-螺钉Ⅹ，144-导线放置槽Ⅰ，145-导线Ⅰ，146-接地线，
147-导线放置槽Ⅱ，148-喷射口，149-纺丝介质Ⅱ，150-电极，151-电极圆盘，152-密封圈Ⅲ，153-柱塞，154-螺钉Ⅺ，155-平键，156-导线Ⅱ，157-导线放置槽Ⅲ，158-磨头柄夹紧体，
159-导线Ⅲ，160-导线Ⅳ，161-垫片Ⅴ，162-螺钉Ⅻ，163-垫片Ⅵ，164-螺钉ⅩⅢ，165-导线连接块，166-滚轮，167-高压电转换装置，168-压力腔，169-横孔，170-竖直孔，171-冷却液进口。

具体实施方式

[0087] 下面结合附图对本发明的七种实施例作详细说明：

[0088] 本发明所有的实施例都是在图1所示的高速磨削手术实验平台上实施的。该实验平台主要由线性三轴平台(如图2所示)、电主轴28、测力仪Ⅰ22、热电偶10和控制系统4组成。线性三轴平台包括X轴结构、Y轴结构和Z轴结构。X轴结构由X轴电机5、X轴减速器3、X轴丝杠
25、X轴导杆24和X轴保护盒31组成，X轴丝杠25通过X轴减速器3与X轴电机5连接；X轴导杆24为1个或2个，X轴导杆24平行于X轴丝杠25设置。当X轴导杆24的个数为2个时，2个X轴导杆24分别平行设置在X轴丝杠25的两侧。Y轴结构由Y轴电机34、Y轴减速器35、Y轴丝杠36、Y轴丝杠座14、螺钉Ⅰ13、Y轴导杆37、Y轴导杆座16、螺钉Ⅱ15组成；Z轴由Z轴电机26、Z轴减速器30、Z轴丝杠33、Z轴导杆1和电主轴夹具23组成。

[0089] 控制系统4发出X轴运动指令后，X轴电机5得电运转，经X轴减速器3减速后带动X轴丝杠25运转。X轴丝杠25和X轴导杆24分别和X轴保护盒31底面的通孔同心(如图3所示)，X轴丝杠25、X轴导杆24的两端分别安装在立杆导轨2的通孔中。X轴丝杠25旋转时带动X轴保护盒31沿X轴方向平移，X轴导杆24可以防止X轴保护盒31发生偏斜。Y轴丝杠36和Y轴导杆37分别安装在工作台Ⅰ20底面的通孔中(如图4所示)，Z轴丝杠33和Z轴导杆1分别安装在设置在X轴保护盒31上下两端的通孔中(如图5所示)。

[0090] Y轴和Z轴的运动机理同X轴，Y轴的运动机理是，Y轴电机34启动，通过Y轴减速器35减速后，带动Y轴丝杠36旋转，带动工作台Ⅰ20沿Y轴丝杠36平移。Z轴的运动机理是，Z轴电机26启动，经Z轴减速器30减速后，带动Z轴丝杠33转动，进而带动电主轴夹具23沿Z轴丝杠33平移。Y轴丝杠36的两端由Y轴丝杠座14和螺钉Ⅰ13固定在底座Ⅱ17上，Y轴导杆37的两端由Y轴导杆座16和螺钉Ⅱ15固定在底座Ⅱ17上。底座Ⅰ6和底座Ⅱ17由拐角连接件19和螺钉Ⅲ18连接并固定，底座Ⅰ6安装在底座Ⅱ17的上端。保护盒32可以防止灰尘和铁屑对线性三轴平台的损坏，从而延长其寿命，同时给线性三轴平台带来美感。当需要在工作台Ⅰ20上装夹没有磁性的工件时，由工作台螺栓21通过专门的夹具固定该工件。

[0091] 图6所示为电主轴28和测力仪Ⅰ22安装位置主视图。磨头Ⅰ38装夹在电主轴28上，电主轴28的中心线与骨头试样39待磨削表面垂直。电主轴28的冷却方式为水冷，冷却液从电主轴冷却液进口27注入，经电主轴28内部的循环后从电主轴冷却液出口29流出。骨头试样39在测力仪Ⅰ22上的装夹方式如图7所示。前后两个测力仪底座43固定磨削测力仪Ⅰ22并用螺钉Ⅴ42和螺钉Ⅵ44夹紧，两底座43的材料属性为可导磁性金属。开启三自由度平台的工作台Ⅰ20后，工作台Ⅰ20充磁可使磨削测力仪Ⅰ22的底座43吸附在工作台Ⅰ20。

[0092] 环形块40固定在磨削测力仪Ⅰ22的工作台上，将骨头试样39放在磨削测力仪Ⅰ22的工作台上，骨头试样39的六个自由度通过环形块40和磨削测力仪Ⅰ22的工作台便可实现完全定位。骨头试样39的Y轴方向使用两个螺钉Ⅷ53进行夹紧，在骨头试样的X方向，使用螺钉Ⅳ41对骨头试样39进行夹紧。挡块52一面与骨头试样39侧面接触，一面与两个螺钉Ⅷ53接触，拧紧螺钉Ⅷ53使挡块52在骨头试样39的Y方向上夹紧。骨头试样39在Z方向上采用三个压板46夹紧，三个压板46借助平板Ⅰ45、平板Ⅱ51、垫片Ⅰ49和螺栓Ⅰ47、螺母Ⅰ48构成自调节压板，平板Ⅱ51由螺钉Ⅶ50固定在挡块52上。当骨头试样39长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个螺钉Ⅳ41、两个螺钉Ⅷ53、和三个压板46实现装备可调，满足骨头试样39的尺寸变化要求。挡块52用螺钉Ⅶ50和螺钉Ⅷ53进行夹紧。骨头试样39受到磨削力时，测量信号经测力仪信号传输线12传递给测力仪数据采集器11，由数据连接线Ⅱ9传到控制系统4并显示磨削力的大小。

[0093] 图8所示是温度测量装置安装示意图。在骨头试样39的中心位置钻通孔并在底面车槽，以引出热电偶10。热电偶10的顶端与试样39的待磨削表面齐平。当磨头Ⅰ38以角速度ω、进给速度vs，磨削深度ap磨削到热电偶时，热电偶10顶部ap段长度被磨除，测量信号经热电偶数据采集器8和数据连接线Ⅰ7传到控制系统4并显示测得的温度。由此可得到骨头磨削温度。

[0094] 本发明的第一种实施例如图9所示，是临床骨外科磨削手术中常用的滴灌冷却方式的液路系统简图。如图9所示，该液路由储液罐Ⅰ57、液压泵Ⅰ56、调压阀Ⅰ55、节流阀Ⅰ54依次连接组成。储液罐Ⅰ57中装有生理盐水，液压泵Ⅰ56将储液罐Ⅰ57中的生理盐水抽出，再经调压阀Ⅰ55和节流阀Ⅰ54进入喷嘴。其中溢流阀Ⅰ58和回收箱Ⅰ59形成保护路径。由于滴灌冷却方式的冷却液流速很小，液压泵Ⅰ56采用变频水泵，可通过调节其压力来控制其流量，以得到理想的流速。

[0095] 本发明的第二种实施例为浇注式冷却，其冷却液流速较滴灌式冷却大很多，除液压泵的压力与第一种实施例不同外，其它设计均与第一种实施例相同。

[0096] 本发明的第三种实施例是气雾式冷却，所用的喷嘴为气动雾化喷嘴。图10所示是其液路和气路系统简图，结合图11可说明气雾式冷却的原理，由液路、气路和喷嘴构成。如图10所示，储液罐Ⅱ71装有生理盐水，高压空气和生理盐水在喷嘴体77(图11)内部混合。所述的气路由空气压缩机68、过滤器67、储气罐65、调压阀Ⅱ64、节流阀Ⅲ63、涡轮流量计Ⅱ62依次连接组成，所述的液路由储液罐Ⅱ71、液压泵Ⅱ70、调压阀Ⅲ69、节流阀Ⅱ61、涡轮流量计Ⅰ60依次连接组成。工作时，启动液压泵Ⅱ70，储存在储液罐Ⅱ71中的生理盐水经流体调压阀Ⅲ69、流体节流阀Ⅱ61和涡轮流量计Ⅰ60进入到喷嘴的注液通道接头74。溢流阀Ⅱ72起到安全阀的作用，当液路中的压力超过调定压力时，溢流阀Ⅱ72打开，使生理盐水经溢流阀Ⅱ72流回到回收箱Ⅱ73中。启动液压泵Ⅱ70的同时，启动空气压缩机68，高压气体经过滤器67、储气罐65、气体调压阀Ⅱ64、气体节流阀Ⅲ63和涡轮流量计Ⅱ62进入到喷嘴的注气通道接头75，压力表66监测气路中的压力值。高压气体经通气孔壁80中分布的通气孔76进入混合室81，与来自注液通道接头74中的生理盐水在喷嘴混合室81中充分混合雾化，经加速室
79加速后进入涡流室78，使高压气体和生理盐水进一步混合并加速，以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。通过调节气路和液路中的调压阀、节流阀和流量计，生理盐水和高压气体的压力、流量可根据需要达到最优的微量润滑效果。

[0097] 本发明的第四种实施例是纳米流体气雾式冷却。其所用的冷却液为生理盐水与纳米粒子制成的纳米流体，除此之外其原理与设计均与第三种实施例相同。纳米粒子可采用羟基磷灰石，其是人及动物骨骼、牙齿的主要无机成分，具有优良的生物相容性和生物活性，植入人体后能与人体的软硬组织形成紧密结合，是广泛应用的植骨代用品。其植入人体骨内后，骨细胞和胶原纤维在其内部的孔隙中生长，它的强度和刚度会逐渐增加，最终成为活体骨的一部分。研究表明，羟基磷灰石纳米粒子对肝癌、胃癌、骨肉瘤等多种癌细胞的生长具有不同程度的抑制作用。因此，在骨磨削过程中，将含有羟基磷灰石纳米粒子的冷却液喷向病灶与磨具的接触区域，首先保证了其对人体绝对安全性，由于其导热系数比气体和液体高，还可以起到辅助降温作用。手术过程结束后使羟基磷灰石在人体内自然降解，还可以利用羟基磷灰石对癌细胞生长的抑制作用预防肿瘤的再次发生。

[0098] 本发明的第五种实施例是一种纳米流体相变换热式磨头，图12是其工作原理图，如图所示，纳米流体相变换热式磨头由一空心轴组成，可划分为蒸发段，绝热段和冷凝段，其空腔内具有初始的真空度，并充有适量的纳米流体。当转速足够高时，纳米流体随磨头旋转并覆盖在磨头内空腔的内壁面上，形成一个环形液膜。磨头工作时，磨削区受热，该处的纳米流体基液将蒸发，液膜变薄，产生的蒸汽将流到磨头内空腔的另一段(即冷凝段)。蒸汽在冷凝段放出热量凝结成液体，使液膜增厚。冷凝液在离心力分力的作用下沿着内壁面返回到加热段。这样连续地蒸发、蒸汽流动、凝结与液体的回流，把热量从加热段送到冷凝段。纳米流体相变换热式磨头内空腔的内锥角a一方面对纳米流体起到扰流作用以破坏边界层的形成或充分发展，从而强化换热，另一方面实现纳米流体基液的回流。然而在磨头基体87内直接加工内锥角并不好加工。如图13所示，在磨头基体87内用钻头钻一定尺寸的孔，再加工一个内表面为圆锥形的圆锥筒88，圆锥筒88的底部抵在钻头成形面上，二者为过盈配合，圆锥筒88的顶部加工成阶梯状，磨头柄Ⅰ82的底部也加工成阶梯状，二者用螺栓Ⅱ83和螺母Ⅱ84连接，并用垫片Ⅱ93进行密封，以增强密封的可靠性。如图14放大图所示，磨头基体87与磨头柄Ⅰ82之间用缠绕垫片94密封。缠绕垫片94包括外加强环95，填料96和内加强环97，填料96起主要的密封作用，外加强环95在安装过程中具有定位的作用，内加强环97可以提高垫片的耐压性能。内外环可以提高垫片的回弹力，防止垫片压溃，以防密封失效。用垫片Ⅱ93和缠绕垫片94对工作腔进行双重密封，以达到磨削过程中纳米流体的“零泄漏”。散热片Ⅰ90、散热片Ⅱ91、散热片Ⅲ92可以增加散热面积，提高传热效率。在磨头基体87上加工轴肩以对散热片90、91、92进行定位，套筒Ⅰ85，套筒Ⅱ86可以防止散热片窜动。磨粒Ⅰ89电镀在磨头基体87上。在工作过程中，圆锥筒88的内壁作为相变换热式磨头的蒸发段，散热片作为冷凝段，骨磨削过程中产生的热量通过磨粒Ⅰ89，继而迅速传递给磨头基体87，再由磨头基体87传递给圆锥筒88的内壁，即相变换热式磨头的蒸发段，蒸发段的纳米流体基液蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液体在离心力的作用下流回蒸发段，完成一个工作循环。如此循环不止以降低磨削区的温度，避免对人体造成二次伤害。
表1、表2列出了适用于该装置的纳米流体基液，其在室温下是液体，当磨削达到一定温度时便会蒸发成气体，表3列出了常用的纳米粒子的导热系数。纳米流体质量分数一般为2％-
8％，将一定比例的纳米粒子添加到基液中，形成纳米粒子悬浮液，然后根据基液的种类和理化属性，添加相应的表面分散剂并辅以超声波振动，便可以获得悬浮稳定的纳米流体。将配置好的纳米流体放入相变换热式磨头的空腔中，便能实现手术过程中降低磨削温度、减少对病人的二次伤害的效果。

[0099] 表1 常用纯净物纳米流体基液的沸点

[0100]

[0101] 表2 常用共沸混合物纳米流体基液的沸点

[0102]

[0103] 表3 常用纳米粒子的导热系数

[0104]

[0105] 本发明的第六种实施例是一种亲水性磨头。如图15(a)和图15(b)所示，磨头柄Ⅱ98装夹在电主轴28上，磨头Ⅱ99上附有磨粒Ⅱ100，磨粒Ⅱ100周围附有微米级TiO2101。磨粒Ⅱ100和微米级TiO2101都由电镀方式附在磨头Ⅱ99上。由于微米级TiO2具有亲水性，在磨削的过程中冷却液能较容易的附在磨粒上，从而有效增强磨削区的散热。

[0106] 本发明的第七种实施例是一种可伸缩套筒式静电雾化成膜内冷磨削装置。图16是其工作原理图，如图所示，纺丝介质Ⅰ104为聚合物溶液或熔体，其装在注射泵Ⅰ103中，并插入一个金属电极105。该电极与高压静电发生器102相连，使液体带电。接地的接收板107作为阴极。电场未启动时，由注射泵Ⅰ103给活塞一个连续恒定的推力，注射泵Ⅰ103中的纺丝介质Ⅰ104以固定速率被挤出到针头上。当高压电场未开启时，纺丝液在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。电场开启时，聚合物溶液表面会产生电荷，电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会产生一种与表面张力相反的力。电压不够大时，液滴表面的表面张力将阻止液滴喷出而保持在喷嘴处。当外加的电压增大时，即将滴下的液滴半球型表面就会扭曲成一个锥体，继续加大外加电压，当电压超过某一临界值时，溶液中带电部分克服溶液的表面张力形成一股带电的喷射流从喷嘴处喷出。在电场的作用下，当射流106被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流106的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。高压静电发生器102通常情况下选用5～20kV的高压，此外，正电压场有利于纤维表面电荷的释放，而负电压场能提供较为稳定的电场力，两者对不同的聚合物静电雾化成膜有着不同影响。

[0107] 该实施例所述的可伸缩套筒式静电雾化成膜内冷磨削装置的具体结构如图17所示，其可分为可伸缩套筒结构、静电雾化成膜结构和静电雾化内冷磨削结构三部分。可伸缩套筒结构用来调整喷射口148距离工件133的距离，以使纳米纤维顺利在工件133上固化并成膜。静电雾化成膜结构是将纺丝介质雾化成液滴最后固化成纤维并成膜的装置。内冷磨削结构是主要的磨削部分，完成对工件133的磨削去除。

[0108] 图18所示是可伸缩套筒结构的剖视图，手旋套117通过固定外套115上的凹槽固定在固定外套115上，推板Ⅰ118与手旋套117通过螺纹连接。手旋套117外表面有防滑纹138，防止旋转手旋套117时打滑。顺时针旋转手旋套117，推板Ⅰ118便会通过螺纹连接向下移动，推动滚珠120向下滚动，然后依次推动推板Ⅱ122和推板连接块142向下移动。推板连接块142和注射泵Ⅱ125通过螺钉Ⅹ143连接，因此推动注射泵Ⅱ125向下移动。由于固定外套115在上下方向上是不动的，推板连接块142向下移动时弹簧124便会压缩。弹簧124有多个并且下端固定在固定外套115上。当逆时针旋转手旋套117时，弹簧124所受的压力减小，弹簧124伸长并依次推动推板连接块142、推板Ⅱ122、滚珠120向上移动或滚动，由此实现套筒结构的伸缩。

[0109] 图19(a)和图19(b)所示，注射泵Ⅱ125与柱塞153组成的压力腔内装有纺丝介质Ⅱ149。柱塞153通过导线放置槽Ⅰ144与电机连接，柱塞153外圈有密封圈Ⅲ152。注射泵Ⅱ125的底端有电极圆盘151，电极圆盘151通过四个螺钉Ⅺ154固定在注射泵Ⅱ125上。电极圆盘
151有两个电极150，通过导线放置槽Ⅱ147与可调高压直流电源129相连，使液体带电。电机
150通过电极圆盘151和导线Ⅰ145与可调高压直流电源129的负极连接，可调高压直流电源
129的正极和工件加电装置130连接并通过接地线146接地。将静电纺丝结构调整到合适高度，控制系统发出运动指令后柱塞153往下移动，给压力腔连续恒定的推力，纺丝介质Ⅱ149以固定速率被挤出到喷射口148上，在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。调节外加电压使其达到适当电压，纺丝介质Ⅱ149便会以射流的形式从喷射口
148喷出。当射流被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。该装置可设置一个或多个喷射口，本发明共有3个。在实际操作时，使指示灯
135朝向磨削的进给方向，即让喷射口喷出的纤维落在磨削后的创面上。如图20所示，喷射口148的倾角为α，可通过在注射泵Ⅱ125的底面钻斜孔得到。在设计时也可以适当减小注射泵Ⅱ125内壁R值，将喷射口148设计成垂直结构。

[0110] 图21所示是静电雾化内冷磨削结构剖视图。如图所示，将定位轴139固定在机床上，由于定位轴139与固定外套115是一体的，固定外套115也是固定不动的。莫氏主轴108与机床主轴连接并随机床主轴旋转。如图22所示，莫氏主轴108上钻有两个互相贯通的孔，横孔169为通孔，横孔169的一侧为压力腔168。在固定外套115上冷却液进口171，冷却液从该孔依次进入到固定外套115内的环槽、莫氏主轴108的横孔169并流入竖直孔170，在外界泵的压力下进入内冷磨头柄136的内冷孔。由于冷却液在固定外套115内的环槽和磨头柄136的上端莫氏主轴108内的环槽内要承受一定的压力，因此本装置采用旋转密封圈Ⅰ114、旋转密封圈Ⅱ116和旋转密封圈Ⅲ137作为密封装置。由于在实际操作时该磨削装置与水平面要成一定的角度，内冷磨头柄136要承受轴向和径向两个方向的力，由此莫氏主轴108也要承受轴向和径向两个方向的力，因此本装置采用圆锥滚子轴承Ⅰ112和圆锥滚子轴承Ⅱ121。圆锥滚子轴承Ⅰ112由端盖141和套筒Ⅲ113定位，圆锥滚子轴承Ⅱ121由固定外套115和套筒Ⅳ119定位。轴承两端采用密封圈Ⅰ109和密封圈Ⅱ123密封以防止润滑油漏油。端盖141由螺钉Ⅸ110和垫片Ⅲ111固定在固定外套115上，垫片Ⅳ140可以调整轴承间隙、游隙以及轴的轴向位置。安装时先将内冷磨头柄136装入莫氏主轴108下端的孔中，再装上夹头127，最后通过莫氏主轴108与锁紧螺母128的螺纹将锁紧螺母128拧紧。

[0111] 图23为静电雾化结构剖视图。导线连接块165由垫片Ⅴ161和螺钉ⅩⅢ164固定在磨头柄夹紧体158上。导线连接块165有两根导线Ⅱ156通入内冷磨头柄136的内冷孔126。莫氏主轴108是旋转的，并通过平键155带动磨头柄夹紧体158旋转，高压电转换装置167通过垫片Ⅵ163和螺钉Ⅻ162固定在固定外套115上，也是固定不动的。滚轮166与导线连接块165是一体的，并在高压电转换装置167的内凹槽内旋转，由此实现高压电由固定的高压电外导线Ⅲ159向旋转的高压电内导线Ⅱ156的传送。由于在电晕放电时负电晕放电的起晕电压低，而击穿电压高，高压电转换装置167通过导线放置槽Ⅲ157和导线Ⅲ159与可调高压直流电源129的负极相连，使液体带电，可调高压直流电源129的正极通过导线Ⅳ160和工件加电装置130连接并通过接地线146接地。工件133安装在测力仪Ⅱ132上，测力仪Ⅱ132通过磁性吸附在工作台Ⅱ131上。该静电雾化装置液滴的荷电原理为：当电源负极放电时，会在在电晕区内产生大量的离子，正离子会向电极阴极移动并发生电性中和，而负离子和电子会向阳极移动，进入漂移区，在漂移区与液滴碰撞，附着在液滴上，使液滴变成了电荷携带者，带上了与电极极性相同的电荷。当喷嘴喷出的雾滴被荷电以后，在电场力的作用下定向移动，使其最大量的覆盖于工件表面。在荷电过程中，由于纳米粒子表面比较大，表面极性较强，被荷电后，其荷质比比雾滴的荷质比大，所以纳米粒子趋于更早到达工件，这样能够更好的利用其理想的换热能力。在静电场中存在“静电环抱”效应，因此当雾滴和纳米粒子向工件运动是更易进入到工件具有一定粗糙度表面的凹陷处，从而扩大了相对覆盖面积，能够起到更好的润滑和换热作用。

[0112] 如图24所示，可调高压直流电源129由交流电源输入单元、直流稳压单元V1、直流稳压单元V2、自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路和恒流自动控制电路组成。

[0113] 图25(a)和图25(b)所示，内冷孔126为双螺旋孔，从内冷磨头柄136的顶端贯穿到内冷磨头134的底端。在磨削过程中压缩空气、冷却液或纳米流体经两个螺旋孔中加速后直接喷射到磨削区，从而能有效降低磨削区温度，并冲走磨屑，延长刀具寿命。

[0114] 本发明具体工作过程如下：

[0115] 本发明涉及七种实施例，都是基于一种高速磨削手术实验装置。该实验装置主要由线性三轴平台、电主轴28、测力仪Ⅰ22、热电偶10和控制系统4组成。线性三轴平台可实现X、Y、Z三个方向的移动，电主轴28对磨具进行装夹并带动磨具高速旋转，测力仪Ⅰ22实现磨削过程中磨削力的测量，热电偶10实现温度的测量，控制系统4实现对线性三轴平台和电主轴28运动的控制和对磨削力、磨削温度信号的分析。

[0116] 第一种和第二种实施例分别是滴管式冷却和浇注式冷却，其液路均由储液罐Ⅰ57、液压泵Ⅰ56、调压阀Ⅰ55、节流阀Ⅰ54依次连接组成。储液罐Ⅰ57中装有生理盐水，液压泵Ⅰ56将储液罐Ⅰ57中的生理盐水抽出，再经调压阀Ⅰ55和节流阀Ⅰ54进入喷嘴。其中溢流阀Ⅰ58和回收箱Ⅰ59形成保护回路。将生理盐水作为冷却液，由于滴管冷却方式的冷却液流速很小，浇注式冷却的冷却液流速较大，液压泵Ⅰ56采用变频水泵，可通过调节其压力来控制其流量，以得到理想的流速。

[0117] 第三种和第四种实施例是气雾式冷却和纳米流体气雾式冷却，分别采用生理盐水和纳米流体作为冷却剂，均采用气动雾化喷嘴，由液路、气路组成。所述的液路由储液罐Ⅱ71、液压泵Ⅱ70、调压阀Ⅲ69、节流阀Ⅱ61、涡轮流量计Ⅰ60依次连接组成，所述的气路由空气压缩机68、过滤器67、储气罐65、调压阀Ⅱ64、节流阀Ⅲ63、涡轮流量计Ⅱ62依次连接组成。工作时，启动液压泵Ⅱ70，储存在储液罐Ⅱ71中的冷却剂经流体调压阀Ⅲ69、流体节流阀Ⅱ61和涡轮流量计Ⅰ60进入到喷嘴的注液通道接头74。溢流阀Ⅱ72起到安全阀的作用，当液路中的压力超过调定压力时，溢流阀Ⅱ72打开，使冷却剂经溢流阀Ⅱ72流回到回收箱Ⅱ
73中。启动液压泵Ⅱ70的同时，启动空气压缩机68，高压气体经过滤器67、储气罐65、气体调压阀Ⅱ64、气体节流阀Ⅲ63和气体流量计Ⅱ62进入到喷嘴的注气通道接头75，压力表66监测气路中的压力值。高压气体经通气孔壁80中分布的通气孔76进入混合室81，与来自注液通道接头74中的冷却剂在喷嘴混合室81中充分混合雾化，经加速室79加速后进入涡流室
78，使高压气体和冷却剂进一步混合并加速，以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。
通过调节气路和液路中的调压阀、节流阀和流量计，冷却剂和高压气体的压力、流量可根据需要达到最优的微量润滑效果。纳米流体可用生理盐水和羟基磷灰石制成。

[0118] 第五种实施例是一种纳米流体相变换热式磨头在磨头。在基体87内用钻头钻一定尺寸的孔，再加工一个内表面为圆锥形的圆锥筒88，圆锥筒88的底部抵在钻头成形面上，二者为过盈配合，圆锥筒88的顶部加工成阶梯状，磨头柄Ⅰ82的底部也加工成阶梯状，二者用螺栓Ⅱ83和螺母Ⅱ84连接，并用垫片Ⅱ93进行密封，以增强密封的可靠性。磨头基体87与磨头柄Ⅰ82之间用缠绕垫片94密封。缠绕垫片94包括外加强环95，填料96和内加强环97，填料96起主要的密封作用，外加强环95在安装过程中具有定位的作用，内加强环97可以提高垫片的耐压性能。内外环可以提高垫片的回弹力，防止垫片压溃，以防密封失效。用垫片Ⅱ93和缠绕垫片94对工作腔进行双重密封，以达到磨削过程中纳米流体的“零泄漏”。散热片Ⅰ
90、散热片Ⅱ91、散热片Ⅲ92可以增加散热面积，提高传热效率。在磨头基体87上加工轴肩以对散热片90、91、92进行定位，套筒Ⅰ85，套筒Ⅱ86可以防止散热片窜动。磨粒Ⅰ89电镀在磨头基体87上。在工作过程中，圆锥筒88的内壁作为相变换热式磨头的蒸发段，散热片作为冷凝段，骨磨削过程中产生的热量通过磨粒Ⅰ89，继而迅速传递给磨头基体87，再由磨头基体
87传递给圆锥筒88的内壁，即相变换热式磨头的蒸发段，蒸发段的纳米流体基液蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液体在离心力的作用下流回蒸发段，完成一个工作循环。如此循环不止以降低磨削区的温度，避免对人体造成二次伤害。

[0119] 第六种实施例是一种亲水性磨头。磨头柄Ⅱ98装夹在电主轴28上，磨头Ⅱ99上电镀有磨粒Ⅱ100，磨粒Ⅱ100周围电镀有微米级TiO2101。由于微米级TiO2具有亲水性，在磨削的过程中冷却液能较容易的附在磨粒上，从而有效增强磨削区的散热。

[0120] 第七种实施例是一种静电雾化内冷磨具与静电雾化成膜集成装置，可分为可伸缩套筒结构、静电雾化成膜结构和静电雾化内冷磨削结构三部分。可伸缩套筒结构用来调整喷射口148距离工件133的距离，以使纳米纤维顺利在工件133上固化并成膜。静电雾化成膜结构是将纺丝介质雾化成液滴最后固化成纤维并成膜的装置。内冷磨削结构是主要的磨削部分，完成对工件133的磨削去除。

[0121] 手旋套117外表面有防滑纹138，防止旋转手旋套117时打滑。顺时针旋转手旋套117，推板Ⅰ118便会通过螺纹连接向下移动，推动滚珠120向下滚动，然后依次推动推板Ⅱ
122和推板连接块142向下移动。推板连接块142和注射泵Ⅱ125通过螺钉Ⅹ143连接，因此推动注射泵Ⅱ125向下移动。由于固定外套115在上下方向上是不动的，推板连接块142向下移动时弹簧124便会压缩。弹簧124有多个并且下端固定在固定外套115上。当逆时针旋转手旋套117时，弹簧124所受的压力减小，弹簧124伸长并依次推动推板连接块142、推板Ⅱ122、滚珠120向上移动或滚动，由此实现套筒结构的伸缩。

[0122] 将静电雾化成膜结构调整到合适高度，控制系统发出运动指令后柱塞153往下移动，给压力腔连续恒定的推力，纺丝介质Ⅱ149以固定速率被挤出到喷射口148上，在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口。调节外加电压使其达到适当电压，纺丝介质Ⅱ149便会以射流的形式从喷射口148喷出。当射流被拉伸到一定程度时，就会发生弯曲及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。将定位轴139固定在机床上，由于定位轴139与固定外套115是一体的，固定外套115也是固定不动的。莫氏主轴108与机床主轴连接并随机床主轴旋转。冷却液从该孔依次进入到固定外套115内的环槽、莫氏主轴108的横孔并流入竖直孔，在外界泵的压力下进入内冷磨头柄136的内冷孔。安装时先将内冷磨头柄136装入莫氏主轴108下端的孔中，再装上夹头127，最后通过莫氏主轴108与锁紧螺母128的螺纹将锁紧螺母128拧紧。

[0123] 导线连接块165有两根导线Ⅱ156通入内冷磨头柄136的内冷孔126。莫氏主轴108是旋转的并通过平键155带动磨头柄夹紧体158旋转，高压电转换装置167通过垫片Ⅵ163和螺钉Ⅻ162固定在固定外套115上，也是固定不动的。滚轮166与导线连接块165是一体的并在高压电转换装置167的内凹槽内旋转，由此实现高压电由固定的高压电外导线Ⅲ159向旋转的高压电内导线Ⅱ156的传送。高压电转换装置167通过导线放置槽Ⅲ157和导线Ⅲ159与可调高压直流电源129的负极相连，使液体带电，可调高压直流电源129的正极和工件加电装置130连接并通过接地线146接地。

[0124] 如表4所示，应用于创伤敷料的静电纺丝体系主要包括天然高分子和合成聚合物。采用静电纺丝技术，这些材料在体内和体外伤口愈合实验中，通过促进上皮的形成表现出了辅助愈合的能力。

[0125] 表4 可进行静电纺丝的聚合物溶液体系

[0126]

[0127] 静电纺丝基本理论：

[0128] 当施加的电压超过临界值时，分子小的带电液体或粘度低的高分子带电液体就会从喷头喷射而出，形成微小带电液滴，向与电极相反的方向移动，从而形成分散的微纳米级的气溶胶或者聚合物小球，这一过程即为静电雾化。若带电液体是高分子溶液或熔体，其分子链缠结在一起，在对液体施加高压静电的过程中，当液体表面的电荷斥力超过其表面张力后，就会在喷头末端的泰勒锥表面高速喷射出聚合物射流，这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化，最终沉积在接收极板上，形成聚合物纤维。这一过程即为静电纺丝。

[0129] 当带电液滴被引入电场后，电荷聚集在液滴表面，从而产生一个驱使液滴向外分裂的电荷斥力(表示为带电液滴表面的静电压力PE＝σ2/2ε0，与液滴表面电荷密度σ和真空中介电常数ε0有关)，它与液滴表面的倾向于使液滴收缩的表面张力(表示为喷头末端液体表面张力γ，和液滴半径R有关的压力PC＝2γ/R)形成一种非稳态的平衡，这个平衡可以用下式表示：

[0130] ΔP＝2γ/R-e2/(32ε0π2R4)  (1)

[0131] 式中，e-液滴所带的总电荷；R-液滴半径。

[0132] 可以看出，当液滴半径减小(电荷密度增加)时，由静电产生的压力就会增加。当液滴表面产生的张力与静电斥力相等时，处于电场中的带电液滴达到平衡，假设此时带电液滴的直径为D，换算成液滴表面的电荷密度，可以得到下式：

[0133]

[0134] 式中，M-液滴的质量。

[0135] 当电荷斥力超过这个极限时，喷头末端的液滴就会分裂成多个小液滴，形成静电雾化现象。这个液滴稳定的极限称之为“瑞利稳定极限”。假设液体射流为圆柱形，那么“瑞利稳定极限”的条件可以用下式表示：

[0136] ΔP＝γ/R-τ2/(8ε0π2R4)  (3)

[0137] 式中，τ-液体射流长度单位所带的电荷，换算成射流表面的电荷密度为：

[0138]

[0139] 从上式可以看出，达到“瑞利稳定极限”的条件时，在泰勒锥表面形成圆柱形射流所需的电荷比静电雾化要小，这种特例就是静电纺丝。

[0140] 从泰勒锥顶端喷射出射流的临界电压的计算公式为：

[0141] V2c＝(4H2/L2)*[ln(2L/R)-1.5]*(0.117πγR0)  (5)

[0142] 式中：H-两电极之间的距离；L-喷头伸出极板的距离；R-悬滴的半径；γ-液滴的表面张力。R0-喷头半径。(单位：Vc为kV，H，L和R为cm，γ为dyn/cm)

[0143] 悬垂液滴表面受到的力主要有电场力、黏应力、流体静压力差以及表面张力引起的压力差。当悬垂液滴表面的切向电场力大于切向黏应力时，形成单射流或多射流；反之，形成液滴。

[0144] 静电纺丝基本过程可分为以下三步：

[0145] (1)射流产生和射流沿直线延伸。以垂直向下的溶液静电纺丝为例，聚合物溶液悬垂微滴在表面张力作用下维持在喷丝口处。当喷射口与接地收集器之间的电位差增加时，液体内离子的运动使溶液表面带电。这些电荷在液滴表面产生聚集力以克服溶液自身的表面张力。随着电压的逐步增大，射流从悬垂微滴表面形成的圆锥体上凸出来，进一步提高电压，射流的电荷密度和射流流速也随之增加，液滴克服表面张力而形成射流。

[0146] (2)射流的弯曲不稳定生长和拉伸细化过程。射流产生后，在初始某一段距离沿直线生长。由于受到静电力和趋重力的共同作用，射流很快便在直线下端发生鞭动。这种鞭动允许射流在较小的空间内产生较大程度的拉伸，随后进一步发展成自相似环形流。每个循环的形成又分三步，并比下一个环形流的尺寸小。第一步，平滑直线段或稍微弯曲段发展成弯曲排列(鞭动)；第二步，当每一射流的弯曲段被拉伸时，弯曲的线性排列变成一系列周长增加的螺旋环流；第三步，当每个螺旋环流增大时，形成环流的横截面直径增长较小，沿着环形流处处可以建立第一步的条件。随着弯曲不稳定性的发展和生长，射流不断细化，拉伸比率可达数万倍。

[0147] (3)射流固化形成纳米纤维。作用在带电射流上的电场力引导整个射流飞向接地收集器，随着溶剂的挥发或熔体的冷凝，射流固化成纳米纤维并以螺旋形方式逐层堆积到收集器上，最终形成膜状或棉絮状材料。

[0148] 如图16所示，增加针头与接收板107之间的距离，纳米纤维在空气中的飞行距离将被延长，纤维直径随距离的增加而有所下降。距离太近不利于溶剂的充分挥发，太远则不利于纳米纤维的收集，一般收集距离D都设置在5～20cm。当其他参数固定不变时，增大静电压，静电场场强增加，对射流的静电拉伸力增加，使得纤维直径随射流的细化而下降。然而，当电压增加超过一定程度的时候，射流的不稳定性将更为明显，纤维直径的分布变宽，即得到粗细差异较大的纳米纤维。当高压接近30kV时，无论是在干燥还是在潮湿的环境下，高压端都易对空气放电，电荷大量损失，静电纺丝过程变得更加危险，因此，通常情况下选用5～20kV的高压即可。此外，正电压场有利于纤维表面电荷的释放，而负电压场能提供较为稳定的电场力，两者对不同的聚合物静电纺丝有着不同影响。注射泵用于输送纺丝液并控制纺丝液的流速，单个喷头纺丝液的流速为0.1～10mL/h。针头为纺丝液的输出口，内径d通常为
0.1-2mm。

[0149] 流速的计算公式为：

[0150] u＝Q/A  (6)

[0151] 式中，Q为注射泵的流量，可通过调节输入电动机电源的频率,改变转速从而改变流量；A为喷射口的横截面积。当有n个喷射口时，A的计算公式为：A＝n·π(d/2)2。

[0152] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。