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本期向大家推介的是18新利体育 机电工程学院刘亚运博士团队的项目：《面向复杂曲面陶瓷全膝关节的大曲面率陶瓷生坯制备及低损伤高效制造技术的研究》。
成果完成人：刘亚运博士，18新利体育 机电工程学院。一直从事陶瓷生坯等难加工材料高效加工、高速精密加工技术、及织构刀具高效加工等方面的研究，具有丰富的研究经历，在表面织构技术、陶瓷生坯制备及加工、材料摩擦学性能研究领域具有一定的理论基础和实践经验。近年来主持了中国博士后基金面上项目和江苏省科技计划青年基金项目，并作为项目主要参与人完成了多项有关高效加工领域的项目研究：国家自然基金项目1项、省自然基金项目1项及CSC公派期间参与美国国家自然基金项目1项，与美国西北大学Ehmann教授课题组等国外科研单位团队在难加工材料和微细加工领域具有良好的长期合作关系。相关研究成果以第一作者或通讯作者发表研究论文16篇，其中以第一作者或通讯作者在Wear、Ceramics International、Journal of Manufacturing Science and Engineering-ASME、Journal of Manufacturing Processes等国内外权威期刊发表SCI收录文章13篇；并授予国家发明专利4项。
面向复杂曲面陶瓷全膝关节的大曲面率陶瓷生坯制备及低损伤高效制造技术的研究
技术成熟度：研制
应用产业领域：生物技术与医药、半导体、装备制造
专利情况：大深径比微纳织构刀具、其加工装置及其加工方法等5项国家发明专利
成果简介：
陶瓷全膝关节复杂曲面成型仍存在刀具磨损严重、加工表面损伤和加工效率低等问题，导致人工陶瓷膝关节等假体的应用和经济性受到限制。因此，面向复杂曲面陶瓷全膝关节的低损伤、高效成型加工一直是陶瓷人工关节应用领域的前沿热点和难点问题。目前，国内外研究人员提出可替代烧结陶瓷加工的陶瓷生坯加工技术，以“陶瓷生坯-成型加工-烧结陶瓷-精加工”新工艺为基础，成功提高了加工效率并降低了复杂曲面成型损伤。
但是，由于刀具磨损、硬质相切屑和接触变形区脆性断裂等对加工表面引入二次损伤，导致陶瓷全膝关节复杂曲面加工过程中出现非均匀变形和加工硬化变形层等问题，严重影响其加工质量及后续烧结成型质量。而且陶瓷生坯表面硬化层等损伤成形机理目前尚未明确，其切削过程中的材料去除、表面损伤成形、刀具磨损机理等必然存在特殊的内在规律。因此，建立陶瓷生坯低损伤加工新方法和明晰刀具磨损-切屑-加工表面相互耦合作用机制，是亟需解决的共性关键技术和前沿热点难题。
本项目突破瓶颈，基于加工表面损伤成形机理，提出后刀面织构化刀具低损伤加工复杂曲面陶瓷生坯新方法，建立后刀面织构的“衍生切削”和存储调控策略，突破传统刀具干切削中刀具磨损严重、硬质相切屑捕捉和生坯接触变形区回弹难以调控的共性技术难题。利用磁控激光诱导等离子体技术实现不同尺度、深径比和空间轮廓参数表面织构的可控制备，凝练出后刀面织构对刀具磨损、刀-工接触变形区回弹及其材料去除调控的低损伤加工新思路，实现复杂曲面陶瓷生坯低损伤加工。
项目充分计及材料变形区回弹、硬质相切屑对刀具磨损和加工表面损伤的影响，将表面织构衍生切削和弹塑性变形引入陶瓷生坯低损伤加工机理模型中，提出微织构刀具干切削陶瓷生坯的接触变形区状态模型。研究旨在解决束缚该工艺关键机理问题，研究成果将进一步丰富陶瓷生坯加工加工理论体系，对发展面向复杂曲面陶瓷全膝关节的低损伤、高效、低成本加工工艺具有重要意义。
创新要点：
(1) 陶瓷生坯加工表面接触变形区硬化层表面损伤成形机理
由于陶瓷生坯加工过程中刀-工相互耦合作用，陶瓷生坯加工接触变形区容易产生硬化层、裂纹等表面损伤，且与刀具磨损、陶瓷生坯切削接触变形区材料去除形式紧密相关。建立陶瓷生坯接触变形区材料去除模型和切削力学模型，揭示复杂曲面陶瓷生坯加工表面接触变形区硬化层成形机理，是降低陶瓷生坯表面损伤的理论支撑。因此，表面接触变形区硬化层表面损伤成形机理是解决复杂曲面陶瓷膝关节生坯低损伤加工的关键性科学问题。
(2) 微织构“衍生切削”与刀具磨损、陶瓷生坯接触变形区多元耦合作用机理
由于刀具磨损、刀-工接触变形区与硬质相切屑等相互耦合作用，复杂曲面陶瓷生坯亚表面损伤演化多样复杂，现有理论方法不能完全适用于指导陶瓷生坯低损伤加工。基于切削接触变形区状态模型，研究后刀面织构“衍生切削”与刀具磨损、刀-工接触变形区状态及回弹材料去除、切屑存储/导流多元耦合作用机制，建立面向陶瓷生坯加工的后刀面织构“衍生切削”理论，是揭示后刀面织构对刀具减磨和陶瓷生坯低损伤加工机理的基础。因此，微织构“衍生切削”与刀具磨损、陶瓷生坯接触变形区多元耦合作用机理是本项目的关键科学问题之一。
技术指标：
为提高复杂曲面陶瓷全膝关节的加工质量、加工效率及尺寸/球面精度，将复杂曲面陶瓷生坯制备成型技术和功能性表面织构技术相结合，实现复杂曲面陶瓷全膝关节高效制造。
项目针对人工陶瓷全膝关节复杂曲面的加工过程中存在的尺寸精度差、加工效率低、刀具磨损严重及加工质量难以保证等问题，综合运用陶瓷生坯成型技术、切削理论、陶瓷低损伤加工机理、功能性表面织构和磁控激光诱导等离子体等多学科理论和方法，构建面向复杂曲面陶瓷全膝关节高效制造技术的复杂曲面陶瓷生坯成型技术及评估体系：其中包括复杂曲面陶瓷生坯制备、低损伤纵扭转超声辅助复杂曲面成型和面向陶瓷生坯粗/精加工的后刀面多尺度织构化刀具的理论和技术体系，阐明复杂曲面陶瓷生坯高效制造过程中：等静压成型工艺对坯体致密化、尺寸精度及坯体物理学性能的影响规律；纵扭转超声辅助后刀面功能织构化刀具加工时坯体低损伤机制和后刀面功能性微织构对刀具耐磨性的影响规律；揭示后刀面多尺度织构化刀具的耐磨和减磨机理，实现复杂曲面陶瓷生坯精加工质量的主动控制。
为复杂曲面陶瓷全膝关节的高效制造提供重要的供理论依据和支撑，推动具有超精密曲面的人工关节在现代医学行业的经济、广泛应用。
