骨组织的磨削操作广泛应用于各类外科手术,这类手术难度大,对医生的技术要求高,往往需要外科医生在手术前进行大量的训练。利用虚拟现实技术创造手术模拟器,可为传统的外科训练方法提供一种现实、经济、安全且可重复的替代方案。触觉交互系统是神经外科手术模拟器的重要组成部分,其关键在于建立较真实的骨磨削过程力反馈模型,此外,该手术模拟器还应该实现对磨削温度的预测。为此,针对医用球状磨具,本文分别建立了磨削力和磨削温度的预测模型。采用牛大腿皮质骨开展了骨磨削实验和仿真研究,研究了磨削三要素（磨削深度、进给速度和主轴转速）和其余可变参数（主轴倾角和进给方向）对磨削力和磨削热的影响。主要研究工作包括:（1）基于磨削材料去除原理,建立了球状磨具进行骨磨削过程的磨削力模型,该磨削力模型考虑了比磨削能(U_es)与当量磨削厚度的关系。分别采用可变U_es和定值U_es计算磨削力,结果表明,磨削力计算模型能准确地预测不同工况下三维磨削力的大小和变化趋势,其中可变U_es的计算结果更逼近磨削力测量值。基于非稳态传热原理,建立了带有移动热源的骨磨削传热仿真模型,通过ABAQUS有限元软件进行数值求解,考察了磨削热在骨组织中的扩散规律。（2）从多主轴倾角、多进给方向和精确控制磨削参数等设计要求和指标出发设计了三维骨磨削实验平台,主要包括三维运动控制系统、主轴系统、骨样本装夹系统、温度测量系统和力测量系统五部分。该实验平台的主轴转速为0～60000（rpm）,进给速度为0～96mm/min,主轴倾角（α=0～90°）可按需调整。（3）通过设计一组正交实验,研究了切削深度、进给速度和主轴转速对磨削力和磨削温度的影响。选取标准正交阵列L₉（3×3）,每个参数给定三个水平。采用埋入式热电偶和kistler测力计实时测量磨削过程的温度场和力场变化情况。采用极差分析方法对实验结果进行统计分析,确定各参数对磨削力和磨削温度的影响程度。仿真和实验的结果均表明:磨削力和磨削温度随着磨削深度和进给速度的增加而升高,较高的主轴转速能有效降低磨削力,但同时使磨削温度升高。（4）通过设计一组全面实验,验证磨削力模型计算结果的准确性,同时研究了主轴倾角和进给方向对磨削力的影响。在不用的进给方式（平行进给、对角进给和对角进给）和主轴倾角（α=0°,30°,60°,90°）下,磨削力仿真和实验结果的匹配误差低于18.48%,这表明,本文建立的球头磨具骨磨削力模型能准确地预测不同工况下的磨削力,反映磨削过程的受力情况。在不同的磨具进给方向下,主轴倾角的影响有所区别。针对平行进给,磨削合力随主轴倾角（α）先增后减。当α从0°增加至60°时,磨削合力从0.70N增加到2.10N,当倾角α从60°增加90°时,实验的磨削合力从2.10N减小到1.46N;针对对角进给,磨削合力随主轴倾角的变化和平行进给时基本一致。针对垂直进给,磨削合力随α增大单调递增,当倾角α从0°增加90°时,实验的磨削合力从0.60N增加到1.31N。上述现象是由于磨削区磨粒的平均线速度受主轴倾角影响较大引起的,当去除相同体积的材料时,较大的线速度往往对应较小的磨削力。（5）通过设计一组全面实验,验证磨削热模型计算结果的准确性,同时研究了主轴倾角和进给方向对磨削温度的影响。在不用的进给方式（平行进给、对角进给和对角进给）和主轴倾角（α=0°,30°,60°,90°）下,磨削温度仿真和实验结果的匹配误差低于9.4%。其变化趋势与磨削力的变化趋势相反。进给方向为平行进给,当主轴倾角从0°增加至90°时,实验的磨削温升(ΔT_max)随主轴倾角先增大而后减小,其拐点在α=60°。当进给方向为对角进给时,磨削温度随主轴倾角的变化基本一致。当进给方向为垂直进给,当主轴倾角从0°增加至90°时,实验的磨削温升(ΔT_max)从119℃减小到107.9℃。尽管不同的主轴倾角和进给方向下材料的去除速率相等,但进入骨组织的磨削热最小为0.32W,最大为0.48W。这是因为不同的主轴倾角和进给方向下磨削弧区磨粒的线速度不同,使得材料的比磨削能差异较大,较大的线速度会使得单颗磨粒切屑厚度较小,比磨削能较大。