齿科植入器械螺纹结构冷滚打成形有限元仿真

摘要随着时代的进步和科学技术的水平的提高，医疗器械行业得到快速发展，螺纹结构在齿科植入器械方面发挥着至关重要的作用。传统的螺纹冷滚打成形过程参数优化大多采用试错法，依赖个人经验进行模具设计和工艺摸索，不仅耗时耗力，而且试验效率和经济价值极低。针对螺纹冷滚打成形过程有限元模型进行研究已经越来越受到人们的广泛关注，提高了人们的重视程度。因此，建立螺纹滚压有限元模型，能够从应力-应变、滚丝轮最大成形力及最大成形扭矩等多角度深入理解螺纹冷滚打成形过程中金属塑性流动规律，本文通过使用ABAQUS有限元软件，模拟螺纹加工的过程。通过查阅有关冷滚打螺纹结构的相关文献，确定滚打轮，模芯，植入体尺寸以及植入体毛坯参数的设定，使用ABAQUS有限元仿真软件建立模型。从而对仿真后的结果进行分析，确定了滚打轮在不同深度时击打出的螺纹结构，对等效塑性应变图和变形里产生的影响。关键词：螺纹结构；冷滚打成形技术；有限元仿真；ABAQUS

AbstractWiththeprogressofTheTimesandtheimprovementofthelevelofscienceandtechnology,themedicaldeviceindustryhasdevelopedrapidly,andthethreadstructureplaysavitalroleindentalimplantationdevices.Thetraditionalparameteroptimizationofthreadcoldrollformingprocessmostlyadoptstrialanderrormethod,relyingonpersonalexperienceformolddesignandprocessexploration,whichisnotonlytimeandforceconsuming,butalsohasverylowtestefficiencyandeconomicvalue.Theresearchonthefiniteelementmodelofthreadcoldrollingformingprocesshasattractedmoreandmoreattention.Therefore,theestablishmentofthreadrollingfiniteelementmodelcandeeplyunderstandthemetalplasticflowlawintheprocessofcoldrollingfromtheperspectivesofstress-strain,maximumformingforceofrollingwheelandmaximumformingtorque,etc.Thispaper,simulatestheprocessofthreadprocessingbyusingABAQUSfiniteelementsoftware.Byreviewingtherelevantliteratureoncoldrollingthreadstructure,therollingwheel,diecore,implantsizeandimplantblankparametersweredetermined,andthemodelwasestablishedusingABAQUSfiniteelementsimulationsoftware.Thus,thethreadstructureoftherollingwheelandtheinfluenceontheequivalentplasticstraindiagramanddeformation.Keywords:threadedstructure;coldrollformingtechnology;finiteelementsimulation;ABAQUS

目录TOC\o"1-3"\h\u4095摘要 I19190Abstract II181041绪论 145921.1研究背景及意义 1264981.2国内外水平及发展状况 2105111.2.1国外发展水平 296741.2.2国内发展水平 248322螺纹冷滚打成形原理研究 5275142.1螺纹冷滚打成形的原理 5258642.2冷滚打螺纹的特点 514032.3三角螺纹冷滚打毛坯直径计算 6305252.4螺纹冷滚打的运动分析 7310572.5本章小结 8150933模型的建立 9298503.1有限元分析原理及特点 924093.2设计仿真试验 934423.3ABAQUS有限元仿真流程 10253183.4滚打轮和植入体的模型建立 10266223.5植入体对应参数值的设置 13293833.6植入体网格划分 14112903.7求解器的设定 1616713.8编辑相互作用 17270733.9创建载荷相关属性 1860213.10编辑提交作业并运行计算 19151193.11可视化. 20287643.12本章小结 21157164螺纹冷滚打仿真结果后处理分析 22269954.1螺纹齿槽轮廓形态 22240674.2螺纹冷滚打成形的应力分析 24162714.3应变分析 2684204.4滚打过程螺纹轴坯受力分析 28245554.5本章小结 29232825总结与展望 30240575.1总结 30254115.2展望未来 3110296参考文献 326929致谢 341绪论1.1研究背景及意义种植体与骨界发生微动疲劳、连接部件界面发生微动磨损等破坏现象成为齿科植入器的主要失效形式之一，因此减小微动、提高齿科植入器的长期寿命成为这类器械发展的关键。采用螺丝固位连接：上部结构通过预制的螺栓紧固在种植体基台上，顾客不能自行摘戴，可以像固定义齿一样发挥作用[1]。如图1.2所示采用螺纹结构主要有以下优点：螺纹连接的自锁性能好，强度高，将带有螺纹结构的植入体安装在牙槽骨面时，螺纹连接可以起到紧固自锁的作用并且防止在牙齿长期使用中产生的植入体松动等问题[3]。螺纹连接的自锁性能好，强度高，将带有螺纹结构的植入体安装在牙槽骨面时，螺纹连接可以起到紧固自锁的作用并且防止在牙齿长期使用中产生的植入体松动等问题[4]。图1.2植入体螺纹生物医用钛合金螺丝的制作工艺要求非常高，需要经过多道工序进行加工和处理，以保证其质量和生物相容性。生物医用钛合金螺丝的表面通常采用钛氧化、磷酸化等处理方式，以增强其表面的生物相容性和耐腐蚀性。此外，还需要对螺丝进行精密加工和检测，确保其尺寸精度和机械性能符合要求[2]。生物医用钛合金螺丝的应用范围非常广泛，主要用于骨科、口腔科、神经外科、心脏外科等各个领域的手术中。其优异的生物相容性和机械性能，使其成为植入材料的首选之一。在口腔领域，生物医用钛合金螺丝的应用已经非常成熟，可以用于种植体的固定、正畸支抗钉的固定、牙齿修复等方面。在骨科领域，生物医用钛合金螺丝可以用于骨折固定、脊柱融合、人工关节置换等方面。单点增量成形（SPIF）涉及应力场、应变场等多个耦合场，使得金属的塑性流动行为变得更加多样，从而使成形过程变得异常复杂。深入研究成形机理，探索金属的流动特性，并分析应力和应变值随时间的变化成为一个具有挑战性的任务。为了解决这个问题，可以采用有限元模拟技术来研究影响成形过程的相关因素以及这些因素与中间变量之间的关系，而无需进行大量的物理实验。在SPIF技术的研究中，有限元仿真技术可以用于深入研究成形机理。在单点增量成形过程中，工具尖端与板料的接触面不断滚动板料，导致工件发生塑性变形和摩擦现象。摩擦现象不仅会影响成形极限，还会对成形件的表面质量产生影响。因此，研究单点增量成形过程中的摩擦现象具有重要意义。通过有限元仿真技术，我们可以更好地理解和分析摩擦行为，进而改善单点增量成形技术，提高成形件的质量和性能[5]。总结以上内容，本文构建了一个考虑摩擦效应的单点增量成形过程的有限元模型，并利用仿真结果深入研究了该过程中的摩擦行为。研究结果揭示了摩擦系数对成形过程的影响规律，对于指导单点增量成形过程中工艺参数的选择具有一定的指导意义。1.2国内外水平及发展状况1.2.1国外发展水平国外开始冷滚打成形技术的研究时间比较长，从1955年开始，就有很多研究人员为了提高轮齿的成形质量，进行了很多齿轮冷滚打成形的研究。在1970年时，波兰的马尔西尼亚克等研究人员人采用内啮合冷滚打成形的加工技术，创立了WPM方法[3]。近年来，国外的冷滚打设备有了很大的发展，自动调节滚轮的间距，实现高精度的螺纹冷滚打加工[4]。除了肯尼福公司，德国的Hegenscheidt-MFD公司也是螺纹冷滚打设备领域的领先企业之一。该公司的螺纹冷滚打设备采用了先进的CNC控制系统，能够实现高速、高精度的加工，而且还可以根据不同的产品要求进行灵活的调整。总而言之，国外的螺纹冷滚打设备在技术上已经非常出色了，不仅能够进行高效率、高精度的加工，同时还能够保证产品的质量稳定性。Kurz[5]等人建立了冷滚打过程中塑性变形的有限元模型，通过计算得到了冷滚打过程中变形力的大小以及等效塑性应变图，并确定了滚打轮与植入体毛坯表面接触部分的应力、应变值，最后通过实验进行分析，验证了仿真模拟结果是值得信赖的；后来英国的ChitkaraNR等学者对螺纹滚打过程中的变形规律进行了研究，并采用能量法和上限法进行了数值模拟分析[6]。1.2.2国内发展水平有限元方法，对冷滚打螺纹的成形力学行为进行了研究，探讨了制件材料性能、滚打轮廓形和工艺参数对冷滚打螺纹成形的影响[7]。研究结果表明，在一定的工艺参数下，制件材料的弹性模量和屈服强度对冷滚打螺纹成形有较大影响，滚打轮的廓形和尺寸也对成形效果有显著影响[8]。综上所述，国内关于冷滚打成形的研究已经取得了一定的进展，但仍有许多问题需要进一步探究和解决[9]。例如，如何提高冷滚打成形的生产效率和制件质量，如何优化滚打轮的廓形和尺寸，如何减小制件表面的残余应力等。这些问题的解决需要多学科的协作和不断的实验研究。运用ADAMS软件对冷滚打螺纹运动过程进行模拟仿真，分析出了不同情况下的加工时零件的受力情况[10]。赵智渊等人用ABAQUS有限元软件建立了螺纹冷滚打成形模型，对植入体毛坯表面螺纹成形过程中的变形力进行仿真，得到了在一次击打下冷滚打螺纹变形力随时间的变化规律。孙杰等研究人员基于弹塑性理论，结合ABAQUS有限元软件建立整体结构件加工变形的模型；通过计算和有限元仿真研究了植入体毛坯的初始残余应力对大型的整体结构件加工过程中变形的影响。在冷滚打成形过程中，残余应力是影响植入体毛坯表面成形质量的一个重要因素，残余应力不仅对材料的疲劳强度影响很大，而且对植入体毛坯表面螺纹结构的刚度以及构件的稳定性都有不可忽视的影响[同时，不同的加工参数下，成形植入体表面的结构以及尺寸也有一定的差异，对成形植入体表面的质量有一定的影响。因此，对冷滚打成形过程中植入体表面残余应力以及加工过程中的参数咋样优化进行深入研究具有非常重要的理论意义。1.3课题研究的主要内容及章节安排本课题在分析螺纹冷滚打原理的基础上，通过查阅文献，设计植入体和滚打轮的尺寸参数以及运动方向,进给速率和转动速度等参数的确定.通过abaqus软件对滚打轮和植入体进行模型的建立，对冷滚打螺纹的成形过程进行仿真，提出将冷滚打成形技术应用于三角螺纹的加工中研究了螺纹冷滚打过程中的金属流动规律具体研究内容如下：绪论。主要针对目前加工制造业的发展方向以及螺纹的加工技术，提出将冷滚打成形技术应用于螺纹加工中，分析了螺纹冷滚打成形技术的背景和意义，对冷滚打成形技术国内外研究概况进行了简介，简要叙述了螺纹的加工方法，明确本文的主要研究方向和内容。第二章螺纹冷滚打成形原理研究。在分析高速冷滚打螺纹的成形原理基础之上，通过螺纹加工技术的研究，分析冷滚打螺纹成形的原理以及特点，通过三角螺纹的相关参数的计算，确立螺纹冷打运动系统及几何模型。第三章分析有限元的特点，利用ABAQUS进行建模，按尺寸建立滚打轮模型，模芯以及植入体的零件模型以及建立装配体。第四章螺纹冷滚打成形过程进行仿真，通过滚打轮在不同时刻滚打螺纹的Mises应力、等效塑性应变图。分析滚打过程中的径向变形力，分析了滚打轮的转速、打入深度、滚打轮半径等因素对径螺纹结构的影响。第五章总结与归纳。对本次毕业设计的整个过程进行总结，针对细节进行反思。2螺纹冷滚打成形原理研究2.1螺纹冷滚打成形的原理螺纹冷滚打成形原理如图所示,三个具有一定形状轮廓的滚打轮均匀安装滚打芯轴上,并且滚打轮可绕自身轴线自由转动,当滚打轴以转速ns高速旋转时,带动滚打轮实现公转,滚打轴旋转一周时,滚打轮对轴坯击打三次,当轴坯以转速nw旋转一周时,滚打轮沿轴坯轴向以速度v移动一个螺距P。在滚打过程中，轴坯以一定转速转动，滚打轴每转动一周，沿轴向移动一个导程，滚打轮可随滚打轴沿轴向和径向以一定速度进给，轴坯在固定位置做连续转动ADDINZOTERO_ITEMCSL_CITATION{"citationID":"q76Jdpoj","properties":{"formattedCitation":"\\super[15]\\nosupersub{}","plainCitation":"[15]","noteIndex":0},"citationItems":[{"id":1038,"uris":["/users/local/lUadEedi/items/B5ALBQ9F"],"itemData":{"id":1038,"type":"article-journal","title":"渐开线花键轴冷滚扎工艺试验"}}],"schema":"/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}[11]。为了避免干涉，滚打轮的安装轴线与轴坯轴线间的夹角为螺旋角β故β=3.405°在滚打过程中，由于滚打轮的自转，轴坯被压缩并逐渐变形，最终成形为所需的形状。滚打成形过程中，滚打轮的直径逐渐变小，使得轴坯的直径逐渐变大，直到达到所需的尺寸。在滚打过程中，滚打轮和轴坯之间的摩擦力不断变化，需要通过调整滚打轮的自转速度和轴坯的进给速度来保持稳定的滚打成形。ADDINZOTERO_ITEMCSL_CITATION{"citationID":"dR9TiIsd","properties":{"formattedCitation":"\\super[25]\\nosupersub{}","plainCitation":"[25]","noteIndex":0},"citationItems":[{"id":1000,"uris":["/users/local/lUadEedi/items/CAJUKHUT"],"itemData":{"id":1000,"type":"article-journal","abstract":"为研究丝杠冷滚打成形过程中滚打轮半径、滚打轮圆角半径和打入量与变形力之间的关系,在丝杠冷滚打成形原理的基础上建立了有限元仿真模型。通过仿真获得单次滚打以及多次滚打成形过程中,变形力随滚打轮半径、滚打轮圆角半径和打入量的变化规律;设计了正交试验,研究打入量、滚打轴转速、滚打轮厚度及工件转速4个因素对变形力的影响规律。在自行设计的冷滚打成形丝杠设备上进行实验,测得变形力的变化趋势与仿真结果基本一致,验证了有限元仿真模型的正确性。","container-title":"中国机械工程","ISSN":"1004-132X","issue":"9","language":"中文;","note":"1citations(CNKI)[2023-3-27]<北大核心,EI,CSCD>","page":"1065-1073","source":"CNKI","title":"丝杠冷滚打变形力影响因素研究","volume":"31","author":[{"family":"李","given":"玉玺"},{"family":"李","given":"言"},{"family":"崔","given":"莅沐"},{"family":"苗","given":"志鸿"}],"issued":{"date-parts":[["2020"]]}}}],"schema":"/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}[12]。图2.1螺纹冷滚打原理图2.2冷滚打螺纹的特点冷滚打成形技术打破了传统的“去除材料”的加工原理，运用“累积成形”，提高了零件的精度，质量塑性形变能力以及生产效率等一些良好的性能，冷滚打成形技术具有广阔的前景，对此项技术进行研究有着重要的工程应用价值[13]。此外，成形过程中还会受到温度、压力、摩擦等因素的影响，这些因素也需要在描述金属变形行为时进行考虑。同时，成形过程中还会涉及到材料的塑性变形、弹性回复、断裂等问题，这些也需要在描述金属变形行为时进行考虑[14]。因此，在进行金属成形过程的分析和设计时，需要考虑多种因素的综合影响，以确保成形过程的稳定性和成品质量的高度。2.3三角螺纹冷滚打毛坯直径计算根据螺纹冷滚打成形原理，成形时轴坯的体积变化很小，这种微量的变化可以忽略，在塑性成形理论研究和实际计算过程中，塑性变形体的体积维持不变或是常数，也就是冷滚打成形前后螺纹轴坯的体积保持不变[15]，即：V0=Vn（2.1）式中：V0为变形前体积，Vn为变形后体积。图2.2为三角螺纹截面的基本尺寸图，图中P为螺纹的螺距，H为牙形理论高度，H=0.866P，d为螺纹公称直径，d2为螺纹中径，d1为螺纹内径，d0轴坯毛坯直径，其中：d2=d–0.6495P，d1=d–1.0825P。图2.2螺纹尺寸图图2.3螺纹轴截面齿形图本文前面提到了螺纹冷滚打成形后的体积等于滚打前的体积，图2.3为螺纹轴截面齿形图，取半个螺距P/2进行分析：滚打成形后半个螺距内的体积为nV，由图可知，V1在空间内是直径为d、高度为1h的圆柱体；2V是直径为d1、高度为2h的圆柱体；3V是高度为的圆锥台，圆锥台两端面的直径分别为d和d1。V1、V2和V3分别为：V1=ΠV2=ΠdV3=Π3毛坯直径为d0=22VnΠ表2.1公称直径为3mm的普通三角螺纹参数参数螺距P中径d2小径d1螺旋升角Ψ数值0.5mm2.675mm2.459mm3.405°计算得出滚打公称直径为3mm、螺距为0.5mm的三角螺纹的毛坯直径为：d0=2.70mm，略大于螺纹的中径。为了避免干涉，滚打轴的安装轴线与轴坯轴线间存在一个夹角，即螺纹的螺旋升角β=3.405°；初步取得滚打轮轴向进给速度取0.35mm/s,转速取80rad/s，植入体转速取5.5rad/s，植入体长度2mm，齿距0.3故，需要打五圈螺纹，螺纹深度计算公式如下：H=0.866p（2.6）故计算的螺纹深度0.26mm初始安装位置，滚打轮表面距植入体表面长度为0.10mm，滚打轮每完成一次滚打螺纹后，滚打轮沿着靠近植入体Y轴负方向进给0.04mm,第四次滚打完成后，滚打轮回到初始位置，植入体的螺纹深度最终为0.26mm。而切削加工的螺纹毛坯直径等于螺纹的外径，所以冷滚打成形与传统切削加工相比，节约了材料，提高了材料利用率。2.4螺纹冷滚打的运动分析根据冷滚打成形原理，针对螺纹的具体加工情况，得出了螺纹冷滚打的原理：螺纹件是一种回转体零件，成形过程中有螺纹轴坯的旋转运动wn，wn对应一定的滚打轮相对轴坯的轴向运动，还有滚打轴的旋转运动sn图2.3滚打轮加工植入体示意图在轴坯和滚打轮接触的瞬间，滚打轮打入轴坯的瞬时速度方向与轴坯接触点的切线速度方向相反时，这种方式为逆滚打。逆滚打时，滚打轮的打入厚度从零逐渐增大到最大，滚打轮首先接触的轴坯的已成形区域，然后再接触未成形区域，这种方式下滚打轮和滚打轴受到的冲击载荷较小，对滚打轮的齿廓损坏较小，但由于滚打轮刚接触轴坯时，滚打轮会在轴坯上滑移一小段距离，因此会加剧滚打轮和轴坯的摩擦，降低滚打轮的寿命[17]。为了使植入体毛胚和滚打轮轴承承受较小的载荷，同时为了保护滚打轮的齿形轮廓，故采用逆滚打。2.5本章小结本章主要通过对螺纹冷滚打成形原理以及给画出的相关原理图，进行螺纹结构的分析及理解，使得对滚打轮以及植入体的空间位置安装有了一定的理论依据。查阅资料，查阅相关文件，确定了植入体与滚打轮的空间位置以及安装时角度设置，滚打轮的转动速度，轴向进给速度和植入体自转速度。

3模型的建立本章主要包括分析有限元的特点，利用ABAQUS进行建模，按尺寸建立滚打轮模型，模芯以及植入体的零件模型以及建立装配体。3.1有限元分析原理及特点有限元法可以通过适当的单元划分和网格剖分来控制误差，同时也可以利用计算机的高速运算能力来实现快速求解[18]。此外，有限元法还可以通过验证和验证实验来验证计算结果的准确性和可靠性，从而提高了计算结果的可信度。3.2设计仿真试验经过调研，牙科常用的钛合金螺钉有多种，大多为非常细小的螺纹，因此选择公称直径d为2mm的螺钉进行研究，螺距P=0.3mm，中径d2=1.675mm，小径d1=1.459mm，本次冷滚打仿真的工艺参数为：表3.1钛合金材料属性杨氏模量（MPa）泊松比密度（Ton/mm3）质量放大系数）摩擦系数1130000.3424.43E-091000000.3初步取得滚打轮轴向进给速度取0.35mm/s,转速取80rad/s，植入体转速取5.5rad/s，植入体长度2mm，齿距0.3故，需要打五圈螺纹，螺纹深度计算公式如下：H=0.866p故计算的螺纹深度0.26mm初始安装位置，滚打轮表面距植入体表面长度为0.09mm，滚打轮每完成一次滚打螺纹后，滚打轮沿着靠近植入体X轴负方向进给0.08mm,第四次滚打完成后，滚打轮回到初始位置，植入体的螺纹深度最终为0.26mm。3.3ABAQUS有限元仿真流程ABAQUS还具有强大的后处理功能，可以生成各种可视化图形和动画，以帮助用户更好地理解模拟结果。此外，ABAQUS还具有多物理场模拟能力，可以同时考虑多个物理场的相互作用，如结构-声学、结构-热、结构-流体等。ABAQUS是一款功能强大、灵活性高、可靠性强的有限元软件，广泛应用于工业、研究和教育领域。ABAQUS模拟能力可以涵盖从微观到宏观的尺度，从材料的原子结构到大型工程结构的分析。它的分析方法包括有限元法、边界元法和有限差分法等，其中以有限元法为主。它提供了丰富的元素类型和材料模型，可以满足不同类型的结构和材料的分析需求。ABAQUS还提供了多种求解器，可以满足不同规模和复杂度的问题求解需求[19]。3.4滚打轮和植入体的模型建立1、滚打轮和植入体基本设置和装配滚打轮和植入体模型创建的基本思路就是先在Part模块下创建滚打轮和植入体的三维几何模型，设置好参数后，对植入体毛坯进行网格划分，既滚打轮是解析性刚体，无需进行网格划分，再进入到装配体模块，将滚打轮和植入体进行装配。打开软件，先设置好工作目录。然后进入到部件模块中，点击左侧的创建部件图标，如图3.1所示在弹出的编辑对话框中，选取三维模型空间，类型选用可变型，基本特征选取实体旋转，网格近似尺寸保持默认4。点击继续进入到草图绘制界面。图3.1创建部件2、创建植入体几何模型进入到草图绘制界面，构建一个宽1.35mm×长1.5mm的矩形，设置旋转轴点击完成，随后会弹出编辑基本旋转对话框，设置旋转角度为360°,点击确认，完成工件模型的创建。图3.2植入体尺寸图图3.3植入体零件图3、创建滚打轮几何模型创建一个三维解析性旋转刚体，网格大概尺寸保持默许值4。然后点击确认进入草图绘制界面，按照图3.6所示尺寸进行绘制，完成模型建立如图3.7所示。图3.6滚打轮的尺寸图图3.7滚打轮的零件图4、装配体植入体毛坯与模芯进行耦合约束，滚打轮和植入体毛坯面面接触。点击模块选项中的装配，如图3.8创建实例对话框同时选中部件，实例类型选择非独立，点击确认就可以在装配界面看到三个部件，随后进行装配，如果默认装配不符合预期的，可以选择左侧图标中的平移等操作完成装配。如图3.8所示为装配好的效果图。图3.8滚打轮，植入体装配图3.5植入体对应参数值的设置运用传统的切削加工方法来研究的话，对应参数设置以及优化的方法不好操作，并且诸多实验的数据都不精确。因此采用有限元分析的方法创建切削模型。此次仿真可以选用模型作为钛合金材料滚打轮模型[20]。编辑材料的各项参数设置。固体材料的密度一般情况是固定值。如图3.9所示点击通用在下拉选项中选择密度，分布选择一致选项，质量密度数值参照表如图3.9所示点击力学下的密度参数设置。图3.9密度参数的设置如图3.10所示点击力学下的弹性，选取各向同性为弹性类型，具体数值参照图3.10。图3.10工件弹性参数设置如图3.11所示点击力学下的塑性按钮，选取硬化类型为各向同性，场变量个数为0.具体数值参照图3.11。图3.11材料塑性参数的设置3.6植入体网格划分在环境栏中进入网格命令，选择为边设置种子数目，内边和外表面根据尺寸比例设置种子数目，其余所有边分别直接设置种子个数，如下图3.12所示图a内外表面的种子设置比列图b图b其余边种子数设置图3.12植入体种子的设定点击完成，为整个模型网格化，如图3.13所示，植入体的网格化，点击为边布种子，植入体内外表面根据比例设置边界种子，上下表面设置种子个数为5个，毛坯的高设置20个种子，点击完成，进行网格化。如下图3.13所示，共计网格数181818。图3.13植入体的网格化3.7求解器的设定1、创建求解器点击环境栏模块，下拉菜单中选择分析步step选项，再选取创建分析步图标，在开始分析步骤之后直接进入本步骤，选取通用，动力这一选项作为分析步的类型；点击继续，随后进入到编辑分析步对话框，时间长度设置为5秒，几何非线性打开，详细数据设定如图3.14所示。在设置一个质量缩放参数如图3.15所示，点击质量缩放界面的创建，随后会弹出编辑质量缩放，类型选择按系数缩放数值设置为10000，目标选择质量缩放，点击完成。图3.14增量设置图3.15质量缩放设置2、场输出的创建创建名称为F-Output-1后，如图3.16所示，在该对话框中输出变量选项中修改间隙值为200，输出变量一栏添加RT,ReactionForces，点击完成设置，在历程输出请求管理器在弹出的对话框中选择集：Roughcast-1.Whole-roughcast，随后在输出变量选择ALLIE和ALLKE,选中此按钮，完成场变量输出请求的创建。图3.16场输出参数设置3.8编辑相互作用编辑相互作用对话如图3.17所示，创建两组面与面的接触：1.创建滚打轮跟植入体毛坯之间的相互接触，最后点击确认完成编辑。图3.18植入体外表面和滚打轮的相互作用在相互作用属性管理器之中，弹出接触属性对话框，设置fric030接触，摩擦公式选中罚，摩擦系数设置为0.2。如下图3.18所示图3.18接触属性如图3.19所示，在植入体中心建立一个参考点，通过设置耦合关系，将该参考点和两个平面耦合为一体，植入体的运动将和参考点保持一致，通过设置参考点的旋转运动控制植入体旋转。图3.19耦合关系3.9创建载荷相关属性单击模块下的载荷进入到载荷界面，进入创建边界条件，名称设定为BC-3，选择类别为力学选项，选取对称/反对称/完全固定作为分析步的类型，选择继续后设置边界条件，区域选取为植入体整个模型，植入体发生自转，转速为6.3rad/s，其余转动速度和移动速度为0固定，选择幅值为Amp-smooth，点击完成，如图3.19所示，继续同上一步操作，在创建边界条件中，名称设定为velocity-roller，设定转速为105rad/s，轴向移动速度为0.4mm/s，继续选择幅值为amp-smooth，点击OK，点击确定完成工件的边界条件设定，如图3.20所示。图3.19植入体边界条件设置图3.20滚打轮边界条件设置设定完成后工件的装配体就会如图3.21所示。图3.21效果图3.10编辑提交作业并运行计算在模块选择作业栏，进入到作业界面。选择创建作业,在出现的对话框中单击继续,弹出下一个对话框，如图3.22所示。选取完全分析作为作业类型选项，默认其它选择后点击确认完成并创建任务。在主菜单中选择作业管理器选项中，可完成数据检索、监控。图3.22编辑作用及监控界面3.11可视化.模芯与植入体之间的装配以及植入体与滚打轮之间的安装，在滚打过程中的受力示图分析，随着滚打轮和模芯的转动，植入体的受力不同，时刻发生着变化如图3.23所示。图3.23植入体螺纹轮廓图3.12本章小结本章主要通过分析有限元的特点，既具有灵活性和适用性，适应性强。通过查阅相关资料和文献，设计仿真实验方案，确定了螺纹的尺寸以及滚打轮与植入体的安装位置，约束条件以及进给量，进给速度和轴向速度等参数设置，利用ABAQUS进行建模，按尺寸绘制滚打轮，模芯以及植入体的零件模型以及建立装配体，进行模拟滚打轮加工植入体运动过程。4螺纹冷滚打仿真结果后处理分析4.1螺纹齿槽轮廓形态螺纹的冷滚打成形发生塑性变形，其本质就是金属在外力（滚打轮的击打力）的作用下被迫发生塑性流动的过程，在滚打轮与螺纹轴坯接触的不同部位，轴坯的金属材料流动情况和塑性应变也大不相同[21]。如图4.1所示，在螺纹冷滚打过程中，滚打轮刀尖圆弧直接击打植入体毛坯表面，由于受到连续的径向滚打力，该部位受到的力最大，从而形成螺纹齿槽的底部；与滚打轮两侧接触的植入体表面齿槽的两侧面部位，主要受到的是滚打轮的挤压作用，一部分金属沿着滚打轮的侧壁的法线方向流动，形成了螺纹槽的侧壁；另一部分金属沿着滚打轮侧壁的切向向上流动，形成螺纹齿槽两侧的隆起，而隆起部分的金属材料同时又向阻力较小的区域流动，最终形成了螺纹齿槽的轮廓形状。（a）三维径向图（b）三维轴向图（c）俯视图（d）一次冷滚打成形图4.1滚打轮加工植入体的轮廓图螺纹冷滚打成形各个时刻的外形轮廓见图4.2，分析可知在齿槽成形过程中，在滚打轮的作用下，金属向滚打轮两侧轴坯以外的区域流动，流动过程中金属沿着滚打轮两侧的外表面向上逐渐形成螺纹齿槽和槽顶处的凸角。整个成形过程符合体积不变假设，打下部分和挤出部分体积一样，共同形成整个螺纹齿槽轮廓，螺纹槽的深度在相应增加，螺纹槽两边的凸起增高，螺纹槽逐渐形成。（a）螺纹深度：H=0.10mm（b）螺纹深度：H=0.14mm（c）螺纹深度：H=0.18mm（d）螺纹深度：H=0.22mm（e）螺纹深度：H=0.26mm图4.2植入体不同时刻螺纹齿槽形貌4.2螺纹冷滚打成形的应力分析螺纹冷滚打成形过程中在植入体表面塑性变形初始时应力分布范围很小，随着滚打轮不断打入高深度的螺纹时，应力及其分布范围持续有所扩大，应力较大区域主要是植入体表面金属和滚打轮圆弧刀尖快速转动的接触的部位[22]如下图4.3所示。（a）T=8.75-04s（b）T=1.75E-03s（c）T=2.65-03s（d）T=3.5E-03s图4-3不同时刻轴坯Mises应力云图如下图4.4所示，应力以滚打轮和植入体毛坯表面的接触区域为中心向周围扩散，根据植入体表面所受应力大小的不同，从而发生塑性变化的程度不同，有的接触面受力大，发生塑性形变程度大，有的接触表面所受应力小，故发生形变的影响就小。应力波到达的区域，应力随即升高，距离滚打轮圆弧刀尖与植入体表面的接触部位越近，应力值越大；距离滚打轮圆弧刀尖与植入体表面的接触部位越远，应力值越小。随着滚打轮与轴坯毛坯接触面积的增大，接触区域的应力值不断升高，从而应力所覆盖的接触表面的面积也就逐渐扩大，应力以波的形式向周围扩散，从而引起周围区域的应力升高，当滚打轮与植入体毛坯表面所接触的区域，应力值超过植入体毛坯材料的屈服极限时，植入体表面就会发生塑性变形，从而形成了螺纹的齿槽形状，当滚打轮与植入体表面连续接触，快速击打螺纹时，所形成的一圈一圈螺纹之间也就形成了螺距，从而螺距的大小与滚打轮的刀具形状，安装位置以及轴向进给速度有关。图4.4螺纹齿槽的节点路径图4-5Mises应力沿节点路径变化该路径是从植入体毛坯表面螺纹齿槽的底部沿着表面齿槽的轨迹截面向上到螺纹齿槽的上面，分析这条路径上应力的变化情况。选取21509，21510，21511，21512，21513，21514，21515，21516，21517，21518，21519，21520，对应的序号为1到12。图4.5为12个节点处应力沿路径变化的曲线，从图中可以看出，沿着由底向上的路径，应力值先增大后变小，即从螺纹齿槽的顶部中心到顶部边缘，再到侧壁，延续到顶部，显而易见，滚打轮快速击打过的植入体表面的不同位置时，塑性形变的程度不同，应力值刚开始呈现不断上升，到达一定的应力值之后，又开始呈现下降的趋势，这和图4.4的云图结果一致，说明在冷滚打螺纹成形过程中，螺纹齿槽底部边缘的应力最大，沿着齿槽的侧壁向上应力逐渐减小。4.3应变分析螺纹的冷滚打过程中，轴坯各个区域塑性应变的大小反映了金属材料的流动分布，决定着螺纹齿槽的最终轮廓形状，塑性应变值较小，说明该区域的金属的变形小；塑性应变值大越大，说明该区域的金属的变形大[23]。由图4.6可知，应变较大的部位是轴坯与滚打轮边缘接触的表层区域。金属流动规律和受力情况比较复杂，容易出现局部缺陷，而其他尚未完全成形的部位的应变则相对较小。（a）T=8.75-04s（b）T=1.75E-03s（c）T=2.65-03s（d）T=3.5E-03s图4.6不同时刻轴坯等效塑性应变云图为了定量分析螺纹齿槽的不同部位金属材料的应变情况，在已成形的螺纹齿槽的截面取连续的六个单元格，各个单元在螺纹齿槽的位置如图4.7所示，单元格序号1到18所对应的单元分别是单元21538、单元21539、单元21540、单元21541、单元21542、单元21543、单元21544、单元21545、单元21546、单元21547、单元21548、单元21549、单元21550、单元21551、单元21552、单元21553、单元21554、单元21555。图4.7螺纹齿槽选取的单元图4.8为已成形的螺纹齿槽截面上的18个单元所组成的螺纹不同深度，等效塑性应变随时间的变化曲线。如图所示，底部和侧壁部分的金属在达到等效塑性应变的最大值后就几乎没有变化，这说明之后的时间内金属不流动。等效塑性应变的最大位置出现在螺纹齿槽的齿根边缘部位，这是因为齿根部是滚打过程中滚打轮直接击打的部位，该部分的螺纹深度0.22mm的最大等效塑性应变达到了12，螺纹深度为0.26mm的最大等效塑性应变达到了12。螺纹深度为0.10mm，0.14mm，0.18mm的最大等效塑性应变随着螺纹的深度不断加大，螺纹表面所受应力也在不断增大。而齿槽侧壁的单元格1，2，3，