齿科植入器械螺纹结构冷滚打成形有限元仿真

摘要螺纹的冷滚打成形技术的优点在于成形精度高、表面质量好、成形过程中不需要加热处理，因此能够节约能源，同时减少废料产生。此外，成形工艺简单、适用性广，可以用于各种材料的加工，适用于不同形状和尺寸的零件成形，具有较强的适应性。螺纹冷滚打成形技术可以与其他加工方法相结合，如车削、铣削等，以提高加工效率和成形精度。同时，可以通过调整滚打轮的形状和尺寸，实现对成形件的形状和尺寸的调整，具有可逆性强的特点。螺纹高速滚打单点累积成形技术是一种高效、精密的金属成形技术。相比于传统的加工方法，如车削、铣削等，它具有成形精度高、表面质量好、成形过程中不需加热处理等优点。此外，该技术适用性广，可用于不同形状和尺寸的零件成形，具有较强的适应性。该技术的主要优点是成形过程中不需要加热，不会产生热裂纹和变形，制件表面质量好，尺寸精度高，成形效率高，适用于各种材料的成形。同时，该技术也存在一些缺点，如成形工具的制造难度大，成形精度受到工具磨损和磨损不均匀的影响等。外螺纹滚压成形过程的有限元模型建立需要考虑很多因素，例如材料本构模型、摩擦模型、几何形状、工艺参数等。当模型建立完成后，可以对材料在滚压过程中的应力、应变及可变形区域进行深入探究，可以分析出不同的工艺参数对螺纹成形质量的影响。因此，通过有限元模拟外螺纹滚压成形过程，可以更加系统和全面的掌握外螺纹滚压的形变规律，为优化工艺参数和提高螺纹成形效率提供依据。同时，有限元模拟技术还可以为外螺纹滚压成形工艺的设计和优化提供支持，缩短试验时间、降低试验成本，从而更好地满足齿科植入器械高质量的生产要求。关键词：螺纹结构；冷滚打成形技术；有限元仿真AbstractTheadvantagesofthreadcoldrollformingtechnologyarehighformingaccuracy,goodsurfacequalityandnoheatingtreatmentintheformingprocess,soitcansaveenergyandreducethegenerationofwaste.Inaddition,theformingprocessissimple,wideapplicability,canbeusedfortheprocessingofvariousmaterials,suitablefordifferentshapesandsizesofpartsforming,withstrongadaptability.Thethreadcoldrollformingtechnologycanbecombinedwithothermachiningmethods,suchasturningandmilling,toimprovethemachiningefficiencyandformingaccuracy.Atthesametime,theshapeandsizeoftheformingcanbeadjustedbyadjustingtheshapeandsizeoftherollingwheel,whichhasstrongreversibility.Threadhigh-speedrollingsinglepointcumulativeformingtechnologyisanefficientandprecisemetalformingtechnology.Comparedwiththetraditionalprocessingmethods,suchasturningandmilling,ithastheadvantagesofhighformingaccuracy,goodsurfacequality,andnoheatingtreatmentintheformingprocess.Inaddition,thetechnologyiswidelyapplicable,canbeusedfordifferentshapesandsizesofpartsforming,withstrongadaptability.Themainadvantagesofthistechnologyarethatitneedsnoheatingintheformingprocess,doesnotproducethermalcracksanddeformation,goodproductionsurfacequality,highdimensionalaccuracy,highformingefficiency,suitablefortheformingofvariousmaterials.Atthesametime,thetechnologyalsohassomedisadvantages,suchasthemanufacturingdifficultyoftheformingtools,theformingaccuracyisaffectedbythetoolwearandunevenwear.Establishthefiniteelementmodeloftheexternalthreadrollingformingprocess,suchasmaterialconstitutivemodel,frictionmodel,geometry,processparametersandsoon.Afterthemodelisestablished,thestress,strainanddeformableareaintherollingprocesscanbedeeplyexplored,andtheinfluenceofdifferentprocessparametersonthethreadformingqualitycanbeanalyzed.Therefore,throughthefiniteelementsimulationoftheexternalthreadrollingformingprocess,thedeformationlawoftheexternalthreadrollingcanbemoresystematicallyandcomprehensivelymastered,whichprovidesabasisforoptimizingtheprocessparametersandimprovingthethreadformingefficiency.Atthesametime,thefiniteelementsimulationtechnologycanalsoprovidesupportforthedesignandoptimizationoftheexternalthreadrollingformingprocess,shortenthetesttimeandreducethetestcost,soastobettermeetthehighqualityproductionrequirementsofdentalimplantdevices.Keyword:Thescrewthreadstructure;Coldrolling;Finiteelementsimulation;;ABAQUS目录TOC\o"1-3"\h\u14504摘要 I17810ABSTRACT III1.27460绪论 343071.1研究背景及意义 3103411.2国内外水平及发展状况 493111.2.1国外发展水平 456491.2.2国内发展水平 4181861.3课题研究的主要内容及章节安排 6118152螺纹冷滚打成形原理研究 7219722.1螺纹冷滚打成形的原理 7206552.2冷滚打螺纹的特点 893872.3三角螺纹冷滚打毛坯直径计算 8195822.4螺纹冷滚打的运动分析 10218562.5本章小结 12139803模型的建立 13267423.1有限元分析原理及特点 13139963.2设计仿真试验方案 13131643.3ABAQUS有限元仿真流程 1438313.3.1ABAQUS软件的介绍 14102303.4滚打轮和植入体的模型建立 15157133.5植入体对应参数值的设置 18273333.6植入体网格划分 20122633.7求解器的设定 22112523.8编辑相互作用 23282803.9创建载荷相关属性 2588083.10编辑提交作业并运行计算 27264543.11可视化. 28155493.12本章小结 28155184螺纹冷滚打仿真结果后处理分析 29116854.1螺纹齿槽轮廓形态 29227984.2螺纹冷滚打成形的应力分析 31189954.3滚打过程螺纹轴坯受力分析 34316874.4本章小结 3552305.结论 36519714.1总结 36152625.2展望未来 361772参考文献 38

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[]。如下图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。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ADDINZOTERO_ITEMCSL_CITATION{"citationID":"hDIX0JXb","properties":{"formattedCitation":"\\super[5]\\nosupersub{}","plainCitation":"[5]","noteIndex":0},"citationItems":[{"id":905,"uris":["/users/local/lUadEedi/items/ZEFQW7W7"],"itemData":{"id":905,"type":"article-journal","abstract":"种植体与骨界面发生微动疲劳、连接部件界面发生微动磨损等破坏现象是齿科植入器械的主要失效形式之一,因此减小微动、提高齿科植入器械的长期寿命成为这类器械发展的关键。本文重点阐述了种植体与骨组织界面微动疲劳损伤导致骨结合不牢固、种植体内部连接界面微动磨损导致连接松动、失效等问题的研究进展。表面改性技术在提高植入器械骨结合率、耐磨损、抗疲劳等方面发挥着关键性的作用,传统的涂层技术由于增加了界面、存在长期脱落的风险而逐渐退出了历史舞台。对目前相关领域的综述研究表明,齿科植入器械各部件的原位改性技术具有从表面到基底成分梯度渐变、长期结合力好等优点,是有效解决植入器械微动损伤的关键技术,逐渐成为了新的发展趋势。","container-title":"真空","DOI":"10.13385/ki.vacuum.2020.05.08","ISSN":"1002-0322","issue":"5","language":"中文;","note":"1citations(CNKI)[2023-3-25]","page":"32-37","source":"CNKI","title":"齿科植入器械微动损伤及界面强化的研究进展","volume":"57","author":[{"family":"孙","given":"飞"},{"family":"王","given":"磊"},{"family":"何","given":"云鹏"},{"family":"巴","given":"德纯"},{"family":"宋","given":"桂秋"},{"family":"蔺","given":"增"}],"issued":{"date-parts":[["2020"]]}}}],"schema":"/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}[5]。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[[][]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。1.2国内外水平及发展状况1.2.1国外发展水平近年来，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。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[]。总的来说，国外的螺纹冷滚打设备在技术上已经非常成熟，能够实现高效、高精度的加工，同时还能够保证产品的质量稳定性。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。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。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。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。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绘制，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，按尺寸绘制滚打轮，模芯以及植入体的零件模型以及建立装配体，零件模拟运动过程。第四章螺纹冷滚打成形过程进行动作模拟，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，通过对滚打轮转速的改变以及滚打轮精度的不同等级，从而加工出的植入体螺纹结构精度不同，滚打轮精度越高，转速越大，则螺纹结构的精度越高，表面质量越好。

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"}[15]。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"}[25]。图2.1螺纹冷滚打原理图2.2冷滚打螺纹的特点高速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，高速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。冷滚打成形过程中滚打轮的转速一般为900~2500r/min，比其他塑性成形技术的成形速度高出很多。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。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知，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，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螺纹尺寸三叔图图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=Πd2V2=Πd22⋅h2V3=Π3毛坯直径为d0=22VnΠ⋅p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0.3mm1.675mm1.459mm3.405°计算得出滚打公称直径为2mm、螺距为0.3mm的三角螺纹的毛坯直径为：d0=1.70mm，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故计算的螺纹深度0.26mm（2.6）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Y轴负方向进给0.09mm,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，滚打轴的径向进给h，滚打轮的自转运动。在滚打成形时，轴坯以一定速度转速转动，轴坯旋转一周时，滚打轮沿轴向移动一个导程，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°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。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，翻阅相关文件，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。通过画出的滚打轮冷滚打植入体的示意图图2.1，清晰的将金属材料表面冷滚打植入体的塑性变形以及螺纹形状展现出来了，不仅完成了本课题的螺纹冷滚打工作原理的研究，而且为接下来的螺纹冷滚打仿真打下了基础。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，按尺寸绘制滚打轮，模芯以及植入体的零件模型以及建立装配体，零件模拟运动过程。3.1有限元分析原理及特点有限元法具有高精度、高效性和可靠性的特点。它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。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设计仿真试验方案经过调研，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3.3.1ABAQUS软件的介绍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。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，既滚打轮和模芯是解析性刚体，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0.6mm×长2mm的矩形，距离宽边0.4mm处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.创建模芯几何模型创建步骤同上述创建工件的方法一致，再次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3.3所示尺寸绘制长为3mm×宽为0.4mm草图，点击完成旋转角度设置为360°,如图3.4所示。图3.4模芯的尺寸图图3.5模芯几何图4.创建滚打轮几何模型创建步骤同上述创建模芯的方法一致，再次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5、装配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，模芯，植入体装配图3.5植入体对应参数值的设置植入体的材料与参数设定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。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，既植入体形状为空心圆柱状，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-rolle，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3.233.12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螺纹齿槽轮廓形态冷滚打螺纹成形发生塑性变形在滚打轮与植入体表面接触的不同部位，轴坯的金属材料流动情况和塑性应变也各有不同之处,如图4.1所示。图4.1滚打轮加工植入体的轮廓图在冷滚打加工过程中，滚打轮的圆弧刀尖位置快速击打植入体的表面部位，因此表面存在不间断的径向力，该部位受到的力最大，从而形成植入体螺纹齿槽的底部；与轮子两侧面接触的轴坯位置，受到轮子的挤压力，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成形，两侧的金属材料同时又向阻力较小的区域流动，最终形成螺纹齿槽的轮廓形状。a.三维细节图b.三维主视图d.一次冷滚打成形图4.2一次冷滚打成形后轴坯不同视图螺纹冷滚打成形各个时刻的外形轮廓见图4.2，植入体表面螺纹齿形成形时，在滚打轮的高速运转击打植入体毛坯表面时，金属向滚打轮两侧以外的区域流动，此过程中，金属沿着滚打轮两侧的表面向上逐渐形成螺纹齿形和齿槽。在冷滚打螺纹成形整个过程符合体积不变假设，打下部分和挤出部分体积一样，获得整个螺纹结构的轮廓，螺纹槽的深度在不断改变，螺槽两边的凸起增高，螺纹结构逐渐形成如图4.3。图4.3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Mises应力分布如图4.4所示。显而易见，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。图4.4轴坯Mises应力云图应力波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，从而发生不同的塑性变化程度，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。这是因为，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，从而应力波所覆盖的接触面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4.5螺纹齿槽的节点路径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以及等效塑性形变能力。选取1435，1434,1433,1432,1431,1430,1429,1428,1427,1426,1425,1424，1424，1423，1422对应的序号为1到15。图4.5为15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。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6所对应的单元分别是单元4355、单元4369、单元4403、单元4437、单元4471、单元4505。图4.7螺纹齿槽选取的单元植入体表面已成形的螺纹齿槽截面上的所选取的6个结点所在的单元格的等效塑性应变随时间的变化曲线。如图所示，螺纹轮廓的里面部分和两侧部分的金属在达到等效塑性应变的最大值之后几乎是不会发生有很大的变化，这足以说明时间内金属不流动。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接触到的部位，而螺纹结构齿槽两侧的单元格5、6、2、1由底向上的等效塑性应变依次减小，这是因为螺纹侧面上的金属主要是在滚打轮的挤压作用下发生流动，金属沿两侧依次底面向上的流动速度依次降低。图4.8齿槽侧壁等效塑性应变随时间的变化曲线4.3滚打过程螺纹轴坯受力分析在高速冷滚打成形过程中，变形力是影响冷滚打成形质量的关键因素，由于冷滚打成形是局部冲打、高频动态冲击过程，所以研究滚打过程中滚打成形力对于工艺的制定是意义重大的,而且对轴坯的表面质量有重要的影响。通过数值模拟可以得到单次滚打钛合金轴坯时的变形力随时间的变化曲线图，如图4.9所示，在冷滚打成形过程中，轴坯植入体毛坯受到的径向力最大，切向力稍弱一些，而切向力最小。曲线变化形状类似于三角形，可划分为加载和卸载两个阶段，因为冷滚打中，滚打轮高速击打植入体表面时毛坯所受到的力很大，所以力曲线斜率较陡，仿真结果与实际结果击打情况就越接近。图4.9变形力随时间变化4.4本章小结对冷打螺纹成形过程进行仿真模拟获得植入体毛坯表面螺纹成形过程不同时刻的Mises应力、等效塑性应变图、应变随时间变化的过程分析。根据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向变形力的影响。结论对本次毕业设计的整个过程进行总结，针对细节进行反思，通过对滚打轮转速的改变以及滚打轮精度的不同等级，从而加工出的植入体螺纹结构精度不同，滚打轮精度越高，转速越大，则螺纹结构的精度越高，表面质量越好。5.1总结高速冷滚打塑性成形的优点是可以大大提高金属材料的硬度和强度，使其具有更好的耐磨性和抗疲劳性能。同时，该方法还可以提高金属材料的表面质量和精度，使其更加适合于高精度的加工要求、具有设定尺寸和弧度以及材料选定的滚打轮对植入体毛胚外表面进行连续的高速击打，使植入体表层金属发生塑性变形，植入体毛胚以一定的速度进行旋转，使按照特定的方向塑性流动，从而在毛坯表面得到所需要的螺纹。本文分析了高速冷滚打成形原理以及螺纹冷滚打的运动关系，得到了滚打轮和植入体毛坯的传动关系，参数设计，运动仿真等；根据冷滚打成形的体积不变原理，得到了轴坯直径的计算公式；依据螺纹冷滚打成形原理和螺纹的截面轮廓，确定了三角螺纹的滚打轮的结构。在冷滚打论文成形的原理和有限元abaqus仿真的基础上，利用有限元分析软件ABAQUS建立了螺纹冷滚打的有限元模型仿真，对植入体毛坯表面螺纹结构的成形进行模拟。对螺纹冷滚打成形过程中的应力应变进行了仿真分析，道出了mises图和等效塑性应变图，结果表明在螺纹的里面等效塑性应变值最大，沿着螺纹齿槽截面不断向上，等效应变的值呈现依次下降的趋势。同样，在齿槽里面应力值最大，沿着植入体毛坯齿槽截面向上，应力也逐渐降低。分析了单次冷滚打螺纹的时间以及滚大过程的变形力，沿径向的受力是变形力的最大分量。5.2展望未来本文设计的滚打模型轮存在一定的问题，考虑计算成本，滚打轮的边缘倒圆角处理不明显，圆弧有点小，因此存在应力集中，导致计算过程中齿槽底部和边缘相接的位置有最大的应力值。滚打轮的精度未做出合理安排，植入体为细小高精密零件，未及时处理在实际生产中，滚打轮更应采用精度等级较高，是否会是螺纹表面有棱