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图1-1所示是某型号LED灯具散热底座芯棒设计简图，为杯杆类零件，芯棒材料为H62黄铜，采用挤压的方法热塑性成形芯棒半成品，再经切削加工至设计尺寸。研究任务：①确定合理的坯料尺寸；②确定合理的凹模倾角。
图1-1 LED灯具散热底座芯棒设计简图
该LED灯具散热底座芯棒零件图如图1-2所示，与挤压件最大外径接近的常用铜棒主要有三种： ϕ 50mm， ϕ 56mm， ϕ 58mm。根据体积不变原则，坯料下料尺寸为 ϕ 50mm×54mm， ϕ 56mm×43mm， ϕ 58mm×40mm，因此本次工艺参数模拟分为三组。根据生产实际，拟定芯棒挤压成形工艺方案见表1-1，以确定合理的坯料尺寸。坯料温度为450℃，实验前预热模具。坯料的加热采用箱式电阻加热炉，加热温度为440℃±10℃，保温30min±5min。实验过程中采用动物油润滑。实验设备为Y32-200型万能四柱液压机。
图1-2 LED灯具散热底座芯棒零件图
表1-1 芯棒挤压成形工艺方案
采用标准挤压模架，凸凹模设计简图如图1-3所示（凸凹模挤压圆角为0.5mm），复合挤压凸凹模选用了Crl2MoV制造，热处理后硬度为58～62HRC，应力圈采用45钢制造，热处理硬度为38～42HRC。模具的凸凹模表面全部抛光。预应力配合角度为0.5°，必须保证配合面积达到80%以上。
图1-3 复合挤压凸凹模简图
根据生产实际，此案例采用温锻成形工艺。在有限元模拟时，采用圆柱形坯料，坯料材料选择CuZn37[1100～1500℉（600～800℃）]，模具材料为H13（美国牌号，对应我国牌号为4Cr5MoSiV1）；模具和坯料间的传热系数设为11kW/（m 2 ·K）；采用剪切摩擦模型，设置摩擦因数为0.25；坯料预热温度为450℃，模具预热温度为150℃。
通过查阅文献或者自行设计获得所需模具以及详细尺寸，利用UG或其他造型软件画出模具实体模型，并保存为.stl格式。现基于DEFORM-3DV10.2版本对 ϕ 50mm×54mm坯料在凹模倾角为120°时进行数值模拟，并演示主要操作步骤。其他尺寸坯料及其他凹模倾角的模拟过程读者请参考演示自行完成，最后确定合理的坯料尺寸和凹模倾角。成形时坯料与模具的装配关系如图1-4所示。
（1）创建一个新的问题 如图1-5所示。
1）在开始菜单中单击DEFORMV10.2，选择DEFORM-3D并进入DEFORM-3D主窗口；
2）单击File→New Problem或单击
按钮；
3）在弹出的窗口中接受默认选项，单击Next按钮；
4）在弹出的窗口中选择“OtherPlace”，选择工作目录然后单击Next按钮；
5）在弹出的窗口中输入文件名，单击Finish按钮进入前处理操作界面。
图1-4 坯料与模具的装配关系
图1-5 创建新问题界面
（2）设置模拟参数 如图1-6所示。
1）在前处理操作界面中单击
按钮进入模拟控制参数设置窗口；
2）在Simulation Title一栏中把标题改为BLOCK；
3）设置Units为SI，模拟类型Deformation，并勾选Heat Transfer。单击OK按钮，回到前处理操作界面。
（3）工件坯料设置 如图1-7所示。
1）坯料的导入。
①单击
和
按钮，进入工件坯料参数设置界面，所需工件坯料参数设置完成后，单击
按钮，在操作界面生成工件坯料，单击
按钮，回到前处理操作界面。
图1-6 设置模拟参数
图1-7 工件坯料设置
②输入几何体后要检查输入对象是否有问题，检查方法如下：
单击
，查看弹出的窗口。对于一个封闭的几何体，必有1个面，0个自由边，0个无效的实体。如果正确单击
按钮，回操作界面，如图1-8所示。
外法线方向的检查，如图1-9所示。单击
按钮，查看对象的外法线是否指向对象外。如果方向反了，单击
按钮。
2）划分网格、体积补偿。
①单击图1-5中的
按钮，进入网格划分，如图1-10所示。
图1-8 几何体检查结果
②在网格输入框中输入单元数或通过滑块设定。
③设定完成后可单击
按钮进行预览，如果满意就可单击
按钮生成网格。生成网格之后单击
按钮查看划分是否合格。并记下
的值，如图1-11所示，以便后面用来设置步长。
④单击
按钮，进入体积补偿设置界面，选择激活种类，然后单击
（见图1-12）按钮即可。
图1-9 外法线方向的检查
图1-10 “网格划分”对话框
图1-11 “网格划分合格”对话框
图1-12 选择激活种类
3）设置工件加工温度和材料。
①单击
按钮进入温度和材料设置界面，如图1-13所示，因为第一个输入的为工件坯料，所以物体类型系统默认为Plastic；
图1-13 温度和材料设置界面
②单击
按钮进行温度设置，如图1-14所示。
图1-14 “物体温度设置”对话框
③单击Material输入框右侧的
按钮（见图1-13），选择物体材料，选定后，单击
按钮，如图1-15所示。
图1-15 “材料库”对话框
（4）模具的设置
1）凸模的导入。单击图1-5中
按钮，然后依次单击按钮
和
，从模具所在位置导入。
2）定位模具。有时导入的模具和工件位置需要调整，调整方法如下：
①单击
按钮进入调整界面，如图1-16所示。
图1-16 “模具和工件位置调整”对话框
②选择调整方式并填写相关数据后单击
。
3）划分网格、设置温度、属性设置。
①设置凸模运动速率。单击
按钮（见图1-17），类型选择speed、方向选择-Z、常数值改为1，其他选项都默认。
图1-17 设置凸模运动速率
②凹模的导入、定位和设置。可参照凸模的上述操作进行。
（5）定义模具和工件坯料之间的关系
1）单击
按钮（见图1-5），在弹出的窗口中单击“Yes”按钮进入“Inter-Object”对话框，如图1-18所示。系统默认将前面的物体和后面的物体定义为Master-Slave关系，即硬的物体设为Master，软的物体设为Slave。
图1-18 “Inter-Object”对话框
2）选择第一组，单击
按钮进入新的窗口，选择剪切摩擦方式Shear，根据成形方式选择摩擦因数Constant或者手动输入，如图1-19所示。
图1-19 选择摩擦方式和摩擦因数
然后单击
标签（见图1-20），选择热传导系数Constant或者手动输入，单击
按钮回到“Inter-Object”对话框。
3）选择第二组，单击
。
图1-20 选择热传导系数
4）最后一定要单击
，在这个操作后，互相接触的物体，Master会自动与Slave发生干涉，互相嵌入是为了更快地进入接触状态，节省计算时间。互相嵌入的深度是由窗口中的Tolerance来定义的。
（6）设置模拟参数
1）在前处理控制窗口右上角选择
进入“Simulation Controls”对话框，如图1-21所示，选择
进行模拟步数和步长的设定。
图1-21 设定模拟步数和步长界面
2）步长是根据变形体最小单元长度的1/3来估算的，例如本模拟中最小单元长度为1.1，则步长可设置为0.3，如图1-22所示。
图1-22 设置步长
3）运行步数根据凸模所走的总距离除以步长来估算，一般设置值比理论值大，如图1-23所示。
4）单击
可设置运行终止，在General一栏中输入凸模沿Z轴所走距离（见图1-24），单击OK按钮。
图1-23 设置运行步数
图1-24 输入凸模沿Z轴所走距离
（7）生成数据文件
1）在前处理窗口单击
（见图1-5），进入“Database Generation”对话框，如图1-25所示，单击
按钮，生成文件。
图1-25 “Database Generation”对话框
2）单击
按钮，检查是否有错误。计算机屏幕显示绿色表示正常，红色表示严重错误，黄色代表有可能导致错误。
3）单击OK返回前处理控制窗口。
在DEFORM-3D主窗口中，选择刚才保存的文件路径，如图1-26所示。
图1-26 DEFORM-3D主窗口
然后单击图1-26中Simulator中的Run，模拟开始，结果如图1-27所示。
图1-27 模拟结果
1）单击Post Processor中的DEFORM-3D Post，进入后处理窗口。
2）在后处理窗口中可以观察工件变形过程，如图1-28所示。
图1-28 观察工件变形过程的后处理窗口
3）查看变量状态。单击
查看载荷-时间曲线等（见图1-29）。
图1-29 载荷-时间曲线
（1）不同坯料尺寸下的数值模拟（见图1-30）
从图1-30可以看出， ϕ 50mm坯料和 ϕ 56mm坯料挤压过程分为三个阶段， ϕ 58mm坯料则为两个阶段。考虑 ϕ 50mm和 ϕ 56mm由于坯料直径小，放入凹模后与凹模之间存在较大间隙，故坯料在成形之前先进行了一个镦粗过程，第二个阶段是芯棒头部的反挤压，第三个阶段是芯棒杆部的正挤压；而 ϕ 58mm坯料由于其直径与凹模内径十分接近，故几乎不进行镦粗，直接成形，第一个阶段是芯棒头部的反挤压，第二个阶段是芯棒杆部的正挤压。
图1-30 不同尺寸坯料挤压过程中的载荷-时间曲线
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm 注：1klbf=4.448kN
从图1-31可以看出，各坯料成形后的温度场比较相似，芯棒头部由于先变形温度较低，芯棒底部先被挤压成形，故温度也较低，芯棒杆部持续挤压变形故温度较高，芯棒斜角部分变形最大故温度最高，从斜角处到杆部底部温度逐渐降低。从图1-32可以看出各坯料成形后的应力分布不均匀，芯棒头部和沉槽底部应力较大，芯棒斜角部分由于变形剧烈应力也较大，芯棒杆部有少许残余应力但整体接近零。 ϕ 50mm坯料和 ϕ 58mm坯料应力值跨度较大，挤压过程较不稳定， ϕ 56mm坯料应力在0.0827～22.0ksi（1ksi=6.84MPa）之间，整个挤压过程更加平稳。
（2）不同凹模倾角下的数值模拟
改变凹模的倾角为135°，仍采用原料下料尺寸分别为 ϕ 50mm×54mm、 ϕ 56mm×43mm、 ϕ 58mm×40mm，挤压速率0.5mm/s（0.02in/s），温度为450℃，摩擦因数0.12。
进行三组模拟实验，分析比较实验结果（见图1-33）。
图1-31 不同尺寸坯料挤压过程中的温度变化
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm
图1-32 不同尺寸坯料挤压过程中的应力云图
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm
从图1-33可以看出， ϕ 50mm坯料和 ϕ 56mm坯料变形过程经历了芯棒的镦粗、芯棒头部的反挤压、芯棒杆部的正挤压三个阶段； ϕ 58mm坯料则由于其直径与凹模内径十分接近，故几乎不进行镦粗，直接成形，第一个阶段是芯棒头部的反挤压，第二个阶段是芯棒杆部的正挤压。同时观察各坯料的行程载荷曲线，芯棒杆部正挤压阶段载荷波动均较大，改变模具倾角，使得挤压过程变得不稳定。
从图1-34可以看出，各坯料成形后的温度场比较相似，芯棒头部由于先变形，温度较低，芯棒底部先被挤压成形，故温度也较低，芯棒杆部持续挤压变形故温度较高，芯棒斜角部分变形最大故温度最高，从斜角处到杆部底部温度逐渐降低。同时由于增大了模具倾角，变形过程中摩擦增大，使得坯料温度场也明显增大。
图1-33 不同尺寸坯料挤压过程中的载荷-时间曲线
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm
从图1-35可以看出各坯料成形后的应力分布不均匀，芯棒头部和沉槽底部应力较大，芯棒斜角部分由于变形剧烈应力也较大，芯棒杆部有少许残余应力但整体接近零。 ϕ 50mm坯料和 ϕ 58mm坯料应力值跨度较大，挤压过程较不稳定， ϕ 56mm坯料应力在0.208～23.0ksi之间，整个挤压过程更加平稳。
综合上述分析可知，通过对H62黄铜芯棒挤压成形进行Deform模拟，可知：
图1-34 不同尺寸坯料挤压过程中的温度变化
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm
1）不同直径的坯料模拟， ϕ 56mm×43mm的坯料挤压变形情况最理想。
2）凹模倾角为120°时更有利于挤压的顺利进行。
图1-35 不同尺寸坯料挤压过程中的应力云图
a） ϕ 50mm b） ϕ 56mm c） ϕ 58mm