本发明属于中央件高性能成形，主要涉及一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法。
背景技术：
1、中央件是直升机旋翼系统的关键构件，如何实现其组织性能均匀的高性能制造是制约直升机旋翼系统可靠性的技术瓶颈之一。在模锻成形中央件过程中，保证终锻过程组织的均匀性，中间坯料的形状尺寸确定是一个核心环节，这是因为中间坯料的形状与尺寸决定了模锻变形量及其合理分配，进而影响终锻过程中金属的流动行为、锻件成形精度以及锻件组织分布均匀性。
2、目前有关中央件中间坯料形状尺寸的确定方法，仍凭借经验和试错法，难以精确成形中央件锻件以及控制组织性能的均匀性。在申请号为cn201810535929.2的发明创造中提出了“一种大型钛合金中央件的锻造成形方法”，该方法提出按照模锻时变形量25％～30％和中间坯料各截面面积与相对应处锻件截面面积之比为1.1～1.3的原则确定中间坯料，但未给出中间坯料形状尺寸的定量计算确定方法。另一方面，根据现有经验试错方法确定的中间坯料形状尺寸，一般需要通过实际工艺试验，来评估验证中间坯料的合理性与适用性，造成周期长、成本高以及环境不友好，而采用多尺度建模仿真技术应用于复杂锻件模锻过程中间坯料形状尺寸设计的评估与验证，可有效解决上述问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，避免中央件模锻过程中模具型腔填充不足和锻件组织性能不均匀的问题,本发明提供一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，并采用多尺度模拟来评估验证其合理性。
2、一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法的特点是，针对提出的中央件锻件，首先采用分层的思想确定中央件锻件各层的体积和各层纵截面的面积；其次，基于中间坯料各层变形量之间的匹配与锻造过程模具装配及定位的方便，给出模锻用中间坯料的形状设计及需要确定的尺寸参数；再次，基于合理分配中间坯料各层的体积占比、中间坯料各层纵截面面积与对应锻件各截面面积的比值，给出中间坯料的各个尺寸参数的定量计算确定方法；最后，基于高性能中央件锻件组织均匀性控制要求，针对具体的实际案例通过多尺度模拟来评估验证所确定的中间坯料形状尺寸的合理性，从而解决传统采用实际工艺试验的评估验证方法带来的周期长、成本高、环境不友好等问题，为中央件模锻用中间坯料的形状与尺寸的确定提供科学手段。
3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案为一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，包括如下步骤：
4、步骤s100，确定中央件锻件各层的体积和各层沿轴向截面面积的计算公式；
5、步骤s101，对中央件锻件沿轴向进行分层；
6、所述中央件锻件包括中央件锻件第一层、中央件锻件第二层和中央件锻件第三层；所述中央件锻件第二层和中央件锻件第三层均为圆台；所述中央件锻件第一层为圆柱体；所述中央件锻件第一层的顶面设置中央件锻件第二层；中央件锻件第二层面积最大的底面与中央件锻件第一层的顶面连接；所述中央件锻件第一层的底面设置中央件锻件第三层；中央件锻件第三层面积最大的底面与中央件锻件第一层的底面连接；中央件锻件第一层的轴线、中央件锻件第二层的轴线和中央件锻件第三层的轴线共线；
7、对中央件锻件沿轴向进行分层，各层参数如下：
8、中央件锻件第一层的高度hd1、中央件锻件第一层的底面半径rd1、中央件锻件第一层的体积vd1、中央件锻件第二层的高度hd2、中央件锻件第二层的面积最小的底面半径rd2、中央件锻件第二层的面积最大的底面半径rd2、中央件锻件第二层的体积vd2、中央件锻件第三层的高度hd3、中央件锻件第三层的面积最小的底面半径rd3、中央件锻件第三层的面积最大底面半径rd3、中央件锻件第三层的体积vd3和中央件锻件的总体积vd，其中，vd＝vd1+vd2+vd3；
9、步骤s102，确定中央件锻件各层的体积计算公式；
10、根据式(1)，中央件锻件第一层的体积为vd1：
11、vd1＝πrd12hd1 (1)
12、根据式(2)，中央件锻件第二层的体积为vd2：
13、
14、根据式(3)，中央件锻件第三层的体积为vd3：
15、
16、式中，hd1为中央件锻件第一层的高度、rd1为中央件锻件第一层的底面半径、hd2为中央件锻件第二层的高度、rd2为中央件锻件第二层的面积最小的底面半径、rd2为中央件锻件第二层的面积最大的底面半径、hd3为中央件锻件第三层的高度、rd3为中央件锻件第三层的面积最小的底面半径、rd3为中央件锻件第三层的面积最大底面半径；
17、步骤s103，确定中央件锻件各层沿轴向的截面面积；
18、中央件锻件第一层沿轴向截面面积sd1、中央件锻件第二层沿轴向截面面积sd2和中央件锻件第三层沿轴向截面面积sd3的计算公式为：
19、
20、hd1为中央件锻件第一层的高度、rd1为中央件锻件第一层的底面半径、hd2为中央件锻件第二层的高度、rd2为中央件锻件第二层的面积最小的底面半径、rd2为中央件锻件第二层的面积最大的底面、hd3为中央件锻件第三层的高度、rd3为中央件锻件第三层的面积最小的底面半径、rd3为中央件锻件第三层面积最大底面半径；
21、步骤s104，确定中央件锻件体积vd的计算公式；
22、根据式(5)，所述的中央件锻件的总体积vd的计算公式为：
23、vd＝vd1+vd2+vd3 (5)
24、步骤s200，确定中间坯料的形状及尺寸参数；
25、步骤s201，确定中间坯料的形状；
26、中间坯料包括中间坯料第一层、中间坯料第二层和中间坯料第三层；中间坯料第一层为圆柱体；中间坯料第二层和中间坯料第三层均为圆台；中间坯料第一层的顶面设置中间坯料第二层；中间坯料第一层的底面设置中间坯料第三层；中间坯料第二层面积最大的底面与中间坯料第一层的顶面连接；中间坯料第三层面积最大的底面与中间坯料第一层的底面连接；中间坯料第一层的轴线与中间坯料第二层的轴线和中间坯料第三层的轴线共线；中间坯料第二层面积最小的底面上设置中间坯料第二层凹槽；中间坯料第二层凹槽为圆台形；中间坯料第二层凹槽面积最大的底面与中间坯料第二层面积最小的底面共面；中间坯料第三层面积最小的底面上设置中间坯料第三层凹槽；中间坯料第三层凹槽为圆台形；中间坯料第三层凹槽面积最大的底面与中间坯料第三层面积最小的底面共面；中间坯料第二层凹槽的轴线与中间坯料第三层凹槽的轴线共线；中间坯料第二层凹槽的轴线与中间坯料第一层的轴线共线；
27、步骤s202，确定中央件模锻用中间坯料的尺寸参数；
28、中间坯料的尺寸参数包括：中间坯料第一层的高度hz1、中间坯料第一层底面半径rz1、中间坯料第一层的体积vz1、中间坯料第二层的高度hz21、中间坯料第二层面积最小的底面半径rz21、中间坯料第二层面积最大的底面半径rz21、中间坯料第二层凹槽高度hz22、中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径rz22、中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径rz22、中间坯料第二层的体积vz2、中间坯料第三层的高度hz31、中间坯料第三层面积最小的底面半径rz31、中间坯料第三层面积最大的底面半径rz31、中间坯料第三层凹槽的高度hz32、中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径rz32、中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径rz32、中间坯料第三层的体积vz3；
29、步骤s300，确定中央件模锻用中间坯料尺寸参数的计算公式；
30、步骤s301,确定中间坯料轴向上各层体积的计算公式；
31、根据式(6)，确定中间坯料第一层的体积vz1：
32、vz1＝πrz12hz1 (6)
33、根据式(7)，确定中间坯料第二层的体积vz2：
34、
35、根据式(8)，确定中间坯料第三层的体积vz3：
36、
37、式中，hz1为中间坯料第一层的高度、rz1为中间坯料第一层底面半径、hz21为中间坯料第二层的高度、rz21为中间坯料第二层面积最小的底面半径、rz21为中间坯料第二层面积最大的底面半径、hz22为中间坯料第二层凹槽高度、rz22为中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径、rz22为中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径、hz31为中间坯料第三层的高度、rz31为中间坯料第三层面积最小的底面半径、rz31为中间坯料第三层面积最大的底面半径、hz32为中间坯料第三层凹槽的高度、rz32为中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径、rz32为中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径；
38、步骤s302,确定中间坯料各层沿轴向的截面面积；
39、中间坯料第一层沿轴向截面面积sz1、中间坯料第二层沿轴向截面面积sz2和中间坯料第三层沿轴向截面面积sz3根据式(9)为：
40、
41、式中，hz1为中间坯料第一层的高度、rz1为中间坯料第一层底面半径、hz21为中间坯料第二层的高度、rz21为中间坯料第二层面积最小的底面半径、rz21为中间坯料第二层面积最大的底面半径、hz22为中间坯料第二层凹槽高度、rz22为中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径、rz22为中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径、hz31为中间坯料第三层的高度、rz31为中间坯料第三层面积最小的底面半径、rz31为中间坯料第三层面积最大的底面半径、hz32为中间坯料第三层凹槽的高度、rz32为中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径、rz32为中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径；
42、步骤s303,确定中间坯料各层的体积与相对应锻件各层体积之比范围；
43、为了使中间坯料模锻成为中央件锻件的过程中各层之间变形均匀，中间坯料第一层对应填充中央件锻件第一层，中间坯料第二层对应填充中央件锻件第二层，中间坯料第三层对应填充中央件锻件第三层；
44、根据式(10)，中间坯料各层的体积与所对应中央件锻件各层体积之比的范围为：
45、
46、式中，vz1为中间坯料第一层的体积，vz2为中间坯料第二层的体积，vz3为中间坯料第三层的体积；
47、步骤s304，确定中间坯料的第一层沿轴向截面面积sz1与中央件锻件第一层沿轴向截面面积sd1之比k1，表达示为式(11)：
48、
49、其中，k1的取值范围为：1<k1<1.5；
50、步骤s305，确定中间坯料第一层底面半径rz1和中间坯料第一层的高度hz1的计算公式；
51、根据式(12)，确定中间坯料第一层底面半径rz1和中间坯料第一层的高度hz1的计算公式为：
52、
53、式中，sd1为中央件锻件第一层沿轴向的截面面积；
54、步骤s306,确定中间坯料第二层凹槽高度hz22与中间坯料第二层的高度hz21的比值hz22/hz21和中间坯料第三层凹槽的高度hz32与中间坯料第三层的高度hz31的比值hz32/hz31；
55、确定中间坯料第二层凹槽高度hz22和中间坯料第三层凹槽的高度hz32的取值范围计算公式为：
56、
57、步骤s307，确定中间坯料第二层沿轴向截面面积sz2与中央件锻件第二层沿轴向截面面积sd2之比k2，表达式为式(14)：
58、
59、其中，k2的取值范围为：1<k2<1.5；
60、步骤s308,确定中间坯料第二层高度hz21、中间坯料第二层凹槽的高度hz22、中间坯料第二层面积最小的底面半径rz21、中间坯料第二层面积最大的底面半径rz21、中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径rz22和中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径rz22；
61、由式(15)确定中间坯料第二层的高度hz21、中间坯料第二层凹槽的高度hz22、中间坯料第二层面积最小的底面半径rz21、中间坯料第二层面积最大的底面半径rz21和中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径rz22和中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径rz22：
62、
63、式中，α1为中间坯料第二层的母线与中间坯料第二层的轴线之间的夹角；β1为中间坯料第二层凹槽的母线与中间坯料第二层凹槽的轴线之间的夹角；sd2为中央件锻件第二层沿轴向截面面积；rd2为中央件锻件第二层的面积最小的底面半径；rd2为中央件锻件第二层的面积最大的底面半径；
64、步骤s309,确定中间坯料第三层沿轴向截面面积sz3与中央件锻件第三层沿轴向截面面积sd3之比k3，表达示为式(16)：
65、
66、其中，k3的取值范围为:1<k3<1.5；
67、步骤310，确定中间坯料第三层的高度hz31、中间坯料第三层凹槽的高度hz32、中间坯料第三层面积最小的底面半径rz31、中间坯料第三层面积最大的底面半径rz31、中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径rz32和中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径rz32；
68、由式(17)确定中间坯料第三层的高度hz31、中间坯料第三层凹槽的高度hz32、中间坯料第三层面积最小的底面半径rz31、中间坯料第三层面积最大的底面半径rz31、中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径rz32和中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径rz32：
69、
70、其中，α2为中间坯料第三层的母线与中间坯料第三层的轴线之间的夹角；β2为中间坯料第三层凹槽的母线与中间坯料第三层凹槽的轴线之间的夹角；sd3为中央件锻件第三层沿轴向截面面积；rd3为中央件锻件第三层的面积最小的底面半径、rd3为中央件锻件第三层面积最大底面半径；
71、步骤s400,确定中央件模锻用中间坯料的具体尺寸；
72、步骤s401,确定中间坯料各层的体积，即vz1、vz2、vz3；
73、在中间坯料体积vz与中央件锻件体积vd之比的范围在1＜vz/vd＜1.1的条件下，根据式(10)取值范围内给定中间坯料第一层与中央件锻件第一层的体积之比vz1/vd1、中间坯料第二层与中央件锻件第二层的体积之比vz2/vd2、中间坯料第三层与中央件锻件第三层的体积之比vz3/vd3，从而确定中间坯料的第一层体积vz1、第二层体积vz2、第三层体积vz3；
74、步骤s402,确定中间坯料第一层底面半径rz1和高度hz1；
75、联立式(11)(12)，确定中间坯料第一层底面半径rz1和高度hz1，其中，k1的取值范围为：1<k1<1.5；
76、步骤s403,确定中间坯料第二层凹槽的高度hz22与中间坯料第二层的高度hz21的比值hz22/hz21和中间坯料第三层凹槽的高度hz32与中间坯料第三层的高度hz31的比值hz32/hz31；
77、根据式(13)，在取值范围内依次确定中间坯料第二层凹槽的高度hz22与中间坯料第二层的高度hz21的比值hz22/hz21和中间坯料第三层凹槽的高度hz32与中间坯料第三层的高度hz31的比值hz32/hz31；
78、步骤s404,确定中间坯料第二层的高度hz21、中间坯料第二层凹槽的高度hz22、中间坯料第二层面积最小的底面半径rz21、中间坯料第二层面积最大的底面半径rz21、中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径rz22和中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径rz22；
79、根据式(13)给定hz22/hz21的值，联立式(14)和(15)，确定中间坯料第二层的高度hz21、中间坯料第二层凹槽的高度hz22、中间坯料第二层面积最小的底面半径rz21、中间坯料第二层面积最大的底面半径rz21、中间坯料第二层凹槽面积最小的底面半径rz22和中间坯料第二层凹槽面积最大的底面半径rz22；
80、步骤s405,确定中间坯料第三层的高度hz31、中间坯料第三层凹槽的高度hz32、中间坯料第三层面积最小的底面半径rz31、中间坯料第三层面积最大的底面半径rz31、中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径rz32和中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径rz32；
81、根据式(13)给定hz32/hz31的值，联立式(16)和(17)，确定中间坯料第三层的高度hz31、中间坯料第三层凹槽的高度hz32、中间坯料第三层面积最小的底面半径rz31、中间坯料第三层面积最大的底面半径rz31、中间坯料第三层凹槽面积最小的底面半径rz32和中间坯料第三层凹槽面积最大的底面半径rz32。
82、更进一步的，所述步骤s201中，中间坯料第二层面积最小的底面的直径小于中央件锻件第二层面积最小的底面的直径；中间坯料第三层面积最小的底面的直径小于中央件锻件第三层面积最小的底面的直径，方便锻造过程中模具的装配与定位；中间坯料第一层横截面的直径小于中央件锻件第一层横截面的直径。
83、更进一步的，所述步骤s303中，中间坯料第二层的体积大于对应的中央件锻件第二层体积；中间坯料第三层的体积大于所对应中央件锻件第三层的体积；从而使中间坯料第二层和中间坯料第三层的金属能够充分填充型腔。
84、更进一步的，所述步骤s308中，α1和β1的取值均为45°。
85、更进一步的，所述步骤s310中，α2和β2的取值均为45°。
86、本发明的有益效果是：
87、对于确定的中央件锻件，本发明通过给定中间坯料各层体积与所对应中央件锻件各层体积之比vz1/vd1、vz2/vd2、vz3/vd3，中间坯料各层沿轴向的截面面积与中央件锻件各层沿轴向的截面面积之比k1、k2、k3，中间坯料第二层凹槽高度hz22与中间坯料第二层高度hz21的比值hz22/hz21和中间坯料第三层凹槽高度hz32与中间坯料第三层高度hz31的比值hz32/hz31，能够快速确定出模锻用中间坯料的形状和尺寸参数，相对与传统基于经验的试错试算的方法更具有科学性。同时，根据该思路设计的中间坯料，一方面提出了中间坯料分层分料来填充对应的中央件锻件，能够精准计算中间坯料各层的尺寸参数，保证了中间坯料在充分填充模具型腔精确成形中央件锻件的同时，使得毛边槽中流出较少的金属，这有利于提高了材料利用率；另一方面，本专利采用有限元模拟技术来评估验证中间坯料形状尺寸设计的合理性，相对于传统采用实际工艺试验来验证中间坯料设计合理性的方法，可避免实际材料、能源、工时等的投入，具有节能、节材、节约工时、环保、绿色等技术优势，有利于满足高性能中央件优质、高效、绿色、低成本的生产需求。
1.一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s100中，确定中央件锻件各层的体积和各层沿轴向截面面积的计算公式的步骤为：
3.根据权利要求1所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s200中，确定中间坯料的形状及尺寸参数包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s300中，确定中央件模锻用中间坯料尺寸参数的计算公式的步骤为：
5.根据权利要求1所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s400中，中央件模锻用中间坯料的具体尺寸确定的步骤为：
6.根据权利要求3所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s201中，中间坯料第二层面积最小的底面的直径小于中央件锻件第二层面积最小的底面的直径；中间坯料第三层面积最小的底面的直径小于中央件锻件第三层面积最小的底面的直径，方便锻造过程中模具的装配与定位；中间坯料第一层横截面的直径小于中央件锻件第一层横截面的直径。
7.根据权利要求4所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s303中，中间坯料第二层的体积大于对应的中央件锻件第二层体积；中间坯料第三层的体积大于所对应中央件锻件第三层的体积；从而使中间坯料第二层和中间坯料第三层的金属能够充分填充型腔。
8.根据权利要求4所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s308中，α1和β1的取值均为45°。
9.根据权利要求4所述的一种高性能中央件模锻用中间坯料形状尺寸的确定方法，其特征在于，所述步骤s310中，α2和β2的取值均为45°。
