2021-4-9 | 机械制造论文
刨削现象
对刨削的研究最早出现在位于美新墨西哥州的空军研究院霍兰姆高速检测轨道（highspeedtesttrack，HHSTT）试验过程中。1968年，该机构在进行单轨橇体试验时，F.P.Gerstle等以1.83km/s的速度在高速火箭橇测试轨道上首次观测到了刨削现象。电磁轨道炮发射过程中，当金属弹丸的速度达到高速甚至超高速时，金属轨道上出现了刨削现象，80年代初R.A.Marshall等首次在澳大利亚国立大学（AustraliaNationalUniversity，ANU）轨道炮轨道上观察到刨削损伤。两种刨削尽管背景不同，但均是滑块在轨道上滑动，当滑块与轨道相对滑动速度较高（＞1.5km/s）时，轨道表面出现轨道损伤现象，其典型形状为液滴状。
刨削试验研究
1.刨削影响因素：火箭撬、轨道炮及轻气炮试验过程中出现了刨削现象，表1是对以往试验过程中发生刨削情况的总结。研究发现，火箭撬撬体与滑块发生刨削的阈值速度在1.5km/s以上，电磁轨道炮为1.5~2.5km/s，轻气炮为3.0km/s以上。因此，速度是刨削产生的重要因素。除此之外，刨削还跟摩擦副配副情况及材料特性有关。
1）速度对刨削的影响：为研究速度与刨削的关系，1997年，L.C.Mixon等利用中尺度火箭撬试验系统进行了速度与刨削数量及发生位置关系的研究，结果见图2。统计结果表明，刨削多发生在轨道的中后部，而该位置滑块的速度大多都已达到高速甚至超高速，刨削发生频繁的位置恰好是滑块峰值速度的附近，因此，速度是影响刨削发生的关键因素。
2）材料特性对刨削的影响：刨削的阈值速度跟试验设备、摩擦副材料配副及配副材料的特性等有关。1999年，Stefani和Parker分别选用了7075铝合金、CD110铜、1015钢等12种不同的电枢材料在铜C11000轨道上进行了刨削试验。
研究结果表明：1）刨削的阈值速度跟材料的配对有直接关系，摩擦副材料性能越相近，刨削发生的几率越高，反之亦然；2）轨道硬度相同的条件下，刨削的阈值速度取决于滑块（电枢）的硬度，电枢硬度的提高有利于刨削阈值速度的提高；3）轨道硬度较大时，刨削阈值速度取决于轨道材料；电枢硬度变化对刨削阈值速度的影响较小；而当电枢材料硬度大于轨道时，刨削阈值速度随电枢硬度上升而大幅上升。AFIT（AirForceInstituteofTechnology）在总结发射试验后发现，滑动副材料的屈服强度/密度与刨削阈值速度可拟合成线性关系，如图4所示。可以看出，材料强度的提升有利于刨削阈值速度的提高。K.R.Tarcza等为了验证材料强度对阈值速度的影响，使用密度为11.35g/cm3、平均屈服强度为33MPa的铅做了刨削模拟试验，成功地在245m/s的低速下复现了刨削损伤，验证了刨削阈值速度与材料强度的关系。
2.刨削的冲击特性和热效应
刨削是极限工况条件下的瞬态过程，为了研究刨削的形成机理，从刨削发生后遗留在轨道上的刨坑入手，进行了刨坑特性研究，以期获得刨削形成过程的一些证据。F.P.Gerstle，K.F.Graff等在火箭撬刨削的最初研究中，描述典型的刨坑为“液滴状”，表面具有波纹结构并有挤压的卷边和明亮的剪切带。轨道炮轨道上发现的刨坑，形状也多为液滴状，且尖部朝炮尾、弧部朝炮口，尺寸较火箭撬上的刨坑小很多。表2列出试验过程中发现的典型刨坑的形状及尺寸。
利用轨道炮，C.Persad等研究了刨坑内外轨道材料的硬度变化情况及刨削所引起的塑性流动问题。研究发现刨坑内表面为枢轨的混合材料，硬度都大于枢轨自身硬度，而周围的轨道硬度却变化不大，硬度的变化及繁多的变形颗粒都表明了刨削在垂直轨道表面方向引起很大的塑性变形。利用三维轮廓成像技术，C.Persad发现刨坑处引起的塑性流动深至表面以下6mm，刨坑位置的轨道背面表面与其它表面高度差达到50μm，而轨道背面其它部位的表面平均高度差都小于5μm。说明刨削发生时，轨道经历了冲击过程，造成了轨道材料的塑性变形及轨道材料性能的改变。而材料微观检测结果中大量孪晶的出现同样也佐证了刨削产生的冲击特性。除此之外，对刨坑性能的检测还发现，刨削过程还受摩擦热和焦耳热的影响，刨坑内有明显的绝热剪切痕迹。因此，刨削的发生是冲击和热效应对轨道材料共同作用的结果。
3.刨削模拟试验
为了进行可控的刨削复现试验研究，K.F.Graff等利用枪管加速射弹，将射弹打在一定弧度弯曲的目标靶上，从而在实验室环境下重现了刨削现象，模拟试验装置和目标靶所得到的刨坑，如图5所示。这项研究中的试验技术手段开启了刨削研究的模拟试验方法，后续的一些实验大都以此为基础展开。除此之外，K.R.Tarcza等仿制俄亥俄州立大学的刨削模拟装置，使用轻气炮将1g铅弹丸加速到最大速度500m/s，最低曾在245m/s的速度滑动时出现了刨削，远低于之前报道的刨削速度。2003年S.Satapathy等在反转钨-钢系统的超高速滑动刨削的弹道实验中，首次对非平面形状刨削进行了试验，得到的刨槽形状与平面试验中的极为相似，并证实刨削确实能引起裂纹并导致穿透性能的衰退。
刨削的仿真研究
刨削是极端工况条件下轨道的瞬态损伤过程。该过程经历了闪温、强磁场和高速冲击，很难用常规的检测技术进行在线检测，因此无法正确认识刨削的发生过程及刨削形成机理，刨削仿真技术就是基于该特点而发展起来的。
1.Barker模型：早在1977年，人们就试图用计算机仿真技术来描述刨削过程。L.I.Boehman等的仿真结果表明，速度对滑块不稳定运行有重要影响，但其并未成功仿真刨削的发生。1987年，美国桑迪亚国家实验室的L.M.Barker等利用爆炸流体动力学区的计算机程序（CTH，CHARTDtotheThreeHalves，桑迪亚国家实验室开发的用于处理三维强冲击问题的有限元软件）完成了刨削平行冲击热动力学（ParallelImpaceThermodynamics，PIT）模型的仿真计算。他们将刨削形成机理理解为电枢与轨道上微观凸出颗粒的超高速冲击作用，刨削的形成过程由接触双方冲击引起的高冲击应力决定，而冲击应力与冲击速度、冲击角度、屈服强度和冲击波速度相关，作用模型如图6所示。基于该刨削模型，L.M.Barker等研究了不同材料发生的刨削阈值速度参数，并首次发现刨削不只具有下限阈值速度，同时具有一个上限阈值速度，既当速度大于某个速度值时亦不会发生刨削，由于科研水平的限制，该上限阈值速度至今未被试验证实。
2.Tachau模型：1991年，R.D.M.Tachau等利用CTH重新对刨削进行了仿真。在Barker的基础上，Tachau发展了该模型，提出了微角度倾斜碰撞模型。Tachau赋予滑块一定的法向速度（0.1km/s），利用该模型成功进行了刨削仿真。研究结果显示，平行冲击动力学模型对刨削的仿真不仅需要粗糙峰的存在，而且还需要枢轨间隙，Tachau在仿真过程中忽略了摩擦效应。仿真模型如图8所示。Tachau等认为，速度（法向速度和水平速度）是产生刨削的重要因素之一。除此之外，接触界面的温度必须足够高以至于金属呈现黏塑性流态、金属与金属直接接触以及接触点需产生高压核心区等均影响着刨削的发生。
3.Schmitz模型：1998年，在Tachau模型的基础上，基于Barker的粗糙峰模型，Schmitz利用CTH开发了一种新的软件工具，该工具可根据经验数据和所赋予的初始条件进行刨削预测及预测枢轨的摩擦磨损情况。Schmitz认为在撞击的1/4μm内，若高压核心区生长则意味着刨削的发生，若高压核心区并未生长，则刨削不会发生。同时，Schmitz还验证了不同材料配对刨削阈值速度的影响规律，仿真结果与试验数据对比。
4.美国空军技术研究所的工作：美国空军技术研究所针对火箭橇刨削现象进行了刨削形成机理研究。建立了一种滑块微角度侵彻刨削机制，为刨削形成机理的研究奠定了基础。
1）Laird的工作：2002年，Laird在前人工作的基础上，重点进行了高温环境的数值模拟。他认为，高温降低了材料的屈服极限，刨削较易发生；材料的塑性变形、法向速度以及材料强度低等均可影响刨削的发生，上述因素并非独立影响刨削，而是各种因素综合作用的结果。
2）Szmerekovsky的工作：Szmerekovsky的工作主要是在Laird的基础上做了加膜的类似仿真研究。仿真结果显示，在轨道上加一层保护膜的效果会比无膜的抗刨削效果好。
3）Cinnamon的工作：研究主要集中在火箭撬的具体材料性能试验的建模上，同时对法向速度冲击的研究更细致，并进行了2~100m/s多组法向速度冲击仿真。根据仿真结果，认为一定的轨道差或迎面角的存在使得火箭撬发生了刨削，而这种假设目前看来非常符合实际情况。其仿真模型。
抑制刨削方法的研究
美国空军技术学院、Holloman空军基地和德克萨斯大学先进技术研究所等多家火箭撬和轨道炮滑动界面研究单位，先后开展了刨削的抑制方法的研究。
1.选用高强度和低密度的轨道材料：Tarcza等为了研究影响刨削阈值速度的主要因素及作用规律，总结了前人在试验发射和使用CTH代码模拟中得到的刨削速度和使用的材料特性，通过各种材料特性的变化规律和刨削速度的对比发现，选用高强度和低密度的材料可提高刨削的阈值速度。
2.轨道基材表面的镀膜技术：美国空军技术学院在火箭撬抗刨削的长期研究中，先后使用钽、镍、铝、氧化锆、钨和钴等的耐高温材料，以及四氟乙烯、碳-碳和碳-酚等易熔材料作为火箭滑轨上的涂层，以抵抗热效应损伤和减小结构变形，有效的控制了刨削的发生概率。而高技术研究所从轨道炮滑动电接触性能出发，采用电镀铝膜最大限度地减小了对电传导的影响。对7075-T6铝电枢和C15725铜轨道进行了2，5，25，50μm纯铝涂层的试验，在单发达到3.5km/s的试验中都成功的消除了明显的刨削现象，而无涂层的对比试验则在1.96km/s时出现了刨削。
3.分层等释压结构设计：刨削的产生是源于高压核心区的形成及发展，如果降低压力、抑制高压核心形成是否能够达到抑制刨削的目的，分层释压结构设计就是基于这种思想提出的。Marshall和Persad发现试射11层层叠电枢时，刨削区域无论是大小还是深度都明显小于单体电枢，只是刨槽的数量和密度略高一些，刨槽的宽度始终比每层电枢的宽度小；同时他们还提出使用分层导轨时，即使速度接近3km/s，也不会出现刨削现象。无独有偶，L.M.Barker等研究火箭滑轨上的刨削时也提出了使用包含塑料轮换层和高强度、高韧性钢的分层滑块设计，并在1987年以1.9km/s的速度首次测试，没有发现刨削。而根据波纹曲面，Tachau也提出了一种滑块设计，可扰乱接触点高压核心区的压力增长，实现抑制刨削。这些分层和独特的结构设计将高速滑动时瞬态点的连续作用区缩短，有效的释放了瞬时高压，从而达到了避免刨削的可观效果。
结束语
尽管各国对超高速刨削现象、刨削规律、刨削产生机理及刨削抑制方法等方面进行了大量理论和试验研究，也取得了一定的成果，但截至目前为止，人们对超高速刨削的形成机理仍未完全掌握，各种仿真模型也仅是在一定程度上进行了刨削过程的还原，在仿真过程中给予了大量假设，并不能真实反映超高速刨削的形成过程。因此，对极端工况条件下金属材料的损伤的研究还将继续进行，在未来一段时间，它将重点在以下几个方面发展：1）新刨削形成机理研究。利用试验技术和计算机仿真技术相结合进行刨削形成机理的探索研究，旨在提出一种能够通过试验验证的刨削形成机理，从而有效抑制金属材料在超高速条件下的刨削。2）新型抗刨削材料研制。研制能够适用于轨道炮、火箭撬等超高速试验的高强度金属材料，以对抗速度的提升对材料造成的损伤，实现高速甚至超高速条件下金属材料的零损伤。3）抗刨削方法及抗刨削策略研究。针对目前科学技术水平发展不能完全消除刨削的现状，采取多种抗刨削方法和手段（比如，轨道材料梯度优化、轨道支撑减震设计及枢轨结构配合等），最大限度地降低刨削的产生。（本文图、表略）
本文作者：张倩 朱仁贵 李治源 李鹤 金龙文 单位：石家庄 军械工程学院3系