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刨削現(xiàn)象

對(duì)刨削的研究最早出現(xiàn)在位于美新墨西哥州的空軍研究院霍蘭姆高速檢測(cè)軌道（highspeedtesttrack，HHSTT）試驗(yàn)過程中。1968年，該機(jī)構(gòu)在進(jìn)行單軌橇體試驗(yàn)時(shí)，F(xiàn).P.Gerstle等以1.83km/s的速度在高速火箭橇測(cè)試軌道上首次觀測(cè)到了刨削現(xiàn)象。電磁軌道炮發(fā)射過程中，當(dāng)金屬?gòu)椡璧乃俣冗_(dá)到高速甚至超高速時(shí)，金屬軌道上出現(xiàn)了刨削現(xiàn)象，80年代初R.A.Marshall等首次在澳大利亞國(guó)立大學(xué)（AustraliaNationalUniversity，ANU）軌道炮軌道上觀察到刨削損傷。兩種刨削盡管背景不同，但均是滑塊在軌道上滑動(dòng)，當(dāng)滑塊與軌道相對(duì)滑動(dòng)速度較高（＞1.5km/s）時(shí)，軌道表面出現(xiàn)軌道損傷現(xiàn)象，其典型形狀為液滴狀。

刨削試驗(yàn)研究

1.刨削影響因素：火箭撬、軌道炮及輕氣炮試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了刨削現(xiàn)象，表1是對(duì)以往試驗(yàn)過程中發(fā)生刨削情況的總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，火箭撬撬體與滑塊發(fā)生刨削的閾值速度在1.5km/s以上，電磁軌道炮為1.5~2.5km/s，輕氣炮為3.0km/s以上。因此，速度是刨削產(chǎn)生的重要因素。除此之外，刨削還跟摩擦副配副情況及材料特性有關(guān)。

1）速度對(duì)刨削的影響：為研究速度與刨削的關(guān)系，1997年，L.C.Mixon等利用中尺度火箭撬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了速度與刨削數(shù)量及發(fā)生位置關(guān)系的研究，結(jié)果見圖2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，刨削多發(fā)生在軌道的中后部，而該位置滑塊的速度大多都已達(dá)到高速甚至超高速，刨削發(fā)生頻繁的位置恰好是滑塊峰值速度的附近，因此，速度是影響刨削發(fā)生的關(guān)鍵因素。

2）材料特性對(duì)刨削的影響：刨削的閾值速度跟試驗(yàn)設(shè)備、摩擦副材料配副及配副材料的特性等有關(guān)。1999年，Stefani和Parker分別選用了7075鋁合金、CD110銅、1015鋼等12種不同的電樞材料在銅C11000軌道上進(jìn)行了刨削試驗(yàn)。

研究結(jié)果表明：1）刨削的閾值速度跟材料的配對(duì)有直接關(guān)系，摩擦副材料性能越相近，刨削發(fā)生的幾率越高，反之亦然；2）軌道硬度相同的條件下，刨削的閾值速度取決于滑塊（電樞）的硬度，電樞硬度的提高有利于刨削閾值速度的提高；3）軌道硬度較大時(shí)，刨削閾值速度取決于軌道材料；電樞硬度變化對(duì)刨削閾值速度的影響較小；而當(dāng)電樞材料硬度大于軌道時(shí)，刨削閾值速度隨電樞硬度上升而大幅上升。AFIT（AirForceInstituteofTechnology）在總結(jié)發(fā)射試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)副材料的屈服強(qiáng)度/密度與刨削閾值速度可擬合成線性關(guān)系，如圖4所示。可以看出，材料強(qiáng)度的提升有利于刨削閾值速度的提高。K.R.Tarcza等為了驗(yàn)證材料強(qiáng)度對(duì)閾值速度的影響，使用密度為11.35g/cm3、平均屈服強(qiáng)度為33MPa的鉛做了刨削模擬試驗(yàn)，成功地在245m/s的低速下復(fù)現(xiàn)了刨削損傷，驗(yàn)證了刨削閾值速度與材料強(qiáng)度的關(guān)系。

2.刨削的沖擊特性和熱效應(yīng)

刨削是極限工況條件下的瞬態(tài)過程，為了研究刨削的形成機(jī)理，從刨削發(fā)生后遺留在軌道上的刨坑入手，進(jìn)行了刨坑特性研究，以期獲得刨削形成過程的一些證據(jù)。F.P.Gerstle，K.F.Graff等在火箭撬刨削的最初研究中，描述典型的刨坑為“液滴狀”，表面具有波紋結(jié)構(gòu)并有擠壓的卷邊和明亮的剪切帶。軌道炮軌道上發(fā)現(xiàn)的刨坑，形狀也多為液滴狀，且尖部朝炮尾、弧部朝炮口，尺寸較火箭撬上的刨坑小很多。表2列出試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的典型刨坑的形狀及尺寸。

利用軌道炮，C.Persad等研究了刨坑內(nèi)外軌道材料的硬度變化情況及刨削所引起的塑性流動(dòng)問題。研究發(fā)現(xiàn)刨坑內(nèi)表面為樞軌的混合材料，硬度都大于樞軌自身硬度，而周圍的軌道硬度卻變化不大，硬度的變化及繁多的變形顆粒都表明了刨削在垂直軌道表面方向引起很大的塑性變形。利用三維輪廓成像技術(shù)，C.Persad發(fā)現(xiàn)刨坑處引起的塑性流動(dòng)深至表面以下6mm，刨坑位置的軌道背面表面與其它表面高度差達(dá)到50μm，而軌道背面其它部位的表面平均高度差都小于5μm。說明刨削發(fā)生時(shí)，軌道經(jīng)歷了沖擊過程，造成了軌道材料的塑性變形及軌道材料性能的改變。而材料微觀檢測(cè)結(jié)果中大量孿晶的出現(xiàn)同樣也佐證了刨削產(chǎn)生的沖擊特性。除此之外，對(duì)刨坑性能的檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)，刨削過程還受摩擦熱和焦耳熱的影響，刨坑內(nèi)有明顯的絕熱剪切痕跡。因此，刨削的發(fā)生是沖擊和熱效應(yīng)對(duì)軌道材料共同作用的結(jié)果。

3.刨削模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)行可控的刨削復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)研究，K.F.Graff等利用槍管加速射彈，將射彈打在一定弧度彎曲的目標(biāo)靶上，從而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下重現(xiàn)了刨削現(xiàn)象，模擬試驗(yàn)裝置和目標(biāo)靶所得到的刨坑，如圖5所示。這項(xiàng)研究中的試驗(yàn)技術(shù)手段開啟了刨削研究的模擬試驗(yàn)方法，后續(xù)的一些實(shí)驗(yàn)大都以此為基礎(chǔ)展開。除此之外，K.R.Tarcza等仿制俄亥俄州立大學(xué)的刨削模擬裝置，使用輕氣炮將1g鉛彈丸加速到最大速度500m/s，最低曾在245m/s的速度滑動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了刨削，遠(yuǎn)低于之前報(bào)道的刨削速度。2003年S.Satapathy等在反轉(zhuǎn)鎢-鋼系統(tǒng)的超高速滑動(dòng)刨削的彈道實(shí)驗(yàn)中，首次對(duì)非平面形狀刨削進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的刨槽形狀與平面試驗(yàn)中的極為相似，并證實(shí)刨削確實(shí)能引起裂紋并導(dǎo)致穿透性能的衰退。

刨削的仿真研究

刨削是極端工況條件下軌道的瞬態(tài)損傷過程。該過程經(jīng)歷了閃溫、強(qiáng)磁場(chǎng)和高速?zèng)_擊，很難用常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，因此無法正確認(rèn)識(shí)刨削的發(fā)生過程及刨削形成機(jī)理，刨削仿真技術(shù)就是基于該特點(diǎn)而發(fā)展起來的。

1.Barker模型：早在1977年，人們就試圖用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來描述刨削過程。L.I.Boehman等的仿真結(jié)果表明，速度對(duì)滑塊不穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響，但其并未成功仿真刨削的發(fā)生。1987年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的L.M.Barker等利用爆炸流體動(dòng)力學(xué)區(qū)的計(jì)算機(jī)程序（CTH，CHARTDtotheThreeHalves，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于處理三維強(qiáng)沖擊問題的有限元軟件）完成了刨削平行沖擊熱動(dòng)力學(xué)（ParallelImpaceThermodynamics，PIT）模型的仿真計(jì)算。他們將刨削形成機(jī)理理解為電樞與軌道上微觀凸出顆粒的超高速?zèng)_擊作用，刨削的形成過程由接觸雙方?jīng)_擊引起的高沖擊應(yīng)力決定，而沖擊應(yīng)力與沖擊速度、沖擊角度、屈服強(qiáng)度和沖擊波速度相關(guān)，作用模型如圖6所示。基于該刨削模型，L.M.Barker等研究了不同材料發(fā)生的刨削閾值速度參數(shù)，并首次發(fā)現(xiàn)刨削不只具有下限閾值速度，同時(shí)具有一個(gè)上限閾值速度，既當(dāng)速度大于某個(gè)速度值時(shí)亦不會(huì)發(fā)生刨削，由于科研水平的限制，該上限閾值速度至今未被試驗(yàn)證實(shí)。

2.Tachau模型：1991年，R.D.M.Tachau等利用CTH重新對(duì)刨削進(jìn)行了仿真。在Barker的基礎(chǔ)上，Tachau發(fā)展了該模型，提出了微角度傾斜碰撞模型。Tachau賦予滑塊一定的法向速度（0.1km/s），利用該模型成功進(jìn)行了刨削仿真。研究結(jié)果顯示，平行沖擊動(dòng)力學(xué)模型對(duì)刨削的仿真不僅需要粗糙峰的存在，而且還需要樞軌間隙，Tachau在仿真過程中忽略了摩擦效應(yīng)。仿真模型如圖8所示。Tachau等認(rèn)為，速度（法向速度和水平速度）是產(chǎn)生刨削的重要因素之一。除此之外，接觸界面的溫度必須足夠高以至于金屬呈現(xiàn)黏塑性流態(tài)、金屬與金屬直接接觸以及接觸點(diǎn)需產(chǎn)生高壓核心區(qū)等均影響著刨削的發(fā)生。

3.Schmitz模型：1998年，在Tachau模型的基礎(chǔ)上，基于Barker的粗糙峰模型，Schmitz利用CTH開發(fā)了一種新的軟件工具，該工具可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和所賦予的初始條件進(jìn)行刨削預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)樞軌的摩擦磨損情況。Schmitz認(rèn)為在撞擊的1/4μm內(nèi)，若高壓核心區(qū)生長(zhǎng)則意味著刨削的發(fā)生，若高壓核心區(qū)并未生長(zhǎng)，則刨削不會(huì)發(fā)生。同時(shí)，Schmitz還驗(yàn)證了不同材料配對(duì)刨削閾值速度的影響規(guī)律，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

4.美國(guó)空軍技術(shù)研究所的工作：美國(guó)空軍技術(shù)研究所針對(duì)火箭橇刨削現(xiàn)象進(jìn)行了刨削形成機(jī)理研究。建立了一種滑塊微角度侵徹刨削機(jī)制，為刨削形成機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。

1）Laird的工作：2002年，Laird在前人工作的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了高溫環(huán)境的數(shù)值模擬。他認(rèn)為，高溫降低了材料的屈服極限，刨削較易發(fā)生；材料的塑性變形、法向速度以及材料強(qiáng)度低等均可影響刨削的發(fā)生，上述因素并非獨(dú)立影響刨削，而是各種因素綜合作用的結(jié)果。

2）Szmerekovsky的工作：Szmerekovsky的工作主要是在Laird的基礎(chǔ)上做了加膜的類似仿真研究。仿真結(jié)果顯示，在軌道上加一層保護(hù)膜的效果會(huì)比無膜的抗刨削效果好。

3）Cinnamon的工作：研究主要集中在火箭撬的具體材料性能試驗(yàn)的建模上，同時(shí)對(duì)法向速度沖擊的研究更細(xì)致，并進(jìn)行了2~100m/s多組法向速度沖擊仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，認(rèn)為一定的軌道差或迎面角的存在使得火箭撬發(fā)生了刨削，而這種假設(shè)目前看來非常符合實(shí)際情況。其仿真模型。

抑制刨削方法的研究

美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院、Holloman空軍基地和德克薩斯大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究所等多家火箭撬和軌道炮滑動(dòng)界面研究單位，先后開展了刨削的抑制方法的研究。

1.選用高強(qiáng)度和低密度的軌道材料：Tarcza等為了研究影響刨削閾值速度的主要因素及作用規(guī)律，總結(jié)了前人在試驗(yàn)發(fā)射和使用CTH代碼模擬中得到的刨削速度和使用的材料特性，通過各種材料特性的變化規(guī)律和刨削速度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，選用高強(qiáng)度和低密度的材料可提高刨削的閾值速度。

2.軌道基材表面的鍍膜技術(shù)：美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院在火箭撬抗刨削的長(zhǎng)期研究中，先后使用鉭、鎳、鋁、氧化鋯、鎢和鈷等的耐高溫材料，以及四氟乙烯、碳-碳和碳-酚等易熔材料作為火箭滑軌上的涂層，以抵抗熱效應(yīng)損傷和減小結(jié)構(gòu)變形，有效的控制了刨削的發(fā)生概率。而高技術(shù)研究所從軌道炮滑動(dòng)電接觸性能出發(fā)，采用電鍍鋁膜最大限度地減小了對(duì)電傳導(dǎo)的影響。對(duì)7075-T6鋁電樞和C15725銅軌道進(jìn)行了2，5，25，50μm純鋁涂層的試驗(yàn)，在單發(fā)達(dá)到3.5km/s的試驗(yàn)中都成功的消除了明顯的刨削現(xiàn)象，而無涂層的對(duì)比試驗(yàn)則在1.96km/s時(shí)出現(xiàn)了刨削。

3.分層等釋壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：刨削的產(chǎn)生是源于高壓核心區(qū)的形成及發(fā)展，如果降低壓力、抑制高壓核心形成是否能夠達(dá)到抑制刨削的目的，分層釋壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是基于這種思想提出的。Marshall和Persad發(fā)現(xiàn)試射11層層疊電樞時(shí)，刨削區(qū)域無論是大小還是深度都明顯小于單體電樞，只是刨槽的數(shù)量和密度略高一些，刨槽的寬度始終比每層電樞的寬度小；同時(shí)他們還提出使用分層導(dǎo)軌時(shí)，即使速度接近3km/s，也不會(huì)出現(xiàn)刨削現(xiàn)象。無獨(dú)有偶，L.M.Barker等研究火箭滑軌上的刨削時(shí)也提出了使用包含塑料輪換層和高強(qiáng)度、高韌性鋼的分層滑塊設(shè)計(jì)，并在1987年以1.9km/s的速度首次測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)刨削。而根據(jù)波紋曲面，Tachau也提出了一種滑塊設(shè)計(jì)，可擾亂接觸點(diǎn)高壓核心區(qū)的壓力增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)抑制刨削。這些分層和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將高速滑動(dòng)時(shí)瞬態(tài)點(diǎn)的連續(xù)作用區(qū)縮短，有效的釋放了瞬時(shí)高壓，從而達(dá)到了避免刨削的可觀效果。

結(jié)束語(yǔ)

盡管各國(guó)對(duì)超高速刨削現(xiàn)象、刨削規(guī)律、刨削產(chǎn)生機(jī)理及刨削抑制方法等方面進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，也取得了一定的成果，但截至目前為止，人們對(duì)超高速刨削的形成機(jī)理仍未完全掌握，各種仿真模型也僅是在一定程度上進(jìn)行了刨削過程的還原，在仿真過程中給予了大量假設(shè)，并不能真實(shí)反映超高速刨削的形成過程。因此，對(duì)極端工況條件下金屬材料的損傷的研究還將繼續(xù)進(jìn)行，在未來一段時(shí)間，它將重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面發(fā)展：1）新刨削形成機(jī)理研究。利用試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行刨削形成機(jī)理的探索研究，旨在提出一種能夠通過試驗(yàn)驗(yàn)證的刨削形成機(jī)理，從而有效抑制金屬材料在超高速條件下的刨削。2）新型抗刨削材料研制。研制能夠適用于軌道炮、火箭撬等超高速試驗(yàn)的高強(qiáng)度金屬材料，以對(duì)抗速度的提升對(duì)材料造成的損傷，實(shí)現(xiàn)高速甚至超高速條件下金屬材料的零損傷。3）抗刨削方法及抗刨削策略研究。針對(duì)目前科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展不能完全消除刨削的現(xiàn)狀，采取多種抗刨削方法和手段（比如，軌道材料梯度優(yōu)化、軌道支撐減震設(shè)計(jì)及樞軌結(jié)構(gòu)配合等），最大限度地降低刨削的產(chǎn)生。（本文圖、表略）

本文作者：張倩 朱仁貴 李治源 李鶴 金龍文 單位：石家莊 軍械工程學(xué)院3系