高能PBX炸药切削过程宏微断裂演化及表面形成机理研究

PBX energetic material is a very special microscopic heterogeneous isotropic macroscopic anisotropic composite material, which has the characteristics of the low thermal expansion coefficient both in stiffness and strength, certain viscoelasticity. These performance characteristics affect the processing quality and safety on the processing. This project study on the energy PBX explosive cutting process, focus on the formation mechanism of explosive cutting surface. The mechanism of cutting surface test platform is established on the theoretical model and constitutive relation of explosives macro and micro-scale materials. Macro and micro mechanical analysis, simulation and cutting tests are carried on the platform to reveal explosive crystal cutting force in the binder system microscopic mechanical properties, as well as the evolution of the fracture from micro to macro. Interaction between the tool and explosive characteristics and such characteristics of the influence of the surface quality of the cutting process are analyzed, explosives surface formation mechanism and the key factors are revealed. These laws and factors can be used for scientific guidance explosive cutting tool geometry parameters and for the key design parameters optimize in cutting process. Research on this subject has important scientific value and theoretical support role to improve the surface quality and accuracy of explosives, reduce surface damage, and improve explosive pieces validity and reliability of the entire life cycle.

高能PBX炸药材料因刚度和强度较低、热膨胀系数大、并具有一定的粘弹性，是一种非常特殊的非均质宏观同性微观各向异性的复合材料，并且在加工特性上所表现出的软、粘、脆、弹综合性能复杂的特征，一定程度影响加工质量和安全。本项目以高能PBX炸药切削过程为研究对象，深入开展炸药切削表面形成机理的研究。通过建立炸药的宏微尺度材料的理论模型和本构关系，搭建切削机理研究试验平台，进行宏微力学分析、切削仿真和试验研究，深入揭示炸药晶体和粘结剂体系在切削力作用下微观力学特性，宏微观断裂的演化过程，分析切削过程中的刀具与炸药相互作用特性以及对表面质量的影响规律，揭示炸药表面形成机理及其关键影响因素，科学指导炸药切削刀具关键几何形状参数设计与切削工艺参数优化。本课题的研究对提高炸药表面质量和精度、降低表面损伤、提升炸药件全生命周期有效性和可靠性具有重要科学价值和理论支撑作用。

高能PBX炸药材料是武器装备系统中产生爆轰和毁伤的核心材料之一。PBX炸药材料主要由炸药单晶硬质颗粒和高聚物黏结剂软硬两相非均质材料构成，颗粒含量高，刚度和强度较低、热膨胀系数大、并具有一定的粘弹性，在加工特性上所表现出复杂的切削加工特征。本项目以高能PBX炸药切削过程为研究对象，进行PBX炸药材料切削过程宏微断裂过程的分析和切削表面形成机理的研究。建立了PBX炸药晶体与粘结剂层等效物理模型及理论模型，结合有限元方法切削仿真分析宏微断裂演化过程。搭建了集显微摄像、切削力与声发射信号在线监测于一体的切削断裂演化分析实验平台，系统地研究了PBX模拟材料切削表面成型过程的切屑剥离、切屑形态、加工缺陷和表面质量等特征，以及典型成型过程的切削力响应特征及声发射响应信号特征、主要影响因素及其裂纹扩展形式。通过微观表征研究了PBX材料切削表面的微观破坏模式，分析了PBX材料切削表面的宏观、细观形成机理和成因，深入认识了PBX炸药材料所独特的表面形成过程及其机制。研究发现典型PBX炸药材料在不同的切削深度条件下，表现为不同的切削脆性、塑性和脆塑性共存材料去除过程，并且剪切断裂的微观裂纹延伸方向和尺度与深度密切相关，并且炸药材料切削成型存在一个临界特征切深，炸药材料切削状态由连续塑性向脆性去除的变化过程-存在明显的脆性去除和塑性去除共同存在区域。以模拟HMX基炸药材料，当切削深度为0.4mm时，切削状态由连续塑性去除向脆性去除转变，导致切削过程中表面产生凹坑缺陷明显，切削区材料脆性断裂裂纹向工件内部扩展开始增多。并开展了PBX切削表面成型过程关键影响因素及其规律分析，分析了切削加工参数和刀具参数对加工表面缺陷和表面质量的影响，相关研究结果已用于优化加工工艺过程，改进了工艺规程。本项目研究对深刻认识炸药部件表面加工缺陷产生、加工安全性评价具有重要意义，对科学指导切削工艺参数优化、提高加工质量、降低表面加工损伤和提高全生命周期寿命具有重要的应用价值。