編者按：

鄭哲敏院士是國際著名的力學(xué)家，我國爆炸力學(xué)的奠基人和開拓者之一，中國力學(xué)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的組織者和領(lǐng)導(dǎo)者之一。他心系祖國，始終以國家需求為己任，嘔心瀝血，嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新，率領(lǐng)研究團隊做出了一系列重要貢獻，從而榮獲2012年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。本專欄將陸續(xù)在“漫步力學(xué)所”介紹鄭哲敏研究團隊歷年來取得的學(xué)術(shù)成就。

本期概述

1964年全國新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝展覽大會一等獎《爆炸成形模型律及成形機制》 項目的相關(guān)情況。
從“爆炸力學(xué)”正式命名談起
——簡述力學(xué)所從事“爆炸成形”研究的成果

本刊在今年2月發(fā)布的《爆炸力學(xué)及其發(fā)展概況》中曾經(jīng)介紹道：1959年，力學(xué)所鄭哲敏領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊嘗試高壓和高速成形的研究。1960年早春，在力學(xué)所主樓前，鄭哲敏主持了小型爆炸成形的演示實驗，一塊薄鐵板被單發(fā)雷管炸成一個小碗。錢學(xué)森所長親臨現(xiàn)場，他高興地端詳這只小碗，對大家說：不要小看它，這就是新生事物！他還將研究這些問題的學(xué)科正式命名為“爆炸力學(xué)”。

的確，從1846年硝化甘油發(fā)明以來經(jīng)歷了一百余年，其間瑞典化學(xué)家諾貝爾曾研制成功了幾種安全混合炸藥，法國科學(xué)家儒蓋曾撰寫出版了第一本爆炸學(xué)的專著《炸藥的力學(xué)》，但西方一直沒有采用“爆炸力學(xué)”這個名詞，而前蘇聯(lián)則一直稱為“爆炸物理”。作為近代力學(xué)大師的錢學(xué)森以其敏銳洞察力從一個小小零件的成形實驗看到可以建立一個新的力學(xué)分支學(xué)科——爆炸力學(xué)。從此，力學(xué)所二室在鄭哲敏的領(lǐng)導(dǎo)下，一直在爆炸力學(xué)這個力學(xué)分支領(lǐng)域中不斷探索研究。其中關(guān)于板殼件爆炸成形的研究，在汽車廠、鍋爐廠等產(chǎn)業(yè)部門的現(xiàn)場研究不久就遇到了困難，迫使他們回到實驗室尋找規(guī)律。而且從1961年開始，鄭哲敏主持了力學(xué)所和航天部門的協(xié)作任務(wù)（105任務(wù)），以解決火箭重要部件的加工難題為目標(biāo)，對爆炸成形開展力學(xué)分析，在爆炸成形機理、相似律和慣性模具等方面取得了重要進展。相關(guān)的研究成果在1964年全國新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝展覽大會展出并獲得了大會一等獎。眾所周知，國家級的科技進步獎和技術(shù)發(fā)明獎等獎項都是在上世紀(jì)80年代才開始設(shè)立的，當(dāng)時這個“三新”展覽大會獎是由國家計委、經(jīng)委等三部委聯(lián)合審議評選的，應(yīng)當(dāng)是最高級的國家科技獎項?！侗ǔ尚文Ｐ吐杉俺尚螜C制》獲得一等獎，表明了該項研究的理論與應(yīng)用意義在國家層面上得到了認(rèn)可。

一、爆炸成形工藝簡介

爆炸成形是利用炸藥，例如黃色炸藥(梯恩梯)、硝銨炸藥和導(dǎo)爆索（內(nèi)含黑索金）等，在雷管激發(fā)下所產(chǎn)生的高壓氣體直接或間接地作用到金屬毛料上，使之成為人們所需要的零件。板金零件成形的常規(guī)工藝有拉深、脹形、縮形、卷邊、翻口、沖孔、壓梗、彎曲和校形等，都可以用爆炸成形來完成。例如，圖1是制造封頭（一種拉深件）的示意圖，圖2是制造噴氣發(fā)動機噴管（一種脹形件）的示意圖，圖3是制造波紋板（一種平板彎曲件）的示意圖。

這里，讓我們結(jié)合圖1介紹拉深零件的爆炸成形過程（其他板金零件的成形都是類似的）。毛料A放在凹模B上，然后用壓邊圈C壓緊，其上方是裝水的水圈D。在水圈中注水至一定高度，然后將炸藥包E放在距毛料適當(dāng)距離的位置上。在多數(shù)情況下，應(yīng)當(dāng)將凹模里的空氣通過抽氣孔F抽走，以避免在毛料向凹模高速運動時，模腔里的空氣迅速升壓，使毛料不能滿意地貼模，甚至引起破損。如果模具和壓邊圈的設(shè)計合理，成形參數(shù)也選擇得當(dāng)，只要引爆炸藥，就能在很短的時間里成形出一個與凹模內(nèi)壁貼合得很好的零件。
從上面介紹的幾個例子，人們可以看到，在爆炸成形裝置中，常常設(shè)有裝水的水圈。這是因為炸藥的壓力過大，容易損壞零件和模具，所以在板金零件的爆炸成形里，通常不使炸藥和毛料直接接觸。為了將炸藥的壓力傳遞到毛料上去，必須在兩者之間有一個傳遞壓力的介質(zhì)。最常用的傳壓介質(zhì)是水，這不僅是因為水的供應(yīng)問題容易解決，更主要的是因為水傳遞壓力的效率較高。當(dāng)然，在一些特殊情況下也可以采用砂，然而這時所需的炸藥量要比用水時大好幾倍。
如果零件比較薄，成形所需的壓力比較小，可點用火藥代替炸藥。采用火藥時，為了獲得較大的壓力，可以采用密封式的成形方案，如圖4所示。如果成形所需的壓力和能量更小，也可以考慮在密封室里使用爆炸氣休或可燃氣體。這里應(yīng)當(dāng)指出的是，密封式方案只適用于小型零件，因為對于中、大型零件，密封室的強度問題難以解決。
對于板金零件，爆炸成形有以下優(yōu)點：（1）簡化了模具。一般沖壓加工需要一對模具，爆炸成形只需要一個模具，通常只有凹模，因此模具的制作周期可以縮短，材料可以節(jié)約。（2）簡化了設(shè)備。爆炸成形不需要機床，輔助設(shè)備一般只有起重和搬運裝置、水泵、真空泵，它們消耗的動力很少。（3）產(chǎn)品的表面光潔度高，尺寸精度也高。采用爆炸方法成形時，零件以很高的速度貼模，在零件和模具之間產(chǎn)生很大的碰撞壓力，只要模具內(nèi)表面的光潔度高，零件貼模面的光潔度亦高。（4）能加工一些用常規(guī)方法不易加工的材料。有些材料用常規(guī)方法加工容易破裂，但在高速變形條件下塑性變形的能力（即加工性能）有所提高，而且爆炸成形不使用金屬沖頭，因而毛料受力比較均勻。（5）有利于采用綜合工藝。采用常規(guī)方法制造一個復(fù)雜零件，往往需要多道工序，每一道工序又需要專用的模具。采用爆炸成形時，諸如成形、壓梗、沖孔、翻邊、校形等工序往往可以在一個模具上同時完成，從而減少了工序和模具的數(shù)量。特別要說明的是，與常規(guī)加工方法相比，爆炸成形最根本的特點是壓力大、變形速度大、成形時間短，這是一種高速高壓的成形方法。它是解決大型零件成形的有效途徑之一。這里可以舉成形一個直徑為1米的封頭的例子。如果采用常規(guī)水壓機來成形，作用于毛料的平均壓力為幾十個大氣壓，成形時間需要十幾秒。如果是采用爆炸方法來成形，壓力為數(shù)千個大氣壓，成形時間約為百分之一秒。由于在這兩種情況下用于使毛料變形的有效能量基本相等，所以爆炸成形的平均有效功率就比常規(guī)方法大一千倍。當(dāng)然，爆炸成形工藝在炸藥加工、藥包制作、模具安裝、工藝設(shè)計和勞動條件等方面亦有一些特殊的問題需要研究解決。
二、爆炸成形機理研究
在上世紀(jì)60年代，在鄭哲敏領(lǐng)導(dǎo)下，力學(xué)所二室不僅在和產(chǎn)業(yè)部門的合作過程中實現(xiàn)了鍋爐封頭、導(dǎo)彈端頭、潛艇艦首等大型零件的爆炸成形，還針對爆炸成形工藝中涉及的爆炸載荷、金屬材料性質(zhì)和成形規(guī)律等三個科學(xué)問題進行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究。如前所述，爆炸成形是復(fù)雜的高速變形運動過程，包含著炸藥、傳壓介質(zhì)及其容器、毛料、模具之間的互相牽連運動，為了研究爆炸成形的基本現(xiàn)象和規(guī)律，他們選擇最簡單的圓柱形或球形結(jié)構(gòu)來進行過程分析。
首先，他們開展了圓板自由成形的試驗，實驗裝置如圖5所示。在試驗中，采用水作為傳壓介質(zhì)，圓板下方的A、B為電容充電式計時儀的兩個探頭，用于測量板中心的位移時間曲線。
圓板自由成形試驗的目的是測量出在爆炸載荷作用下圓板中心的變形過程，人們還可以根據(jù)板中心點的位移與時間的實測曲線求算出板中心點在整個變形過程中的速度變化。試驗結(jié)果在圖6中示出。從圖中的擬合曲線可以看到爆炸成形的兩個重要特點：（1）總的變形過程很短暫。在這個實驗裝置中僅僅歷時308微秒，但中心撓度卻達24毫來，這就是爆炸的高壓高速成形的含義。（2）變形明顯地分為兩個加速減速階段。在這個實驗裝置中，第一個加速減速階段在98微秒時結(jié)束，然后又突然再加速，以后再進入第二階段的減速，直至停止變形。這就是所謂的“二次加速”（亦可稱“二次加載”）的現(xiàn)象。比較這兩個階段的位移，可以看出：兩個階段的變形能量都是相當(dāng)大的，將近一半的變形是由二次加速引起的。揭示二次加速的存在是鄭哲敏研究團隊關(guān)于爆炸成形的一個重要貢獻。
如何解釋二次加載現(xiàn)象呢？下面我們來具體說明爆炸成形加載的過程：炸藥引爆以后，在藥包中心迅速形成穩(wěn)定的爆震波，它以一定的爆速向外傳播，同時引爆它掃過的炸藥。當(dāng)爆震波到達藥包表面時，炸藥的爆震過程就基本結(jié)束。這時原來由炸藥所占據(jù)的空間便都充滿了高壓、高溫的氣團。爆震波傳到藥、水界面時，會在水中形成一個強烈的沖擊波（即通過波陣面介質(zhì)的壓力、溫度、密度發(fā)生階躍式突增的波），同時導(dǎo)致高壓氣團內(nèi)形成一個稀疏波（亦稱膨脹波，即通過波陣面介質(zhì)的壓力、溫度、密度有所下降的波）。氣團在不斷膨脹過程中，將氣體的位能轉(zhuǎn)換為水的動能。前例中所述及的平板中心部分，首先受到通過水介質(zhì)所傳來的球面沖擊波波陣面的打擊，此沖擊波在圓板上立即發(fā)生反射，隨后由于圓板發(fā)生運動而產(chǎn)生負(fù)壓，從而在圓板壁面附近形成一個空化區(qū)。由于圓板板上的載荷分布非常復(fù)雜，不便于解析分析，他們又考慮另一個較為簡單的算例：一個盛水球殼在球形藥包作用下變形過程的理論計算（參見圖7）。他們采用聲學(xué)近似研究了球面沖擊波正入射于球形薄殼的情形，結(jié)果表明：球殼處的壓力衰減很快，其變化可用一個指數(shù)衰減公式來近似表達。
這里的力學(xué)過程可簡述如下（參見圖8）：當(dāng)入射波打到球殼時發(fā)生反射，由于球殼的慣性，在開始反射的瞬間壓力波的反射具有從剛性表面反射的性質(zhì)，產(chǎn)生一個初始的壓力突躍，導(dǎo)致球殼向外運動。這就是第一加速階段機制。由于球殼迅速向外膨脹，而入射沖擊波的載荷又劇烈地衰減，因此反射波很快變?yōu)橄∈璨ǎ瑥亩a(chǎn)生負(fù)壓。在離開球殼某個距離處，入射波的正壓力和反射波的負(fù)壓力〔即拉力〕正好抵消，水將開始出現(xiàn)拉伸狀態(tài)。由于水是不能承受拉力的，因而此處的水被拉斷，出現(xiàn)空泡，這種現(xiàn)象稱之為“空化”現(xiàn)象。負(fù)壓和球殼的強度共同阻止球殼的運動，就出現(xiàn)了第一減速階段?？栈瘏^(qū)將附著在球殼上的薄層水體和球心周圍的水核分離開來，但是水核依然會在高壓高溫氣團的作用下向外運動從而“吞并”空化區(qū)，并最終使水核和球殼之間的空隙閉合起來（空化區(qū)消失）。這時，它們彼此發(fā)生碰撞，球殼便開始第二階段的加速。以后，隨著水體內(nèi)壓力逐漸下降，加之球殼材料的變形抗力，球殼不斷減速，直至運動終止。鄭哲敏在1962年提出的這個解釋，闡明爆炸成形過程的本質(zhì)。機理研究為爆炸成形工藝的成功應(yīng)用奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。
三、爆炸成形相似律
正確選定工藝參數(shù)，是保征成形質(zhì)量和模具壽命的重要條件。但是對于形狀復(fù)雜的工件，目前尚無可靠的計算方法，只能用試驗來確定。對于大型零件，由于毛料昂貴、模具加工周期長、操作不便等原因，需要采用模擬試驗來選定。所謂的模擬試驗就是通過小型零件的試驗來確定大型零件的工藝參數(shù)和工藝條件。這種方法稱為“模型律”，或者“相似律”。
如果忽略與變化率有關(guān)的參數(shù)（如重力加速度，爆轟反應(yīng)率，熱導(dǎo)率，應(yīng)變率等），對于爆炸成形，幾何相似律成立。不難理解，所謂“幾何”就是指和尺寸、形狀相關(guān)的參數(shù)。這里，可以取藥包的相對尺寸（即藥包和毛料的特征長度之比，例如可以采用它們的半徑作為特征長度）和毛料的相對厚度（即毛料的厚度與其特征長度之比）作為相似參數(shù)。那么，幾何相似律就是說，在兩個爆炸成形問題里，如果這一對相似參數(shù)相等（即兩個問題中的幾何條件相似），那么成形效果（如成形量、成形精度等）就相似。鄭哲敏在1962年通過實驗證明了，對普通的金屬和合金材來說，幾何相似律至少在放大倍數(shù)不超過10的情況下確實是成立的。幾何相似律有十分廣泛的用途，人們可以通過小型的模擬試驗結(jié)果來指導(dǎo)大型工件的生產(chǎn)，可以模擬的方面很廣泛，包括成形量、變薄、回彈、破壞、起皺、貼模速度、模具強度等等。
在生產(chǎn)的實踐中，常常遇到一些大體上幾何相似而尺寸上又不絕對成比例的零件，這時幾何相似律不能應(yīng)用，那么能否有一個既簡單又實用的模型律呢？鄭哲敏等人又通過進一步的研究，建立了“能量準(zhǔn)則”。在假設(shè)炸藥能利用效率是常數(shù)的條件下，他們導(dǎo)出了一個計算公式，感興趣的讀者可以參閱《高能成形》（國防工業(yè)出版社，1969）和《爆炸加工》（國防工業(yè)出版社，1981）等著作。但是他們曾把能量準(zhǔn)則簡稱為“2,、4、8準(zhǔn)則”，就是說：如果零件的尺寸不變，厚度需放大一倍的話，藥量需要兩倍；如果零件的厚度不變，尺寸需放大一倍的話，藥量需要四倍；如果零件的尺寸和厚度需放大一倍的話，那么藥量需要八倍。不難設(shè)想，這個準(zhǔn)則對于生產(chǎn)實踐是很有意義的。
四、模具設(shè)計
按照零件的類型，爆炸成型?？梢苑譃槔炷?、脹形模、壓印模、沖孔模等。作為例子，圖9給出兩種模具的典型結(jié)構(gòu)）。顯見，它們都是凹模。如前所述，爆炸成形的模具一般具有簡單、數(shù)量少等優(yōu)點，但它的整體強度或表面強度要求都比沖壓模的高，而且還要設(shè)置排氣孔、抽氣孔等結(jié)構(gòu)。鄭哲敏研究團隊計算過空心球形模具中的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，可以為模具的強度分析提供依據(jù)。
作為一個十分有趣而有意義的發(fā)展，鄭哲敏在1965年提出了“慣性模具”概念。這種模具是由數(shù)個可分離的、加工精確而能拼裝成一體的模塊組成（參見圖10）。一般而言，這種模具沒有強度，但是在爆炸成形過程中它能完全利用自身的慣性來阻止毛料與水的運動。雖然每次模具最終總是被沖散為幾塊，但是在炸散前毛料已經(jīng)成形。這些模塊可以重新組裝起來繼續(xù)使用。更重要的是，這項技術(shù)使人們能夠成形大型工件。這種方案已在成形、剪裁、脹形、深拉延等多種工藝中獲得成功。

綜上所述，我們就理解了《2012年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎人選簡介》這樣來描述鄭哲敏在爆炸成形方面的貢獻：鄭哲敏院士闡明了爆炸成形的機理和模型律，解決了火箭重要部件的加工難題，發(fā)展了一門新的力學(xué)分支學(xué)科—爆炸力學(xué)。

 （王柏懿撰文）