羅德曼鑄炮法
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這種方法可以大幅加快鑄炮速度并降低廢品率,更重要的是可以大幅提升炮管壽命。這就是讓炮管由里往外冷卻,稱之為內??煽乩鋮s技術,或者內模水冷技術。
一般鑄好的紅熱炮管在靜置時的自然冷卻,是由外往內,原因一是炮管外表面面積比內管大,其二是外面空氣流通比內部快,這樣自然外層比里層冷的快,最終形成層層膨脹的結果,強度降低。但是如果能同時讓炮管里層冷卻,甚至使之比外層先冷下來,不但可以提升整根炮管的冷卻速度,更可以提高炮管性能。
一種說法是里層冷卻固定后,當外層逐漸冷卻時,由于熱脹冷縮的關系,炮管外層冷卻時,就會箍住內層,往里面產生一個向內的應力。另一種說法是,炮管由內往外冷卻,則同樣由于熱脹冷縮,炮管壁靠里的部份密度會較高,靠外則較低,可增加內管壁的強度。無論哪種原因結果是肯定的,那就是不僅炮管的壽命大幅度提升,大口徑火炮的廢品率也十分低。
?。ā铩铩镒ⅲ焊鶕救藝鴥纫涣鞴た圃盒C類專業(yè),且在鑄造實習中的鑄造應力分析上被老師表揚的水平來看,第一種說法是對的;第二種說法中,內層密度大,估計是因為外層箍緊的應力壓縮形變導致)
該鑄造法在1860年美國南北戰(zhàn)爭時期,由美聯邦陸軍少校托馬斯·J·羅德曼發(fā)明,故又稱羅德曼法。當時據稱一舉將炮管壽命提升五倍之多。
而其方法本身非常簡單:大家都知道,水的比熱容要比空氣大得多,因此水冷比氣冷也快的多,要讓里層比外層先冷卻,那就用水來冷卻炮管。當然,若是真的直接往紅熱炮管內注水,結果只會讓炮管破裂;實際上的方法是,把鑄造炮管時,用來作炮管內模的模具換成空心的,中間加上冷卻水管道,然后往里面注冷卻水就行了。當然這冷卻水管道必須要作成可循環(huán)樣式來保證內膜溫度穩(wěn)定,譬如采用U型管模式從里面開始注水,這樣持續(xù)循環(huán)冷卻。
唯一的問題是冷卻速度,也就是水循環(huán)速度是有講究的。太快冷卻的話內管會破裂,必須有適當的速度進行才行。羅德曼從1844年提出理論到實驗論證出科學合理的技術參數用了10年時間。當然這種技術參數是有針對性的,都是基于當時的材料鑄鐵和機加工水平。
此法可以大幅降低成本,并使鑄造大口徑火炮成為可能。原因就在于這種“內模水冷技術”可以大幅降低火炮尤其是大口徑火炮鑄造時的廢品率。
19世紀中期以前,不管東方或西方,火炮鑄造的廢品率相當高。這種情況在明末引進西方火炮制造技術時,《火攻挈要》中記載,由于當時鑄造的品質尚不十分穩(wěn)定,即使是在歐洲,“鑄十銃能得二、三銃可用者,便稱高手”。廢品率高達70~80%以上。這樣火炮的成本自然很高。
而火炮鑄造廢品率如此之高的原因,最重要最根本的就是炮管內外的冷卻速度差距問題。而且炮管的口徑越大,炮管壁也越厚,炮管內外冷卻速度的差距也越明顯,由于這冷卻速度的差距,許多材質不好,不夠均勻的炮管,就會在冷卻時因為熱脹冷縮而在火炮身管產生裂痕。而身管出現裂痕的炮管,自然就是廢品了。
不只如此,由于炮管內外冷卻速度的差異,有些裂痕外表上是看不見的,而是在管壁金屬內部。所以當時造好的火炮,均需作第一次試放。就是在炮管內填滿火藥但不裝炮彈,釋放一次,以管壁無裂痕者為合格。如果管壁有內傷,這一放就會裂開來,可以立刻淘汰了。
而內模水冷技術,可以保證內外管冷卻速度相同,或者經過實驗與調整,將速度差異控制在安全的范圍下,如此身管就不會產生內傷了。這一來立刻把廢品率降低到個位數百分比,甚至降低到零,從而使造一門炮的價格大幅下降。而炮本身也因為比較結實沒有暗傷,因此平均壽命提升五倍。
此外,在鑄造超大口徑炮時,由于口徑越大,則內外冷卻速度差距就越大。因此在自然冷卻的時代,口徑越大的炮鑄造時的廢品率也就越高,重量與價格因此也就越高——不成正比,幾乎是指數性上升。到了一定程度以上,就是幾乎百分之百的失敗率了,而羅德曼的“內模水冷技術”解決了這個問題。