嵌銀絲包覆藥柱盲孔自動安全加工及檢測技術①

劉 洋，張 渝，周岳松，李 剛，錢裕祥，王鴻宇

(上海航天化工應用研究所，湖州 313002)

0 引言

包覆藥柱是某些型號固體火箭發動機核心部件之一，主要由含能固體推進劑和高分子彈性體材料組成，為提高燃速，典型的自由填裝式包覆藥柱結構通常采用端面燃燒的周向均布銀絲的形式，并在藥柱端面沿銀絲方向縱向鉆一定直徑和深度的盲孔。在手工作業模式下，整形后的尺寸精度及形狀位置精度等級低，而且由于靜電、摩擦等因素，易引發爆燃。因此，采用遠控隔離自動化整形，可有效確保加工精度、整形質量以及人員安全。

唐維等、吳松等在數控臥式車床上對含能材料進行超聲振動切削試驗，與傳統切削對比，該方法表面質量更優，但切削溫度高于傳統切削。謝鳳英等采用正交切削裝置和顯微攝像裝置等，分析了炸藥模擬材料的切削過程中切削深度、切削寬度、切削速度對切削力響應規律以及邊緣崩塊特征及其形成機理，此方法對于提高含能材料整形后邊緣及表面質量具有指導意義。馬新寬等研制出防爆、遠距離數控銑削整形裝置，提出切削線速度恒定、斷屑、小功率的銑削方式，解決大型發動機藥柱整形內形面同心難題。張渝等針對小型固體火箭發動機包覆藥柱切削和鉆孔，研制了一種能夠實現自動無損夾持定位、車刀切割與端面整形、視覺定位、打孔、清屑和檢測等多種功能的自動化整形藥柱整形復合加工系統。MAHALLE Rohit K等采用立式數控車銑中心對固體推進劑進行遠程加工，基于切削速度、進給量等加工參數，分析切削深度對推進劑顆粒表面的影響。綜上，含能材料自動化整形相比于傳統人工作業可有效提高整形后表面質量、生產效率，并可實現整形后質量檢測及溫度監測，通過合理選擇安全工藝參數，可有效保障加工安全性。

本文針對嵌銀絲包覆藥柱盲孔成型過程中存在的質量和安全問題，研制了可遠控隔離的包覆藥柱盲孔自動安全加工及檢測裝置，利用視覺識別技術、吹吸原理、傳感技術等，將盲孔精確定位、多余物高效清理、溫度監測、成型質量檢測等功能集成于一體，并基于溫度控制優化了安全加工工藝參數，為固體推進劑整形技術的發展提供參考和思路。

1 嵌銀絲包覆藥柱盲孔自動加工難點

典型的嵌銀絲包覆藥柱主要由固體推進劑、包覆套和銀絲組成，如圖1所示。包覆藥柱對盲孔加工質量和安全要求為：藥柱孔深、孔徑滿足技術要求，盲孔成型后銀絲不得偏離盲孔底部，孔內及根部無殘藥，為保證整形過程安全性，鉆孔過程中溫度不得超過50 ℃。

圖1 藥柱結構示意圖

盲孔加工手工作業流程是首先采用搖鉆式打孔機以銀絲為中心點打6個盲孔。然后，對盲孔內的藥屑等多余物采用毛刷清理，并用手電筒進行目視檢查。包覆藥柱手工加工存在固有風險，Ⅰ級危險點作業工房必須定員定量，每發藥柱盲孔加工過程至少需要30 min，生產效率低下，產量受限。

自動化加工裝置研制的技術難點如下：

(1)銀絲精確識別與定位

在藥柱定長切割后，端面形成6個銀絲斷面，銀絲極細，定位難度大。在自動化設備上銀絲精準識別定位直接影響銀絲對位鉆孔精度。

(2)多余物清理及檢測

包覆藥柱整形過程產生的藥屑具備質量輕、有一定粘扯性、腐蝕性強、易燃等特性，盲孔內若殘留多余物會直接影響發動機性能。目前，盲孔多余物清理通常采用豬鬃或導電尼龍等材質的毛刷，由于毛刷強度低，易變形損耗，無法保證清理狀態的一致性，且在一定程度上會磨損盲孔內壁并導致藥屑殘留，在毛刷拔出過程會一定程度上導致藥屑飛濺，造成環境腐蝕并存在安全隱患。

(3)加工過程的溫度控制

控制盲孔加工溫度是保證加工本質安全度的前提，影響包覆藥柱整形溫度的加工參數主要是鉆頭進給速度和轉速。由于6個盲孔加工時間較長，若加工參數選擇不合理，會直接影響加工節拍，導致生產效率低下。

2 包覆藥柱盲孔自動安全加工及檢測裝置

包覆藥柱盲孔自動加工及檢測裝置主要由鉆頭、藥屑清理組件、孔深測量組件、盲孔檢測組件、銀絲識別相機、溫度傳感器等組成，如圖2所示。包覆藥柱盲孔自動加工裝置由三自由度機械臂驅動，藥柱夾持單元采用空心主軸三爪卡盤對藥柱進行夾緊定位。動力均采用經過隔爆處理的伺服電機進行精密驅動，裝置整體防靜電接地，根據加工環境的防腐要求，各部件均做了相應的防護處理。

圖2 包覆藥柱盲孔自動加工及檢測裝置

2.1 銀絲識別及自動定位鉆孔

對于嵌銀絲包覆藥柱盲孔自動化成型，銀絲位置數據是保證盲孔成型位置精確度的前提，直接影響到包覆藥柱的整形質量及產品性能。采用機器視覺識別技術，通過包覆藥柱端面銀絲圖像識別軟硬件設計，應用數字化圖像處理技術完成銀絲位置的精確識別，并通過控制系統對三自由度機械臂的精確控制，能夠實現盲孔加工所需的精確定位，具體過程包括相機標定、銀絲位置識別、視覺引導、偏差補償。

(1)相機標定。工業相機安裝在固定位置，在加工使用前完成相機安裝位置與工件主軸關系的精確位置測量與標定，通過標定可以得到工業相機的內部參數數值，包括焦距比、成像面中心、成像面變形角度、徑向畸變系數、切向畸變系數、薄棱鏡畸變系數等。采用張正友標定法，對原始采集圖像進行畸變校正，得到精確測量數據。

(2)銀絲位置識別。采用500萬像素的CCD黑白工業相機，對藥柱端面圖像進行采集，通過環形藍色光源增強圖像對比度，通過數字化圖像處理，獲取基于相機參數框架下的端面銀絲圖形化數據。采集多個產品的端面特征，標注出目標特征在圖像上的位置，未處理圖和銀絲識別圖如圖3所示。

圖3 未處理圖與銀絲識別圖

(3)視覺引導。通過計算將圖片中銀絲位置的像素坐標系轉換為世界坐標系，獲取銀絲絕對位置坐標數據后，PLC指令根據位置數據引導三自由度機械臂，實現鉆頭銀絲對位鉆孔。

(4)偏差補償。在銀絲識別和定位過程中會存在銀絲識別誤差、機械結構的相對位置誤差、運動誤差等。當在標定試驗件上鉆孔存在偏差時，在操作面板上通過PLC對銀絲位置進行補償修正，可有效減少偏差量。銀絲識別補償界面如圖4所示。

包覆藥柱自動安全加工裝置可保證鉆孔加工的精確定位精度不大于0.25 mm，實現鉆孔時鉆頭機構根據銀絲位置進行精確定位。

圖4 銀絲識別補償界面

2.2 孔內多余物自動清理及檢測

2.2.1 盲孔內多余物清理

采用壓縮空氣對盲孔內多余物進行清理，相比于毛刷清理的優勢在于吹凈效率高、清潔程度高，且可避免清理組件對孔壁的破壞。僅采用壓縮空氣進行藥屑清理，存在藥屑飛濺導致的二次污染問題。因此，在壓縮空氣吹掃的基礎上，結合負壓原理，形成吹吸功能一體的多余物清理組件。多余物清理組件主要由吹管、氣力輸送器、負壓接頭、吹管接頭組成，結構見圖5。

圖5 多余物清理組件結構圖

藥屑清理組件氣流分為兩路：一路氣體通向深入盲孔底部的吹管，利用高壓氣流的卷吸作用和附壁效應，吹掃盲孔內沉積在底部或吸附在孔壁上的殘屑；另一路氣體通過氣力輸送器的高壓氣流輸入口，使內部產生真空抽吸作用，將吹管外壁和盲孔內壁之間的排氣通道中多余物徹底送到防爆負壓收集設備中。

以包覆藥柱為試驗對象，在藥柱試件上按工藝要求加工深25 mm，直徑8 mm的盲孔，在不同吹管內徑(1、1.5、2 mm)和不同排氣通道尺寸(0.8、1.2、1.6 mm)下，采用不同壓力壓縮空氣(0.2、0.4、0.6 MPa)、不同吹氣時間(1、3、5 s)對加工后盲孔進行吹氣處理，觀察盲孔內部清潔情況，清潔等級按表1進行定義。

表1 盲孔潔凈等級

選擇排氣通道寬度(mm)、吹管內徑(mm)、壓縮空氣壓力(MPa)、吹氣時間(s)，本試驗為4因素3水平，選用L9(34)正交表安排實驗。正交試驗結果在表2中列出。

表2 正交試驗表

實驗結果表明，壓縮空氣吹凈盲孔主要利用氣流的卷吸和附壁效應，排氣通道寬度越小，吹凈效率越理想，吹管內徑與壓縮空氣壓力主要影響氣流速度，吹管內徑和壓縮空氣壓力越大，氣流速度越大，當氣流速度達到一定值時，其效率變得不明顯，而吹氣時間影響最小，表明盲孔內多余物是瞬間被吹出。因此，在設計參數上，吹管內徑選擇1.5 mm，壓縮空氣壓力選擇0.4 MPa，排屑通道選擇1 mm，吹氣時間≥1 s。采用藥屑清理組件清理孔內殘留多余物，清理效率和效果遠高于人工清理。

2.2.2 盲孔內多余物檢測及評判

由于鉆削后的藥屑具有一定粘度，當盲孔較深時，鉆孔后盲孔內容易留存藥屑殘渣。干凈內孔和含多余物內孔對比如圖6所示。

(a)Clean inner hole (b)Inner hole with existence

在盲孔清理后，通過機器視覺技術代替人工目視對盲孔內多余物識別。盲孔檢測組件采用同軸光遠心相機獲取圖像，通過感興趣區域提取、均方差計算、閉運算算法對采集的盲孔圖像進行處理，圖像處理過程如圖7所示。圖7中，(a)為含藥屑圖像；(b)為二值化圖像；(c)為感興趣區域圖像；(d)為均方差圖像；(e)為閉運算-形態膨脹學圖像；(f)閉運算-形態腐蝕學圖像。

(a)Image of drug existence (b)Binary processing (c)ROI extraction

(d)Mean square error (e) Morphological dilation (f)Morphological corrosion

通過比對處理后的圖像與合格盲孔標準圖像，對盲孔內的藥屑、斷頭銀絲等多余物做出識別，并對盲孔清理質量合格與否作出有效判別。對于盲孔內部狀態可從圖片信息中通過三種判據方法綜合判斷是否存在多余物。三種判據與標準模板圖像如圖8所示。

判據1：沿感興趣區域輪廓最小外接矩形對二值化圖像進行裁剪，將有圖像尺寸與標準圖像模板處理后尺寸進行對比。

判據2：計算有多余物孔底圖像亮區域占整個圖像比重，將其與標準模板中亮區域所占比重進行對比。

判據3：將有多余物圖像亮區域內最大內切圓尺寸與標準模板內亮區域最大內切圓尺寸進行對比。

(a)Criterion 1 (b)Criterion 2

(c)Criterion 3 (d)Standard template

根據以上三種判斷依據，按照評分標準對孔進行質量評分和質量判定，質量判別標準公式：

(1)

式中為多余物評判總分值；為處理圖像素總數量；為標準模板圖像素總數量；為處理圖亮區占比；為標準模板亮區占比；為處理圖最大內切圓直徑；為標準模板最大內切圓直徑。

根據該評分標準，通過多次測試得到分值小于80分即為孔內有多余物，判定為不合格，系統可根據分值情況，對盲孔清理質量合格與否做出判別，該評分標準對盲孔清理質量判別具有較好的適用性。

2.3 孔深自動測量

孔深測量組件采用磁滯尺伸縮位移傳感器，磁滯伸縮位移傳感器具有裝置小巧、測量準確等特點，精度能達到10 μm以內，遠比人工利用游標卡尺檢測精度高、一致性好。磁滯尺伸縮位移傳感器分別測量藥柱端面和盲孔底部絕對位置，通過差值計算可準確獲得盲孔深度數據，可有效避免因盲孔底面為錐面而導致激光紅外等非接觸式測距方法產生的深度不一致性問題。

2.4 鉆孔溫度感知

由于鉆孔過程中鉆頭伸入盲孔中，難以直接測量盲孔內溫度，因此采用紅外溫度傳感器在鉆頭退出后對鉆頭測溫。紅外溫度傳感器放置在靠近鉆頭的位置，使鉆頭發熱表面盡可能覆蓋傳感器檢測區域，盡量減少其他熱源干擾。在藥柱鉆孔仿真分析時，結合已有的現場實際加工情況，選擇合適的安全加工參數。

3 鉆孔溫度場仿真及試驗

3.1 鉆削溫度影響因素分析

包覆藥柱鉆削過程中，鉆削熱量主要來自鉆削層剪切變形熱、刀具底層與藥柱摩擦擠壓變形熱以及刀具與已加工表面的摩擦擠壓變形熱。因此，可采用熱源疊加法分析鉆削溫度的影響因素。

切削層剪切變形熱會在剪切區形成溫度場，其剪切熱源功率為

=

(2)

鉆削刀具底層刀面會受到包覆藥柱的擠壓和摩擦，形成接觸區溫度場，其摩擦熱源功率為

=

(3)

鉆削刀具后刀面與已加工表面發生摩擦，其摩擦熱源功率為

=

(4)

式中、和分別為鉆削剪切力、前刀面摩擦力和后刀面摩擦力；、和分別為刀具剪切速度、切削滑移速度和切削速度。

根據切削過程中能量守恒，可得到包覆藥柱工件加工處某點(,,)的溫度為

(5)

式中和為包覆藥柱某點(,,)的切削起始時間；為與邊界感知溫度、鉆削質量、切削點坐標、切削深度、溫度感知位置等相關的比例系數；為邊界感知溫度值。

由于實際加工中受到外界環境、溫濕度及藥柱鉆屑等影響，鉆頭溫度的難以通過直接計算的方式得到，但通過對上述切削熱機理的分析可知，影響鉆削溫度的影響因素主要為藥柱材料、鉆削進給速度、鉆頭轉速和環境溫度。

3.2 盲孔加工溫度仿真分析

使用有限元軟件Deform 3D對鉆削過程進行仿真，模擬工件-鉆頭溫度場變化情況。結合手工作業下多批次車藥工藝參數經驗，設定主軸轉速200 r/min，進給速度100 mm/min，選用規格8 mm四刃WC硬質合金鉆頭，鉆孔深度30 mm，環境溫度設定為20 ℃，藥柱材料參數：密度1.8 g/cm，彈性模量7.5 MPa、泊松比0.31、比熱容1480 J/(kg·℃)，導熱系數0.15。

選用適合于鉆削并且能反應材料溫升特性的Johnson-Cook模型。表達式如下：

(6)

式中為應變；為參考應變；為室溫；為熔點；、、、和是與材料有關的常數。

在該組參數下，工件在不同加工深度時的溫度場分布情況仿真結果如圖9所示。

(a)Bit temperature field (b)Feed depth 0 mm (c)Feed depth 10 mm (d)Feed depth 20 mm (e)Feed depth 30 mm

從鉆孔不同進深的工件溫度場變化可以看出，在20 ℃增加至40.1 ℃過程中的不同階段，當進給深度為30 mm，溫度達到最高(40.1 ℃)。通過軟件仿真分析可獲得切削參數與溫度監測數據之間的關系。

在環境溫度為20 ℃、進給速度為100 mm/min條件下，選定轉速范圍100～190 mm/min，對比仿真和試驗得到的最高溫度，每組參數下試驗次數=6，取平均值。測量結果和仿真結果對比見表3。

表3 測量結果和仿真結果對比

如表3所示，仿真結果比實際測量結果稍大，誤差范圍為0～0.4 ℃。這是由于實際測量時的最高溫度受多種不確定因素影響和測量存在一定的誤差而造成的結果。與此同時，也驗證了模擬仿真的結果是可靠的，可用于工藝參數的指導。

3.3 盲孔加工溫度工藝驗證試驗

通過對試驗件進行工藝試驗，優選四刃高速鋼麻花鉆，橫刃長約1.5 mm，橫刃相對較大，相對于尖角鉆頭，在盲孔加工過程中，增加了銀絲被切斷的概率。同樣規格的鉆頭，橫截面越小，跑屑空間就越大，更利于排屑。

工藝驗證試驗以包覆藥柱剝離段為對象，在規格為8 mm的鉆頭不同轉速(100、150、200 r/min)、軸向進給速度(50、100 mm/min)、鉆孔深度30 mm的條件下，利用紅外溫度傳感器測量并記錄鉆頭起始溫度以及鉆頭退出時的測量溫度，并計算溫升。在鉆削過程中，采用壓縮空氣吹拂鉆頭，及時去除纏繞在鉆頭上的藥屑。試驗情況見表4。

如表4可見，在進給速度不變的情況下，隨著主軸轉速增大，鉆頭溫度提升的更快。主要原因是主軸轉速越大，單位時間內刀具與待加工接觸面接觸次數越多，產生的熱量就越多，而加工產生的藥屑在鉆頭導屑槽中未能及時排出，熱量就會傳導到鉆頭上，導致熱量積累。在主軸轉速不變的情況下，隨著進給速度增大，溫度提升的更慢。主要原因是進給速度越大，鉆削厚度就越大，排出的藥屑更多，帶走的熱量就會更多。

表4 不同加工參數鉆孔溫度變化情況

金屬材料切削熱主要來自切削變形產生的熱量，而包覆藥柱彈性模量較低，且鉆頭直徑較小，鉆頭變形量可以忽略不計，切削熱絕大部分來源于鉆頭鉆削過程中與材料的摩擦，以及纏繞在鉆頭排屑槽上的藥屑的熱量傳導。總之，在鉆頭轉速和進給速度的工藝參數選擇上，應盡量在保證盲孔加工質量的同時，通過工藝試驗，降低鉆頭轉速，增大進給速度，選擇合適的加工參數，并可采用高壓空氣吹拂等方式，及時清理纏繞在鉆頭上的藥屑，以保證盲孔加工過程的安全性，并提高盲孔加工效率。

4 結論

包覆藥柱盲孔自動加工裝置成功應用于某固體火箭發動機的藥柱整形中，通過開展60發藥柱工藝驗證試驗，檢測數據通過人工檢測復核。結果表明，60發工藝驗證試驗件藥柱銀絲識別后鉆孔成功率達99%以上，盲孔內目視觀察無殘留藥屑，盲孔內多余物判別均在合格線以上，鉆孔溫度監測，藥柱盲孔加工、清理及檢測工序從30 min/發以上，降低至8 min/發以內，各項產品指標均滿足技術要求。

(1)包覆藥柱盲孔自動加工裝置可實現絲位置精準識別及自動定位鉆孔、盲孔內多余物自動清理及檢測、孔深檢測、鉆孔溫度感知等功能。

(2)通過相機標定、銀絲位置識別、視覺引導、偏差補償等方式，可滿足包覆藥柱自動鉆孔位置精度不大于0.25 mm的要求。

(3)采用吹吸原理可高效清理盲孔內多余物，在參數設計上排氣通道寬度對吹凈效率影響最大，其次是吹管內徑與壓縮空氣壓力，吹氣時間只要超過一定閾值即可。通過視覺識別技術和判定算法，可對盲孔內多余物狀態進行有效判定，具有良好的適用性。

(4)盲孔成型過程中，合理選擇鉆頭轉速和進給速度對鉆孔溫度有著重要影響。其中，鉆頭轉速對溫度影響較大，采用紅外溫度傳感器測量溫度，可有效防止溫度超過安全閾值。

(5)該套裝置的實現，提高了銀絲對位盲孔成型質量、生產效率和本質安全度，對提高包覆藥柱自動化安全整形技術的發展具有一定參考價值。