旋轉超聲加工（RUM）已經（jīng）被廣泛用於加工各種硬脆材料，是一種（zhǒng）新型的複合加工方法。目（mù）前，旋轉超聲機床已經完成4個自由度的機電係統設計，並實現四軸聯動，為後期展開超聲試驗奠定了基礎。

      旋（xuán）轉超（chāo）聲加工原理

      旋轉超聲（shēng）加工是集傳統金剛石（shí）磨削（xuē）加工（gōng）和超聲加工（USM）於一體的（de）複合加工技（jì）術，是加工硬脆材（cái）料的一種有效加工方式，刀具隨主（zhǔ）軸做高（gāo）速旋轉的同時沿（yán）著軸向做超聲頻（pín）振動。材料的去除主要依靠傳統超聲加工和磨削加工的複合。

     
        旋轉超聲加工技術的（de）發展曆程

     1927年，美國物理學家（jiā）伍德（R W. Wood）和盧米斯（A.E Loomis）做了超聲加工試驗，利用（yòng）超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鑽孔。1951年，美國的科恩（Koln）製成第（dì）一台實用的超聲加工機。1964年，英國人Legge提出使用燒結或（huò）電鍍金剛（gāng）石刀具的旋轉超聲加工方法，克（kè）服了（le）一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺（quē）點（diǎn）。在70年代中（zhōng）期，美國在超聲鑽中心孔、磨削、拉管和焊接等方麵，已處於生產應用階段。超聲車削、鑽孔、鏜孔（kǒng），已處於試（shì）驗性生產設備原形階段。通過工業應（yīng）用的（de）超聲振動切削係統，目前（qián）已（yǐ）形成部分（fèn）標準。

     中國超聲加工的研究始於20世紀50年代末期。20世紀60年代，中國成功研製了超聲振動加工（gōng）深小孔的機床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研製出CNM-2型超聲研磨機。1984年（nián），中國科學院聲學研究所成功（gōng）研製超聲旋轉加工樣機，該樣機功率為400W，工作（zuò）頻（pín）率為7～22kHz，加工精度為：圓柱度0.03mm，圓度小於0.005mm。清華（huá）大學已經開（kāi）發出完全數控化（huà）的旋轉超聲加工機床（chuáng），其數控係（xì）統由Z軸進給控製、旋（xuán）轉電機（jī）控製、自動頻率跟蹤控製等功能模塊組成。天津大學也在旋轉超聲加工方麵做出了很多研究，並對機床進行了模塊化（huà）設計研究。河南理工大學研究設計了旋（xuán）轉超（chāo）聲銑頭裝置，該裝置作為立式數控銑床（chuáng）的一（yī）種附件，可安裝（zhuāng）在立式數控銑床上，方便裝卸。

     旋轉超聲機床的機電係統設計

     旋轉超聲機床包（bāo）括旋轉超（chāo）聲機（jī）床本體、多軸聯動電控係（xì）統、超聲振動係統、切削液係統等。

     旋轉超聲機床結構

     機床本體包括W、X、Y、Z四軸、工作台支架、機床外罩和（hé）機床底座。W、X、Y、Z四軸，即旋轉軸加上（shàng）水平兩軸和垂直（zhí）運動一軸，其中旋轉軸采（cǎi）用步進電（diàn）機控製，其餘三軸（zhóu）均采用交流伺服電機連接絲杠（gàng）帶動工（gōng）作台移動的（de）方式。X、Y、Z三軸均安（ān）裝有正、負、零限位，保證軸的往複運動（dòng）行程安全及準確回零，同（tóng）時三軸均安裝了光柵尺，其精度為1,000 pulse/mm，保證工作台的位（wèi）置（zhì）反饋和精確運動。Z軸為（wéi）垂直運動軸，其（qí）工作台上（shàng）安裝有機床主軸係統，重量約為50kg，故（gù）Z軸電機帶有抱閘（zhá）功能，以（yǐ）保證Z軸滑台在電機非使能狀態下不下滑。工作台支架用20mm厚鋼板焊接，其頂端安裝高（gāo）精度三（sān）角卡盤用於工件的夾持，總高度為600mm，以保證工件具有足（zú）夠高度與主軸刀具（jù）接觸。

     機床外罩固定於機床（chuáng）底座上，分為（wéi）上（shàng）下兩部分：上（shàng）半部分包括背板、左右側板和（hé）前麵板，其中左右側板分別裝有一扇可拉開的旋轉（zhuǎn）門，以方便維修及查看機床。前麵板裝有滑槽和（hé）兩扇可裝卸的推拉玻璃門（mén），方便在機床加工時觀察，在（zài）機床檢修時可卸下。四板相互連接（jiē）且與機床連接（jiē）處均塗有防水膠，防止切削液的泄漏；下半部分包括左、右、前三塊板，機床後方（fāng）下半部分無遮擋，方便切削液回路的布（bù）設。

     機床底座承受整座機床的重量，四角均有高度調節滑槽及固定螺釘，以保證機床在（zài）固定安裝後，其台麵的（de）水平度。

     電控係統（tǒng）

     電控係（xì）統包括控製器、W、X、Y、Z四軸及主軸驅動器、24V開關電源、光（guāng）耦電路板、繼電器和保險絲。控製器以ACR9000為（wéi）核心，采用全閉環回路、速度控製模式，ACR9000控製器（qì）型（xíng）號為P3U8M0，即有USB口、串口、以太網口為通訊接口，具（jù）有八軸聯動功能，程序及配置掉電保持功能。控製器在引進X、Y、Z三軸光柵（shān）尺（chǐ）信號的同時，引進了三軸電機的編碼器信號，方便查看電機的運行（háng）狀（zhuàng）態。同時在其開關量輸入接口，接入了三軸的（de）正、負、零開關信號，以設置軟件限位和軟件零位。主軸（zhóu）電機配置為軸A，隻有編碼器反饋信號，采用位置（zhì）控製模式。X、Y、Z三軸限位信號（hào）與控製器接（jiē）口均采用光耦隔離（lí）的方式（shì）連接，Z軸抱閘打開動作從ACR9000控製器發出的Z軸使能信號接出，采用（yòng）光耦隔離後，接入繼電器給Z軸電機抱閘電路供電，以保證使用安全。

     超（chāo）聲振動係（xì）統

     超聲振動係（xì）統由超聲波發生器、變（biàn）頻電源、超聲頭、滑環及電刷組（zǔ）成，其中超（chāo）聲頭與滑環及電刷（shuā）安裝在機床（chuáng）的主軸係統（tǒng）內，超聲波發生器和變頻電源外置。超聲頭安（ān）裝於主軸係統的滾筒內，滑環以平（píng）鍵與滾筒連接，電刷安裝在主軸係統的底板上，其碳（tàn）刷與滑環切向（xiàng）接觸，為超聲頭中的陶瓷換能器供電（diàn）。其中超聲主軸在旋轉超聲加工中是核心部件，其性能直接影響到加工質量（liàng）、加（jiā）工（gōng）效率和主軸的壽命。因此在超聲主軸變（biàn）幅杆的設計過程中，需要從實際條（tiáo）件和實際需求出發，利（lì）用解析法確定變幅杆的大致尺寸及裝配尺寸，在此基礎上利（lì）用有限元對該裝配進行模態分析驗證。

     切削液係統

     切削液（yè）係統包括自吸清水泵、出口（kǒu）閥門、出水管、冷卻管閥門、冷卻管及噴嘴、回流（liú）管、入水管及水箱。

     其中自吸清水泵擁有過濾功能，揚程10m，保證切削液回路的動力供應。出口閥門位於自（zì）吸清（qīng）水（shuǐ）泵的（de）出水處，可（kě）調節切削液（yè）出水速（sù）度，在停止使用時關閉閥門可防止出水口空氣進入（rù）泵內（nèi）而（ér）導致泵內氣壓增大。出水（shuǐ）管由豎直和（hé）水平兩段四分鐵管組成，豎（shù）直鐵管安裝（zhuāng）在出口閥門（mén）上，水平鐵管固定於機床立柱側麵，中間用蛇皮軟管連接（jiē），保證（zhèng）水路暢（chàng）通的同時增加了係統（tǒng）的（de）柔性。冷卻管閥門連接（jiē）水平出水管及冷卻管，可根據加工需要隨時調節切削液的流量（liàng）大小（xiǎo）。回流采用在機床台麵左右兩側各打一個通孔，再以（yǐ）管道接回水箱的方（fāng）式。入水管采用植入螺旋型鐵絲的塑料管，方便連（lián）接且能（néng）不因工作時的負壓導致管路變形。水箱（xiāng）分為進水部分和出水部（bù）分。進水處安裝一層過（guò）濾網以保證水箱內切削液（yè）的清潔；出水部分蓋板隻留出供入水管進入的孔，方便入水管（guǎn）的固定並（bìng）保證水箱（xiāng）內切削液的清潔；底部裝有滾輪，方便拖出及更換切削液。