旋轉超聲加工（RUM）已經被廣泛用於加工各種硬脆材料，是一種新型的（de）複合加工方法。目前，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（lián）動，為後期展開超聲試驗奠定了基礎（chǔ）。

      旋（xuán）轉超聲加工原理

      旋轉超聲加工是集（jí）傳統金剛（gāng）石磨削加工和超聲加工（USM）於一體的複合加工技術（shù），是加工硬脆材料的一種（zhǒng）有效加工方式，刀具隨主（zhǔ）軸做（zuò）高速旋轉的同時沿（yán）著軸向做超聲（shēng）頻振動。材料的（de）去除主（zhǔ）要（yào）依靠傳統超聲加工（gōng）和磨削加工（gōng）的複合。

     
        旋轉超聲加工技術的發展曆程

     1927年，美國物（wù）理學家伍（wǔ）德（R W. Wood）和盧米斯（sī）（A.E Loomis）做了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進行（háng）雕刻和快速鑽孔。1951年，美國的科恩（Koln）製成第一台實（shí）用的（de）超聲加工（gōng）機。1964年，英國人Legge提出使用燒結或電鍍金（jīn）剛石刀具的旋轉超（chāo）聲加工方法（fǎ），克服了一般超（chāo）聲加工（gōng）深孔時加工速度低和精度差的缺點。在70年代中期，美國（guó）在超聲鑽中心（xīn）孔、磨削、拉管和焊（hàn）接等方麵，已處於生產（chǎn）應用階段。超聲車削、鑽孔、鏜孔，已處於試驗性生產設備（bèi）原形階（jiē）段。通過工業應用的超聲振（zhèn）動切削係統，目前已形成部分標準。

     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（shēng）振（zhèn）動加工深小孔的（de）機床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研（yán）製出CNM-2型超聲研磨機（jī）。1984年，中（zhōng）國科學院聲學研究所成功研製超聲（shēng）旋轉加工樣機（jī），該樣機（jī）功率為400W，工作頻率為7～22kHz，加工精度為（wéi）：圓柱度0.03mm，圓度小於0.005mm。清華（huá）大（dà）學已經（jīng）開發出完全（quán）數控化的（de）旋轉超聲加工機床，其數（shù）控係統由Z軸（zhóu）進給（gěi）控製、旋轉電機控製、自動頻率跟（gēn）蹤控製（zhì）等功能模塊組成。天津大（dà）學也在旋轉超聲（shēng）加工方麵（miàn）做出了很多研究，並對機床進（jìn）行了模塊化設（shè）計研（yán）究。河南理工（gōng）大學（xué）研究設計了旋（xuán）轉超聲銑頭裝置，該裝置作為（wéi）立式（shì）數（shù）控銑床的一種附件，可安裝在立式數控（kòng）銑床上，方便裝卸。

     旋轉超聲（shēng）機床的機電係統（tǒng）設計

     旋（xuán）轉超聲機（jī）床包（bāo）括旋轉超聲機床本體（tǐ）、多軸聯（lián）動電控係統、超聲振（zhèn）動（dòng）係統（tǒng）、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（zhào）和機床底座。W、X、Y、Z四軸，即旋轉軸加上水平兩軸（zhóu）和垂直運動一軸，其中旋轉軸采用步進（jìn）電機控製，其餘三軸均采用交流伺服電機連接絲杠帶動工作台移動的方式。X、Y、Z三軸均安裝有正、負、零限（xiàn）位，保證軸的往複（fù）運動行程安全及準確回零（líng），同時三軸均安（ān）裝了（le）光柵尺，其精度為（wéi）1,000 pulse/mm，保證工作台的位置反饋和精確運動。Z軸為垂直運（yùn）動軸，其工作台上安裝有機床主（zhǔ）軸係統，重量約為50kg，故Z軸電機帶有（yǒu）抱閘功能，以保證Z軸滑台在（zài）電機非使能狀態下（xià）不下滑。工作台（tái）支架（jià）用20mm厚鋼板焊接，其頂端安裝高精度三角卡盤用於工件的夾持，總（zǒng）高度為600mm，以保（bǎo）證工（gōng）件具有足夠高度與主軸刀具接觸（chù）。

     機床外罩固定於機床（chuáng）底座上（shàng），分為上下（xià）兩部分：上半部分（fèn）包括背板、左右側板（bǎn）和前麵板，其中左右側板分別裝有一扇可拉開的（de）旋轉門，以方便維修及查看機床。前麵板（bǎn）裝有滑槽和兩扇可裝卸（xiè）的推（tuī）拉玻璃門，方便在機床加工時觀察，在機床檢修時可卸下（xià）。四板相互連接且與（yǔ）機床連接處均塗有防水膠，防止切削液的泄漏；下半部分包括左、右、前三塊板，機床後方下半部（bù）分無遮擋（dǎng），方便切削液回路（lù）的布設（shè）。

     機床底座承（chéng）受整座機床的重（chóng）量，四（sì）角均有高（gāo）度調節滑槽及固定螺釘，以保（bǎo）證機床在固定安裝後，其台麵的水平度。

     電（diàn）控係統

     電控係統包（bāo）括控製器、W、X、Y、Z四軸及主軸驅動器、24V開關電源、光耦電路板、繼電器和保險絲。控製器（qì）以ACR9000為核心，采用全閉環回（huí）路、速度控製模式，ACR9000控製器型號（hào）為P3U8M0，即有USB口、串口、以太網口為（wéi）通訊（xùn）接口，具有八軸聯動功能，程序及配置掉（diào）電保持功能。控製器在引進X、Y、Z三軸光柵尺信號的同時，引進了三軸電（diàn）機的編碼（mǎ）器信號，方便查看電機的（de）運行狀態。同時在其開（kāi）關量輸入接口（kǒu），接入了三軸的（de）正、負、零開關信號，以設置軟件限位（wèi）和軟（ruǎn）件零位（wèi）。主軸電機配置為軸（zhóu）A，隻有編碼器反饋信號，采用位置控製模式。X、Y、Z三軸限位信號與控製器接口均采用光耦隔離的方式連接，Z軸抱閘打開動（dòng）作從ACR9000控製器發出的（de）Z軸使能信號接出，采用光耦隔離後，接入繼電器給（gěi）Z軸電（diàn）機抱閘電路（lù）供電（diàn），以保證使用安全。

     超聲振動（dòng）係統

     超聲振動係統由超聲波發（fā）生器、變頻電源、超（chāo）聲頭、滑環及電（diàn）刷組成，其中超聲頭與滑環及電刷安裝在機床的主（zhǔ）軸係統內，超聲波發生器和變頻電源外置。超聲頭安裝於主軸係統的滾筒內，滑環以平鍵與（yǔ）滾筒連接，電刷安裝在主軸係統的底板上，其碳刷與（yǔ）滑環（huán）切向接觸（chù），為超聲頭中的陶（táo）瓷（cí）換能器供電（diàn）。其中超聲主軸在旋（xuán）轉超聲加工中是核心部件（jiàn），其性能直接影響到加工質量、加工效率和主軸的壽命。因此在超（chāo）聲主軸變幅杆的設計過程中，需要從實際條（tiáo）件和實際需求出發，利用解（jiě）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（xī）驗證。

     切削（xuē）液係統

     切削液係統包括自吸清水泵（bèng）、出口閥門、出水管、冷卻管閥門、冷卻（què）管及噴嘴、回流管、入水管及水箱。

     其（qí）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。出口閥門位於自吸清水泵的出水處，可調節切削液出（chū）水速度，在停止使用時關（guān）閉閥門可防止出水口（kǒu）空氣進入泵內而導致（zhì）泵內氣壓增大。出水管由豎直和水平兩段四（sì）分鐵管組（zǔ）成，豎直鐵管安（ān）裝在出口閥（fá）門上，水平鐵管固定於機床立柱（zhù）側麵，中間用蛇皮軟管連接（jiē），保證（zhèng）水路暢通的同時增加了係統的柔性。冷卻管（guǎn）閥門連接水平出水管及冷卻管，可根（gēn）據加工需（xū）要隨時調節切削液的流量（liàng）大小。回（huí）流采用（yòng）在機床台麵左右兩側（cè）各打一個（gè）通孔，再以管道接（jiē）回水箱的方式。入水管采用（yòng）植入螺旋型鐵絲的塑料管，方便連接且能不因工作時的負壓導致管路變形。水箱分為進水部分和出水部分。進水（shuǐ）處安裝一層過濾網以保證水箱內切削（xuē）液的清潔；出水部分蓋板隻（zhī）留出供入水管進入的孔，方便入水管的固定並保證水箱內切（qiē）削液（yè）的清潔；底部裝有滾（gǔn）輪，方便拖出及更換切（qiē）削液。