旋轉超聲加工（RUM）已經被廣（guǎng）泛用於加工各種硬脆材（cái）料，是一種新型的複合加工方法。目前（qián），旋轉超聲機床已經完成（chéng）4個自由度的機電係統設計，並實現四軸聯動，為後期（qī）展開超聲試驗奠定了基礎（chǔ）。

      旋轉超聲加工原理

      旋轉超聲加（jiā）工（gōng）是集（jí）傳統金剛石磨削加工和超聲加工（USM）於（yú）一體的複合加工技術，是加工硬脆材料的（de）一種有效加工方式，刀具隨主軸做高速旋轉的同時沿著軸向做超聲頻振動。材料的去除（chú）主要依靠（kào）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，利用超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鑽孔。1951年（nián），美國的科（kē）恩（Koln）製成第一台實用的超聲加工機。1964年，英（yīng）國人Legge提出使（shǐ）用燒結或電鍍金剛石刀具的旋轉超聲加工方法（fǎ），克服了一般超聲加工（gōng）深孔時加工速度低和精度差的缺點。在70年代中期，美國在超聲鑽中心孔、磨削、拉管和焊接等方麵，已（yǐ）處於生產應用階段。超（chāo）聲車削、鑽孔（kǒng）、鏜孔，已處於（yú）試驗性生產設備原形階段。通過工業（yè）應用的超聲（shēng）振動切削係統，目前已形成部（bù）分標準。

     中（zhōng）國超聲加工的研究始於20世紀50年代（dài）末期。20世紀60年代，中國成功研製了超（chāo）聲振動加工深小（xiǎo）孔的機床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研（yán）製出CNM-2型超聲研磨機。1984年（nián），中國科學院聲學研究所成功（gōng）研製超聲旋轉加工（gōng）樣機，該樣機功率為400W，工作頻率為（wéi）7～22kHz，加（jiā）工（gōng）精度為（wéi）：圓（yuán）柱度0.03mm，圓度小於0.005mm。清華大學已經開發出完全（quán）數控化的旋轉超聲加（jiā）工機床，其數控係統由Z軸進給控製、旋轉電機控（kòng）製、自動頻率跟蹤控製等功能模塊組成。天津大學（xué）也在旋（xuán）轉超聲加工方麵做（zuò）出了很多研究（jiū），並對機床進行了模塊化設（shè）計（jì）研究。河南理工大學研究（jiū）設計了旋轉超聲銑頭裝置，該裝置作為立式數控銑床的一（yī）種（zhǒng）附件，可安裝在立式數控銑床（chuáng）上，方便裝卸。

     旋轉超聲機床的機電係統（tǒng）設計（jì）

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

     旋（xuán）轉超聲（shēng）機床結構

     機床本體包括W、X、Y、Z四軸、工作台支架、機床外（wài）罩和機床底座。W、X、Y、Z四軸，即（jí）旋轉軸加上水平兩軸和垂直運動一軸，其中旋轉軸采用步（bù）進電機控製，其餘三軸均采用交流伺服電（diàn）機連（lián）接絲杠帶動工作台移動的方式。X、Y、Z三軸均安（ān）裝有正（zhèng）、負、零限位，保證軸的往複運動行程安全及準確（què）回零（líng），同時三軸均安裝了光柵尺，其精（jīng）度為1,000 pulse/mm，保證工作（zuò）台的位置反（fǎn）饋和精確運動。Z軸為垂直運動軸，其工作台上安裝有機床（chuáng）主軸係（xì）統，重量約為50kg，故（gù）Z軸電機帶（dài）有抱閘功能，以保證Z軸滑台在電機非使能狀態下不下滑。工作台支（zhī）架用（yòng）20mm厚鋼板焊接，其頂端安裝高（gāo）精度三角卡盤用於工件的夾持，總（zǒng）高度為600mm，以保證工件具有足夠高度與主軸刀具（jù）接觸。

     機床外罩固定於機床底（dǐ）座上，分為上下兩部分：上半部分包括背板、左右側板和前（qián）麵板，其中左右（yòu）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（chuáng）。前麵板裝有滑（huá）槽和兩扇可裝卸的推拉玻璃門，方便在機床加工時觀察（chá），在機床檢（jiǎn）修時可卸下（xià）。四板相互連接且與機床連接處均塗有防水膠，防止切（qiē）削液的泄漏；下半部分包括左（zuǒ）、右、前三塊（kuài）板，機床後方下半部分無遮擋，方便切削（xuē）液回路的（de）布設（shè）。

     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（gù）定螺釘，以保證機床在固定安裝後，其台麵（miàn）的（de）水平度。

     電控係統

     電控係統包（bāo）括控製器、W、X、Y、Z四軸（zhóu）及主軸驅動器、24V開關電源、光耦電路板、繼電器（qì）和保險（xiǎn）絲。控製器以ACR9000為（wéi）核心，采用全閉環回路、速度控製模式，ACR9000控製器型號（hào）為P3U8M0，即（jí）有USB口、串口、以太網（wǎng）口（kǒu）為通訊接口，具有八軸聯動功能，程（chéng）序及配置掉電保持功能。控製器在引進（jìn）X、Y、Z三軸光柵尺信號的同時，引進了三軸電（diàn）機的編碼器信號（hào），方便查看電機的（de）運行狀（zhuàng）態。同時在其開關量輸入接口，接入了三軸的正、負、零開關信號，以設置軟件限位和（hé）軟件零位。主（zhǔ）軸電（diàn）機配置為軸A，隻有編碼器（qì）反饋信號，采用位置控製（zhì）模式。X、Y、Z三軸（zhóu）限位信號與控製（zhì）器接口均采用（yòng）光耦隔離的方式連接，Z軸抱閘打開動作從ACR9000控製器發出的Z軸使（shǐ）能信號（hào）接出，采用光耦隔離後（hòu），接入繼（jì）電器給Z軸電機抱閘電路供電，以保證使用（yòng）安全。

     超聲（shēng）振動係統

     超聲振動係統由超（chāo）聲波（bō）發生器、變（biàn）頻電源（yuán）、超聲頭、滑環及（jí）電刷組成（chéng），其中超聲頭與滑環及電刷安（ān）裝在機床的主軸係統內，超聲波發生器（qì）和變頻（pín）電源外置。超（chāo）聲頭安裝於主軸係統的（de）滾筒內（nèi），滑環以平鍵與滾筒連接，電（diàn）刷安裝（zhuāng）在主軸（zhóu）係統的底板上，其碳（tàn）刷（shuā）與滑環切向接觸，為超聲頭中的陶瓷換能器供電。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、加工（gōng）效率和主軸的壽命。因此在超聲（shēng）主軸變（biàn）幅杆的設計過程中，需（xū）要從實際條件和實際（jì）需求出發，利（lì）用解析法確定變幅杆的大致尺寸及裝配（pèi）尺寸，在此基（jī）礎上利用有限元對該裝配（pèi）進行模態分析驗證（zhèng）。

     切削液係統

     切削液（yè）係統包括（kuò）自吸清水泵（bèng）、出口閥門、出水管、冷卻管（guǎn）閥門、冷卻管及噴嘴、回（huí）流管、入水管及水箱。

     其中自吸清水泵擁有過濾（lǜ）功能，揚程10m，保證切（qiē）削液回路的動力供應。出口閥門位於自吸清水泵的出水處，可調節切削液出水速度，在（zài）停止使用時關閉閥門可防（fáng）止（zhǐ）出水口空氣進入泵內而導（dǎo）致泵內氣壓增大（dà）。出水管由豎直和水平兩段四分鐵管組成，豎直鐵管安裝在出口閥門上，水平鐵管（guǎn）固定於（yú）機床立柱側麵（miàn），中間用蛇皮（pí）軟管連接，保證水路暢通的同時增加了係統的柔性。冷卻管閥門連接水平出水管及冷卻管，可根據加工需要隨時調節切（qiē）削液的流量大小。回流采用在機（jī）床台麵左右兩側各打一個通孔，再以管道接回水箱的方式。入水管采用植（zhí）入螺旋型鐵（tiě）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（xiāng）分為（wéi）進水部分和出水部（bù）分。進水處安裝一層過濾網以保證水箱內切削液的清潔；出水部分蓋板隻留出供入水管進入的孔，方便入水管的（de）固定並保證（zhèng）水（shuǐ）箱內切削液的（de）清潔；底部裝有滾輪，方便拖出及更換切削液。