旋轉超（chāo）聲（shēng）加工（RUM）已（yǐ）經被廣泛（fàn）用於加（jiā）工各種硬脆材料，是一種新型的複合加工方法。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（zhóu）聯動，為後期（qī）展開超聲試驗奠定了基礎（chǔ）。

      旋轉超聲（shēng）加（jiā）工原理

      旋轉超聲加（jiā）工是集傳統金（jīn）剛石磨削加（jiā）工（gōng）和超（chāo）聲加（jiā）工（USM）於一體的複合加工技術，是加工硬脆材料的一種有效加工方式，刀具（jù）隨主軸做高速（sù）旋轉的同時沿著軸向做超聲頻振動。材料的去（qù）除主要依靠傳（chuán）統超聲加工和磨削加工的複合。

     
        旋轉（zhuǎn）超聲加工技術的發展曆程

     1927年，美國物理（lǐ）學家伍德（R W. Wood）和盧米斯（sī）（A.E Loomis）做了超聲（shēng）加工試驗，利用超聲振（zhèn）動對（duì）玻璃板進行雕刻和快速鑽孔。1951年，美國（guó）的科恩（Koln）製成第一台實用的超聲加（jiā）工機。1964年，英國人Legge提出使用燒結（jié）或電鍍金剛石刀具的旋轉超聲（shēng）加工（gōng）方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的（de）缺點。在70年代中期（qī），美國在（zài）超聲鑽中（zhōng）心（xīn）孔、磨削、拉管和焊接等方麵，已處（chù）於（yú）生產（chǎn）應（yīng）用階（jiē）段。超聲車削、鑽孔、鏜孔，已處於試驗性生產設備原形（xíng）階段。通過工業應用（yòng）的（de）超聲振（zhèn）動切削係統，目前（qián）已形成部分標準。

     中國超聲加工（gōng）的（de）研究始於20世（shì）紀50年（nián）代末期。20世（shì）紀60年代，中國成功研製了超聲振動加工深小（xiǎo）孔的機床。1973年，上海超（chāo）聲波電子儀器廠研製出CNM-2型（xíng）超聲（shēng）研磨機。1984年，中國科學院聲學研究所成功研製超聲（shēng）旋轉加工樣機，該樣機功率為400W，工作頻率為7～22kHz，加工精度為：圓柱度0.03mm，圓（yuán）度小（xiǎo）於0.005mm。清華大學已（yǐ）經開發出完全數控化的旋轉超聲加工機床，其數控係統由Z軸進給控製、旋轉電機（jī）控製、自動（dòng）頻（pín）率跟蹤控製等功能模塊組成。天津大學也在旋轉超聲（shēng）加工（gōng）方麵做（zuò）出了很多研究，並對機床進行了模塊化設計研究。河南理工大學研究設計了旋（xuán）轉超聲銑（xǐ）頭裝置，該裝置作為立式數控銑床的一種附（fù）件，可安裝在立式數控銑床上，方便裝卸。

     旋轉超聲機床的機電係統設計

     旋轉超聲機（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、切削液係統等。

     旋轉超聲機床結構

     機床本體包（bāo）括W、X、Y、Z四軸、工作台支架（jià）、機床外罩和機床底座。W、X、Y、Z四（sì）軸，即旋轉軸加上（shàng）水平兩軸（zhóu）和（hé）垂直運動一軸，其中（zhōng）旋轉軸采用步進電（diàn）機控製，其餘三軸均采用交流伺服電機（jī）連（lián）接絲杠帶動工（gōng）作台移動的方式。X、Y、Z三軸均安（ān）裝有（yǒu）正、負、零限位，保證軸的（de）往複運動行程安全及準確回零，同時三軸均安裝（zhuāng）了（le）光柵尺，其精度（dù）為1,000 pulse/mm，保證工作台的位置反饋和精確運動。Z軸為垂（chuí）直運動軸，其工作（zuò）台上安裝有（yǒu）機床主軸係統，重（chóng）量約為（wéi）50kg，故Z軸電機帶有抱閘功能，以保證Z軸（zhóu）滑台在電機非使（shǐ）能狀（zhuàng）態下不下滑（huá）。工作台支架用20mm厚鋼板焊接，其頂端（duān）安裝（zhuāng）高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（zhóu）刀具接觸。

     機（jī）床外罩固定於機床底座上，分為上下兩部分：上半部（bù）分包（bāo）括背板、左右側板和前麵板（bǎn），其中左右側（cè）板分（fèn）別裝有一扇可拉開的旋轉門，以方便維（wéi）修及查看機床。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（shí）觀察，在機床檢修時可卸下。四板相互連接且與（yǔ）機床連接處均塗（tú）有防水膠，防止切削液的泄漏（lòu）；下半部分包括左、右、前三塊板，機床後方下半（bàn）部分無（wú）遮擋，方便切（qiē）削液回路的布設（shè）。

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

     電控係統

     電控係統包括控製器、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控製器型號為P3U8M0，即有USB口、串口、以太網口為通訊接口（kǒu），具有八軸（zhóu）聯動功能，程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（shí），引進了三軸電機的編碼器信號，方（fāng）便查看電機的運行狀態（tài）。同時在（zài）其開關量輸入接口，接入了（le）三軸的正、負、零開關信號，以設置軟件（jiàn）限位和軟件（jiàn）零位。主（zhǔ）軸電機配置為軸A，隻有編碼器反饋信號，采（cǎi）用位置控製（zhì）模式。X、Y、Z三軸（zhóu）限位信號與控製器接口均采用光耦隔離的方式連接，Z軸抱閘打開動作從（cóng）ACR9000控製器發出的（de）Z軸使能信號接出，采（cǎi）用光耦隔離（lí）後，接入繼電器給Z軸（zhóu）電機抱閘（zhá）電路供電，以（yǐ）保證使用安（ān）全。

     超聲振（zhèn）動係統

     超聲振（zhèn）動係統由超聲波發生器、變（biàn）頻電源、超聲頭、滑環及電刷組成，其中（zhōng）超（chāo）聲頭與滑環及電刷安裝在機床的主軸係統內，超聲（shēng）波發生器和變頻（pín）電源外置。超聲頭安裝於主（zhǔ）軸係統的滾筒內，滑環以平鍵與滾筒連（lián）接（jiē），電刷安裝在主軸係統的底板上，其碳（tàn）刷與滑環切向接（jiē）觸，為超聲頭中的陶瓷換能器供電。其中超聲主（zhǔ）軸在旋轉超聲（shēng）加工中是核心部件，其性能（néng）直接影響到加工質量、加工效率和主軸的壽命。因此在超聲主軸變幅（fú）杆的設計過程中（zhōng），需要從實際條件和（hé）實際需求出發，利用（yòng）解析法確定變幅杆的大致（zhì）尺（chǐ）寸及裝配（pèi）尺寸，在此基礎上利用有限（xiàn）元（yuán）對該裝配進行模態分析驗證。

     切削液係統

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

     其中自吸清水泵擁有過濾功能，揚（yáng）程10m，保證切削液回路的動（dòng）力供（gòng）應。出口閥門位於自吸清水泵的出水處，可調節切削液（yè）出水速度，在停止使用時關閉閥門可防止出水口空氣進入泵內（nèi）而導致泵內氣壓增大。出水管由豎直和水平兩段四分鐵管（guǎn）組成，豎直鐵管安裝在出口（kǒu）閥（fá）門上（shàng），水平鐵管固定於機床立（lì）柱側麵，中間用蛇皮軟管連接，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（jí）冷卻管，可根據加工需（xū）要隨時調節切削液的流量（liàng）大小。回流采用在機（jī）床台麵左右兩側各打一個通（tōng）孔，再以（yǐ）管道接回（huí）水箱的方式（shì）。入（rù）水管采用植（zhí）入螺旋型鐵絲的塑料管，方便連接且能不因工作時（shí）的負壓導致管路變形。水箱（xiāng）分為進水部分（fèn）和出水部分。進水處安裝一層過濾網以保（bǎo）證水箱內切削液（yè）的清潔；出（chū）水部分蓋板隻留出供入水管進入的孔，方（fāng）便入水管的固定並保證水箱內切削液的清潔；底部（bù）裝有（yǒu）滾輪，方便拖出及更換切削液。