旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計

徐超亮，湯曉華，夏天煜，馮緒清

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理

旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)是集傳統(tǒng)金剛石磨削加工和超聲加工(USM)于一體的復(fù)合加工技術(shù)，是加工硬脆材料的一種有效加工方式［1］，刀具隨主軸做高速旋轉(zhuǎn)的同時沿著軸向做超聲頻振動。材料的去除主要依靠傳統(tǒng)超聲加工和磨削加工的復(fù)合，旋轉(zhuǎn)超聲加工原理如圖1 所示［2］，具有加工精度高、切削力小以及加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是加工硬脆材料比較理想的方法。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理圖

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展歷程

1927年，美國物理學(xué)家伍德(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(jìn)行雕刻和快速鉆孔。1951年，美國的科恩 (KOLN)制成第一臺實用的超聲加工機(jī)［3］。1964年，英國人LEGGE 提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石刀具的旋轉(zhuǎn)超聲加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。在20 世紀(jì)70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、聲光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段;超聲車削、鉆孔、鏜孔，已處于試驗性生產(chǎn)設(shè)備原形階段;超聲振動切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)［4］。

我國超聲加工的研究始于20 世紀(jì)50年代末。20世紀(jì)60年代，中國成功研制了超聲振動加工深小孔的機(jī)床。1973年，上海超聲波電子儀器廠研制了CNM-2 型超聲研磨機(jī)。1984年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成功研制了超聲旋轉(zhuǎn)加工樣機(jī)，該樣機(jī)功率為400 W，工作頻率為7～22 kHz，加工精度為:圓柱度0.03 mm，圓度小于0.005 mm［5］。清華大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出了完全數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)由Z 軸進(jìn)給控制、旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制、自動頻率跟蹤控制等功能模塊組成［6］。天津大學(xué)也在旋轉(zhuǎn)超聲加工方面做出了很多研究［7］，對機(jī)床進(jìn)行了模塊化設(shè)計研究。河南理工大學(xué)研究設(shè)計了旋轉(zhuǎn)超聲銑頭裝置，該裝置作為立式數(shù)控銑床的一種附件，可安裝在立式數(shù)控銑床上，方便裝卸［8］。

3 旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床整體包括旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床本體、多軸聯(lián)動電控系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)、切削液系統(tǒng)等。如圖2 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床

3.1 旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床

機(jī)床本體包括W、X、Y、Z 四軸，工作臺支架，機(jī)床外罩和機(jī)床底座。W、X、Y、Z 四軸，即旋轉(zhuǎn)軸加上水平兩軸和垂直運(yùn)動一軸，其中旋轉(zhuǎn)軸采用步進(jìn)電機(jī)控制，其余三軸均采用交流伺服電機(jī)連接絲杠帶動工作臺移動的方式;X、Y、Z 三軸均安裝有正、負(fù)、零限位，保證軸的往復(fù)運(yùn)動行程安全及準(zhǔn)確回零，同時三軸均安裝了光柵尺，其精度為1 000 pulse/mm，保證工作臺的位置反饋和精確運(yùn)動。其中Z 軸為垂直運(yùn)動軸，其工作臺上安裝有機(jī)床主軸系統(tǒng)，質(zhì)量約為50 kg，故Z 軸電機(jī)帶有抱閘功能，以保證Z 軸滑臺在電機(jī)非使能狀態(tài)下不下滑。工作臺支架用20 mm 厚鋼板焊接，其頂端安裝高精度三角卡盤用于工件的夾持，總高度為600 mm，以保證工件具有足夠高度與主軸刀具接觸。

機(jī)床外罩固定于機(jī)床底座上，分為上下兩部分，上半部分包括背板、左右側(cè)板和前面板，其中左右側(cè)板分別裝有一扇可拉開的旋轉(zhuǎn)門，以供方便維修及查看機(jī)床;前面板裝有滑槽和兩扇可裝卸的推拉玻璃門，方便在機(jī)床加工時觀察，機(jī)床檢修時可卸下;四板相互連接及與機(jī)床連接處均涂有防水膠，防止切削液的泄漏。下半部分包括左、右、前三塊板，機(jī)床后方下半部分無遮擋，方便切削液回路的布設(shè)。

機(jī)床底座承受整座機(jī)床的質(zhì)量，四角均有高度調(diào)節(jié)滑槽及固定螺釘，以保證機(jī)床在固定安裝后其臺面的水平度。

3.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括控制器，W、X、Y、Z 四軸及主軸驅(qū)動器，24 V 開關(guān)電源，光耦電路板，繼電器和保險絲?？刂破饕訟CR9000 為核心，采用全閉環(huán)回路，速度控制模式，ACR9000 控制器型號為P3U8M0，即可以有USB 口、串口、以太網(wǎng)口為通信接口，具有八軸聯(lián)動功能、程序及配置掉電保持功能?？刂破髟谝M(jìn)X、Y、Z 三軸光柵尺信號的同時，引進(jìn)了三軸電機(jī)的編碼器信號，方便查看電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時在其開關(guān)量輸入接口接入了三軸的正、負(fù)、零開關(guān)信號，以設(shè)置軟件限位和軟件零位。主軸電機(jī)配置為軸A，只有編碼器反饋信號，采用位置控制模式。X、Y、Z 三軸限位信號與控制器接口均采用光耦隔離的方式連接，Z 軸抱閘打開動作從ACR9000 控制器發(fā)出的Z 軸使能信號接出，采用光耦隔離后，接入繼電器給Z 軸電機(jī)抱閘電路供電，以保證使用安全。如圖3 所示。

圖3 電控系統(tǒng)

3.3 超聲振動系統(tǒng)

超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、變頻電源、超聲頭、滑環(huán)及電刷組成，如圖4 所示，其中超聲頭與滑環(huán)及電刷安裝在機(jī)床的主軸系統(tǒng)內(nèi)，超聲波發(fā)生器和變頻電源外置。

圖4 超聲振動系統(tǒng)

超聲頭安裝于主軸系統(tǒng)的滾筒內(nèi)，滑環(huán)以平鍵與滾筒連接，電刷安裝在主軸系統(tǒng)的底板上，其碳刷與滑環(huán)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(zhuǎn)超聲加工中是核心部件，其性能直接影響到加工質(zhì)量、加工效率和主軸的壽命。因此超聲主軸變幅桿的設(shè)計需要從實際條件和實際需求出發(fā)，利用解析法確定變幅桿的大致尺寸及裝配尺寸，在此基礎(chǔ)上利用有限元對該裝配進(jìn)行模態(tài)分析驗證［9］。

3.4 切削液系統(tǒng)

切削液系統(tǒng)包括自吸清水泵、出口閥門、出水管、冷卻管閥門、冷卻管及噴嘴、回流管、入水管及水箱，如圖5 所示。

圖5 切削液系統(tǒng)

其中自吸清水泵擁有過濾功能，揚(yáng)程10 m，保證切削液回路的動力供應(yīng)。出口閥門位于自吸清水泵的出水處，可調(diào)節(jié)切削液出水速度，在停止使用時關(guān)閉閥門可防止出水口空氣進(jìn)入泵內(nèi)導(dǎo)致泵內(nèi)氣壓增大。出水管由豎直和水平兩段4 分鐵管組成，豎直鐵管安裝在出口閥門上，水平鐵管固定于機(jī)床立柱側(cè)面，中間用蛇皮軟管連接，保證水路暢通的同時增加了系統(tǒng)的柔性。冷卻管閥門連接水平出水管及冷卻管，可根據(jù)加工需要隨時調(diào)節(jié)切削液的流量大小?；亓鞑捎迷跈C(jī)床臺面左右兩側(cè)各打一通孔，再以管道接回水箱的方式。入水管采用植入螺旋型鐵絲的塑料管，方便連接且不因工作時的負(fù)壓導(dǎo)致管路變形。水箱分為進(jìn)水部分和出水部分，進(jìn)水處安裝一層過濾網(wǎng)以保證水箱內(nèi)切削液的清潔，同時出水部分蓋板只留出供入水管進(jìn)入的孔，方便入水管的固定及保證水箱內(nèi)切削液的清潔，底部裝有滾輪，方便拖出更換切削液。

4 結(jié)束語

目前，自行研發(fā)的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床已經(jīng)能實現(xiàn)4 軸聯(lián)動，并且各軸運(yùn)動穩(wěn)定、精確，為后期開展研究旋轉(zhuǎn)超聲加工表面質(zhì)量試驗和刀具磨損試驗研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］張承龍，馮平法.旋轉(zhuǎn)超聲鉆削的切削力數(shù)學(xué)模型及試驗研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2011，47(15):149 -155.

［2］牛進(jìn)毅，苗岱，李永珍.旋轉(zhuǎn)超聲加工在工程陶瓷中的運(yùn)用［J］.物流工程與管理，2012(7):135 -137.

［3］THOE T B，ASPINWALL D K，WISE M L H.Review on Ultrasonic Machining［J］.Int J Mechanical Tools Manufacture，1988，38(4):239 -255.

［4］機(jī)電工業(yè)部蘇州電加工機(jī)床研究所.電加工［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［5］張勤儉，楊小慶.超聲加工技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.電加工與模具，2012(5):11 -15.

［6］鄭書友，馮平法，徐西鵬.旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)研究進(jìn)展［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，49(11):1799 -1804.

［7］王懷斌，宮虎，房豐洲.旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)的研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2010(4):12 -17.

［8］袁小飛，成全，王燕，等.關(guān)于立式數(shù)控銑床旋轉(zhuǎn)超聲銑頭的研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010(11):150 -152.

［9］夏天煜，湯曉華，羅紅旗，等.旋轉(zhuǎn)超聲加工變幅桿有限元分析［J］.木材加工機(jī)械，2011(6):1 -3.