normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">旋转超声加工（简称RUM）已经被广泛应用于不同行业来加工各种硬脆材料。本文旨在用自行研制的旋转超声加工机床对氧化锆陶瓷、低碳钢螺栓进行超声加工表面质量分析试验，并利用Taylor Hobson表面粗糙度仪和Keyence超景深显微镜对工件表面粗糙度进行检测和观测。试验结果表明：旋转超声加工比传统机械加工能得到更好的微观几何表面质量，并且对于加工硬脆材料更具有优势。
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">RUM (Rotary ultrasonic machining) has been widely used for machining hard-brittle material in different industries. This article shows how to detect the surface quality of zirconia ceramics and low carbon steel with Taylor Hobson surface roughness measuring equipment, Keyence microscope and self-made rotary ultrasonic machining tool. The test result shows that RUM can achieve better micro geometric surface quality and is more competitive in machining hard-brittle material.
旋转超声加工（RUM）是集传统金刚石磨削加工和超声加工（USM）于一体的复合加工技术，是加工硬脆材料的一种有效加工方式，刀具随主轴做高速旋转的同时沿着轴向做超声频振动。材料的去除主要依靠传统超声加工和磨削加工的复合，旋转超声加工原理如图1所示，具有加工精度高、切削力小以及加工表面质量好等优点，是加工硬脆材料比较理想的方法。
图1 旋转超声加工原理图。
试验设备
试验设备包括自行研制的旋转超声机床本体、多轴联动电控系统、超声振动系统、切削液系统等。如图2所示。
图2 旋转超声加工机床。
旋转超声机床本体
机床本体包括X、Y、Z三轴、工作台支架、机床外罩和机床底座。X、Y、Z三轴，即水平两轴和垂直运动一轴，均采用交流伺服电机连接丝杠带动工作台移动的方式，三轴均安装有正、负、零限位，保证轴的往复运动行程安全及准确回零，同时三轴均安装了光栅尺，其精度为1,000pulse/mm，保证工作台的位置反馈和精确运动。
电控系统
电控系统包括控制器、X、Y、Z三轴及主轴驱动器、24V开关电源、光耦电路板、继电器和保险丝。控制器以ACR9000为核心，采用全闭环回路，速度控制模式，ACR9000控制器型号为P3U8M0，即可以有USB口、串口、以太网口为通讯接口，具有八轴联动功能，程序及配置掉电保持功能。控制器在引进X、Y、Z三轴光栅尺信号的同时，引进了三轴电机的编码器信号。同时在其开关量输入接口接入了三轴的正、负、零开关信号，以设置软件限位和软件零位。主轴电机配置为轴A，只有编码器反馈信号，采用位置控制模式。X、Y、Z三轴限位信号与控制器接口均采用光耦隔离的方式连接，Z轴抱闸打开动作从ACR9000控制器发出的Z轴使能信号接出，采用光耦隔离后，接入继电器给Z轴电机抱闸电路供电，以保证使用安全。nextpage
超声振动系统
超声振动系统由超声波发生器、变频电源、超声头、滑环及电刷组成，其中超声头与滑环及电刷安装在机床的主轴系统内，超声波发生器和变频电源外置。超声头安装于主轴系统的滚筒内，滑环以平键与滚筒连接，电刷安装在主轴系统的底板上，其碳刷与滑环切向接触，为超声头中的陶瓷换能器供电。
切削液系统
切削液系统包括自吸清水泵、出口阀门、出水管、冷却管阀门、冷却管及喷嘴、回流管、入水管及水箱。其中自吸清水泵有过滤功能，扬程10m，保证切削液回路的动力供应。出口阀门可调节切削液出水速度。
试验过程
试验过程分为金属切削和氧化锆陶瓷切削两部分。金属切削即M14低碳钢螺栓切削，分别对其进行传统机械加工和旋转超声加工，对比两种加工效果的加工表面质量。氧化锆陶瓷切削即主轴对氧化锆进行旋转超声加工，对不同进给方向的氧化锆表面粗糙度进行对比。
金属切削
（1）装卡工件：将M14螺栓装入三角卡盘内卡紧，留出螺栓顶部用于加工，装卡工件完成。
（2）对刀：将X轴工作台移至主轴下方，Z轴电机转动将主轴系统下移至工件表面，以刚过一张纸的距离为准，将工件移至主轴刀具的右前方，留出走刀距离。此时，将X、Y、Z三轴的坐标置零，对刀完成。
（3）传统机械加工：切削液回路打开，主轴系统冷却风扇通电旋转，主轴电机以17r/s速度开始旋转，刀具转速为2,040r/min，X方向每次进给40mm，进给速度为1mm/s，工件以相对刀具的方向即X轴负方向进给，鉴于刀具直径为8mm，进给完毕后，工件以相对刀具的方向即Y轴正方向进给，进给距离为6mm，如此进给2次后，工件表面均被加工一遍，工件表面加工痕迹为4道。X、Y电机轴回零，Z轴进给0.1mm，对工件再实施一次加工，如此5次加工后，工件表面已被传统机械加工方式加工平整。
（4）旋转超声加工：工件表面利用传统机械加工方式加工平整后，打开超声波发生器和变频电源，将供电电压调整至20~30W之间，如图3所示。此时超声头处于良好的谐振状态。Z轴进给0.1mm，按之前传统机械加工X和Y轴的进给速度和进给量对工件进行加工，此时只加工2道，X、Y即轴回零。Z轴再进给0.1mm，将前2道再加工一遍。此时，工件表面加工有一明显台阶，高的部分是传统机械加工的效果，低的部分是旋转超声加工的效果。
图3 超声波发生器和变频电源。
（5）完成加工：关闭超声波发生器和变频电源，关闭主轴电机及主轴系统冷却风扇，关闭切削液回路，取下工件，工件表面加工痕迹清晰可见，如图4。
图4 M14螺栓加工表面。
氧化锆切削
（1）装卡工件：由于氧化锆陶瓷是极硬脆陶瓷材料，为防止氧化锆陶瓷在加工过程中因切削力过大被夹持部分发生破损，将氧化锆陶瓷侧面粘贴绝缘胶带后装入三角卡盘内夹紧，留出氧化锆顶部用于加工，装卡工件完成。nextpage
（2）对刀：将X轴工作台移至主轴下方，Z轴电机转动将主轴系统下移至工件表面，以刚过一张纸的距离为准，将工件移至主轴刀具的右前方，留出走刀距离。此时，将X、Y、Z三轴的坐标置零，对刀完成。
图5 氧化锆陶瓷工件进行旋转超声加工。
（3）氧化锆旋转超声加工：切削液回路打开，主轴系统冷却风扇通电旋转，主轴电机以17r/s速度开始旋转，刀具转速为2,040r/min，打开超声波发生器和变频电源，将供电电压调整至20~30W之间。X方向每次进给40mm，进给速度为1mm/s，工件以相对刀具的方向即X轴负方向进给。进给完毕后，工件以相对刀具的方向即Y轴正方向进给，进给距离为6mm。如此进给2次后，工件表面均被加工一遍，工件表面加工痕迹为4道。X、Y电机轴回零，Z轴进给0.1mm，对工件再实施一次加工，如此5次加工后，氧化锆陶瓷工件表面已被旋转超声加工方式加工平整。
（4）完成加工：关闭超声波发生器和变频电源，关闭主轴电机及主轴系统冷却风扇，关闭切削液回路，取下工件，工件表面加工痕迹清晰可见，如图6。
图6 氧化锆陶瓷工件加工表面。
试验结果检测及分析
利用Taylor Hobson表面粗糙度仪和Keyence超景深显微镜对工件表面粗糙度进行检测。
M14螺栓工件表面粗糙度检测及分析
利用Taylor Hobson表面粗糙度仪分别在传统机械加工表面和旋转超声加工表面进行检测，检测结果如表1所示。
由表1螺栓工件表面粗糙度检测结果可知：传统机械加工表面粗糙度高于旋转超声加工表面粗糙度，旋转超声加工相对于传统机械加工在降低工件表面粗糙度方面更具有优势。并且也可以通过超景深显微镜观测得到同样的结论，如图7，左边为传统机械加工，右边为旋转超声加工。
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图7 螺栓表面两种加工对比放大30倍效果。
氧化锆陶瓷工件表面粗糙度检测
氧化锆陶瓷工件表面粗糙度检测分为4道加工表面分别进行粗糙度检测。根据工件表面实际尺寸，对于边缘的面积较小的1、4两道加工纹道各进行1次粗糙度检测，对于中间部分面积较大的2、3两道加工纹道各进行3次粗糙度检测，同时在与加工纹道垂直的方向对4道加工表面进行3次粗糙度检测，如图8所示，利用Taylor Hobson表面粗糙度仪在氧化锆陶瓷旋转超声加工表面检测，检测结果如表2所示。
图8 氧化锆陶瓷工件表面粗糙度检测。
由表2所示氧化锆陶瓷工件表面粗糙度检测结果可知：
（1）第2道粗糙度、第3道粗糙度和第1至4道粗糙度三组数据中，本组中数据差值较小，说明在旋转超声加工中，氧化锆陶瓷工件表面加工十分均匀。
（2）第1、3道为反向加工，其加工表面粗糙度值分别为0.7360μm和0.7049μm。第2、4道为正向加工，其加工表面粗糙度值分别为0.3240μm和0.4117μm。正向加工的粗糙度值远远小于反向加工的粗糙度值，说明氧化锆陶瓷工件在旋转超声加工中，欲获得较好的表面粗糙度，应采用正向加工的进给方向。
（3）第1至4道粗糙度数据为粗糙度仪探头依次划过1至4道加工表面得出的结果，其检测结果平均值为0.6014μm，位于正向加工的粗糙度结果0.3240μm和0.4117μm与反向加工的粗糙度结果0.7360μm和0.7049μm之间。由此，可得出此次实验中，氧化锆陶瓷工件经旋转超声加工后，其表面粗糙度均值约为0.6014μm。
