随着科学技术的发展,各种高性能的陶瓷材料不断涌现。由于陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能,在机械、电子、航空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。但由于其硬度和脆性高,难以加工,应用受到制造成本的限制。超声加工已被证明是陶瓷、石英、金刚石、半导体等硬脆性材料加工的有效方法。传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大,加工精度和加工效率也不高,因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。研究表明,在传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法,具有良好的发展前景。超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成,其中的变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位,它的主要作用是在其输出端将换能器输入的机械振动的质点位移或速度放大,或者将超声能量集中在较小的面积上。振幅放大比是变幅杆的重要性能参数,对加工过程中的材料去除率有较大影响。各种传统形状的变幅杆各有优点,但都不是最理想的。指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低,降低了加工效率;阶梯形虽然有比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数,但其直径突变引起过高的工作应力,即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力,也要损失较大的振幅放大比。随着有限元理论的完善和相关应用软件的发展,通过计算机直接进行变幅杆的设计成为可能。本文以提高超声加工装置的效率为出发点,设计并制造了旋转超声加工振动装置;通过对变幅杆的研究,设计出具有大振幅比的新型超声变幅杆。主要研究内容有:1.选购大功率超声波发声器与压电式换能器,设计并制造旋转超声加工机床振动装置。2.应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计,求出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。3.基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析与优化设计模块对指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计,通过对比用两种方法分别设计出的变幅杆,验证应用ANSYS有限元设计变幅杆的可靠性。4.应用ANSYS,以三次样条曲线作为变幅杆轴向截面母线,通过对样条曲线形状与变幅杆谐振长度的优化,设计出了一种与传统形状变幅杆相比具有较大振幅放大比的新型变幅杆。5.通过加工实验,检验振动系统运行的可靠性。测量新型变幅杆的谐振频率、节点位置、振幅放大比等参数,检验新型变幅杆的性能。