硬质合金、陶瓷、金属基复合材料等硬脆材料在先进制造领域应用广泛,有着优异的机械、物理和化学性能,但其属于难加工材料,使用传统加工方法会产生许多加工缺陷。超声辅助磨削是一种针对硬脆材料的有效加工方式。杯形砂轮在传统磨削中应用广泛,但杯形砂轮超声振动系统的设计方法还不够完善,未广泛应用于超声磨削。本文设计了一种以杯形砂轮为磨削工具的超声辅助磨削工具系统,搭建了超声辅助磨削试验平台,以颗粒增强型铝基碳化硅复合材料为加工对象,进行了有、无超声磨削加工对比试验,为研究杯形砂轮超声辅助磨削工艺设备提供了理论与技术参考。主要研究工作如下:通过Mindlin中厚盘理论、圆锥杆、圆管纵振理论,建立了杯形砂轮变幅器的理论模型,推导了变幅器设计的频率方程。利用Matlab开发了杯形砂轮变幅器计算机辅助设计软件。利用该设计软件,设计制作了杯形砂轮变幅器,通过阻抗分析试验及超声谐振试验,验证了设计理论的正确性,可将杯形砂轮变幅器应用于超声辅助磨削。基于杯形砂轮变幅器的理论模型,结合变幅器的初始位移条件,建立了杯形砂轮变幅器的位移特性求解方程,通过变幅器设计实例,对变幅器理论、仿真、试验位移曲线进行了对比,验证了位移求解理论的正确性,得出了杯形砂轮变幅器的位移分布规律及其振动模式,并基于其振动模式对杯形砂轮的超声磨削加工过程进行了运动学分析,为研究杯形砂轮超声磨削工件的表面形貌提供了理论依据。以电镀金刚石杯形砂轮为磨削工具头,研制了杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工具系统,该装置可安装在机床主轴上实现超声辅助磨削。对该装置进行了阻抗分析试验、谐振特性试验及振幅测量试验,结果表明该工具系统能够产生稳定的超声振动,阻抗匹配特性较好,振幅达到加工要求,可以进行加工试验。构建了杯形砂轮超声辅助磨削加工试验系统,以铝基碳化硅复合材料试件为加工对象,进行了有、无超声磨削加工对比试验。通过分析对比加工时的磨削力、表面粗糙度、表面形貌等主要指标,评价了所设计的杯形砂轮超声辅助磨削工具系统的性能。