以光学晶体、先进陶瓷和陶瓷基复合材料为代表的硬脆材料在尖端科技领域的应用日趋广泛,然而由于这些材料“又硬又脆”以及复合材料的分层特点,使得其加工效率低、加工损伤严重,例如在制孔过程中极易出现崩边和撕裂等加工损伤问题,严重制约了这些材料的工程应用。旋转超声加工被认为是实现硬脆材料高效精密制孔的有效方法,然而迄今为止硬脆材料制孔的崩边、撕裂等问题仍未得到有效解决。主要原因有:(1)对超声机床的工艺能力认识不足,缺乏制定超声工艺的边界条件。(2)对超声制孔损伤机理认识不足,缺乏超声工艺优化的理论基础,没有形成系统有效的制孔损伤抑制策略。本文选取典型单质及复合硬脆材料,在超声机床工艺能力、材料去除机理、制孔损伤机理、低损伤刀具设计等方面开展研究,形成系统的硬脆材料高效低损伤旋转超声加工技术方案。首先通过理论和实验研究,发现并分析了超声机床的极限工艺能力特性:当轴向切削力超过某一极限值时,机床的超声振幅会被显著抑制,从而失去超声加工的工艺优势。通过建立超声系统的热-力负载特性模型,并结合旋转超声加工的材料去除特性,建立了极限切削力的理论预测模型。结果表明:极限切削力的大小取决于超声机床的空载振幅和能耗水平参数,与工件材料和工艺参数无关,是超声机床的一项固有属性,可作为超声机床的一项设计指标。实际切削力小于机床的极限切削力是保证超声制孔工艺有效的首要条件。对于单质硬脆材料,提出了考虑亚表面损伤的制孔崩边形成机理:制孔加工产生的亚表面损伤在切削力的作用下失稳扩展而产生崩边。基于崩边机理,建立了旋转超声制孔崩边尺寸与工艺参数关系的理论预测模型,并进行了实验验证。盲孔压裂实验结果表明,旋转超声加工通过减小亚表面损伤可以降低50%以上的崩边尺寸。对于C/SiC陶瓷基复合材料,提出了孔壁表面创成机理和出孔撕裂损伤形成机理:刀具的轴向超声振动使磨粒切削纤维的方向趋向于90°,从而有利于获得比普通磨削加工更好的孔壁表面质量,同时通过降低切削力减小出孔撕裂损伤面积。实验验证表明:利用旋转超声加工陶瓷基复合材料可以减小约70%的出孔撕裂损伤。在上述超声机床工艺能力和制孔损伤形成机理研究基础上,提出了满足损伤容限要求的最大加工效率实现策略,并进一步提出了在出孔处构造刀具与材料楔形接触结构的刀具设计思想,使切削力在出孔处能以恰当的速度减小来抑制出孔损伤。设计了阶梯型、锥型和阶梯-锥复合刀具等三种异型刀具,并提出了保证抑制出孔损伤机理有效的异型刀具设计准则,从而进一步减小50%以上的出孔损伤。