作为目前最具研究前景和发展潜力的先进制造技术之一,椭圆振动辅助加工(Elliptical vibration-assisted machining,EVAM)技术在传统切削加工中引入微小尺度的高频振动,从而不仅能够用于各种微结构表面的织构和复杂光学曲面的创成,而且可以有效改善传统切削过程的机械加工性能,尤其适用于各种难加工材料的金刚石切削,如光学玻璃和单晶硅等脆性材料、碳化钨和碳化钛等硬质合金、不锈钢和模具钢等黑色金属和各种纤维增强复合材料。基于此,EVAM技术受到国内外学术界和工程界的普遍关注,并与各种传统机械加工方法产生了广泛的融合,如车削、铣削、钻削、磨削、抛光以及电火花加工等。现有研究表明,相对于传统机械加工方法而言,EVAM在降低切削力、增加塑性域切削深度、延长刀具寿命、提高表面质量和成形精度、抑制切削毛刺等方面具有更加优异的性能,但其也存在一些有待改进和提高之处,如EVAM系统的运动耦合及误差较大、EVAM切削表面的残高分布不均以及EVAM压印微结构的成形精度低等。为了解决EVAM方法中现存的不足和进一步增强其性能优势,本文将致力于二维椭圆振动辅助加工新方法及其装置的研究,主要研究内容包括如下几个方面:(1)针对非共振型EVAM装置运动精度低和耦合误差大等诸多不足,研制一种新型椭圆振动加工装置及其控制系统。首先,设计两种具有更高运动精度的非对称型柔性铰链代替传统的对称型柔性铰链,引入一种有限梁柔度矩阵建模法(Finite beam based matrix modeling,FBMM)建立它们的全柔度矩阵模型,并采用无量纲精度系数完成非对称和对称型柔性铰链性能的对比评估。随后,利用平行运动约束图(Parallel-kinematic constraint map,PKCM)方法完成并联解耦两自由度柔性机构的运动学设计,以平行四边形柔性模块为基础单元完成柔性机构的实体化设计,并采用柔度矩阵建模(Matrix-based compliance modeling,MCM)方法建立其全柔度解析模型,再通过有限元分析(Finite element analysis,FEA)验证MCM模型的有效性,并分析其静力学和动力学特性。最后,利用可编程多轴控制器(Programmable multi-axis controller,PMAC)搭建EVM装置的模糊自适应PID伺服控制系统,并对EVM加工系统的耦合量、最大行程、工作带宽和响应速度等关键性能指标进行离线实验测试。(2)为了实现微结构功能表面的高效加工,提出一种单点的椭圆振动压印(Elliptical vibration coining/indentation,EVI)方法。首先,根据精密数控车床和EVM装置的运动学原理,推导椭圆振动压印的路径的生成策略,并在此基础上完成压印微结构表面的形貌仿真;同时,针对EVI过程中工件主进给速度和压头辅助压印速度进行匹配分析,研究运动耦合对压印微结构面形精度的影响,并确定运动耦合和压印误差最小的最优工艺参数。鉴于常规EVI过程中压头与工件仅在最大压印深度处实现相对静止,因此本文构建一种可以保证压头与工件在压印变形期间都处于相对静止的理想速度曲线,并利用傅里叶级数展开(Fourier series expansion)对理想速度曲线进行拟合并替换,经过积分操作后得到非椭圆的辅助压印路径,进而发展出一种非椭圆振动压印(Non-elliptical vibration coining)的新方法。此外,利用商业化FEA软件研究椭圆振动压印过程中压痕边缘的凹陷和凸起缺陷以及材料回弹现象等对微结构形状精度的影响。最后,通过一系列的压印实验有效验证了椭圆/非椭圆振动压印方法的有效性和可行性,并归纳总结了各种易产生的压印缺陷形式及诱因,以尽量避免其在后续研究中的重复出现。(3)为了提高传统椭圆振动切削方法的应用灵活性和进一步强化加工性能,提出一种用于复杂光学曲面创成的变参数椭圆振动切削(Elliptical vibration cutting with varying multi-parameters,VMP-EVC)的新方法,该方法根据加工曲面的几何特征实时调节椭圆几何参数,包括椭圆振幅、转角和中心位置等,并完成不同VMP-EVC过程的刀具路径规划和表面形貌的仿真;利用小波变换将仿真表面形貌的残留刀痕和面形误差分离出来,以评估分析VPM-EVC中椭圆参数变化对于加工表面粗糙度和面形精度的影响规律,进而获得VMP-EVC过程的最优椭圆几何参数。此外,为了延长金刚石刀具的使用寿命和削弱加工表面的散射效应,提出了一种差频的椭圆振动切削(Elliptical vibration cutting with different frequency,DF-EVC)新方法,但其存在有效切削能力不足的问题,然后通过对DF-EVC运动方程的推导演变提出另一种改进型变相位差的椭圆振动切削(Elliptical vibration cutting with varying phase difference,VPD-EVC)方法,它们均被创造性地用于加工两种微型凹槽以克服刀尖圆弧半径对凹槽最小尺寸的限制,并完成了刀具路径的生成和表面形貌的仿真。通过采用功率谱密度(Power spectral density,PSD)和定义有效切削率,分析讨论了不同相位差幅值条件下VPD-EVC加工表面的散射效应抑制能力和有效切削能力,并综合考虑这两个VPD-EVC评价指标以优化确定了椭圆振动相位差幅值。最后,采用上述的新型EVC方法在机械加工性能较差的紫铜毛坯上进行切削实验,切削表面的检测结果验证了提出新型EVC方法的有效性和可行性。(4)不同残留刀痕表面的椭圆振动抛光方法的研究。针对单点金刚石车削(Singepoint diamond turning,SPDT)光学表面不同形状残留刀痕的后处理,提出了基于精密车床的椭圆振动抛光(Elliptical vibration polishing,EVP)方法;根据椭圆振动轨迹平面相对于残留刀痕的空间位置关系,将椭圆振动抛光路径可以划分为顺向(Up-feed)、横向(Cross-feed)和平行(Parallel)三种类型,并针对复杂光学曲面分别推导三种不同椭圆振动抛光路径的生成算法;然后,采用有限元软件ANSYS的Workbench模块对椭圆振动抛光过程中的抛光作用力和最大应力进行了仿真分析。最后,针对不同毛坯材料,将不同频率和变相位差的椭圆振动切削路径用于EVP实验,并分别考虑了顺时针(Clockwise,CW)和逆时针(Counterclockwise,CCW)椭圆振动路径的情况,然后分别针对制备的螺旋状(常规车削)和鱼鳞状(切削颤振引起的)残留刀痕毛坯表面进行抛光实验,对比分析了不同抛光路径和抛光参数在两种残留刀痕表面进行抛光处理的材料去除效率,实验结果很好地验证了椭圆振动抛光方法的有效性和可行性。本文针对椭圆振动辅助加工方法及其EVM加工系统进行了理论分析和实验研究,主要得到如下几个方面的结论:(a)两种非对称型柔性铰链的运动精度均优于传统对称型铰链,基于PKCM设计的两自由度柔性机构不仅保持了并联结构高带宽的优点,而且可以有效削弱了不同运动轴间的寄生耦合运动;(b)椭圆振动压印中材料塑性变形的回弹和压痕边缘的凹陷/凸起现象会直接影响压印微结构的形状精度,压印运动耦合对工件表面的划损依赖于工艺参数和压头参数,提出的非椭圆振动压印方法可以降低运动耦合对压印形状精度的影响,进而可以实现表面微结构的高效加工;(c)VMP-EVC过程中微小尺度的高频振动可以实现复杂曲面的创成,且其残余刀痕的高度分布同时依赖于椭圆参数和曲面几何特征,但合理的椭圆参数可以获得残高分布均匀的创成曲面。VPD-EVC过程不仅可以加工微小尺度的U-型及V-型凹槽,而且能够有效降低金刚石刀具的磨损和抑制切削表面的散射效应;(d)在椭圆振动抛光过程中,切削表面的抛光效率依赖于残余刀痕延伸方向和高频振动方向之间的关系,且两者相互垂直时的材料去除效率最佳,EVP的抛光效果要优于无椭圆振动的传统抛光过程,且其与抛光路径的运动方向和轨迹形状的依赖度较小。