超声钻探设备是利用机械振动在金属中的纵向传播实现对孔洞的冲击,与传统钻孔设备相比,无需轴向力,可实现异形孔的加工,在脆硬性材料孔洞加工中有突出的优点。基于压电驱动的超声钻探设备具有结构简单,体积小、重量轻、能耗小等优点。本文所设计的新型超声钻在利用压电驱动原理的前提下,在振动系统中加入了自由质量单元,利用其将超声波能量耦合为声波能量的机理,放大了传递给钻杆的振幅,显著的提高了超声钻的钻探效率。为了弄清自由质量单元碰撞过程的运动学特性和动力学特性,针对这种钻探设备进行了以下研究:介绍了这种新型超声钻设备的工作原理并对各部分的尺寸参数进行了设计计算。根据经验对振动系统各部分进行了选型,并确定了有利于振动传播的连接方法,根据一维纵振理论,计算出有利于振幅放大的换能器、变幅杆和钻杆的各部分尺寸,设计出一款新型超声钻。分析了超声波与声波能量耦合部分的碰撞过程,并建立了自由质量碰撞的简单模型,基于自由质量的碰撞理论,为得到更真实的碰撞过程,建立了自由质量碰撞的离散模型,该模型利用前一次碰撞后的参数求解下一次碰撞的参数,是一个不断迭代的求解过程。利用牛顿运动学定律对自由质量和钻杆的运动进行了理论推导;利用MATLAB软件和超声钻的初始参数,对离散模型进行的数值求解,提取了自由质量的运动轨迹。根据牛顿定律将新型超声钻振动系统抽象为质量——弹簧——阻尼系统,将自由质量的运动通过此模型加入到振动系统中。对整个系统进行了受力分析,并单独提取出能量耦合部分,建立了耦合部分的质量-弹簧-阻尼模型;借助机械动力学分析软件ADAMS对自由质量的碰撞模型进行了运动学仿真,对新型超声钻探设备中特有的自由质量单元进行了运动学分析。借助有限元分析软件ANSYS对所设计的振动系统进行了动力学分析,并提取到了变幅杆小端的振幅。利用ansys/LS-dyna的显示算法对钻杆与被加工介质的冲击进行数值模拟。在不同自由质量的情况下,通过对钻探过程中钻探接触面应力分布进行分析对比,得到自由质量的质量大小、活动空间对超声钻钻探速率的影响,以及超声钻功率对自由质量的极限质量的影响,为实际孔洞加工中自由质量的应用提供理论依据。根据超声振动系统的工作原理以及前期的理论分析与仿真,对带有自由质量的超声振动系统进行了试验研究。针对自由质量对钻探速率的影响以及自由质量的振动频率进行了试验测试,与理论求解和仿真分析的结果进行对比,证实自由质量能量耦合的机理及放大振幅的作用。