超声振动钻削是一种新兴的复合微孔加工方法,它将普通钻削的旋转运动与超声振动两种运动相结合,使得切削用量产生规律性的周期性改变,实现了钻头脉冲式断续切削加工,从本质上改变了钻削机理,使孔的加工质量显著改善,具有普通钻削无法比拟的加工优势。针对目前传统钻削微孔存在不足的问题,本文基于超声振动钻削基本原理,设计了一套超声轴向振动钻削装置,并对该装置主轴系统的重要组成部分如超声波发生器、换能器、变幅杆、工具系统分别进行了设计与选型。本装置可用于对微孔进行钻削加工,研究表明把超声振动应用于微孔钻削加工可有效解决传统钻削的不足。本文主要研究内容包括:(1)对超声振动钻削加工基本理论及钻削机理进行了较深入研究,建立了超声振动钻削切削力数学模型,对超声振动钻削运动学规律、钻头动态角度特性、钻头静止化与刚性化效果等方面进行了深入分析。从钻头运动学方面研究了超声振动钻削的运动学特性和振动钻削机理,从本质上揭示了超声振动钻削在断屑排屑、表面粗糙度、出口毛刺高度等方面具有良好加工工艺效果的根源。(2)设计了一套超声轴向振动钻削装置,该装置可直接安装在普通机床主轴上进行微孔的钻削加工,并能得到高质量的微孔。对超声振动钻削装置的核心部件变幅杆进行了改进,设计了一种圆锥过渡阶梯型复合变幅杆,并利用ANSYS有限元软件对其进行了动力学仿真研究,得到变幅杆的固有频率和振型以及在变幅杆达到共振时的自由端振幅等参数,从而设计出具有较大振幅放大系数的新型变幅杆。(3)利用金属切削有限元仿真软件Third Wave Systems Advant Edge FEM对超声轴向振动钻削过程进行了钻削仿真,用Tecplot软件绘制了刀具和工件的应力曲线图和温度曲线图,对刀具和工件切削力和切削温度的变化规律进行了重点分析。仿真结果表明在钻入一定深度后,切削力在某个值上下振荡呈周期性变化,这一特性使超声振动钻削从本质上改变了钻削机理,使其与传统钻削微孔相比更有加工优势,研究结果对超声轴向振动钻削机理的研究具有一定参考意义。(4)基于超声振动钻削理论以及实验室现有实验条件的基础上,利用振动台和微型钻床分别进行了超声振动微孔钻削模拟性实验和普通钻削实验,从实验角度对超声振动钻削加工工艺效果进行验证,通过对实验结果和数据进行分析,结果表明超声振动钻削可以降低切削力和扭矩,提高断屑和排屑能力,明显提高微孔加工质量和效率。