随着各类先进材料(如碳纤维复合材料,陶瓷等)在航空航天、军事、精密机械、电子电器等领域的广泛应用,这些先进材料的加工就成为机械行业的重点研究方向。由于这些材料大多具有高硬度、高强度、耐热、耐磨、耐腐蚀等各项难加工特性,传统的机械加工不仅加工困难,效率低下,而且加工的表面质量无法满足要求。超声振动加工是一种通过将超声电信号转换成机械振动来进行加工的方法,已经大量应用于机械加工领域。超声振动加工用于加工各种硬脆材料可以提高加工效率,获得良好的加工表面质量。超声磨削加工是将传统的磨削加工与超声振动结合起来的一种加工方法,这种方法不仅能提高加工效率和精度,还能减小工具的磨损。研究表明工具振动方式对加工效率和加工质量影响较大,二维超声振动加工可以获得优于传统一维超声振动加工的加工质量。纵扭超声振动系统的设计与分析是本文的主要研究工作。首先,综述了超声振动加工的国内外现状,简要阐述了超声波的特性及其加工原理,分析了单颗磨粒纵扭旋转超声振动磨削的运动方程和运动轨迹。其次,基于声波传播原理,采用传统解析法设计了超声振动系统,详细介绍了超声换能器的设计和超声变幅杆的设计。确定了超声波发生器、电能传输系统、刀柄、工具的选用及各部件的连接方式。再次,介绍了常见的纵扭超声振动加工方法,比较了各种方法的优缺点,设计了在变幅杆末端沿圆周均布斜槽的变幅杆并分析了斜槽式超声振动转换机理。通过ANSYS有限元软件分析了斜槽结构参数对超声振动系统谐振频率及纵扭振动输出振幅的影响规律。并运用Origin软件绘制纵扭超声振动系统输出端的运动轨迹,验证了所设计的斜槽式超声振动系统为纵扭超声振动,并确定了斜槽的结构。最后,对装配好的超声振动磨削系统进行阻抗测试和振幅测试。结果表明纵扭超声振动系统的谐振频率与设计仿真结果很接近,工具头末端输出的纵向振幅与扭转振幅在理想范围内,证明所设计的系统是合理的。