随着碳/碳化硅材料在国防军工、航空航天以及汽车等领域应用需求的日益增多,对其零件的加工精度、表面质量以及加工效率提出了更加严苛的要求。传统的机械加工方式已无法满足碳/碳化硅材料的加工要求。超声加工技术在降低切削力、提高工件表面质量和延长刀具耐用度等方面具有显著优势,是加工碳/碳化硅材料的最有效方法。针对加工工件的特点,提出将纵扭复合超声振动与普通铣削有机结合的思路,以期获得碳/碳化硅材料的高效高质加工方法。本文针对纵扭复合超声铣削系统中的关键技术进行研究,研制了纵扭复合超声系统与无线电能传输系统,并探讨了纵扭复合超声铣削系统的加工稳定性问题,最后,通过对碳/碳化硅材料进行铣削试验,分析了纵扭复合超声铣削碳/碳化硅材料的加工性能与加工效果。本文的主要研究内容与研究成果如下:(1)针对模态叠加型纵扭复合超声换能器的应用缺陷,提出利用环槽结构具有纵振耦合和扭振隔离特性,在纵扭同频共振换能器上成功构造出简并节点,并应用有限元软件ANSYS对其模态分析,验证了设计思路的合理性;(2)对比分析表观弹性理论、一维振动理论以及有限单元法,并得出长径比可以作为一维振动理论应用范围的判断依据。基于一维振动理论,利用等效电路法推导了考虑后置螺栓时纵振夹心换能器的频率方程。在此基础上,研制了一种基于纵扭耦合振动的夹心换能器,并应用有限元软件和阻抗分析仪分别对其振动性能进行优化和测试。(3)基于传输矩阵法,推导了圆锥、指数、悬链过渡阶梯形复合超声变幅杆的纵振频率方程与扭振频率方程,并指出通过合理设计变幅杆的各段长度可以实现其纵扭同频共振。在此基础上,通过对均匀圆棒中纵扭共振的应力状态进行研究,提出了一种基于31d效应的贴片式纵扭复合超声振动系统。(4)基于波的传导理论,分析了斜槽式纵扭模态转换器中波的传播特性,修正了斜槽式纵扭模态转换器的频率方程,设计并研制了一套斜槽式纵扭复合超声变幅杆。为了拓展纵扭复合超声振动的实现形式,本文又研制了三种新型结构,即孔式、斜梁式以及螺旋槽式纵扭模态转换器。(5)基于运动合成原理,分析了分离型纵扭复合超声铣削加工的切削轨迹特征和切削特性,阐明了其具有降低切削力、提高表面加工质量和延长刀具寿命的实质。随后,基于结构动力学原理,建立了分离型纵扭复合超声铣削的动力学模型与稳定域解析模型,应用MATLAB 7.1软件对其进行数值计算获得了切削系统的稳定性预测图谱,并分析了加工参数与模态参数对加工系统稳定性的影响。(6)应用研制的纵扭复合超声铣削系统对碳/碳化硅材料进行加工试验。通过观察研究不同铣削工艺参数下工件的表面质量与微观形貌和刀具的磨损情况,揭示了纵扭复合超声铣削碳/碳化硅的加工机理。通过普通铣削和纵扭复合超声铣削的对比性试验,结果发现:纵扭复合超声铣削可以显著降低切削力,提高工件的表面质量和加工系统稳定性。