近年来，随着国防、道桥、航海、航天、汽车、各种工程机械等以及与机械相关的领域的发展，对机件的机械和使用性能的要求越来越高，所以研究能够降低成本、提高零件表面耐腐蚀性、耐磨损性和抗疲劳性的表面强化新方法，具有重要的经济价值和社会意义。纵-扭复合振动超声深滚加工技术集成了常规的纵向振动超声深滚加工技术和纵-扭超声加工技术的优点，不仅具备了纵向振动超声深滚加工产生的大深度高幅值残余压应力，适量的加工硬化和金属表面纳米化的特点，而且还集合了二维超声纵-扭振动特性来进一步提高零件表面的加工质量。所以研究纵-扭复合振动超声深滚加工技术就很有必要了。　　本论文基于超声的波形转换原理和应力传播原理分析了斜槽形成二维超声纵-扭振动的机理，并使用Ansys软件仿真初步确定了变幅杆的各部分结构参数，设计出能实现纵-扭振动的复合变幅杆；根据仿真结果试制出纵-扭振动复合变幅杆，对变幅杆和声学系统进行振幅测试，分别获得变幅杆和声学系统的纵振振幅和扭振振幅；分别对变幅杆和声学系统进行阻抗测试，导纳圆良好，说明系统阻抗匹配性良好，能够满足试验加工的需要；研制出纵-扭复合振动超声深滚加工装置，使用正交试验设计纵-扭复合振动超声和常规深滚试验方案，并通过响应曲面回归分析法处理试验数据，成功得出预压力、车床主轴转速、进给量与工件表面粗糙度、硬度的数学预测模型；通过分析数学模型优化出纵-扭复合振动超声深滚加工技术的工艺参数。　　通过对比加工后的试件表面，发现在不同的加工工艺参数下纵-扭复合振动超声深滚加工后的工件表面粗糙度值小于常规深滚加工的工件表面粗糙度，硬度值高于常规深滚加工后的工件表面硬度值；并通过工具显微镜和白光干涉仪测得工件表面的显微结构和工件表面三维轮廓图；对比超声与常规深滚加工的表面微观结构，得出在纵-扭复合振动超声深滚加工过程中，工具头的高频连续敲击使试件表面凸凹不平的状况得到了改观。