目前国内外对振动时效的研究主要集中在频率低于200Hz的传统低频振动时效,而高频振动时效技术研究较少。低频振动时效主要应用于大型的设备和工件,而对于一些中小型的复杂精密薄壁结构件而言,其固有频率很高,当构件的一阶共振频率就超出低频振动器的频率范围时,就无法对构件进行有效的振动时效处理,且振动时效工艺参数的选择没有统一的标准。本文针对旋转框架等固有频率较高的中小型工件,开展高频振动时效技术的机理及实验研究。首先依据晶格动力学,建立了材料颗粒的多自由度有阻尼振动系统,对高频振动时效的作用机理进行了研究分析。其次基于有限元软件Abaqus对旋转框架工件进行高频振动时效数值仿真分析,提出了模态分析技术和谐响应分析技术,确定了激振力、激振频率和激振点等重要工艺参数,并对仿真结果进行分析,验证了高频振动时效消除中小型工件残余应力的优越性。之后对超声振动时效的可行性进行了分析讨论,依据半波长理论及有限元仿真分析设计加工了超声传振杆、变幅杆及实验杆件,完成了20kHz谐振频率下的超声振动时效系统的组建。最后结合理论分析和有限元仿真分析的结果,开展了旋转框架的高频振动时效、热振复合时效实验,以及半波长样件的超声振动时效实验,有效的消除均化了工件材料内部的残余应力,表明了高频振动时效技术消除均化中小型工件残余应力的有效性。