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碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics CFRP)具有比强度、比模量高、抗疲劳腐蚀、耐高温等一系列优点,被认为是当下最具潜力的航空航天材料。然而这种材料硬度大、导热性差、层间剪切强度低,这些缺点往往导致加工分层、孔口劈裂、刀具磨损和加工表面质量差,严重制约了CFRP的应用。CFRP制孔工艺的研究一直是研究的热点,近年来有学者研究表明,在普通钻削基础上附加轴向超声振动加工可以显著降低钻削力、切削热和减少刀具磨损,在CFRP钻削方面潜力巨大。在此基础上,本研究进一步提出了纵扭超声振动的辅助钻削工艺,并对钻削力相关的理论和特性进行研究,探究新工艺下加工参数对CFRP加工质量的影响规律,寻找可以降低缺陷的最优加工工艺。本文主要研究内容:1.设计制作了35000Hz单激励型纵扭复合变幅杆并搭建了超声钻削设备;2.基于轴向振动钻削模型,推导了超声纵扭复合振动的钻削模型,采用理论实验相结合的方式分析了理论模型的合理性;3.使用自行研制的超声钻削设备对多种CFRP板材进行了钻削实验,分析了转速、进给速度、超声振动和板材类型对切削力的影响规律;4.实验分析了加工参数对CFRP材料孔口分层的影响规律。通过理论分析和实验研究,可以得出:1.在超声振动钻削的条件下,纵扭复合振动的最大瞬时切削速度大于轴向振动的最大切削速度,前者的瞬时冲击力更大,可以对CFRP材料进行更有效的切削;2.在相同切削参数下,超声纵扭复合振动钻削可以有效地降低轴向力。在轴向力保持不变的情况下,相比于传统钻削加工,超声振动钻削可以选择更大的进给速度和更低的转速,表明超声振动加工可以提高加工效率以及降低对机床的要求;3.对于编织型CFRP,切向速度V_c和轴向进给速度V_f之比对于轴向力的影响成指数分布规律,无论普通钻削还是纵扭超声振动钻削,轴向力随V_c/V_f的变化均存在临界值,并且超声振动在一定程度上可以降低V_c/V_f临界值,改善加工效果;4.对于准各向同性CFRP板,加工参数对分层的影响为转速越高撕裂因子越小,进给速度越大撕裂因子越大,超声振动可以显著降低撕裂因子。