碳纤维复合材料与铝合金的复合航空叠层材料目前被广泛应用在飞机机翼、机身蒙皮等飞机重要组件上。然而该材料较大的强度与刚度也预示着其难加工性,钻孔过程中钻削力较大。而当前航空制造业领域最常用的制孔方式为机器人自动化制孔技术,由于其机械手臂结构刚度较低,钻削力过大将会导致机器人钻孔姿态变形并产生加工震颤,严重影响制孔质量与钻孔精度。为此本文在机器人制孔的基础上引入旋转超声钻削技术,选取不同的刀具类型、超声参数与钻削参数,开展基础实验研究、钻削结果建模研究和加工参数优化研究。此外,本文中以最大轴向力作为钻削力的采集与判断标准。首先,采用三尖钻与麻花钻两种不同的钻削刀具开展机器人航空叠层材料的钻削实验,观察和分析不同刀具进行钻削时钻削力以及加工质量的变化。通过对不同刀具切削刃结构与几何参数的分析,阐明了不同刀具钻削力变化的原因。并分析归纳了超声振动参数与钻削工艺参数对航空叠层材料钻削力的影响机理和规律。采用偏最小二乘算法,构建了机器人旋转超声钻削力的预测模型,平均误差为8.02%,验证了模型的合理性和准确性。其次,开展机器人钻削和机器人旋转超声钻削质量与钻削精度的对比实验研究。利用激光显微镜,测量了不同工艺参数下,航空叠层材料钻削质量与钻削精度的变化,主要包括孔壁粗糙度、孔径偏差和铝合金孔出口毛刺高度。根据测量数据,分析了超声参数和钻削参数对钻削质量与精度的影响规律曲线,阐明高频振动冲击对钻削质量与精度的改善状况与原因。同时,构建了孔壁粗糙度、孔径偏差和铝合金孔出口毛刺高度的预测模型,误差分别控制在14.54%、9.35%、17.65%以内,为后续的参数优化提供了基础。最后,利用激光显微镜观测叠层材料加工表面质量与表面损伤,分析了超声参数与钻削参数对加工损伤的影响规律。基于粒子群优化算法,结合上述预测模型,以最大钻削效率为目标函数,以钻削力、孔壁粗糙度、孔径偏差和铝合金孔出口毛刺高度为约束条件,构建参数优化数学模型。得到了机器人旋转超声钻削航空叠层材料的最优化工艺参数,并通过实验验证了优化方法的准确性和合理性。为后续机器人旋转超声钻削航空叠层材料技术提供了技术支撑。