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随着脆硬材料及复合材料日益增长的加工需求,新型旋转超声加工方法能够适用于现代生产的需求,但其设计及其关键技术(超声波发生器与超声振动系统)的研究,到目前为止国内尚没有形成完善的设计理论和分析方法体系。其中旋转超声振动系统是旋转超声加工的关键与核心,其研究的必要性和重要性是非常迫切的。本论文运用纵振理论对超声振动系统的换能器、变幅杆、工具杆进行结构设计,设计了半波长的阶梯形的超声换能器,设计带有三种不同工具杆的旋转超声振动系统,并运用四端网络法推导出复杂的旋转超声振动系统的各个结合处的振速和应力分布,以便能够对其进行性能分析。利用ANSYS有限元分析分别对所设计换能器、变幅杆和振动系统进行模态分析与谐振分析,仿真结果得到换能器的各阶振动模态,并得到其谐振频率20228Hz,其幅值也达到旋转超声加工要求的振幅10μm以上。带有三种不同工具头的超声振动系统都能实现纵振振动,其谐振频率分别为20.251kHz、20.324kHz、20.438kHz时发生纵振,并且三种纵振的频率误差范围分别为1.255%;1.62%；2.19%。随着工具头直径的减小,频率误差范围有所增加,设计误差均小于5%,在允许的误差设计范围之内,完全可以满足工程设计的需要。本文对设计的三种工具杆及其振动系统进行了有限元分析和实验研究,分别对不同材料：普通玻璃、K9光学玻璃、陶瓷氧化铝、氧化锆进行了铣削和钻孔的工艺实验。实验结果表明：旋转超声能够很好加工玻璃、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。随着进给速度和切削深度的增加,切削效率也随之提高,但切削抗力也增加；工具旋转速度越高,切削抗力越小。氧化铝陶瓷的无超声加工实验表明：有超声的材料切除率是无超声加工的5倍。加工氧化铝陶瓷,随着切深和刀具进给速度的增加,表面粗糙度的值也增加。工具头金刚石的粒度越细,切削抗力也越大。金刚石粒度为100#,进给速度是40mm/min,切削抗力为2.3kg；如果金刚石粒度为120#,进给速度是30mm/min,切削抗力达到最大值4.5kg,所以金刚石粒度大小直接影响切削用量的选择。本文所设计的超声振动系统能够很好加工玻璃和陶瓷等硬脆材料,并且切削效率很高,充分证明旋转超声加工是硬脆难加工材料的一种非常有效的加工方法。