复合材料、工程陶瓷材料等因具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐性及耐高温等优异的特性而被广泛地应用。但因这些脆硬材料韧性差、易脆,传统的机械加工技术或难以加工或无法加工,在一定程度上限制了其应用。对比传统加工方式,超声加工技术具有能有效降低切削力,提高加工质量及降低刀具磨损等工艺优势。鉴于常规超声加工因加工效率及加工质量低,难以满足实际生产的需要,而复合了纵扭两种振动模式的超声加工则更有利于实现切削时刀具退刀,避免材料加工出现崩边现象,提高硬脆材料加工的效率及加工精度。为了更好地应用纵扭复合旋转超声振动加工技术,本文从国内外研究现状入手,分析了纵扭复合旋转超声加工的实际意义,设计制造出了合适的纵扭复合超声换能系统,研究了纵扭复合超声振动切削机理,以氧化锆陶瓷为研究对象,就切削力、表面质量及脆塑转变临界切削深度影响规律进行了实验设计和研究。以振动转换模式理论为基础,利用三维建模技术及有限元优化技术,得到了数值模型:谐振频率为26730 Hz,纵扭比为37.28%,刀尖纵向振幅为2.43μm,实测结果显示:换能器阻抗性能良好,谐振频率为27.646 k Hz,纵向振幅为4μm,扭转振幅为1.33μm,纵扭比为33.33%,与理论分析相符,能满足加工要求。以纵扭复合振动切削机理为基础,基于运动学轨迹建立了切削力模型,进一步得到了平均切削力与工艺参数的关系模型。分析发现了切削深度与材料的脆塑转变具有直接的关系,在准平衡状态条件下,建立并发现了平均切削力与材料裂纹长度的正比例关系数学模型,间接得到了工艺参数与材料表面裂纹长度的关系。提出了硬脆材料脆性去除粗加工与塑性去除精加工组合式加工思路。通过切削力单因素测力实验对比分析,发现了纵扭复合超声加工比普通加工能有效减小切削力,降低刀具的磨损,进一步分析了超声振动能量、进给速度、切削深度及主轴转速等加工参数对氧化锆陶瓷表面粗糙度的影响规律,并对比了铣刀与磨头两种刀具加工时对材料表面粗糙度的变化规律。对比分析了普通切削、纵向振动加工以及纵扭复合振动加工等变切削深度划痕实验,发现了在约50%以内的超声振动能量的提高,有利于提高材料的脆塑转变临界切削深度,纵扭复合振动的要比纵向振动的大;进给速度的提高,普通切削、纵向振动加工及纵扭复合振动加工的脆塑转变临界切削深度均呈现整体增大的趋势,纵向振动的要比纵扭复合振动的大。