近些年来,超声固结成形技术受到了国内和国外大量研究人员的关注。超声固结具有固结时间短、成形界面良好、固结过程中无污染、固结效率高,并且无需太高的温度就能进行固结加工等优点。为了研究超声固结中振动模式、压力、温度与振幅等因素对超声固结的影响,建立了超声固结纵扭系统。主要研究内容如下:阐述了纵振、弯振和扭振对超声固结的作用,以及在变幅杆中开螺旋槽达到二维纵扭复合振动的原理。推导20 kHz固结系统的频率方程,基于频率方程,求出固结系统的结构尺寸,并利用SolidWorks设计固结系统三维机构。基于有限元方法,利用ANSYS Workbench对超声纵扭固结系统进行模态分析和谐响应分析,得到了固结系统在20 kHz附近的模态与所需数据。基于多目标参数优化设计,对圆锥形纵扭复合变幅杆进行了结构参数优化,得到变幅杆各个部分结构参数对纵扭复合频率的影响。由仿真分析知,固结系统优化后的纵向振幅为18.88μm,理论计算推导值为18.68μm,优化百分比是1.1%。对固结系统的温度场进行研究,分析金属箔材温度场的变化规律。基于温度场理论,使用ANSYS Workbench温度场模块对其固结过程中的温度变化进行研究。研究表明在固结压力为0.5 kN、纵扭复合振动位移为20 μm时,金属箔材固结温度场的最大值最小,值为111.5℃ 在固结压力为2 kN、纵扭复合振动振幅为50μm时,固结温度场的最大值达到最大,值为216.5 ℃。使用机床加工制作固结机构样机,对其进行实验测试研究。由实验测试得到工具头纵向振动振幅为16μm,J、y方向上扭转振幅分别是7.9μm和8.1 μw。实验表明当在不同电压情况下,固结工具头将输出不同的振幅。此时工具头的纵向振幅、扭转振幅都将受到电压大小的影响。本文对超声固结纵扭系统进行理论分析,对其进行结构设计与仿真分析,研究纵扭复合振动对金属箔材固结的影响。对实验样机进行扫频分析、振幅测试,实验验证了超声固结机构设计合理,满足设计要求,可以应用于航空、医疗和机械等领域。