由于科学技术的飞速发展进步,提高各种难加工材料的加工精度与效率已成为国内外制造业的难点与热点问题。特种加工技术因具有切削力小(或无)、工具(电极)损耗低(或无)等独特技术优势,广泛应用于各种难加工材料(硬脆材料、高温合金等)的加工。超声复合机械(磨削、铣削等)利用超声振动效应,可有效减小切削力、切削热,提高加工效率及精度。本文研究旋转超声展成机械/电解加工机理,将超声效应与机械、电解作用有机复合,实现难加工材料高精高效加工。主要研究内容为:(1)以硬脆性材料加工去除机理、法拉第电解定律为理论依据,根据旋转超声、机械及电解相互作用关系,建立旋转超声展成机械及展成电解加工材料去除效率模型;由模型分析可知:超声振幅、主轴转速、电解电压、磨料硬度/粒度等参数增大,可增加材料去除力,提高加工效率;而采用高频脉冲电源、减少电压幅值、降低电解液质量分数(减小电导率)、减小磨料粒度可有效提高加工精度。(2)设计、构建二维旋转超声展成电解加工系统。设计机床主体并定制旋转NSK高速主轴马达、超声振动装置、超声波发生器、高频脉冲电源,完善电源引入、工件定位、电解绝缘单元,构建旋转超声电解装置;采用PC机控制界面,以PLC、驱动器、伺服电机及步进电机构建多轴联动进给装置;采用径向超声振动装置与旋转轴向超声振动装置组合构建二维超声振动系统,从而可实现二维旋转超声展成机械/电解加工。(3)进行旋转超声振动系统的优化设计。对压电换能器和阶梯型变幅杆特性进行理论分析与尺寸计算。利用ANSYS压电分析模块进行模态与谐响应分析,当谐振频率为19.8kHz时,阶梯型变幅杆超声输出振幅25.5μm。固有频率降低,振幅下降。利用ANSYS优化设计,振动系统输出振幅可达23μm,使用激光微位移传感器测得其谐振振幅为20μm,验证分析设计可行性,且系统可满足加工要求。(4)进行拷贝式、旋转展成超声加工基础试验并探究了旋转超声加工参数对加工精度及效率的影响,试验结果表明:在一定范围内,随着超声振幅增大、主轴转速提高、电解电压幅值增大,可有效提高加工效率,但工具电极转速过高易造成发热烧损,电压幅值增大电解杂散腐蚀会影响加工精度;在此基础上,进行平面与沟槽旋转超声展成机械/电解加工试验,得到良好加工精度与效率。最后选用优化参数,对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行旋转超声展成平面加工、二维旋转超声电解展成沟槽切割加工试验,加工出较光整平面及沟槽,验证了二维超声展成电解技术优势。