旋转超声加工技术凭借其改善切削力、减小加工损伤、延长刀具寿命、提高加工效率等特点在硬脆材料加工领域得到了广泛的应用。旋转超声加工系统通常由加工中心、超声电源、能量传输装置及超声振子等部分组成;超声振子作为旋转超声加工系统的核心组件,决定了旋转超声加工系统的谐振频率、振动幅值及工作稳定性,然而目前尚缺乏关于半波谐振超声振子的结构设计、仿真分析、性能测试等方面的研究。本文在浙江省重点研发计划项目“集成电路硅材旋转超声套料工艺与装备研发及应用”(编号:2019C01118)的资助下,开展了半波谐振超声振子的结构设计、有限元仿真分析、振动性能测试等研究工作,并完成了基于半波谐振超声振子的旋转超声加工与无超声加工的对比实验研究。本论文的主要研究内容如下:第1章:阐述了本论文的研究背景与意义,介绍了旋转超声加工技术的工作原理及特点,详细综述了旋转超声加工方法及超声振子结构设计方面的国内外研究现状,总结了目前研究所存在的问题,并在此基础上提出了本文的主要研究内容及结构框架。第2章:分析了BT30加工中心的旋转超声加工需求,设计了半波谐振超声振子的结构设计方案,依次对超声振子中的超声换能器、超声变幅杆及超声刀具进行了结构分析及材料选型,并采用机电等效法对超声振子的结构参数进行计算,最终得到了半波谐振超声振子的简化二维模型。第3章:基于超声振子的装配需求,在二维简化模型的基础上构建了超声振子的三维有限元模型;采用模态分析法及谐响应分析法确定了超声振子在半波谐振状态下的特征频率和振动位移分布;在此基础上,确定了超声振子的法兰安装位置,提出了Z形法兰的结构设计方案,并与传统的圆盘形法兰结构进行了对比仿真分析。第4章:完成了超声振子的制造与装配,使用阻抗分析仪对自由状态下超声振子的阻抗特性进行测试分析,验证了超声振子结构设计的合理性及仿真分析的正确性;搭建了超声振动测试平台,使用超声数字电源对法兰约束下的超声振子进行激励,研究了电压、刀具直径、刀具伸长量、刀具负载等因素对超声振子振动频率及刀具端面振幅的影响。第5章:搭建了基于半波谐振超声振子的旋转超声加工实验系统,开展了针对氧化锆陶瓷的旋转超声加工与无超声加工的对比实验研究,分析了超声振动在改善工件表面粗糙度方面的作用机理,验证了超声振子在旋转超声加工过程中的有效性;在此基础上,研究了超声振动在不同工艺参数下对工件表面粗糙度的改善作用。第6章:总结了论文的主要研究工作,并展望了未来的研究工作。