随着硬脆性难加工材料的应用领域越来越广泛,诸如蓝宝石、单晶硅等自然界中硬度较高的材料,传统研磨抛光技术已不能满足对其表面研磨加工质量的要求。压电超声换能器是压电超声振动加工技术的核心,它的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应实现电能和机械能之间的相互转换,也是决定超声振动系统性能的关键因素。其结构简单且制作方便、机电耦合系数及机电转换效率高等优点被广泛应用于超声清洗、超声探测、超声辅助加工等领域。因此,本文提出将压电超声振动施加于传统研磨抛光加工上,设计了一种纵向谐振压电超声系统,为进一步的提高硬脆性材料的研磨抛光效率和表面质量。本文的研究工作可分为以下几个部分:(1)介绍了超声加工的特点及应用。介绍了压电超声研磨抛光技术的应用背景和特点,并概括了国内外在压电超声振动系统方面的发展状况。介绍了压电材料的基本特性以及它的使用注意事项;对压电方程和振动模态进行了分析。(2)基于超声振动方程和谐振设计理论,对纵向谐振压电超声系统各个部分进行了结构设计和材料选型。以纵向谐振压电超声系统为研究对象,建立了其机电耦合环节的数学模型,研究了系统的机电耦合特性,主要分析了纵向谐振压电超声系统的振动频率方程、阻抗特性理论及机电耦合系数的计算公式。阻抗可用于计算换能器的机电耦合系数,该系数影响着换能器的工作效率。(3)对阶梯形变幅杆进行了修正设计,优化了纵向谐振压电超声系统的谐振特性。通过建立超声振动系统的三维几何模型,采用有限元软件ANSYS Workbench15.0对理论设计的纵向谐振超声系统进行模态分析和谐响应分析,分析了不同模态频率下的振动形式,结果表明,理论设计的压电超声振动系统的纵向谐振频率为19.87kHz,响应振幅为11.34μm,并验证了变幅杆节点设计位置的合理性。(4)针对上述设计的纵向谐振压电超声系统的实物,利用精密阻抗测试仪进行了阻抗特性测试,测试结果如下:压电超声振动系统的纵向谐振频率为19.904kHz,反谐振频率为19.944kHz,与理论设计的纵向谐振频率相比,误差为0.48%,机电耦合系数为0.06,等效阻抗为26.7Ω,表明压电振子在工作过程中的电能与机械能的转化效率相对较高。同时利用激光位移传感器测试了系统谐振状态下端部的振动特性,结果显示压电超声振动系统在纵向谐振时的振幅为10.85μm,与有限元仿真分析对比,误差为4.6%,满足设计的要求。这些参数也验证了超声振动理论设计和有限元仿真的正确性,有利于超声振动研磨平台的建立,对压电超声振动研磨工艺的工程应用具有重要意义。