蓝宝石材料由于其具有耐磨损、抗腐蚀和光学性能好等特点而被广泛应用于半导体、电子、医疗和航空航天等领域,并且全球市场规模逐年递增。然而,蓝宝石材料属于加工难度大的硬脆性材料,传统抛光加工逐渐难以满足市场对其应用的需求。超声加工被证实对硬脆性材料的加工有独特优势,但目前超声加工以简单一维超声振动驱动为主,用于超声加工的超声振动系统有待深入研究,且加工工艺也有优化提升的必要。针对上述问题,本文研究设计了一种变幅杆和工具头集成化的二维压电超声纵扭振系统,并将其对蓝宝石材料进行非接触超声抛光实验研究。主要研究内容如下:（1）由压电材料的物理特性入手,研究了压电超声振动系统中螺旋槽结构能实现超声一维纵振转换为二维纵扭复合振的振动模态原理,为压电超声纵扭振系统设计提供理论依据。分析了非接触超声纵扭振抛光加工的材料去除机理。（2）对压电超声纵扭振系统的各组成部件进行了理论计算和分析,得到了各部件的结构尺寸和材料参数,从而确定了系统的基本结构模型。（3）用三维建模软件建立压电超声纵扭振系统的基本模型,并导入有限元分析软件COMSOL Multiphysics进行特征频率和频域仿真研究。确定了仿真下系统的谐振频率和300V激励信号时工作面输出的纵扭振动幅值,还有系统的节点位置。通过仿真分析后确定了压电超声纵扭振系统的完整结构模型,然后加工组装系统实物并进行性能测试。测试了系统的阻抗特性而确定其谐振频率。测试了300V电压下工作面输出的纵扭振动幅值,并研究振幅与电压的关系。测试了节点位置夹持机构处的振动幅值。对比测试结果与相应的仿真结果,分析了两者存在误差的原因并评估了误差值的合理性。（4）进行了非接触超声纵扭振抛光实验材料和设备的准备工作。搭建实验平台,并设计实验流程。研究了非接触间距、抛光盘转速和磨料粒度三个因素对非接触超声纵扭振抛光实验效果的影响。（5）研究了非接触超声纵扭振抛光对降低蓝宝石材料表面粗糙度、改善表面形貌和提高材料去除率的影响,并建立了非接触实验条件下一维超声纵振驱动和无超声驱动下的对比实验。实验结果表明,非接触超声纵扭振抛光能更有效降低蓝宝石材料表面粗糙度、改善表面形貌和提升材料去除率。