陶瓷、复合材料等硬脆性材料具有强度高、韧性大、耐磨耐高温等优良特性,广泛应用于航空航天、光学、电子等领域。传统加工方法在加工硬脆性材料时普遍存在切削力大、切削热高、表面形貌差等缺陷,难以满足精密加工的需求。二维超声振动辅助加工通过引入椭圆轨迹的超声振动,极好地弥补了传统加工方法的不足,逐渐成为硬脆性材料加工方面的研究热点。目前,超声振动辅助加工装置在磨削中的应用还不成熟,尤其是让工件作椭圆振动的磨削设备,存在结构尺寸大,工作频率和固定节点难以精确预设等弊端。为解决这些问题,本文开展了针对施加振动于工件的二维超声振动辅助装置的研究,主要研究内容如下:首先,在一维超声振动辅助磨削的基础上阐述了二维超声振动辅助磨削的原理、类型和加工优势,并针对端面磨削和圆周面磨削两种磨削形式,分别从运动学和动力学角度对磨粒相对于工件的运动轨迹和材料去除率进行建模,考虑相邻磨粒的轨迹重叠作用,研究施振于工件的二维超声振动辅助磨削的材料去除机理和加工特点。其次,基于二维超声振动辅助磨削机理确定让工件作椭圆振动的磨削装置结构,分析其产生椭圆振动需要满足的条件,设计各组成部分的结构和尺寸,着重介绍前盖板为四分之一波长复合变幅杆的纵向复合式换能器的结构设计,运用数值模拟的方法研究结构尺寸变化对复合变幅杆谐振频率的影响,并讨论装置的最佳阻抗匹配方案及负载对电声效率的影响。再次,在理论设计的基础上先后建立磨削装置局部和整体结构的参数化模型,运用压电耦合分析方法对所设计的磨削装置进行结构优化和模态、谐响应分析。通过一系列设计点仿真分析研究换能器的尺寸和载物台的尺寸(伸出长度、边长)对装置振动特性(谐振频率、节面位置、最大应力和振幅)的影响,得到最优装置模型。优化后装置的谐振频率与理论设计频率的误差低至0.24%,振幅高达16.7μm。并讨论支撑座、螺栓和预紧力的影响,验证了采用简化模型进行分析的合理性。最后,根据最优装置模型加工出磨削装置实物,搭建二维超声振动辅助磨削系统和测试平台对装置的振动特性进行测试,测试结果与仿真结果相吻合,并开展实验拓展研究力负载对谐振频率和阻抗的影响,实验结果表明装置性能优良。