蓝宝石因硬度高、耐磨性好以及化学性能稳定等特点在微机电等工业领域应用日益广泛,超声研磨加工技术能够有效提高工件表面质量和加工效率,是目前最常用的蓝宝石研磨加工方法。随着蓝宝石的加工要求越来越高,传统一维超声研磨仍然存在加工效率较低、表面质量不可控以及刀具磨损严重等问题,需寻求更加合适的加工方法来提高研磨质量。二维复合超声研磨的纵弯复合、纵扭复合、径弯复合等多种振动模式因加工效率高和表面质量好表现出显著加工优势,研究发展具有非常广阔的前景。因此,本文提出运用纵扭复合超声振动对蓝宝石进行研磨加工,设计了一种纵扭压电超声振动系统,以提高加工效率及表面质量,应对蓝宝石日益复杂的加工要求。本文研究内容主要可以分为以下几个方面:（1）对超声加工技术的特点与应用进行了阐述,介绍了超声研磨技术的背景与应用,概括了国内外压电超声振动系统方面的研究状况,并介绍了纵扭复合振动加工的应用与优点。（2）根据一维振动理论和扭转振动理论分析了纵扭变幅杆产生纵扭振动的原理;介绍了压电换能器的设计方法并对压电方程及压电陶瓷特性参数进行了讨论;为纵扭压电超声振动系统的结构设计提供了理论依据。（3）根据超声频率方程与谐振设计原理对纵扭压电超声振动系统的超声换能器和纵扭变幅杆进行了结构设计并对选择了材料类型,对纵扭变幅杆的螺旋槽进行了结构设计,得出了结构尺寸参数;通过有限元仿真分析了纵扭变幅杆的谐振频率,验证了谐振设计的合理性。（4）建立纵扭模态压电超声换能器三维几何模型,采用COMSOL Multiphysics软件对纵扭模态超声换能器进行了特征频率与频域分析。结果表明,换能器的固有频率为22.002k Hz,能够在激励频率下产生良好的轴向位移和切向位移幅值,纵扭振动性能良好,并对换能器的位移节点及运动轨迹进行了分析,验证了理论设计的正确性。（5）采用超声元件分析仪和激光位移传感器对加工的纵扭压电超声换能器试验模型进行了阻抗和振幅测试。测试结果表明,在预紧力为21875N（预紧扭矩70Nm）时,纵扭模态超声换能器的谐振频率为21.695k Hz,与仿真结果相差为1.4%;换能器振幅性能稳定,测得纵振振幅和扭振振幅（峰峰值）分别为7.5μm和2.3μm,纵扭振幅比为0.31,符合理想设计要求,验证了理论设计与有限元仿真分析的正确性。对纵扭模态超声换能器进行了温度测试试验,换能器在工作状态下受介电损耗和机械损耗等原因引起温度上升,并且变幅杆输出端温度上升幅度较大,换能器整体的谐振频率下降,影响了振幅的输出性能。