随着当今航空航天、国防军工等尖端科技领域的飞速发展,我国的精密超精密制造技术得到了极大提升,然而异形深腔、大曲率光学元件、大尺寸深孔等复合材料构件的整体精密制造技术却有待提高。超声辅助加工技术可以很好弥补传统精密制造所存在的缺陷,在保证和提高复合材料零部件加工精度和表面质量具有明显的优势,因此对适用于深腔、硬脆光学元件、大尺寸深孔加工的超声振动装置研制也备受关注。超声振动系统研发的关键在于变幅杆设计,目前,该系统中非传统变幅杆的研制未能得到较好的解决,本文针对该部分难题展开如下研究:(1)针对传统深腔加工过程中由于切削力、切削热过大而导致其加工精度降低、表面质量较差的问题,提出一种适用于深腔加工的超声振动系统方案。运用全新的分段近似趋近法设计了一种适用于深腔加工的超长指数过渡变幅杆;后利用有限元软件对该变幅杆进行模态分析,并根据分析结果与目标要求的偏差对其部分尺寸进行优化修整;紧接着采用有限软件仿真分析了法兰位置设置问题,并对优化后的变幅杆进行阻抗分析和振动性能测试。(2)为保证系统在连续工作过程中处于良好的运行状态,分别对系统的工作频率、运行温度、振动效果进行测试,测试结果表明:整个系统在长时间连续工作过程中,谐振频率、电流、系统输出振幅波动较小,装置各个部分的温度也都在正常范围内,加工工具末端雾化效果良好。此外,还对ZTA陶瓷展开振动磨削,其磨削效果较普通磨削而言表面质量更佳。(3)为解决大曲率光学玻璃曲面研磨问题,基于弯曲振动理论、耦合振动理论和变幅杆设计理论,设计了超声杯形工具复合变幅杆,之后对所设计的杯形工具复合变幅杆进行阻抗分析和振幅特性试验,并利用有限元仿真分析和试验测试的方法,研究了杯形头几何参数对振动系统谐振频率的影响。(4)依据斯涅尔定律,设计了一种适用于大尺寸深孔加工的大负载铣削型变幅杆,应用有限元软件对理论计算结果进行有限元修整,并探讨了复合变幅杆几何参数对谐振频率的影响。此外,对超声振子进行了阻抗分析和振动性能测试且测试效果良好。