在硬脆性光学晶体、钛合金、黑色金属等难加工材料的加工过程中,存在刀具磨损严重、切削力较大、切削热较高等问题,严重影响零件的表面质量。三维椭圆振动切削是有效解决以上问题方法之一,然而现有的三维椭圆振动切削装置多以柔性铰链形式的柔顺机构作为实现三维振动的载体,其固有频率、伴随位移比等性能指标优化范围有限。本文充分利用空间曲梁性能指标调节范围大的优点,结合自由度与约束拓扑构型法和等几何理论,设计出具有期望性能的三维椭圆振动切削装置,通过改变曲梁形状,其几何参数可在较大范围内优化,进而性能指标可优化范围增大,从而满足更高的加工性能需求。(1)详细阐述了三维椭圆振动切削原理,推导出三维驱动作用下的刀尖椭圆轨迹方程,获得空间椭圆轨迹随驱动信号相位差、振幅等参数的变化规律,为三维椭圆振动切削装置的设计与实验提供理论基础。(2)结合自由度与约束拓扑构型法和等几何分析设计出空间曲梁柔顺机构,对其进行静力学分析、模态分析以及瞬态动力学分析。以提高空间曲梁柔顺机构一阶固有频率和伴随位移比为目标,以曲梁中间控制点的坐标为变量对空间曲梁柔顺机构进行多学科协同优化,优化结果表明,x-y的伴随位移比相对增加了22.77%,x-z的伴随位移比相对增加了14.59%,一阶固有频率相比增加了6.47%。以优化后的空间曲梁柔顺机构为载体,设计出一种非共振三维椭圆振动切削装置。(3)对三维椭圆振动切削装置进行实验测试,搭建测试实验平台,对正弦信号响应、最大行程进行了测试,对三维椭圆振动切削装置刀尖输出轨迹进行测试,拟合结果表明,输入空间椭圆满足设计要求。应用设计后装置进行车削实验,并与普通车削进行对比,得出添加振动的铝棒表面平整度更好。对三维椭圆振动车削与普通车削进行粗糙度测量,得出三维椭圆振动切削测量的粗糙度Ra等于0.833μm,普通车削得到的粗糙度为Ra等于1.324μm,两者对比增加了58.94%,即表面粗糙度得到明显提高,验证了以空间曲梁柔顺机构作为载体设计的三维椭圆振动切削装置的可行性。