随着制造业的蓬勃发展,各种新型装备的研制对零件提出了更高的性能要求。零件的疲劳寿命和耐磨性提升对提高关键零件性能起着至关重要的作用。超声表面光整强化技术将超声振动和表面光整强化工艺相结合,能够大幅提高加工效率和质量,已经成为表面光整强化技术新的发展方向。超声换能器作为该技术的关键部件,其性能的微小改变会很大程度上影响加工质量,加之加工过程参数众多,通过实验的方式优化参数耗费巨大。因此,开展超声换能器的优化设计以及超声表面光整强化加工过程仿真的研究对提高工艺过程稳定性和加工质量尤为关键。本文首先研究了超声表面光整强化加工的原理及加工系统的组成,根据超声表面光整强化加工系统执行机构的功能需求,选择夹心式压电超声换能器作为加工系统的执行器件。首先采用解析模型计算的方法对换能器进行构型规划,确定换能器初步尺寸参数,为超声换能器的优化设计确定参数范围。根据换能器的固定方式及预压力的施加要求,研制小型加工实验台。进一步,采用有限元方法对换能器进行优化设计。首先根据解析模型得出的尺寸参数建立初始有限元模型,利用模态分析的方法开展纵振模态频率及机电耦合系数对尺寸参数灵敏度的研究。选定设计频率为20k Hz,根据灵敏度分析结果调节换能器的尺寸参数,并确定换能器的最终设计尺寸。随后,利用谐响应分析获得换能器最大稳定输出振幅。分析不同尺寸参数及材料参数的工具头对换能器谐振频率与振幅的影响。加工制作超声换能器实验样机,用激光测振仪测试换能器实际工作时的谐振频率为19.633k Hz。用激光位移传感器测量换能器输出振幅的范围,电压为500Vp-p时,振幅为22.625μm。对超声表面光整强化加工机理进行分析,确定适合的材料本构模型。利用ABAQUS软件对超声表面光整强化的加工过程进行数值模拟,研究加工过程中的关键参数(静压力、加工周期数、振幅)对试件表面粗糙度、残余应力的影响规律。研究发现:相较于加工周期数和振幅,静压力对表面粗糙度的降低影响较大,800N静压力作用下可使表面粗糙度从Ra 6.3下降到Ra0.81;静压力的增大可以明显的提高最大残余压应力、残余压应力范围和最大残余压应力深度;当静压力为800N时,最大残余压应力为64.97MPa,最大残余应力深度为0.03mm,分别是静压力为100N时的2.08倍和3倍;此外,加工周期数和振幅对残余应力的改善不明显。本文通过解析建模方法与有限元分析结合设计了带有可拆卸工具头的夹心式纵振压电超声换能器,同时设计并制作了加工实验台,搭建了平面工具头加工固定平面类试件的实验系统。最后,采用有限元软件ABAQUS研究了加工参数对被加工试件表面特征参量的影响规律。