针对磨削加工中由于砂轮高速旋转产生“气障”而导致传统冷却方式下冷却液使用率低、冷却效果差的问题,提出了一种聚焦超声汽雾冷却系统。基于聚焦超声的声动力效应以及汽雾介质的强换热能力,使得汽雾有效的克服“气障”到达热源表面,提高了汽雾的换热性能和冷却效率,对实现绿色精密磨削加工具有重要意义。基于均匀杆振动的波动方程设计了聚焦超声汽雾冷却系统,通过有限元分析优化了系统结构尺寸,并进一步研究了系统的振动特性、雾化特性、聚焦特性。对系统的振动特性研究表明系统端面振型是由换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动组合成的纵弯复合振动;对系统的雾化特性研究表明其最大雾化量可以达到30ml/s,雾化状态与冷却液流量有关,高于临界值后雾化状态由中心面雾化变为球面雾化;基于纵弯转换超声振动理论和亥姆霍兹—基尔霍夫声场积分定理对系统的聚焦特性研究表明聚焦超声汽雾冷却系统具有显著的聚焦效果,球面弯曲振动将声能汇聚在声场焦区,当弯曲振动和纵向振动在焦区产生的声场相位相同时,声场发生叠加,可以进一步提高焦区的声压。聚焦超声汽雾冷却系统的振动特性、雾化特性、聚焦特性均满足使用要求。利用Fluent软件数值模拟分析了超声汽雾和超声聚焦对聚焦超声汽雾冷却系统换热特性的影响,并通过稳态换热试验验证,结果表明试件位于汽雾汇聚区域时试件中心区域温度最低,增大冷却液流量有助于降低表面温度但对表面温度分布影响很小;提高超声功率有助于提高汽雾换热能力,降低试件表面温度;当试件位于超声波腹点处时超声聚焦有助于强化中心区换热。将聚焦超声汽雾冷却系统应用于平面磨削加工中,研究了聚焦超声汽雾冷却系统对磨削区温度的影响,结果表明在冷却液流量相同的情况下,相比于普通水流冷却,聚焦超声汽雾冷却系统有更强的换热能力。