近年来,随着国内高端制造业的不断进步,钛合金凭借其比强度高,抗腐蚀能力强,热稳定性好等优点,广泛应用于航空航天领域。在这些产品中,异形面或空间曲面占很大比重,然而由于钛合金导热性差、化学活性高、弹性模量小等特点,是典型的难加工材料。因此,提高钛合金曲面产品的加工效率和加工精度,实现高效高精度的曲面加工,成为制造业的迫切要求。本文首先建立了以轴向位置角为主要参数的球头铣刀刃线模型,分析和建立球头铣刀在单一纵振、单一扭振和纵扭复合振动条件下刀具轨迹方程。通过刀具路径求解瞬时切屑厚度,将其代入机械式线性切削力模型,得出纵-扭复合振动条件下球头铣刀切削力模型。设计符合超声刀柄系统的传振变幅杆,通过在变幅杆上加工矩形螺旋沟槽,使变幅杆分离出扭转振动分量。通过控制沟槽数目、沟槽螺旋角度、沟槽宽度等因素设计正交试验,利用Ansys软件模态仿真模块,获得不同参数下变幅杆输出端扭-纵比的大小。通过各单因素实验优选出扭-纵比最优的螺旋沟槽结构参数。结论表明:沟槽螺旋角度对扭纵比影响最大,且当其他参数一定时,变幅杆扭-纵比随沟槽螺旋角度增加先增后减,在30°附近出现最大值。基于立式加工中心搭建了无线传输纵扭复合超声振动辅助铣削实验平台。在理论分析的基础上,进一步开展了超声纵-扭复合振动铣削钛合金曲面的加工特性实验。以定曲率钛合金工件为对象,将工件半径、刀具轴向位置角、超声振幅、最大切削深度和切削速度设为变量设计正交试验和单因素对比试验,通过采集和分析切削力和表面粗糙度数据,观察工件已加工表面和切屑形貌,研究超声参数和各工艺参数对加工特性的影响。实验研究验证了所建切削力模型的准确性,通过实验可知:工件半径和刀具轴向位置角对三向力影响较大,超声振幅和最大切削深度对三向力影响较小;在一定振幅范围内,超声辅助加工可显著改善加工后表面质量,降低工件表面粗糙度,适用于钛合金曲面铣削加工。