随着航空航天、半导体以及电子工程的迅速发展,如晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等具有优良性能的硬脆性材料得到广泛应用,但是这些材料在加工过程中却遇到了很大的挑战,普通的加工方法难以达到理想的加工效果,硬脆性材料的高精度三维微加工技术更是成为当今制造业一个重要的研究课题,超声振动切削技术已经被证明是一种很有发展前景的加工方法,它可以有效的降低切削力、减少切削热、提高加工精度、减低表面粗糙度、延长刀具使用寿命。超声振动切削是在普通切削刀具上附加高频的微小振动,使刀尖产生往复运动,适当的调节切削速度、刀具的振幅和振动频率,刀具将周期性的与切屑或者整个工件发生分离。国内外学者对超声振动切削和超声椭圆振动切削技术进行了大量的研究,取得了很好的加工效果,而对三维超声振动切削技术的研究却很有限,理论尚不成熟、装置类型也比较单一,基于这种状况,本文设计了一种三维超声切削工作头,主要研究内容如下：首先,对压电材料的基本理论进行了研究,分析了压电堆的工作原理和基本性能,设计出相应的压电堆结构,以此作为三维超声切削工作头的动力源。其次,对超声振动切削的加工机理进行了深入的研究,在此基础上建立工作头的三维模型,并对工作头结构进行了粗略的运动分析和仿真,利用ABAQUS软件对工作头结构进行了动力学分析,得到工作头结构的固有频率和振型,根据分析结果对工作头进行结构优化以提高其第一阶固有频率。最后,对金属切削过程进行了有限元仿真,得出并对比了三维超声振动切削与普通切削的加工效果,验证了三维超声振动切削在减小切削力、降低切削温度等诸多方面优于普通切削。