近年来,随着科学技术的发展与进步,高硬脆材料在航空航天、医疗、武器装备制造等诸多领域得到了广泛的应用,而超声振动加工在加工多种硬脆材料时,均表现出加工效率高、表面质量良好等特点。而二维复合振动加工更是可极大提升相较单向振动加工的加工质量,本文设计了二维纵-扭复合超声铣削加工系统并进行了试验探究,从而更好地发挥超声振动加工的优势。本文结合数值解析法及ANSYS有限元仿真设计了圆锥过渡复合变幅杆,并在圆锥段开设螺旋沟槽,分析了螺旋沟槽处横波的存在性,理论推导了螺旋沟槽的振型转换机理;通过模态分析结果验证了变幅杆末端的纵-扭复合振动的输出;通过对变幅杆的瞬态动力学分析,拟合出复合振动的振动轨迹,为一近似椭圆结构。其次,在ANSYS有限元模态分析的基础上,探究了纵-扭变幅杆上螺旋沟槽几何参数,包括螺旋沟槽个数、旋转角度、槽深等对变幅杆谐振频率、放大倍数及扭纵分量比的影响规律,并利用正交参数分析法分析了影响螺旋沟槽参数对变幅杆扭纵分量比及谐振频率的主次顺序;根据变幅杆刚性要求及系统加工应用要求,选择合适的螺旋沟槽几何参数。结合ANSYS有限元仿真及阻抗分析测试讨论分析了螺旋沟槽式纵-扭变幅杆三段结构长度对于变幅杆扭纵分量比、放大倍数及谐振频率的影响规律及敏感度,并基于该结论建立频率修正方程,针对开设沟槽后及添加工具杆后的变幅杆频率偏移问题,利用该方程对变幅杆进行频率修正,修正后与设计值仅有0.47%的偏差,与超声系统匹配程度较高。最后,利用自行研制的超声波电源,搭建了纵-扭复合超声振动铣削系统试验台,对超声系统进行振动雾化测试,并分析了工具杆伸出长度对超声系统的影响,验证了阻抗分析结果的正确性;开发设计出超声扭转振动测评装置及方法:通过在铣刀侧面布置多个测定点,利用激光位移传感器测定每点的扭转振幅,拟合出扭转幅度函数曲线,从而精确计算出工具杆上某点的扭转振幅,对系统输出的复合振动进行了量化,验证了有限元仿真的结果。