工程陶瓷等硬脆材料具有高硬度、耐高温、耐磨、耐腐蚀等优良物理化学性能,是科技发展的重要支撑,在航天航空、国防军事、新一代信息技术等新兴产业发展中具有重要作用。然而正是由于其硬度高、断裂韧性低等特点使加工难度增大,采用传统磨削方式,难以实现高效高质量加工。旋转超声加工被公认为加工硬脆材料的有效方法,但当前研究主要集中在一维超声振动上,其仍存在制孔表面质量差、崩边等问题,制约着硬脆材料的广泛应用。本文在概述旋转超声加工和制孔加工技术研究现状的基础上,充分考虑不同超声振型和螺旋制孔技术的加工优势,“以磨代钻”,提出了纵扭复合超声螺旋磨削制孔加工方法。以氧化锆工程陶瓷为研究对象,对纵扭复合超声螺旋磨削制孔加工进行运动学分析;基于压痕断裂力学理论和孔底表面形貌分析材料的去除机理;在此基础上,建立了磨削力模型,并对其加工质量进行研究,为实现硬脆材料的高效精密加工提供参考。主要研究内容如下:(1)建立了纵扭复合超声螺旋磨削制孔加工单颗磨粒的运动方程,采用MATLAB软件对其运动轨迹进行仿真,分析其运动特性,并探究各工艺参数对加工过程的影响规律,为后续厘清材料去除机理、建立磨削力模型、匹配合适的工艺参数奠定基础。(2)基于压痕断裂力学理论,结合磨粒与材料相互作用的接触应力场解析模型,分析磨粒与材料相互作用裂纹成核、扩展规律,并进一步分析超声对裂纹系统和材料脆塑转变临界深度的影响。通过SEM对孔底表面形貌进行观察,发现在超声作用下,磨粒与材料相互作用阶段的磨削沟槽深度变化情况呈现“中间深,两边浅”、从中间到两边深度逐渐减小;材料的去除方式主要有脆性断裂去除、塑性去除,并以脆性断裂去除为主;且脆性断裂的破坏方式主要为穿晶断裂破坏。(3)在磨粒的运动学分析和材料去除机理分析的基础上,推导建立了纵扭复合超声螺旋磨削制孔加工的磨削力模型。搭建磨削力测试平台,开展磨削力模型验证实验,验证了模型的有效性。在此基础上,根据磨削力模型的预测结果分析工艺参数对磨削力的影响规律。(4)开展了纵扭复合超声螺旋磨削制孔加工质量研究。选取孔壁和盲孔孔底的表面粗糙度、孔入口崩边程度作为加工质量的重要考核目标。分析了孔壁表面和盲孔孔壁表面的创成机理和孔入口崩边的形成机理,并分析超声振幅、螺距、螺旋进给速度、主轴转速等工艺参数对加工质量的影响规律及影响程度。通过与纵向超声和普通螺旋磨削制孔质量对比,表明纵扭复合超声螺旋磨削制孔更有利于提高加工质量,具有为工程应用提供参考的价值。