高精度高表面完整性的纯铁曲面薄壁构件是精密物理实验中的重要零件,但纯铁材料属于黑色金属一类,传统的磨削、研磨和抛光等工艺存在加工效率低,表面污染,工艺稳定性较差等问题,难以满足需求,超精密加工难度较大。金刚石刀具车削,虽有效地提高了加工效率和精度,但金刚石刀具加工黑色金属刀具磨损严重,难以满足工程应用。超声椭圆振动切削对金刚石刀具磨损具有显著的抑制效果,延长了刀具寿命,具有工程应用前景。因此,本文对金刚石刀具超声椭圆振动切削开展研究,重点关注了切削变形区特征、表面形貌及表面层组织及力学性能。基于椭圆振动切削理论,结合刀具切削轨迹、刀具几何、工艺参数及超声振动特性,建立了超声椭圆振动切削表面几何残高数学模型,并基于Matlab模拟了表面三维形貌,分析了超声振动频率、幅值、切削速度、进给量及刀尖圆弧半径对工件表面形貌的影响规律;进一步考虑刀具刃圆磨损以及刀纹偏移对表面残高影响,给出几何残高数学算法,并通过超声椭圆振动切削实验进行了验证。实验研究表明:超声椭圆振动切削最小表面粗糙度Sa低于10 nm,随着切削速度和进给量增加,表面粗糙度变大,因此,实际加工时应权衡表面要求和加工效率合理匹配工艺参数;金刚石刀具切削3 km时后刀面磨损在切削方向对已加工表面产生挤压摩擦,使得表面形貌呈现出不均匀性。基于纯铁材料的动态力学特性和超声椭圆振动切削特点,在Abaqus中建立纯铁超声椭圆振动切削有限元模型,研究了超声椭圆切削过程下切削变形区切削力、切削温度及切屑等变化规律,并开展相关实验验证。在第一变形区,工件应力状态随刀屑周期性接触而呈周期性变化,切屑塑性变形程度更小,切屑厚度更薄,切削区温度大幅度降低;在第二变形区,刀屑摩擦力反转,促进了切屑流出;在第三变形区,加工应力水平更低,应力影响区域小。实验研究表明:金刚石刀具超声椭圆振动切屑更薄,切屑底面更光滑,边缘断裂呈“细丝状”,切屑底面呈现细微褶皱;平均切削力低于0.1 N,切深、进给量以及切削速度变大均会增大切向力和背向力,其中切深影响最为显著。基于亚表面表征相关实验技术,对纯铁超声椭圆振动切削表面层组织和力学性能开展实验研究,研究了切削表层加工硬化、加工残余应力和显微组织变化规律。实验研究表明:纯铁超声椭圆振动切削表面加工硬化明显,硬化层厚度低于普通精密车削;普通车削表面为残余拉应力状态,而超声椭圆振动切削表层加工残余应力为压应力;超声椭圆振动切削表层组织存在塑性变形层,晶粒沿切削方向取向明显,但塑性变形层厚度较薄,约2~3μm,而普通精密车削塑性变形层厚度约20μm。