硬脆材料由于具有硬度高、脆性大、断裂韧性低的固有特性,成为典型的难加工材料。传统加工硬脆材料的工艺方法需要多道工序,加工效率低、刀具磨损快、发热严重等问题使硬脆材料的加工成本居高不下。旋转超声加工是专门针对硬脆材料加工而发明的一种新型复合工艺方法,由传统超声加工改进而来。旋转超声加工将传统超声加工的游离磨粒换成固结磨粒,磨粒一边绕刀具轴线高速旋转一边沿刀具轴线做超声频小幅振动,通过磨粒的高频捶击和刻划来实现材料的加工去除。旋转超声加工可以直接对硬脆材料进行加工,简化了工艺流程,提高了加工效率,降低了磨削力,延长了刀具的使用寿命,在硬脆材料的加工方面表现出显著的工艺优势。目前国内外的旋转超声加工大多是通过在现有机床的刀柄上加装超声振动系统来实现,旋转超声加工专用机床不多,其中以德玛吉的ultrasonic系列最为著名。针对这一现象,本课题组研制了旋转超声加工专用机床,旨在进一步推动旋转超声加工的工业生产实际应用。为了更好地掌握机床的实际使用性能和结构设计特点,通过使机床工作在临界转速以下来避免发生共振现象,本文对参与研制的旋转超声机床进行了动态特性分析。对机床进行结合部的动力学建模是进行动态特性分析的基础。本文通过在导轨和滑块之间建立弹簧阻尼单元的方法完成直线滚动导轨的动力学建模,利用吉村允孝结合面积分法计算出方箱与底座结合部的动力学参数,完成结合部的动力学建模,获得了机床的前九阶固有频率和模态振型,为后续的工艺试验奠定了基础。硬脆材料在受到不同类型的外部载荷时会表现出不同的力学性能。本文在硬脆材料损伤与断裂力学的基础上,采用经典的JH-2本构模型对碳化硅进行了准静态加载下的纳米压痕试验仿真,得出了不同压深下的载荷位移曲线,研究了碳化硅在弹塑性应力场下的裂纹成核与扩展情况。研究表明硬脆材料在动态载荷下会表现出与静态加载不同的力学响应,本文通过对碳化硅材料进行分离式霍普金森压杆试验仿真来研究硬脆材料在冲击载荷下的动态力学性能,观察了不同撞击速度下碳化硅试件的损伤演变过程和最后的破碎形态,提取了压杆的应变历程图,并利用三波法公式计算出碳化硅试件在不同撞击速度下的应变率,分析了碳化硅材料的动态力学性能和应变率效应的形成原因,为后续研究超声振动下的磨削力和材料去除打下基础。传统超声加工的磨粒冲击作用是旋转超声加工区别于普通磨削加工的重要因素。为了研究旋转超声加工的磨削力及材料去除机理,本文对碳化硅试件进行了磨粒冲击仿真,观察了试件在受到磨粒冲击后的应力分布情况,结合前面章节的研究成果分析了微裂纹的形成与扩展机理。在正弦的高频振动叠加下,磨粒的运动轨迹发生了变化,本文在对单颗磨粒进行运动学分析的基础上,开展了超声振动下的磨削仿真研究,对比分析了超声振动下的磨削力及材料去除与普通磨削时的区别,并通过单一变量仿真的方法研究了不同振动频率下的磨削力及材料去除率的变化并分析了原因,在此基础上又研究了超声振幅对磨削力及材料去除率的影响及原因,为旋转超声加工的工艺参数优化提供了参考。