重载齿轮高端制造技术始终是国内外工业界、军工部门、研究机构的重点研究内容之一,其核心问题就是如何提升齿轮疲劳性能,而齿根决定了齿轮的承载能力和弯曲疲劳寿命,因此针对其进行强化处理就至关重要。但目前的强化方法均存在一定的局限性,因而探讨一种适于强化重载齿轮的技术方法就亟待解决。鉴于此,本文首先分别针对精炼前后两种状态的20Cr2Ni4A齿轮钢进行了准静态压缩试验和分离式霍普金森压杆试验,在考虑应变、应变率和温度影响的基础上建立并修正了两者的Johnson-Cook(JC)动态本构模型,用以描述材料在超声表面滚压处理过程中应力应变关系并提供材料参数,同时研究分析了两种状态下材料所含夹杂物的差异对两者动态力学性能的影响。结果表明:修正后的JC本构模型能较好的描述20Cr2Ni4A渗碳齿轮钢在超声表面滚压处理作用下的动态力学行为。同时夹杂物对材料力学性能影响显著,精炼后的材料中夹杂物尺寸更小、数量更少并且分布更均匀,这导致其相比于精炼前的材料屈服强度更高、应变率强化效应更好。其次,研究了静压力和高频冲击力叠加作用产生的复合动态冲击力的函数模型,将振幅参数转换为力的表达形式加入到载荷参数中,建立了ABAQUS表面单点冲击有限元模型,得到了单次冲击过程中材料表面应力分布变化。结果表明:当单次冲击结束后,静压力为1300N时,材料表面残余应力可达600MPa以上。然后,澄清了静压力参数对材料表面粗糙度、残余应力和显微硬度的影响规律,结合表面完整性对疲劳性能的影响,确定了最佳工艺参数。结果表明:当其他参数相同时,随着静压力的增加,表面显微硬度和残余压应力均呈现先增加后减小的趋势,而表面粗糙度变化规律与之相反。当静压力为1374N时,表面粗糙度最小为0.114μm、显微硬度值和残余压应力值最大分别为828HV和-612MPa。最后,对超声表面滚压处理前后的试样进行了三点弯曲疲劳试验,分别得到了处理前后试样的寿命曲线(P-S-N曲线),结合疲劳断口形貌,对比分析了两者微观结构的差异,揭示了超声表面滚压处理强化机制。结果表明:相较于处理前,试样经超声表面滚压处理后,相同应力水平下的平均三点弯曲疲劳寿命提高了一倍以上,从90%存活率下对应的S-N曲线中可以发现,处理后试样的三点弯曲疲劳强度由处理前的1053MPa提高到1190MPa,提高了137MPa;处理前裂纹源萌生于试样表面,经强化处理后,试样表面产生一层致密的塑性变形层,造成起裂位置下移至次表面;在裂纹扩展阶段,处理前疲劳辉纹平行间距为30.29μm,处理后降为18.76μm;沿层深呈梯度变化的晶粒尺寸、残余压应力和硬度是造成这种现象的原因。