随着航天、国防、生物工程、精密机械等高端装备的快速发展,高性能零部件的使役性能、可靠性和寿命有待快速提高,传统加工难以满足日益增长的精度和表面加工质量要求。钛合金等由于其硬度高、比强度高、耐高温及耐腐蚀性等优良特性被广泛应用于航天航空、军工、人工智能等先进制造领域,然而因其高强度、高硬度、导热性差等特点导致切削加工性能较差,零件加工后产生的表面沟痕、微裂纹等缺陷加剧缩短了材料的疲劳周期,该现象在高强度材料中表现尤其明显,而高性能零件表面性能往往取决于表面微结构特征,因此在加工高性能零件时需对其表面微观结构进行有效控制。表面微结构的设计与制造在运动表面的减阻、抗振、减粘、脱附、耐磨、降噪等方面已显示出良好的应用前景。针对以上问题本文研究了在不同振动方向下超声辅助端面铣削表面微结构的形貌特征、创成机理以及表面特性,以期通过对振动方向和加工参数的控制来构造零件表面的微结构特征,提高重要核心零部件的使役性能。基于声学理论研究了非均匀介质超声振动变幅系统通用设计理论和方法,实现了非均匀介质纵扭复合超声铣削系统,并在数控加工中心上搭建了超声振动铣削平台。基于超声振动铣削运动学对刀尖运动轨迹分析,研究了运动轨迹对加工表面微观结构的影响机制。获得了二维正交振动超声铣削刀具-工件分离条件:当刀具齿数N=4,仅当满足进给振幅比δ<2且振转比?非4整倍数时,相邻两刀尖轨迹发生相交形成封闭区域,?为2奇数倍时封闭区域内X方向距离最大,随着?的减小Y方向距离增加。在纵扭复合振动超声铣削中提出了“扭纵转振比”的概念,当η恒定即振动频率f和主轴转速n的比值一定时,刀尖运动轨迹形态一致,高速切削时只要相应地提高振动频率f即可实现高速超声复合加工。基于空间变换理论建立了超声辅助端面铣削表面微结构几何模型,提出了“还原逼近算法”,用来对被加工件的三维表面求解;利用Matlab软件,研制了一种超声振动端面铣削加工表面微观结构仿真工具并获得良好运用。基于正交试验和单因素试验研究了纵扭复合超声端面铣削加工参数、声学参数等对表面粗糙度的影响,研究结果表明:加工参数对表面粗糙度值Sa的影响的主次顺序是每齿进给量fz、超声振幅A、轴向切深ap、铣削速度vt;不同扭纵幅值比At/Al的粗糙度曲线变化趋势一致,其中At/Al=0.3的曲线较为平坦。不同振动方向超声端面铣削获得的加工表面粗糙度值Sa符合以下规律:二维正交振动铣削表面粗糙度值Sa最小,其次是进给方向振动和At/Al=0.3时纵扭复合振动铣削得到的Sa值,其他振动方向得到的表面粗糙度值Sa较大。基于超声振动端面铣削表面上形成的典型振动微单元,研究了不同振动方向铣削表面微结构特征:纵扭复合振动铣削表面随扭纵幅值比At/Al的增大由凹坑状微结构逐渐向片状微结构或条状微结构转变;进给方向振动铣削表面产生了规则的正弦曲线状鳞片微结构;二维正交振动铣削表面出现类四边形微结构。表面微结构单元均随着铣削速度vt的提高而变得稀疏且结构尺寸较大,反之当铣削速度vt较低时表面微结构较为致密且精细。为考察超声加工表面纹理的摩擦学特性,研究了干摩擦表面的摩擦磨损性能,结果表明:超声振动铣削表面的摩擦系数相对普通铣削显著降低,且随振幅A增加磨合阶段缩短。纵扭复合振动铣削表面,当At/Al=0.21时得到的加工表面摩擦系数最低;进给方向振动铣削表面,当超声振幅A=3μm时摩擦系数最小,无明显磨合阶段,相对普通铣削表面摩擦系数降低60%;二维正交振动铣削表面,当超声振幅A=2μm时摩擦系数出现最小值。基于分形理论研究了超声加工表面分形特征,研究表明:纵扭复合振动超声铣削表面的分形维数D相对较大,且随加工参数波动较平稳;轴向振动和进给方向振动的分形维数D相对较小,随加工参数波动较大;普通铣削的分形维数D最小且波动最大。当分形维数D较大且表面粗糙度值Sa较小时,可以获得具有较小的摩擦系数的加工表面。