从加工精度、表面形貌及质量要求等方面考虑,振动辅助切削技术是一种卓有成效的加工方式,它的出现弥补了传统金属加工的不足。振动辅助切削过程中,切削刀具被施加激励,使得刀尖在切削过程中产生有规律的、稳定的微幅振动,同时,刀具和工件之间会有周期性的相互作用,通过合理设置振动参数和切削参数,该周期性的作用既可以形成工件表面规整的微织构,改善其表面功能特性,获得减阻、自清洁、以及耐蚀耐磨等性能,也可以在脆硬性难加工材料切削过程中有效地降低切削力和切削热,提高零部件的加工精度和表面质量。然而现阶段对振动辅助切削加工工艺的研究还没有形成完善的系统的设计理论和分析方法体系,相关理论研究及试验基础还不够完善,在应用方面尚未成熟,鉴于此,本研究以直圆形柔性铰链作为基础,藉由柔性铰链成熟的理论以及优异的性能,开发振动辅助切削机构,实现对工件表面微织构加工,以及对不锈钢、氧化铝等难加工材料的切削,取得优良的加工效果,可为振动辅助切削加工的发展及现实应用提供理论支撑和试验基础。本文的研究内容主要包括如下几个方面:(1)介绍了振动辅助切削原理、切削系统输出耦合特征以及其加工特性,分析了表面微观形貌生成过程,建立对应的数学仿真模型,定义刀具和工件的形状和运动方程,通过定位切削过程中刀刃和工件表面的交叉点,逐步迭代完成工件表面的更新,并通过对振动切削所得工件表面的形貌特征的分析,为后续实验获得的工件表面形貌分析提供基础,与加工实验相互验证。(2)在探究振动辅助切削机理的基础上,利用柔性铰链设计理论,将两个圆形柔性铰链单元串联布置,并进行镜像处理,形成两级圆形柔性铰链结构,实现柔性铰链振动机构的构建,该机构的镜像对称中心受到振动激励时可以输出一维振动位移,通过采用理论模型和有限元法对其进行分析,得到其刚度和模态响应,并且对其物理样机进行性能测试,验证理论分析,在分析结果的基础上,实施切削实验,通过在硬质活塞表面生成沟槽织构,以备储存润滑剂,降低轴孔摩擦副的磨损,进一步论证机构设计的可行性及实用性,考虑到其并没有位移放大作用,输出的位移范围会有局限,对机构从低频非共振解耦(双向解耦)和高频共振耦合(双向耦合)两个角度进行优化改进,提出双向解耦设计方案和双向耦合优化分析。(3)对双向解耦设计方案展开详细分析,分割原直圆形柔性铰链振动机构内串联式一级圆形柔性铰链结构对称中心线,构建改进型桥式柔性铰链结构,通过与Z型柔性梁的复合,建立双向解耦柔性铰链振动辅助切削机构,设计过程中对其结构组成、运动原理、静力学及动力学特性进行理论分析。该振动辅助切削机构工作在非共振状态下,具有运动输出放大作用,并且有足够的输出刚度,其输出末端可以生成二维振动曲线,虽然没有较高的工作频率,但是它不受共振频率的限制,可以更精确的控制刀尖的运动轨迹。(4)测试双向解耦柔性铰链振动辅助切削机构的物理样机性能,检测其信号迟滞和解耦性能,以及刀具刀尖的输出刚度,对机构系统施加脉冲激励,得到动态输出响应。结果表明该机构具有优异的抗信号迟滞和解耦性能,通过设定工艺参数,开展切削加工实验,得到条形凹坑、交织条坑、交织栅条三种织构,通过对对应的理论仿真结果和实验所得形貌的对比,可以得到,理论模型与实验加工所得织构相互吻合,该种一致性的结果表明振动机构所产生的表面织构是可预测并且可控的,对不同织构表面进行亲疏水性能的测量研究,比较所得接触角的大小,观察到有微观织构阵列的表面相较于普通表面具有较好的疏水性,验证了该振动辅助切削机构的样机性能以及其在微织构成形方面应用的可行性。(5)对双向耦合优化分析进行详细论述,以弥补双向解耦振动机构工作频率较低,不能很好的适应高速切削加工的不足,优化过程中,将原直圆形柔性铰链振动机构内的串联式二级圆形柔性铰链结构内两部分相邻圆形铰链单元之一绕其对称中心点做旋转变换,产生60°夹角,形成尖式双向耦合构型,其尖端安装切削刀具,对应的两部分圆形铰链单元外侧连接压电振子,构建双向耦合柔性铰链振动辅助切削机构,并利用转接板实现装配,该机构在其超声共振频率下工作,可以用于硬质材料的高速加工,通过进行实验分析和有限元仿真,研究了振动激励信号,切削速度,进给量和切削深度等加工参数对切削力,切屑形状和工件表面质量的影响。结果表明其振动辅助切削过程中的切削抗力相比于传统切削所得值要更小。通过对刀具与切屑间的摩擦状态受力分析也得出该振动辅助切削方式和传统切削过程两者的切屑形成过程机理是不同的,切削抗力的有限元分析结果和仿真所得的切屑形状也都被实际切削实验所佐证。(6)在双向耦合柔性铰链振动辅助切削机理分析的基础上,进一步研究刀具与切屑间的摩擦状态,应用前刀面带有微织构的刀具进行振动切削加工,刀具前刀面的织构由激光加工生成,研究刀具表面微织构对于振动切削的影响,得到矩形微织构可以改善其切削性能的初步结论。同时为了说明双向耦合柔性铰链振动辅助切削机构在难加工材料切削中的可行性,应用该机构加工纯氧化铝晶体,配备使用多晶金刚石刀具。结果表明相比较于传统的加工方式,该振动辅助切削加工中切削力显著降低,而且加工所得工件表面质量也得到改善。