高速发展的科学技术对材料性能提出了更高要求,以先进陶瓷、功能晶体及其复合材料等为典型代表的硬脆材料具有稳定的物理和化学特性,在航空航天、电子工业、光学工程等领域中应用广泛。硬脆材料在工程应用中往往需要加工大量的孔,以实现装配以及充当油路等功能结构。然而,由于硬脆材料的自身特性,采用传统钻削方法钻孔存在切削力大、加工效率低、加工质量差等问题,传统钻削工艺很难满足硬脆材料钻孔要求。超声辅助钻削技术在一定程度上解决了硬脆材料钻孔难题,但在钻孔中仍能观察到孔出口崩边等损伤,严重制约了硬脆材料的工程应用,硬脆材料超声辅助钻削质量仍需要进一步提升。为了改善超声辅助钻削质量,实现硬脆材料的高效低损伤钻孔,本文提出在超声辅助钻削中使用阶梯钻进行钻孔,分析了孔径偏差和孔出口崩边的形成过程,对阶梯钻改善钻孔质量的机理进行了研究,并通过使用阶梯钻对碳化硅陶瓷进行了超声辅助钻削试验。本文所做的工作主要包括以下几个方面:（1）根据超声辅助钻削装置的组成及原理,设计变幅杆并进行仿真,研制搭建超声辅助钻削装置以及振幅测量装置,并检测超声辅助钻削装置的性能。（2）分析普通麻花钻和阶梯钻的钻削过程,建立阶梯钻-超声辅助钻削运动学方程,求解阶梯钻主切削刃运动轨迹,研究阶梯钻-超声辅助钻削切削用量和钻削占空比,分析使用阶梯钻改善钻孔质量的作用机理。（3）利用有限元仿真技术建立超声辅助钻削有限元仿真模型,通过对使用阶梯钻与普通麻花钻的超声辅助钻削过程进行仿真,分析钻削过程中工件内部应力集中情况、切削力和钻孔出口损伤问题。（4）针对碳化硅陶瓷钻孔,进行超声辅助钻削与传统钻削对比试验,以及分别以主轴转速、进给速度为变量的超声辅助钻削工艺参数单因素试验,试验结果很好地验证了阶梯钻改善超声辅助钻削质量的有效性和可行性。本文对使用阶梯钻改善超声辅助钻削质量进行了理论分析和试验研究,试验结果表明:在相同条件下,超声辅助钻削比传统钻削加工孔的质量高;与普通麻花钻相比,使用小径与大径的直径比大于0.5的阶梯钻都能降低孔径偏差、孔出口崩边尺寸和孔壁表面粗糙度;在主轴转速、进给速度较大的情况下,使用小径过细的阶梯钻,反而会出现钻孔质量比普通麻花钻更差的情况;适当增大主轴转速、减小进给速度,可以减小孔径偏差,减小孔出口崩边尺寸,降低孔壁表面粗糙度。