工程陶瓷材料具有优异的物理特性,耐磨性好,摩擦系数低,拥有很高的硬脆特性。由于硬度高,线速度小,加工间隙小,排屑散热困难,工具头刚性差,工程陶瓷小孔磨削成了一大技术难题。旋转超声磨削是传统磨削与超声加工技术的结合,是学术界公认的磨削陶瓷小孔廉价高效的方法之一。国内外研究人员对此作了大量的研究,并研制了旋转超声磨削设备。但是国外产品过于昂贵,广大中小企业望而却步。为了推动社会生产力的发展,本文研制了一款旋转超声主轴,并作了工艺实验研究,主要内容如下:基于超声振动理论,使用解析法、矩阵传输法自行推导了换能器和四段式复合变幅杆的频率方程。利用频率方程,设计了换能器的结构尺寸,通过对结构、材料的合理简化,计算出了变幅杆(工具头)尺寸的大致范围。利用ANSYS对不同长度的变幅杆(工具头)进行结构静力分析、模态分析、谐响应分析,研究了工具头长度对振动子振动性能的影响。仿真结果表明,工具头越长,谐振频率越小,振幅越大。通过实验研究了工具头长度对谐振频率的影响,其结果与仿真一致,并据此确定了工具头的尺寸。通过实验还研究了工具头上螺母预紧力矩大小对振动子振动性能的影响。实验结果表明,预紧力矩越大,谐振频率越大,动态电阻越小。对振动子进行测量,其谐振频率为40027Hz,品质因数为635.7,动态电阻为132Ω,振幅32μm。以振动子为出发点,设计了额定转速10000rpm的旋转超声主轴。设计了一种带锥度的翻边法兰,保证了振动子振动性能和安装精度。设计了非接触式感应供电装置。用千分表对旋转超声主轴锥面进行了测量,径向跳动为4μm。在旋转超声磨削和传统磨削两种加工方式下,对主轴转速、轴向进给速度、径向进给速度进行了研究。研究表明,旋转超声磨削均较传统磨削的表面粗糙度低7.8%～27.5%。同时,在两种加工方式下还研究了超声电源电压对表面粗糙度的影响。研究表明,旋转超声磨削均较传统磨削的表面粗糙度低13.7%～27.4%,在30V～80V之间,电压越大,表面粗糙度越小。