在航空航天结构中，复合材料、钛合金、陶瓷材料等因其优越的性能被广泛使用。在结构装配过程中，需要在零件上加工大量的连接孔。传统的孔加工工艺针对这些难加工材料，加工质量难以达到要求。近年来国内外将螺旋铣孔技术应用到难加工材料的孔加工上，并获得了较好的加工效果。为了进一步提高在难加工材料上制孔的精度和效率，本课题将超声振动切削技术应用在螺旋铣孔中，形成纵扭复合振动铣孔这一加工方法。通过运动学分析，研究了其切削过程的特点。并对纵扭复合振动的装置进行了设计和实验研究。本文首先建立了纵扭复合振动铣孔的运动学模型，仿真分析了刀具相对于工件的运动轨迹，以及振动参数对刀尖轨迹形状的影响。根据切削轨迹的特征，分析了纵扭复合振动铣削的过程，建立了切削厚度和切削时间比的数学模型，并研究了切削参数和振动参数对它们的影响规律，为选择合适的加工参数提供了理论依据。基于纵扭复合振动铣孔的理论分析，设计超声纵扭复合振动系统的结构。首先，根据一维纵振换能器和变幅杆的理论计算模型，设计了一维超声纵振系统，并对其进行了仿真验证。在一维纵振结构的基础上，设计了带斜槽的纵扭复合振动变幅杆，并从理论上分析了该结构产生纵扭复合振动的原因。为了得到满足振动参数的纵扭复合振动变幅杆，用有限元方法对变幅杆的振动特性进行了分析，根据分析结果研究了变幅杆结构参数对其纵扭振型固有频率的影响规律以及螺旋槽的角度对振幅的影响规律。最后，对变幅杆结构参数进行了优化设计，使结构的纵扭振动频率更接近设计值。考虑实际应用中换刀的方便以及连接的可靠性，设计了刀具与变幅杆的连接方式。对带刀具的纵扭振动系统进行动力学分析，并根据分析结果对结构进行了修正。最后，通过实验研究超声纵扭振动系统的谐振频率和振幅，并将试验结果与仿真结果进行了对比分析。