光学模具用于制造各种光学元件,在国防和民用工业中得到了广泛的应用。随着国防和民用工业的发展,人们对光学元件的面型精度和表面质量提出了越来越高的要求,因此光学模具的精密与超精密加工需求迫切。在光学模具的精密与超精密加工技术当中,超声椭圆振动切削技术能有效减小切削力,减少切削热,减缓刀具磨损,改善表面质量,且加工效率高,因而具有优异的特性。实现超声椭圆振动切削的关键部件,是超声椭圆振动切削装置。然而,现有的超声椭圆振动切削装置存在许多问题,如控制系统复杂、结构复杂、体积大、工作频率不够高等,不利于超声椭圆振动切削技术在光学模具精密与超精密加工中的应用推广。针对该问题,本论文旨在研制一种控制系统简单、结构简单、体积小、工作频率高的超声三维椭圆振动切削装置,对其开展性能测试方面的基础研究,并将其应用于光学模具材料的精密与超精密加工,充分发挥超声椭圆振动切削技术的优异特性,为光学模具的精密与超精密加工提供理论指导与技术支持。首先,分析三维椭圆振动切削参数对切削加工的影响,选取表面残留高度和占空比作为切削加工质量的表征量。以三维椭圆振动切削表面局部微观形貌特征分析为基础,建立数学模型,求解得出三维椭圆振动切削参数对表面残留高度和占空比的影响规律。根据得到的影响规律,综合考虑表面残留高度和占空比,优选有助于提高切削加工质量的三维椭圆振动参数值范围作为设计目标,为后续的装置设计提供指导。然后,设计一种单激励超声三维椭圆振动切削装置。装置设计的关键,在于变幅杆的结构设计,为使装置能够转换纵向振动形成三维椭圆振动,引入复合梁结构;为使装置易于获得优良的三维椭圆振动参数,对变幅杆的结构进行进一步的优化。此外,对装置的其他部件进行设计和选型。通过有限元分析,得到装置的谐振频率,从仿真角度验证装置产生三维椭圆振动的可行性,并得到装置的三维椭圆振动参数仿真值。基于有限元分析,优化变幅杆的主要尺寸,使装置的三维椭圆振动参数达到所设定的设计目标。完成装置的制造和组装后,开展装置的基本性能测试。通过阻抗特性测试,得到装置的谐振频率。通过输出特性测试,从实测角度验证装置产生三维椭圆振动的可行性,并得到装置的三维椭圆振动参数实测值。通过温度特性测试,探究装置温度的影响因素,以及装置的温度对谐振频率和三维椭圆振动参数的影响规律,并得到装置在不同激励电压下的稳态谐振频率和三维椭圆振动参数。最后,在超精密车床上搭建单激励三维超声椭圆振动切削系统,对光学模具材料Cr12Mo V开展切削实验,包括常规切削实验和振动切削实验。切削加工完成后,对比常规切削和振动切削的刀具磨损情况、已加工表面微观形貌以及已加工表面粗糙度,验证超声椭圆振动切削的优异特性,评估所研制的单激励三维超声椭圆振动切削系统的切削性能。