超声喷丸是一种新型的表面强化技术,比传统的喷丸技术更加高效、节能、环保,并且设备体积小、灵活方便。超声喷丸技术能够有效消除零件表面存在的有害拉应力,并引入有益压应力,可有效提高工件的疲劳抗性、硬度、晶粒细化程度等属性。超声冲击技术是超声喷丸的一种变型,它将喷丸介质由球状弹丸改为前端为一定形状的柱形撞针,可由多角度对工件进行加工,具有更高灵活性,并且无需填充弹丸,操作简单高效。但是现有的超声冲击设备大多采用单一撞针或多撞针阵列式工具头,需要多次加工才可使冲击覆盖率达到100%。针对上述超声冲击技术存在的不足,本文提出使撞针阵列径向旋转的方法,它主要是将超声冲击系统与伺服电机相结合,改进超声冲击设备的工作方式,实现对工件的一次性高覆盖率加工。本文的主要研究内容有:1.在对波动理论及传统变幅杆设计方法的研究的基础上,根据实验要求,运用有限元软件ANSYS对半波长变幅杆进行优化设计,设计出具有较大放大系数和形状因数的样条曲线型超声变幅杆。在新型超声变幅杆的基础上,运用ANSYS软件的ADPL优化设计方法,对其节点进行优化,结果表明:安装于节点位置的超声变幅杆法兰盘没有振动。2.结合塑性动力学、弹塑性力学和接触力学对超声冲击强化机理进行理论分析,建立了一定冲击参数下工件表面的残余应力分布模型。并与有限元仿真进行对比,两者残余应力结果接近。冲击力的理论计算值与实际测量值十分接近。3.对旋转超声冲击提高覆盖率的原理进行理论研究,并以此为基础设计制造在工件平移的同时,撞针阵列作冲击运动和径向旋转运动的旋转超声冲击装置。4.建立超声冲击力测试系统,对不同冲击距离下的冲击力进行测量,结果表明冲击力随冲击距离的增大而减小,当冲击距离为1mm时,实验测量值与理论计算和仿真值十分接近。采用不同移动速度和电机转速进行正交实验,对加工前后试件的布氏硬度进行测量,结果表明:超声冲击对工件的硬度增幅可达24%,随着移动速度的减小,硬度增加。5.运用有限元软件ABAQUS对旋转超声冲击过程进行仿真,分析不同转速和移动速度条件下,超声冲击的覆盖率以及对工件引入的残余应力。