随着各种硬脆性复合材料和陶瓷等难加工材料在航空航天等领域越来越广泛的应用，超声振动加工技术也得到了更多的关注。纵扭超声振动加工相较于传统纵振超声加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料的钻孔、铣削方面更具有优势，因此越来越多的学者展开了各项研究。
纵扭超声换能器是纵扭超声振动系统的核心部件，因此也是学者们研究的重点。日本学者TAKUYA等在变幅杆前端开设斜槽设计了一种纵扭超声加工装置，同时在变幅杆前端制孔用于安装刀具，并分析了斜槽在超声变幅杆上的分布对振动模态的影响，通过试验验证了该种结构的超声变幅杆相对于纵振变幅杆更适合于脆性材料的钻孔加工。
KARAFI 等设计了一种纵扭磁致伸缩超声换能器，通过将径向磁场和周向磁场复合而成的螺旋磁场施加到磁致伸缩变幅杆上，由于焦耳威德曼效应的存在，在变幅杆末端能同时产生径向振动和扭转振动，但纵扭效果均不理想， 其中最大扭转位移1.5 mrad/m，最大纵向振幅为0.6μm。林书玉利用切向极化压电陶瓷和轴向极化压电陶瓷组合来产生纵扭复合振动，并设计纵扭同频压电超声换能器，利用机电等效法建立了纵向振动和扭转振动的等效电路模型，最后通过试验验证了这种方法的有效性。但由于切向极化压电陶瓷的制备工艺不成熟，仍然存在许多问题，故没有得到实际应用。为了放大纵扭超声换能器的振幅，基于纵扭同频，林书玉设计了一种指数型变幅杆。利用机电等效法建立等效电路并推导出实现纵扭同频的条件，试验验证了设计的变幅杆能够实现纵扭同频。林书玉还对斜槽式纵扭复合压电超声换能器进行理论研究和试验验证，提出力传递到斜槽时将产生一个切向力引起扭振，推导了纵振和扭振的机械转换系数，研究了斜槽倾斜角度对换能器谐振频率的影响。研究表明，倾斜角越大，换能器的谐振频率越低。皮钧设计了斜槽式纵扭超声振动装置，研究了开设斜槽的空心薄壁圆柱传振杆纵扭超声振动转化原理，指出应力波传播到斜槽位置时将发生反射，由原来的纵波反射为一列横波和纵波，横波产生扭振分量，纵波产生纵振分量，最后在输出端叠加产生纵扭复合振动。应力波在传振杆是沿空间螺旋线传播的，通过计算在入射角为58°时扭振分量最大。唐军、赵波设计了单激励纵扭复合超声换能器，通过在变幅杆的末端加工四组与轴线成45°的斜梁，纵振应力波传播到此处时将发生纵扭转化，研究指出纵扭超声振动能使刀尖运动轨迹变长，刀具可能产生重复切削，刀尖轨迹大致为椭圆轨迹。通过试验验证纵扭超声铣削碳纤维复合材料相对于普通铣削在表面形貌、抑制积屑瘤等方面有明显的优势。唐军等还设计了一种新型纵扭复合超声换能器，将4块压电陶瓷片与换能器轴向成一定的20°的角度均布，使压电陶瓷的振动在圆棒上产生纵扭复合振动，利用理论与仿真相结合设计纵扭同频变幅杆，用于放大振幅和产生纵振和扭振的相位差，最后变幅杆的末端产生纵扭复合振动，但纵振扭振耦合效果不理想。
北京航空航天大学的袁松梅教授团队针对目前纵扭超声换能器研究中存在的扭振分量小、纵扭节面不重合等问题，设计了一种在指数型变截面杆纵振超声换能器，并通过在指数型变截面杆上设计螺旋槽实现纵扭振动，研究表明该换能器扭振分量大，效率高，能够长时间稳定工作。
纵扭超声换能器网格划分
纵扭超声换能器
纵振和扭振测试刀具
重要结论
针对现有纵扭超声换能器的设计方法产生的扭振较小，或纵振模态节面和扭振模态节面难以重合的现状，设计了一种结构简单的新型螺旋槽纵扭超声换能器，通过在换能器指数型变截面部分开设螺旋槽，将部分纵向振动转化为扭转振动，得到了较大的扭振分量。
(1) 由于螺旋槽的存在，纵扭复合振动在变幅杆中产生，因此纵扭振动的特性取决于变幅杆的结构以及螺旋槽的形状结构、位置等参数。仿真结果表明：不同变幅杆结构的下扭振纵振之比大小相近，其中阶梯型略大于指数型略大于圆锥型。随着旋转角的增大，纵扭超声振幅之比也增大。扭振分量随着切口半径的增大而增大，但切口半径过大会降低换能器的刚性。
(2) 对于扭振谐振频率，影响其大小的主要因素为切深，螺旋角对其基本上没有影响；对于纵扭谐振频率，在切深较小(4 mm)时，螺旋角大小对其基本上没有影响，切深较大(8 mm 和12 mm)时，随着螺旋角的增大，纵扭谐振频率开始呈减小趋势，并且切深越大减小趋势越明显。切深主要影响纵波的传递与转换，而螺旋角主要影响纵振和扭振的耦合效果。优化确定最终切口半径为12 mm、旋转角108°、螺距100 mm。
(3) 换能器的纵振模态为19 665 Hz，与理论设计值20 kHz 相差1.675%。模态分析得到纵扭谐振频率为16 712 Hz，最大纵扭相对位移为4.914，其中纵振和扭振相对位移分别为4.101 和2.704，扭振与纵振的比值为0.66。瞬态分析得到纵振和扭振振幅分别10.5 μm 和5.7 μm。
(4) 阻抗分析得到纵扭超声换能器的串联谐振频率Fs 为17 285.8 Hz，与有限元仿真值16 712 Hz相比，误差值为3.3%，换能器等效电阻R 为953 Ω，静态电容C0 为4.1 nF，机械品质因数Qm 为141，换能器能在17 285.8 Hz 附近长时间稳定工作。
(5) 纵扭超声换能器的纵振和扭振随超声电源的输出功率的增加而增加，但均不是呈线性关系。在谐振频率17.4 kHz 下，扭振和纵振的振幅之比随着超声电源的输出功率的增加而缓慢增大，在电源功率达到100%时达到最大值0.56，此时纵振振幅为9.4 μm，扭振振幅为5.3 μm。
