Для обеспечения термической стабильности формируемых в процессе поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) нано- и субмикрокристаллических структур теоретически и экспериментально исследованы тепловые процессы при данном виде обработки. Представлена физико-математическая модель теплообмена между ультразвуковым инструментом и обрабатываемой деталью, позволяющая определять температурные поля в обрабатываемой детали в любой момент времени с учетом основных технологических параметров УЗО. Установлено, что расчетные и экспериментальные данные согласуются с достаточной для практики точностью.