与普通电主轴相比,无内圈式陶瓷电主轴的旋转精度更高,转速更快,温升更小,使用寿命也更长。近年来,陶瓷电主轴成为加工制造业的新宠,发展陶瓷电主轴对一个国家加工制造水平的提升具有巨大的促进作用。高精度一直是陶瓷电主轴的发展趋势,无内圈陶瓷轴承的刚度对陶瓷电主轴的工作精度影响较大。但因为无内圈式陶瓷轴承的研发历史很短,属于新兴科研领域,目前已有的研究成果对无内圈式陶瓷轴承刚度的计算精度和陶瓷电主轴的模态分析精度有待提高。本文在国家自然科学基金项目(51675353)和教育部创新团队计划项目(IRT-15R45)的支持下,以170SD30-SY无内圈式陶瓷电主轴为研究对象,主要研究内容如下:(1)分析无内圈陶瓷轴承的生热、换热方式的和离心效应的特点,以及轴承在热场和离心力共同作用下的刚度规律。(2)以热力学和动力学理论为基础,在考虑热膨胀使轴承刚度硬化效应和离心力导致轴承刚度软化效应同时存在的情况下,推导无内圈陶瓷轴承刚度的理论计算公式。(3)采用拟静力学方法建立无内圈陶瓷轴承的有限元分析模型,探究轴承刚度与转速之间的关系。结果表明:利用本文所提供的计算方法,较忽略热膨胀使轴承刚度硬化效应或离心力导致轴承刚度软化效应的计算方法,计算结果相差3.2%和16.1%。(4)建立无内圈式陶瓷电主轴有限元模型,研究轴承刚度等因素对电主轴固有频率的影响规律。得出的结果为:随着轴承刚度的增大,陶瓷电主轴的固有频率呈增大趋势;随着空心转轴的中心孔直径的降低,陶瓷电主轴的固有频率呈增大趋势;随着支撑跨距向最优跨距的不断靠近,陶瓷电主轴的固有频率也呈增大趋势。轴承刚度对陶瓷电主轴的固有频率影响较大,灵敏度较高;空心转轴的中心孔直径的影响稍大于支撑跨距的影响,但二者差距不明显,且二者对陶瓷电主轴固有频率的影响都较轴承刚度的影响小。(5)搭建无内圈式陶瓷电主轴实验平台,对无内圈陶瓷轴承的刚度进行实验检测,结果证明,本文所建立的计算模型能较为精确的反映实际情况,误差不超过3.6%。(6)采用锤击法,对陶瓷电主轴进行模态试验,实验结果与有限元仿真结果总体误差在10%以内,部分误差在5%以内。由此可以得出,建立的模型能准确地模拟实际工况下的陶瓷电主轴,可以用于变参计算且计算精度较高。