中文摘要：

本项目紧密结合电主轴单元技术国际研究前沿和数控机床行业的需求，围绕影响高速全陶瓷电主轴单元动力学性能的关键技术开展深入研究，提高陶瓷主轴系统的动力学性能，加快全陶瓷主轴单元的工程实际应用，为高速数控机床提供核心功能部件。本项目以优化申请者及其研究团队所开发的无内圈式全陶瓷电主轴单元的动力学性能为目标，应用非线性动力学、有限元等理论和分析方法，将"陶瓷轴承-陶瓷主轴-电动机-基础"作为一个系统，综合考虑工程陶瓷的材料特性、主轴轴承的设计参数、预紧载荷、热变形、非线性摩擦及加工条件等影响因素，构造一个更接近实际的全陶瓷主轴单元的非线性结构动力学模型，并通过对全陶瓷球轴承的基础理论研究和结构参数的优化设计，结合陶瓷电主轴的动特性和热特性实验研究，优化和完善高速全陶瓷电主轴的设计，提高电主轴的动、静态精度和恒温控制水平，为实现国产高速全陶瓷电主轴单元在数控机床上的规模化应用奠定理论和技术基础。

结论摘要：

电主轴单元是一种直接依赖于高速精密轴承技术、高速电机与驱动技术、油气润滑与冷却技术、精密制造与装配技术等关键技术及相关配套技术的高度机电一体化的数控机床关键功能部件。利用高性能结构陶瓷作为高速主轴轴承及主轴材料研制开发陶瓷电主轴单元，可以充分发挥陶瓷材料密度小、耐高温、耐磨损、高强度等优良性能，极大地减少主轴部件高速旋转的离心力和惯性力，提高主轴单元的刚度和回转精度，使我国数控机床及其主轴功能部件的产品档次明显提高。开展的相关研究工作及结论概括如下（1）创新性的设计并制造了一种无内圈式陶瓷电主轴。该陶瓷电主轴的支撑轴承为无内圈式热压氮化硅全陶瓷球轴承，转子轴采用氧化锆陶瓷热压烧结制成，轴上加工有轴承内滚道。（2）对所研制的无内圈式陶瓷电主轴样机进行综合性能试验与分析，其最高转速达到30000r/min，最大功率达到15kW，主轴静态精度≤1μm，在最佳润滑条件和最佳预紧力条件下，陶瓷主轴系统的径向静刚度可达322N/μm，空载振动<0.8mm/s，空载温升<10℃。（3）研究了电源形式、载荷及转轴材料对电磁损耗的影响，揭示了电磁损耗的本质。针对高速电主轴难以进行加载实验的问题，提出了连接式电主轴特性测试方法并实现电主轴加载。进一步研究了载荷及转轴材料对电主轴损耗及效率的影响。（4）采用仿真分析及实验研究相结合的方法，研究了电源形式、载荷、转轴材料对电磁振动的影响，揭示了电磁振动的本质。通过对陶瓷电主轴与金属电主轴振动性能的对比，在相同结构参数条件下，陶瓷电主轴振动小于金属电主轴。通过仿真及实验进一步研究了气隙大小及气隙偏心对陶瓷电主轴性能的影响。（5）建立了电主轴直接转矩控制仿真模型，分析了定子电阻变化对直接转矩控制性能的影响；理论分析了影响定子电阻变化的主要因素；对电主轴定子电阻进行冷态及热态测量，分析定子电流、运行频率及电主轴温度对定子电阻的影响。