由于超声加工的众多优点,将超声加工技术与加工中心有机融合成为具有超声功能的加工中心是超声加工装备研发的必然趋势。超声电主轴作为其中最重要的部件,其研发具有重要意义。本文将HSK标准刀柄设计为变幅杆的一部分,将超声振动装置与电主轴结构相结合,形成具有超声功能的电主轴。利用理论分析、有限元分析和试验验证的方法对整体结构进行设计和仿真,对超声变幅杆进行振动测试。主要研究内容如下:对超声电主轴的结构进行设计。初步计算主轴的结构参数并根据设计参数对电机和轴承进行选型。根据轴承预紧力计算了主轴的静刚度,并通过有限元分析计算了主轴受力时的变形量。通过改变轴承预紧力分析主轴静刚度的变化,发现前轴承预紧力增大1800 N,主轴静刚度增大约123 N/μm;后轴承预紧力增大1800N,主轴刚度仅增加6 N/μm。分别改变前后轴承位置,分析主轴静刚度的变化,当主轴悬伸量a=55 mm,支撑跨距L=250 mm时,主轴静刚度达到最大值326.8N/μm。将HSK刀柄作为半波长复合变幅杆的一部分,利用四端网络法确定了复合变幅杆的尺寸参数及工作频率。利用有限元分析软件分析变幅杆的模态振型和位移响应,变幅杆在承受拉刀力的同时产生了19.5 k Hz的纵向振动。利用有限元分析了主轴的前六阶模态,得到了其固有频率及振型。根据模态频率计算主轴的一阶临界转速为57895.2 rpm,高于电机的最大转速。分析了轴承预紧力对主轴固有频率的影响,当主轴模态振型存在径向振动时,增大轴承预紧力,主轴径向振幅减小,固有频率增大。对电主轴进行了谐响应分析,受切削力时,主轴动刚度下降为288.9 N/μm,能达到使用要求;受超声激励时,主轴的最大响应位移出现在主轴中部,为0.039μm,对主轴的影响可以忽略。对变幅杆进行加工制作,通过阻抗分析及振幅测量,刀具端部产生最大5μm的稳定周期性振动,达到超声加工要求。图44幅,表7个,参考文献57篇。