分析主轴系统的工作温升和热变形等特性是保证数控机床加工精度的关键。在数控机床的研发阶段,分析与研究主轴系统在主要工况下的热态特性可以有效地改进机床产品的性能。主轴系统的高刚度和高精度主要取决于主轴轴承的预紧状态、动态及热态性能的稳定性。主轴轴承的摩擦热引起主轴零部件热膨胀,而主轴零部件膨胀量的非一致性又会引起主轴轴承接触应力的变化,进而引起轴承摩擦热的变化。如果主轴轴承达不到一个稳态的热平衡状态,主轴就会出现热失效。本文以大型数控机床为样机,建立主轴-轴承系统的热-力耦合和热流系统数学模型,通过理论分析和实验验证,进行了主轴-轴承系统的热态特性分析。本文的主要研究工作如下:1.基于Hertz接触理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论,在外载荷、预紧力和惯性载荷作用下,建立了高速滚动轴承的力学特性数学模型,分析并计算了球与内外滚道的接触变形及内部载荷分布。2.依据分形几何理论和统计学理论对轴承表面形貌进行表征,基于雷诺动压润滑理论,利用无量纲油膜厚度的数学方程,建立了考虑温度变化的润滑脂油膜厚度方程。3.基于点接触非牛顿热弹流润滑理论,建立了主轴-轴承系统的热-力耦合分析模型,该模型考虑了主轴轴承的预紧力、离心力,陀螺力矩及润滑状态的影响。4.根据传热学理论,建立了主轴系统的热传递模型,该模型对滚动体与内外滚道之间的接触热阻、润滑脂的热传导系数、冷却系统和自然环境的对流换热系数进行了详细的分析和计算。5.对主轴-轴承系统进行热流分析,建立了一个温度节点系统的方程,设定各节点处的热流面积与热流路径长度。通过实验测量和参考文献的研究成果,预设温度节点系统的初始温度,然后进行轴承的温度分布预测。6.建立了主轴冷却系统的数学模型,冷却系统的主要参数如冷却液的温度、冷却液流量和冷却槽的特征长度对冷却系统的对流换热系数的影响进行分析,通过考虑冷却套的加工工艺、油冷机的冷却能力、冷却槽的结构强度等硬性要求,进行冷却系统的优化分析,设计出合理的冷却系统。并通过对冷却液的温度控制,来调节主轴-轴承系统的温度分布情况。7.进行了主轴系统的热效应分析,计算了主轴-轴承系统的温升引起的热诱导预紧力和主轴的热位移,详细的分析了热位移和热诱导预紧力对主轴-轴承系统的影响,以及引起的主轴热变形的和热失效现象。8.基于一套主轴热态特性的测量系统,主要包括激光三角测量仪、红外热成像仪和数据采集系统进行实验热分析实验验证。激光三角测量仪用于主轴x、y、z三个方向的热位移实时监测,红外热成像仪用于主轴系统瞬态温度的实时监测。在实验验证的理论模型基础上,对影响主轴热特性的主要参数进行分析,验证了本文提出的数学模型对精密主轴的研发具有很高的实际指导意义。