重载摆角铣头主轴系统是重型高档数控机床的核心部件，具有大功率、大扭矩特点，主要用于大型、复杂、难加工材料曲面零件的高效精密加工。在主轴系统切削过程中产生较大的热量和切削力，热、力同时作用于主轴系统，形成重载主轴系统复杂的热力耦合特性，对机床加工精度有重要影响，已成为制约国产重载摆角铣头自主研发的一个瓶颈。以往主轴系统研究中，一般将热和力进行单一考虑分析，或者对其进行简单线性叠加，而没有把热和力两个物理场进行统一考虑。为此，针对重载摆角铣头主轴系统具有多物理场、多因素相互作用、互为边界条件的特点，进行了重载摆角铣头主轴系统的热力耦合特性研究，对准确获得重载摆角铣头主轴系统的动力学性能及主轴系统的性能评价具有重要意义及学术价值。主要工作如下：　　(1)重载摆角铣头主轴，齿轮动力学建模及分析。基于Timoshenko梁理论建立了重载主轴动力学方程、齿轮动力学方程，考虑了剪切效应、转动惯量、陀螺效应等因素的影响。基于已建立的动力学方程，进行了主轴、主轴-齿轮的动力学分析；综合考虑了主轴轴向力和转速对主轴系统动态特性的影响。同时，基于主轴的有限元模型，进行了主轴的失稳分析。提出了基于Timoshenko梁理论、多因素、多约束方式综合考虑的重载主轴动力学建模方法。　　(2)重载摆角铣头主轴-轴承系统动力学建模及分析。建立了轴承模型，包括轴承接触力和变形、轴承的几何模型和力的关系、离心力和陀螺力矩以及轴承刚度等。分析了轴承转速和预紧力对轴承内外圈接触力、接触角及轴承刚度的影响。把轴承刚度耦合到主轴-齿轮模型中去，构建了完整的重载主轴-轴承-齿轮动力学模型。同时，进行了重载主轴-轴承系统的动力学分析。　　(3)重载摆角铣头主轴系统热力耦合特性建模及分析。建立了轴承的生热、传热模型，根据生热模型和传热模型进行了重载主轴的生热量与温度分布的计算；建立了主轴热模型单元、主轴-轴承热传导模型和主轴-轴承热膨胀模型，主轴-轴承热膨胀模型中同时考虑了滚动体中心和内圈曲率中心的径向和轴向位移。以此为基础，首次建立了包含接触热阻的重载摆角铣头主轴系统热力耦合综合模型。　　(4)重载摆角铣头主轴系统热力耦合模型的求解。对主轴-齿轮动力学方程进行离散，得到质量矩阵、刚度矩阵及陀螺矩阵，采用状态空间法进行主轴-齿轮动力学方程的求解；对轴承模型的非线性动力学方程组，以轴承滚动体中心的轴向位移、径向位移及轴承内外圈的接触变形为初始值，采用牛顿迭代法对轴承方程进行求解，同时控制求解精度。在此基础上，考虑轴承的径向和轴向膨胀，离散建立了包含接触热阻的轴承刚度雅克比矩阵，同样采用牛顿迭代法对重载主轴系统的热力耦合综合模型进行了求解。　　(5)重载摆角铣头主轴系统热力耦合特性实验研究。采用自由悬挂方式进行了主轴系统振动特性实验；采用非接触式测温仪测量了铣头及主轴系统的温度变化；对铣头箱体进行了散热实验。进行了实验与理论分析结果的比较，实验结果验证了重载摆角铣头主轴系统热力耦合综合模型的正确性。　　通过以上研究，形成了一套重载摆角铣头主轴系统热力耦合特性的建模、求解、分析、实验与验证的理论和方法，为重载摆角铣头主轴系统的优化设计和精度控制提供理论依据与方法支持，对我国重型高档数控机床关键功能部件的自主创新与技术进步具有重要科学价值和实际意义。研究成果也可以为其他转子系统热力耦合问题的研究提供借鉴。