随着数控机床的飞速发展,对机床主轴的转速与加工精度的要求也在不断提高。高速电主轴的热膨胀变形是造成机床热误差的主要原因,所以合理控制电主轴温度场,减小主轴的热变形,对电主轴的非线性热态特性的研究尤为重要。本文主要对电主轴非线性热态特性进行理论分析,建立电主轴热模型,利用有限元软件对电主轴非线性热态特性进行仿真分析,搭建电主轴综合性能测试平台对电主轴非线性热态特性进行试验测试。主要工作如下:(1)提出接触热阻对电主轴非线性热态特性存在影响,并分析了影响电主轴内部接触热阻大小的相关因素。推导出电主轴内部接触热阻的理论计算公式,并给出一些常用材料的接触热阻值。(2)分析电主轴的热源组成,对高速电主轴系统的发热量进行计算。研究了电主轴系统的传热方式,并对电主轴内部各处对流换热系数进行计算。(3)以100MD60Y4电主轴为对象,采用Comosol有限元软件,建立电主轴热-结构耦合模型。在多组转速下分析电主轴的温度场和热变形。在主轴16000r/min转速下,研究结合面接触热阻影响因素中粗糙度和接触压力对电主轴热态特性的影响。分析电主轴热态条件下电主轴内部接触面的接触热阻变化规律及摩擦界面的能量传递规律。(4)搭建电主轴综合性能测试平台。在一定工况条件下,考虑冷却水温度、冷却水流速、接触热阻,及油气润滑等因素,对高速电主轴非线性热态特性进行试验研究。分析电主轴内部轴承与主轴、轴承与轴承座、转子与主轴之间接触热阻对电主轴温度场和热变形的影响。研究主轴热扩散和热变形规律,从而获得电主轴时变非线性特征。分别对考虑接触热阻和不考虑接触热阻两种条件下电主轴的热态特性进行分析,并与实验结果作对比。结果表明:(1)本文建立的有限元模型能够准确的预测电主轴热态特性,其中考虑接触热阻电主轴仿真的最高温度比不考虑接触热阻时高1.9℃,在x、y、z三个方向的热变形量也分别提高了 4.31%、7.92%和 5.6%。(2)通过仿真计算得出接触热阻影响因素对结合面温度的影响效果。当接触面压力增大时,电主轴温度出现下降趋势,其中轴承内圈受到影响较小,轴承外圈与转子温度下降较大。随着电主轴内部结合面粗糙度增大,电主轴内部温度升高,其中轴承内圈和外圈温度变化较小,而转子温度升高较大。