高速主轴系统通常是指采用远高于常规加工的切削速度(12000 r/min以上)和进给速度(30m/min以上)的主轴系统，包括高速主轴单元或者是电主轴单元以及刀柄和刀具在内的组合装配体系统，高速主轴系统结合部包括主轴-轴承结合部、主轴-刀柄结合部和刀柄-刀具结合部。长期以来，对高速主轴系统进行动力学设计与切削稳定性预测时，通常将主轴轴承结合部简化为弹簧连接或者将主轴-刀柄-刀具系统视为一个刚性连接的整体，致使其在工作中出现无法达到设计转速或者严重颤振的现象，难以满足生产要求，造成国内高速主轴系统主要依赖进口的局面，严重限制了我国高速加工中心的发展。目前，国内外研究者对主轴-轴承结合部的动力学特性研究较多，而对主轴-刀柄-刀具结合部动力学特性研究相对较少，尤其是转速升高之后，主轴-轴承、主轴-刀柄-刀具之间结合部表现出的强非线性现象，使得主轴系统的动力学特性变得更加复杂，因此，只有掌握高速主轴系统结合部动力学特性及有效的模拟方法，才能实现对其切削稳定性的准确预测和对其结构的合理设计。　　在考虑主轴-轴承、主轴-刀柄-刀具结合部动力学特性的基础上，本文分别利用阻抗耦合子结构法和有限元法建立高速主轴系统动力学分析模型，应用转子动力学理论、机床非线性颤振理论及现代非线性动力学求解理论，研究并提出一套适用于高速主轴系统动力学特性及稳定性的计算方法，其中包括主轴-轴承结合部建模、主轴-刀柄-刀具结合部的建模、利用阻抗耦合子结构法求解高速主轴系统固有特性、利用有限元法求解非线性高速主轴系统响应及高速主轴系统切削稳定性分析等，为研究高速主轴系统的动态特性、提高切削过程中稳定性及切削能力、实现高速主轴系统国产化提供理论参考。论文内容如下:　　(1)第1章在针对国内外高速主轴系统发展、高速主轴系统结合部和切削稳定性研究现状进行了深入研究，在此基础上提出了论文的结构与主要研究内容。　　(2)第2章研究了高速主轴系统结合部的建模方法，包括主轴-轴承结合部及主轴-刀柄-刀具结合部。利用阻抗耦合子结构法分别建立了轴承、主轴-刀柄-刀具结合部子结构模型;在高转速情况下，建立考虑轴向预紧力、离心力载荷和陀螺力矩载荷同时作用时的五自由度角接触球轴承载荷和变形的关系，为引入高速主轴系统有限元模型奠定基础;利用并联转子理论建立主轴-刀柄-刀具结合部分布式弹簧模型，提出了质量、刚度矩阵的组集方法，为分析高速主轴系统响应以及切削稳定性奠定基础。　　分析不同型号角接触球轴承的接触角、法向接触力及轴向变形随轴向预紧载荷与转速的变化规律。研究结果表明:在其他条件相同情况下，初始接触角大的轴承承载能力强;初始接触角小的轴承可以承受更高转速。　　(3)第3章利用阻抗耦合子结构法建立高速主轴系统子结构模型，并提出高速主轴系统固有特性分析流程，编制相关计算程序求解其固有特性。分析了主轴-轴承结合部对主轴端部频响函数的影响规律，以及主轴-轴承结合部刚度、主轴-刀柄-刀具结合部刚度对高速主轴系统刀尖点频响函数的影响规律。　　研究结果表明:轴承刚度对主轴单元端部频响函数影响显著，不同跨距的轴承对主轴端部的影响不同，调整轴承布置形式和轴承刚度可以获得不同的主轴单元固有特性，这对高速主轴单元的设计与优化具有指导意义;主轴-轴承结合部、主轴-刀柄-刀具结合部刚度对主轴系统刀尖点频响函数的影响显著，为了提高高速主轴系统动力学特性的稳定性，同时降低主轴-刀柄-刀具结合部对刀尖点频响函数的影响，增大主轴-刀柄-刀具结合部刚度是一条有效的途径。　　(4)第4章利用分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部，建立了内外三层双转子高速主轴系统的有限元模型，提出基于有限元法对高速主轴系统进行非线性响应分析的流程。分别以刚性连接模型、集中质量模型、分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部，并将这三种模型引入高速主轴系统有限元模型之中，进行对比分析，考察轴承、主轴-刀柄、刀柄-刀具、刀尖点位置的非线性响应;并在结合部采用分布式弹簧模型基础上研究转速、轴承接触刚度、轴承间隙、不同轴承类型、不同切削力等参数对高速主轴系统非线性响应的影响。　　研究结果表明:不同主轴系统结合部建模方式对高速主轴系统响应的影响显著，因此，在对高速主轴系统进行动力学研究时应该充分考虑结合部动力学特性对系统的影响;转速对高速主轴系统结合部位置、刀尖点的幅值和接触力的影响都较大，当转速增大到一定程度时，各关键位置的幅值及接触力随转速变化趋势都趋于平缓，说明该类主轴系统在高转速工况下系统响应比低转速时稳定;轴承参数（轴承间隙、接触刚度、轴承类型）对高速主轴系统非线性动力学特性影响显著，调整轴承动力学特性参数，可以获得高速主轴系统响应的不同形式，但也由于主轴系统动力学特性对轴承特性参数的灵敏度较大，从而导致轴承给高速主轴系统切削稳定性带来隐患;切削力对高速主轴系统响应的影响显著。　　(5)第5章利用求解高速主轴系统频响函数的不同方法绘制切削稳定性lobe图，提出预测系统切削稳定性和绘制lobe图的流程。分析了不同结合部建模形式、切削力幅值、阻尼系数、转速、刀具齿数及切削力系数等参数对系统切削稳定性的影响规律。研究通过分岔图与Poincaré截面图对高速主轴系统非线性响应的稳定性进行表征，提出预测高速主轴系统非线性稳定性的流程。考察了结合部建模形式、切削力幅值、轴承接触刚度和轴承间隙等参数对高速主轴系统非线性响应的稳定性影响规律。　　研究结果表明:不同结合部建模形式对高速主轴系统切削稳定性影响较大，为更准确地预测系统切削稳定性，结合部建模形式是不可忽略的问题;系统极限切削深度受切削力幅值影响显著，总之，系统的切削稳定性随着切削力幅值增大而降低，但在高转速变化趋于平缓，这说明该类高速主轴系统在大切削力工况下切削能力较为稳定;系统频响函数、刀具齿数、切削力系数等参数对高速主轴系统切削稳定性的影响较为明显;而在研究高速主轴系统非线性响应稳定性时，结合部建模形式、轴承参数和切削力幅值等参数是重要的影响因素，在预测系统切削稳定性和指定加工工艺时是不可忽视的。　　(6)第6章基于沈阳机床集团不同型号的数控加工中心进行高速主轴系统频响函数测试，分别针对不同型号的刀柄、刀具系统及不同悬伸长度的刀具，测试主轴单元端部、主轴-刀柄端部及主轴-刀柄-刀具系统刀尖点的频响函数，以及针对高速主轴系统进行动态切削力测试试验。　　对高速主轴系统不同部位进行模态敲击试验，为构建半理论法预测高速主轴系统频响函数理论奠定了试验基础，在无法确定高速主轴单元结构以及主轴-刀柄-刀具结合部动力学特性的情况下，提出了预测高速主轴系统刀尖点频响函数的新方法;应用测试出动态切削力，分析高速主轴系统在实测切削力激振下的响应及切削稳定性。