数控机床是实现高速加工的关键设备,而电主轴是数控机床核心部件,其动力学特性是影响机床加工精度和稳定性的重要因素。然而,在电主轴高速旋转的过程中,由主轴电机和轴承发热引发的轴承沟道热位移将使得电主轴转子系统动力学性能发生明显改变。所以进行主轴动态特性和热态特性耦合研究已成为电主轴开发工作的迫切需求。本文以为150MD30Y10磨削用电主轴为研究对象,为得出电主轴热态特性对轴承动力学性能以及电主轴动态特性的影响,进行了如下研究工作:首先综合考虑电主轴驱动系统和散热系统,确定了其内部热源和各边界的散热条件,利用COMSOL有限元分析软件建立了电主轴温度场有限元模型,得出了不同转速下电主轴内部温度的分布情况,并根据仿真所得温度计算得出轴承内外圈沟道相对轴向热位移和相对径向热位移;然后结合轴承内外圈沟道热位移,根据拟静力学研究方法求解在热位移和内圈离心膨胀共同影响下轴承支撑刚度,并对比分析不同预紧力和滚动体材料对轴承刚度影响;接着利用Ansys Workbench有限元分析软件,建立电主轴转子系统有限元模型,将所求轴承的支撑刚度作为边界条件,对电主轴系统进行模态分析和谐响应分析,从而得出基于轴承热位移和离心膨胀转子系统的动态特性,并探究了预紧力和滚动体材料对转子系统固有频率的影响;最后分别进行了电主轴温升实验,振动试验和模态实验,把实验所得的电主轴瞬态温升,稳态温升和模态同仿真结果进行对比,从而证明所建立有限元模型计算结果的准确性。结果表明:电主轴在运行过程中,各部分温升同时间呈非线性关系,其增长速度逐渐减小,一定时间后,将形成稳态温度场;电主轴内部温度分布十分不均匀,高温集中在轴承和转子处;受到温升影响,轴承内外圈沟道产生相对热位移,且随转速提高而增大;在考虑轴承热位移和离心膨胀以后,轴承滚动体与内外圈的接触载荷增大,与内外圈接触角减小,轴承刚度增大,受此影响,转子系统的固有频率随着转速的增大呈上升趋势,转轴刚度得到补偿;通过对比分析可知改用陶瓷球轴承或者适当提高预紧力能有效提高轴承刚度,改善电主轴动态特性;温度场仿真结果与实验误差均在10%以内,固有频率误差在15%以内,故所建立的模型较为准确。本文对电主轴的动态特性和热态特性进行耦合分析,得出了电主轴在工作过程中轴承动力学特性以及主轴动态特性的变化规律,为主轴的设计和优化提供了理论支持。