随着制造业的快速发展,高速加工技术以其加工速率高、加工质量好等优点逐渐应用于车辆、船舶、磨具和高档数控机床等行业。高速电主轴作为高档数控机床的核心部件,它的性能的好坏直接影响机床的加工效率。随着《中国制造2025》相关政策的提出,对制造业迈向高效智能化的要求越来越多,高档数控机床在未来发展的过程中也将面临越来越多的挑战,其中,高档数控机床中高速电主轴的发热及热位移问题就是首先要解决的问题之一。本文以170SD30电主轴为研究对象,通过阅读相关文献,了解电主轴内部结构及生热、散热基本原理,在此基础上,建立电主轴温度测试试验平台与电主轴传热模型,具体研究工作如下:(1)搭建电主轴温度测试平台,对水冷系统中的冷却水流量、冷却水温度和油-气系统中的压缩空气进气压力进行试验研究。在主轴转速12000r/min,环境温度16℃的初始条件下,分析三个冷却系统参数对电主轴的降温效果,得到在冷却水流量为0.4m3/h,冷却水水温15℃,压缩空气进气压力为0.36MPa时,冷却系统对电主轴的降温效果最佳。(2)基于电主轴生热、放热理论及电主轴温度测试试验,建立了电主轴传热模型,模型耦合了电主轴功率输入方程、轴承发热方程、热传递方程、轴承的受力,并利用COMSOL Multiphysics有限元软件对170SD30电主轴进行三维建模仿真分析。研究发现电主轴温度最高点出现在前轴承,电主轴温度由轴承、转轴、转子到定子、外壳逐渐降低;水冷系统对定子及外壳的降温效果明显;电主轴内部空气受压缩空气轴向气流及转轴转动周向气流的影响,也在加快内部热量的散发。对电主轴温升影响因素分析可得:冷却水流量对定子的温度影响最大,电主轴温度出现先快速降低后逐渐平稳的趋势,在流量达到0.4m3/h之后,电主轴各部分温度基本不受冷却水流量的影响;主轴转速对电主轴轴承温度影响最大,温度上升速率最快;磨削力参数对轴承温度影响最大,但温度上升速率较为缓慢。(3)基于磨削力经验公式,结合170SD30电主轴基本参数,构建磨削力模型。模拟发现:负载下,电主轴各部件温度均有不同程度的升高,转轴靠近前轴承、后轴承和转子的部位温度上升较为明显,转轴前后端温度上升量相对较低;电主轴转轴受温度分布的影响产生轴向和径向的伸长,且轴向伸长量较大;磨削力参数对转轴Z方向的热位移影响最大,热位移变化趋势接近温度变化趋势;随着磨削力的增加,转轴轴线前端位移增加比前、后轴承中间位置的轴的位移增量大。本文以温度场分布为依托,对电主轴转轴位移量进行分析,在实际磨削加工,为有效减小磨削力和热变形引起的误差提供理论依据。