机床主轴系统的热变形是影响机床加工精度的主要原因之一,因此机床主轴系统的热设计在机床设计中占据重要地位,国内外在该领域的研究虽然取得较大进展,但理论和工程应用的广度和深度还不够。鉴于此,本文围绕江苏省十五攻关项目“高架桥式高速五坐标龙门加工中心开发”(编号:BE2003035)和“高速高精度数控车床”的开发(批准号:BE2001068),对机床主轴系统的温度场和热变形的数学模型、热力学建模和修正、边界条件计算、热特性优化设计等方面进行了较系统深入的理论和应用研究。其主要研究内容如下:1.建立了机床主轴系统三维温度场数学模型,并基于弹性力学、热变形基本方程和有限元理论建立了热变形的数学模型。2.建立了两类机床主轴系统单件及组件的三维CAD模型,并对有限元网格划分和结合面间的热传导系数进行了探讨,在此基础上建立了热特性有限元模型,为CAE分析及结构优化设计奠定了基础。3.在分析机床主轴系统内部热源、边界条件的基础上,建立了机床主轴系统温度场的有限元模型。基于有限元法对两类机床主轴系统温度场进行了详细的分析,并对CK1416数控车床主轴系统温度场模型进行了修正和实验验证,为进一步计算热变形和热特性优化设计奠定了基础。4.在确定约束条件和热载荷的基础上,对机床主轴系统的热变形进行了详细的分析,并将两类机床主轴系统的主轴头部的跳动量进行了比较,确定了主轴系统热变形对机床加工精度的影响程度。5.利用ANSYS自带的优化功能,通过APDL参数化设计语言对CK1416数控机床主轴系统进行参数化建模和结构优化设计,成功的实现了主轴系统热特性和动态特性同时提高的目标。论文成果为机床主轴系统的热设计和动态设计作出了有益的贡献。