精密主轴作为高档数控机床重要功能部件,其末端热变形误差是引起机床加工误差的重要因素。主轴热误差形成机理可以概括为:在运行中,由于其内部电机和轴承在高速运转中产生的热量无法得到及时有效的散失,从而导致主轴结构温升,温升引起的主轴热弹性变形会直接影响到主轴末端精度,继而影响高档数控机床综合精度/精度稳定性。因此,建立可靠的主轴单元末端热误差模型对提高主轴结构热平衡正向设计水平,进而提高我国高档数控机床加工精度/精度稳定性水平具有重要意义。本文通过分析精密主轴单元热误差产生机理,以主轴用滚动轴承结构热变形-内外圈相对热位移模型为基础,建立滚动轴承内外圈相对热位移-主轴单元末端热变形误差联动关系模型。通过热-流-固耦合仿真建模方法获取高精度温度信息,通过力平衡关系获得轴承力载荷信息,最终构建出考虑轴承结构热变形的精密主轴单元热误差模型。首先,基于热弹性理论,建立主要考虑温升、内外圆周面径向压力和端面轴向压力影响下的厚壁圆环弹性体温升-热变形模型,并以该模型为基础建立主轴用角接触球轴承和圆柱滚子轴承结构的热变形模型。基于轴承结构的热变形情况,构建高速角接触球轴承和圆柱滚子轴承的力载荷-内外圈相对热位移模型。然后,通过Ansys Workbench仿真平台内Fluent Flow模块建立精密主轴单元精确温度场的热-流-固耦合仿真模型,提取轴承不同时刻温升信息。一方面通过力平衡分析获得主轴轴承的受力,根据考虑轴承结构热变形的力载荷-内外圈相对热位移模型,求解主轴的径向线性热误差和转角热误差。另一方面通过Ansys Workbench将Fluent Flow模块的温度传输给State Structural模块,在State Structural建立主轴旋转单元热-结构耦合仿真模型,仿真主轴末端的轴向线性热误差。最后,基于精密主轴单元热误差模型,以主轴实验工况为参照,分别研究不同转速下主轴末端热误差的变化规律,并通过主轴温度和热误差测试实验对所建立模型进行验证。结果表明,本文所建立的主轴热误差模型能够有效预测主轴末端在竖直方向的线性热误差、转角热误差以及轴向的线性热误差,且具有较高的分析精度,为后续热平衡设计和热误差抑制技术提供理论支承。