《中国制造2025》部署制造业强国战略,也被称为中国版“工业4.0”规划中提到:数控机床作为制造业的基础,对制造业强国的建设至关重要。高速电主轴作为数控机床的核心部件,其工作性能的好坏直接影响数控机床的加工效率和加工精度。高速电主轴在运行过程中,会不可避免的产生温升和热变形,从而降低机床加工精度。因此,对电主轴进行热变形预测并进行补偿,是提高机床加工精度的重要手段。本文以100MD60Y4型号电主轴为研究对象,利用试验及有限元建模的方法,将试验数据与有限元模型相结合。并基于生物地理优化算法,优化了有限元模型中的换热系数,建立了电主轴热变形预测模型,获得了较高的预测精度。具体研究工作如下:(1)以电机学和传热学基本理论为基础,分析了电主轴的热源机理和传热机制,建立了电主轴热膨胀基本方程;分析了电主轴气隙与损耗间的耦合关系。(2)搭建电主轴热变形试验平台,利用主轴动态回转误差分析仪同时采集电主轴温度及热变形数据。采用单因素试验法,试验研究电主轴进气压力、供油时间间隔、单次供油量、转速和气隙对其温度及热变形的影响。(3)以100MD60Y4型电主轴为研究对象,建立电主轴损耗计算有限元模型,计算电主轴电机损耗;同时,利用经验公式计算电主轴轴承损耗;利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立电主轴热变形模型;利用热变形试验装置测得主轴稳态温度数据,并随机选取4个测试点,利用仿真温度与试验温度的差值建立换热系数优化的目标函数。采用生物地理优化算法,对换热系数进行优化,将优化后的换热系数作为有限元模型边界条件,建立电主轴热变形预测模型。(4)对电主轴热变形预测模型进行预测精度分析,选取电主轴前轴承温度和转轴热变形为测试点,电主轴前轴承仿真温度与试验温度间的平均绝对误差为0.798,方差为1.601,标准差为1.265;仿真热变形与试验热变形两者之间的平均相对误差为0.72,方差为1.319,标准差为1.148。优化后的预测模型与试验结果曲线拟合度高,模型预测精度较高。(5)采用局部灵敏度分析法,对电主轴热变形模型的热源进行损耗灵敏度分析得出:转速为12000r/min,电主轴损耗准确值应在扰动在+5%到+10%之间。本文建立的电主轴热变形预测模型,实现了电主轴热变形的智能预测,并为电主轴热误差补偿奠定基础。