机床功能部件是机床维持正常工作必不可少的组成部分,而在机床工作过程中,若无法有效散热,这些功能部件生热所产生的热变形,对机床加工的精度将造成重要影响。因此,有效的散热方法对于机床高精度加工而言尤为重要。热管通过内部介质相变传热来带走热量,具有高导热、快速均温等特点,本文将热管运用于机床滚珠丝杠中,对热管滚珠丝杠的结构设计及散热性能展开理论和实验研究;基于密度法的流体传热结构拓扑优化技术,通过优化设计电主轴冷却用散热器结构,实现高效导热,并分析其散热和均温性能。在热管传热设计的基础上,对滚珠丝杠内部传热相关参数进行计算分析,并对热管滚珠丝杠的结构进行设计,建立了热管滚珠丝杠分层等效仿真模型,针对热管滚珠丝杠内部多热源相变传热特点进行分层设计,将冷凝回流层的流体传热等效为多孔介质传热,并通过有限元仿真对热管滚珠丝杠和传统液冷丝杠在相同工况下进行设计建模和对比分析。数值模拟结果表明,在相同工况下,相较于传统液冷散热丝杠,热管滚珠丝杠具有表面温度低、最高温升小、温度波动性小等良好的散热性能。进一步研究热管滚珠丝杠制备方法以及丝杠散热平台的实施方案,选择相关元件,通过蒸发排汽法制备热管滚珠丝杠,并搭建实验平台,通过实验得到了特定工况下的实验数据,与仿真结果进行了对比分析。分析发现,实验和仿真得到丝杠表面温度分布大致相同,验证了将热管运用于滚珠丝杠散热的有效性及等效模型仿真方法的可靠性。基于流体传热结构拓扑优化方法,对高速电主轴冷却用散热器进行设计。通过拓扑优化得到平面结构优化散热器,再根据实际工程需求,通过弯曲组合构建方法,得到分支脉状结构散热器。建立了分支脉状结构散热器热力学模型,考虑流体传热特性,通过数值仿真对散热器的传热性能进行了研究。与传统螺旋槽结构散热器在温度均匀性、温升性能等方面进行对比分析,分支脉状结构散热器整体温升比传统螺旋槽结构散热器低,且具有更好的表面温度分布均匀性,为高速电主轴冷却设计提供了技术支撑。