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数控机床的可靠性难以提高是影响国产数控机床发展的关键,而主轴又是数控机床工作过程中的核心部分。因此,研究数控机床主轴的可靠性对提升国产数控机床质量具有重要的意义。本文以HTC2050i型数控车床主轴系统为研究对象,通过进行故障模式、影响及危害性分析(FMECA)寻找到主轴系统可靠性薄弱环节,并借助于ANSYS的Workbench平台,对主轴系统进行热特性分析,研究了主轴温度场、应力和变形分布规律;对主轴轴承进行谐响应分析,研究了主轴轴承的模态、位移响应和刚度随转速的变化规律,取得如下研究成果:(1)对主轴系统进行了故障模式、影响及危害性分析,根据功能关系将主轴系统划分为传动系统、轴承系统、密封系统和检测系统四个子系统,分析结果表明:故障频率最高的部位发生在轴承系统(52.83%),其次是检测系统(30.19%);发生最多的故障模式是主轴噪声异响过大(43.40%),其次是主轴转速失调(24.53%);主要的故障原因是轴承研伤(33.33%)和零部件损坏(27.08%);对主轴系统的危害度最高的是轴承系统,危害度为43.2,其次是检测系统,危害度为23.93。(2)对主轴系统进行了热—结构耦合分析,依据主轴转速与轴承载荷及生热热流密度的关系,得出了主轴系统温度场、应力和变形量随转速和预紧力的变化规律,结果表明:主轴系统最高温度出现在两对前轴承处,n=4000r/min温度最高为79.3℃,后滚动轴承温度远低于前轴承的温度,箱体温度变化较为均匀,且随转速和预紧力提高而升高;转速较低时主轴系统最大应力出现在主轴轴端处,转速较高时主轴系统最大应力出现在后滚动轴承滚动体处,最大值596Mpa,其余部位应力分布较为均匀且应力值远小于最大应力,且随温度和预紧力的提高而升高;n=500r/min时,主轴系统最大变形的位置位于主轴轴端,最大变形量为0.0056mm;n=3500r/min时,主轴系统最大变形的位置位于主轴箱体视孔的上端处,最大变形量为0.2366mm。(3)对主轴轴承进行了模态分析和谐响应分析,得出了主轴轴承前六阶固有频率和主轴轴承位移响应特性,并依据经验公式得出轴承径向和轴向动刚度随转速的变化规律,结果表明:在主轴转速范围内所能达到激振力的频率远低于轴承固有频率,可以有效地避开共振区,保证加工精度。当主轴转速从3500r/min提高到4000r/min时主轴前、后滚动轴承径向位移升高较为明显,其最小径向动刚度分别为1.09×106N/mm和2.07×106N/mm。主轴前球轴承最小轴向动刚度为3.40×107N/mm,其动刚度能够满足加工精度要求。