空气静压主轴是超精密加工机床的核心部件,其性能好坏是机床加工能力的关键影响因素之一。目前超精密气浮主轴多采用小孔节流轴承支撑和电机驱动,存在承载能力和刚度偏低、电机发热等问题,限制了主轴的加工能力。针对超精密车削或微铣削等无需角度定位、对转速稳定性要求不高的高速加工场合,气浮主轴采用表面节流轴承和空气涡轮可提升主轴性能。本文在设计气动涡轮式表面节流空气静压主轴结构方案的基础上,采用CFD仿真方法分析空气涡轮的气动性能和表面节流止推轴承的动静态性能,并通过实验验证轴承仿真模型的有效性,为主轴结构设计提供理论依据。根据所确定的性能指标设计主轴总体结构,并对表面节流轴承和空气涡轮进行详细的设计。采用Fluent中的多运动参考系模型对空气涡轮的气动性能进行仿真,得到涡轮的流场分布和机械特性曲线,并分析供气压力、喷管直径及叶顶间隙对涡轮气动性能的影响规律,根据仿真结果研究空气涡轮参数对其工作效率的影响,通过与现有产品进行对比评估所设计的空气涡轮效率。在建立表面节流止推轴承CFD仿真模型的基础上研究轴承参数对其静态性能的影响,采用单因素变化法分析三角形截面和矩形截面节流槽轴承参数对各自性能的影响规律,通过正交实验设计研究矩形截面节流槽轴承几何参数对其承载力影响的主次顺序。对比分析表面节流轴承和其他几种常见节流形式轴承的静态特性和流场的动态特性,研究不同节流方式轴承在承载力、刚度和流场气旋方面的异同点。采用摄动法结合动网格技术分析表面节流止推轴承的动刚度和阻尼系数随扰动频率的变化关系。在确定主轴制造工艺的基础上试制涡轮主轴样机,测试主轴止推轴承的承载能力和刚度,并与仿真结果进行对比,验证表面节流止推轴承CFD仿真模型的有效性。