随着小口径非球面光学元件的广泛应用,其加工方式成为了精密加工领域的重点研究内容。精密磨削是有效实现硬脆材料的光学元件加工的主要方式之一,可以显著提高表面质量和精度,在精密磨削加工中精密主轴单元是获得高精度的保证。气浮气动主轴精度高、转速快、温升小,且结构简单易维护,非常适用于小口径非球面光学元件的精密磨削加工。本文设计了一种小型高速精密气浮气动主轴,用于加工小口径的非球面光学元件。本文所设计的高速精密气浮气动主轴是由空气静压轴承支撑,高压气体驱动涡轮高速旋转,本文主要研究内容如下:(1)本文根据气浮轴承设计原理和加工要求,选择了小孔式节流器,选择变形冲动式涡轮作为驱动器,完成了高速精密气浮气动主轴的整体设计,包括径向轴承、止推轴承、涡轮等零部件。给出了径向轴承及止推轴承的承载力和刚度等性能参数。(2)建立高速精密气浮气动主轴轴承的流体分析和结构分析模型,研究了气体在轴承内的压力分布情况,通过计算机仿真软件FLUENT分析了轴承的偏心率、节流孔直径、平均气膜间隙以及主轴转速对承载特性的影响,优化了设计尺寸。(3)研制出高速精密气浮气动主轴,开发了新的节流孔加工工艺,对转子进行了动平衡校正,最后对主轴进行了测试。实验表明,主轴运行平稳,综合性能良好,主轴转速达到了 50000rpm,主轴径向跳动为0.5μm,轴向窜动为0.1 μm,主径向刚度为3N/μm,轴向刚度为15N/μm,主噪声值为70 dB(A),振动为0.2m/s~2。