课题来源于2016年度广东省省级科技计划项目产学研合作专项，项目编号2016B09091812。精密、高速电主轴是承载高速加工技术的主要载体之一，是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工技术是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量，因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。但我国机床关键零部件，特别是高档机床零部件技术与国外还有较大的差距，为打破国外技术垄断和专利封锁，应对电主轴行业激烈的市场竞争，提升自主品牌产品性能和技术创新能力，改变精密高速电主轴依赖进口的局面，充分利用广州超级计算中心天河二号超级计算机强大的计算资源优势、科研院所的理论研究和技术应用研究优势及国内电主轴制造龙头企业的制造、测试和产业化能力优势，开展高速电主轴的优化设计研究，解决电主轴研发过程的技术瓶颈问题，实现高速电主轴的产业化。
    课题针对高速电主轴动刚度差、异步电机电磁损耗大、主轴振动噪声高、运行寿命短等问题，利用广州超算中心高性能计算平台，对电主轴的电、磁、热、流体、固体结构交互耦合场开展装备数字化设计关键技术研究，采用数值模拟、计算流体力学（CFD）、电磁仿真、可靠性评估、优化设计等数字化设计方法和现代工业设计方法真分析，攻克影响电主轴质量及品质的关键技术，提升国产电主轴的竞争力，研发可替代进口的高速电主轴，实现了产业化，取得了较好的经济效益。 课题创新性和先进性如下：

    （1）基于多物理场耦合计算技术的超高速电主轴系统减振降噪技术研究。项目采用国际计算力学热点研究的多相物理场耦合计算及验证数值模型分析方法结合高性能计算技术，利用量纲分析法构建系统的数值模型，开展电-磁-热-流-固体结构多物理场耦合作用下超高速电主轴的动态特性研究和高性能计算应用研究，深入研究超高速电主轴振动、噪声的产生机理、影响因素、控制策略及优化方法，提高主轴径向承载力和刚度，解决传统仅考虑单因素影响简化模型无法有效实现超高速电主轴减振降噪的技术难题；
    （2）基于热源优化技术提升高速电主轴热稳定性研究。电机设计方面：建立电机电磁场数学模型，应用高性能计算技术结合有限元方法，优化电磁场分布，减少电磁损耗，提高电机的效率和转速，降低了电机的发热量。主轴的冷却方面：通过对主轴发热源的分析与测试，基于高性能计算的 CFD 方法优化设计主轴冷却液流道。设计多路冷却液循环结构，可以对电机、前后轴承进行单独的冷却，可以使冷却更充分；主轴结构方面：对主轴结构进行优化设计，利用角接触球轴承的受力特性，采用后端弹簧拉紧浮动结构，使转轴的大部分热伸张作用于主轴后端，而对决定加工精度的主轴前端的影响较小；通过以上技术突破，电主轴热稳定性将上升到更高的层次，预期达到国内领先水平；
    （3）基于挠性转子的主轴高速动平衡校正技术研究。主轴零件结构的优化设计：通过对主轴结构进行分析，设计合理的配合尺寸及装配工艺，使主轴在高速运转时质量中心在离心力及发热的共同作用下与旋转中心不会产生大的偏离。保证在不作动平衡校正的情况下，主轴的不平衡质量降到最低；高速动平衡校正技术：单纯的不平衡量校正比较容易。但高精度电主轴，高的转速会引起转轴的挠性弯曲，从而引起主轴轴芯在高速下精度不良。基于高性能计算的系统转子动力学特性研究方法，可使主轴在高转速下的振动和精度达到一个极高水平。
    （4）高性能腔体式轴端气封结构设计。主轴前端密封结构采用高性能腔体式轴端气封结构，此气封结构通过径向设计有圆周均布的节流也，可以使气流流向分散均匀，同等条件下气流量可提高至 1.2 倍，腔体内外形成较大的压差，可以有效地阻止外界固液体杂质的侵入，保护主轴内部的轴承及其他零部件。其工作性能高，密封良好，且密封成本低，可适应多种工况下工作。此项结构参与单位 已同时申请了实用新型及发明专利，其中，实用新型专利已授权，授权专利号：ZL201420222148.5.1.
    项目的主要研究成果为：（1）输出电主轴多物理耦合场仿真方法 1 套，实现了精密高速高光洁度电主轴数字化仿真建模，模拟电-磁-热-流-固体结构等多种物理场交互影响的过程，输出电主轴在多物理场下的重要参数热伸长量及热应力等；（2）输出电主轴失效模式评估方法 1 套，评估了电主轴各个影响因素对电主轴失效率的影响及改进措施；（3）实现电主轴轴承发热功率、电机热损耗理论计算，实现转子气隙空气摩擦损耗仿真计算；（4）开发精密高速高光洁度电主轴 2 种，实现转速高于100000rpm，轴端跳动小于 8um，加工表面粗糙度优于 0.03um;（5）研发精密高速高光洁度电主轴测试平台 1 套。