以卧式加工中心主轴设计为例，详细阐述主轴的结构设计及理论计算。通过机床样机测试，验证主轴的结构设计合理、设计计算过程正确。
一、引言
作为机床核心部件，主轴的工作性能对机床有直接影响，主轴设计主要考虑以下几个方面：刚度、精度稳定性、回转精度、抗振和热变形等方面。
二、结构设计
开发卧式加工中心确定的主轴具体参数是：主轴锥孔型号No.7:24ISO50，主轴变档3档，主轴转速范围20rpm～4000rpm，主电机功率30KW，主轴最大轴向抗力20000N，主轴前轴承直径Ф140mm，主轴结构采用了日本公司高精度和高刚性的组合轴承，回转精度高、刚性好，可保证主轴加工精度。主轴最大扭矩2246Nm。
主轴箱内的齿轮传动机构具有增大扭矩作用。动力由主轴伺服电机通过电机轴的齿轮啮合，将运动传给中间轴。solidworks教程网gocae.com 中间轴上通过三位油缸推动滑移齿轮实现自动3档变速，传动档次由滑移齿轮所处的位置确定，最后由中间轴传给主轴。主轴箱结构图如图1所示。
图1 主轴箱展开图
主轴是由前面3组高精度角接触球轴承和后面一个滚珠轴承支承。主轴轴承的润滑为脂润，主轴有冷却循环系统，solidworks教程网gocae.com 控制主轴温升。拉刀机构是由碟形弹簧及液压油缸组成的，当刀具装入主轴的ISO50锥孔后，由主轴内部的刀具夹紧装置进行夹紧。当刀具开始夹紧时，夹紧装置的拉刀爪夹住刀柄后部的螺栓，靠碟簧弹力使刀具拉紧。刀具松开时是通过
主轴后部的液压油缸压缩碟形弹簧，使夹紧装置的弹性夹头张开，并借助推杆将刀具推出。
该卧式加工中心主轴电机根据计算得到，选择FANUCα30/6000i型号，根据电机的特性曲线，通过计算，可以得到主轴驱动系统特性曲线。
三、理论计算
1．传动比计算
主轴箱有3档齿轮变速，其各档减速比按如下公式计算。
低档减速比：
高档减速比：
2．主轴性能参数计
图2 主电机功率扭矩图
功率扭矩图上主轴各个性能参数确定，主轴转速范围：20rpm～4000rpm，计算如下：
为了能充分发挥电机各阶段的性能，在适合的转速下进行机械换挡，能够得到最优的功率扭矩曲线，solidworks教程网gocae.com 机械档数为高，中，低3档，主电机转速：低档：20rpm～478rpm；中
档:479rpm～1188rpm；高档：1189rpm～4000rpm。换挡速度计算公式如下：
为主电机还没有衰减时的转速（3500）经过齿轮箱，能够加大扭矩的传递，主轴连续扭矩为：
3．主电机功率的确定
机床主电机功率是机床的主要动力特性参数之一，直接关系着机床生产率的高低，如果动力参数定得过大会使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果确定的过小，又会影响机床的性能。确定主电机功率的方法是调查研究和科学实验，并辅之以计算，随着机械制造工艺的发展以及高速强力切削的广泛应用，机床动力也应有所提高，从国外机床工业发展趋势来看也都朝着提高转速与功率的方向发展。
图3 主轴功率扭矩图
根据机床最大负荷工作情况计算，机床最大许用扭矩（铣削）或最大进给抗力（钻削）情况下所需之功率，由经验可知：铣削功率大大超过钻削，故以铣削确定主轴电机功率。
铣削时各参数如表所示。
表
(2) 求N空载。
中型机床主传动链的空运转功率损失可用下列实验公式估算:
再考虑各种因素，所以，主电机额定功率选30KW。
四、结语
样机装配完成后，对主轴进行几何精度及加工精度切削检验，经多次理论分析与实践调整，检验数据表明各项精度已完全符合设计要求，且该主轴在工作过程中运转平稳、噪音低，超越预期设计效果，现已做为成型功能部件应用于机床生产。
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