以HMS125b型臥式加工中心主軸設計為例，介紹主軸的設計過程。詳細闡述主軸的結構設計及理論計算。通過機床樣機測試，驗證主軸的結構設計合理、設計計算過程正確。
一、引言
零部件加工的精度要求在不斷提高，機床正在向高速、高精、高效和智能方向飛速發展，作為機床核心部件，主軸的工作性能對機床有直接影響，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。主軸設計主要考慮以下幾個方面：剛度、精度穩定性、回轉精度、抗振和熱變形等方面。沈陽機床廠多年一直致力于主軸的研究與設計，并已投入生產，是國內少有的具有主軸自主研制能力的企業。
這里以HMS125b型臥式加工中心的主軸設計為例，闡述主軸設計要點，理論計算及一些實際經驗。
二、結構設計
開發臥式加工中心的時候，根據市場需求及實際發展要求，確定的主軸具體參數是：主軸錐孔型號No.7:24ISO50，主軸變檔3檔，主軸轉速范圍20rpm～4000rpm，主電機功率30KW，主軸最大軸向抗力20000N，主軸前軸承直徑Ф140mm，主軸結構采用了日本NSK公司高精度和高剛性的組合軸承，回轉精度高、剛性好，可保證主軸加工精度。主軸最大扭矩2246Nm。
主軸箱內的齒輪傳動機構具有增大扭矩作用。動力由主軸伺服電機通過電機軸的齒輪嚙合，將運動傳給中間軸。中間軸上通過三位油缸推動滑移齒輪實現自動3檔變速，傳動檔次由滑移齒輪所處的位置確定，最后由中間軸傳給主軸。主軸箱結構圖如圖1所示。
圖1 主軸箱展開圖
主軸是由前面3組高精度角接觸球軸承和后面一個滾珠軸承支承。主軸軸承的潤滑為脂潤，主軸有冷卻循環系統，控制主軸溫升。拉刀機構是由碟形彈簧及液壓油缸組成的，當刀具裝入主軸的ISO50錐孔后，由主軸內部的刀具夾緊裝置進行夾緊。當刀具開始夾緊時，夾緊裝置的拉刀爪夾住刀柄后部的螺栓，靠碟簧彈力使刀具拉緊。刀具松開時是通過
主軸后部的液壓油缸壓縮碟形彈簧，使夾緊裝置的彈性夾頭張開，并借助推桿將刀具推出。
該臥式加工中心主軸電機根據計算得到，選擇FANUCα30/6000i型號，此種交流電機緊湊、強制風冷型鼠籠異步電機具有調速范圍寬、轉矩不受速度影響、魯棒性好等特點。根據電機的特性曲線，通過計算，可以得到主軸驅動系統特性曲線。
三、理論計算
1．傳動比計算
主軸箱有3檔齒輪變速，其各檔減速比按如下公式計算。
低檔減速比：
高檔減速比：
2．主軸性能參數計算
圖2 主電機功率扭矩圖
功率扭矩圖上主軸各個性能參數確定，主軸轉速范圍：20rpm～4000rpm，計算如下：
為了能充分發揮電機各階段的性能，在適合的轉速下進行機械換擋，能夠得到最優的功率扭矩曲線，機械檔數為高，中，低3檔，主電機轉速：低檔：20rpm～478rpm；中
檔:479rpm～1188rpm；高檔：1189rpm～4000rpm。換擋速度計算公式如下：
為主電機還沒有衰減時的轉速（3500）經過齒輪箱，能夠加大扭矩的傳遞，主軸連續扭矩為：
3．主電機功率的確定
機床主電機功率是機床的主要動力特性參數之一，直接關系著機床生產率的高低，如果動力參數定得過大會使機床過于笨重，浪費材料和電力；如果確定的過小，又會影響機床的性能。確定主電機功率的方法是調查研究和科學實驗，并輔之以計算，隨著機械制造工藝的發展以及高速強力切削的廣泛應用，機床動力也應有所提高，從國外機床工業發展趨勢來看也都朝著提高轉速與功率的方向發展。
圖3 主軸功率扭矩圖
根據機床最大負荷工作情況計算，機床最大許用扭矩（銑削）或最大進給抗力（鉆削）情況下所需之功率，由經驗可知：銑削功率大大超過鉆削，故以銑削確定主軸電機功率。
銑削時各參數如表所示。
表
(2) 求N空。
中型機床主傳動鏈的空運轉功率損失可用下列實驗公式估算:
再考慮各種因素，所以，主電機額定功率選30KW。
四、結語
HMC125b樣機裝配完成后，對主軸進行幾何精度及加工精度切削檢驗，經多次理論分析與實踐調整，檢驗數據表明各項精度已完全符合設計要求，且該主軸在工作過程中運轉平穩、噪音低，超越預期設計效果，現已做為成型功能部件應用于機床生產。
（未完待續）
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