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以HMS125b型卧式加工中心主轴设计为例，介绍主轴的设计过程。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
零部件加工的精度要求在不断提高，机床正在向高速、高精、高效和智能方向飞速发展，作为机床核心部件，主轴的工作性能对机床有直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。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。沈阳机床厂多年一直致力于主轴的研究与设计，并已投入生产，是国内少有的具有主轴自主研制能力的企业。
这里以HMS125b型卧式加工中心的主轴设计为例，阐述主轴设计要点，理论计算及一些实际经验。
二、结构设计
开发卧式加工中心的时候，根据市场需求及实际发展要求，确定的主轴具体参数是：主轴锥孔型号No.7：24 ISO50，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NSK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。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。
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，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FANUC α30/6000i型号，此种交流电机紧凑、强制风冷型鼠笼异步电机具有调速范围宽、转矩不受速度影响、鲁棒性好等特点。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：
中档减速比：
高档减速比：
2.主轴性能参数计算
预选的FANUC α30/6000i主轴电机，其主要参数：额定转速 n'rated=1150rpm；最高转速 n' max=6000rpm；加工时最低转速 n'min=150rpm；额定功率 P'rated=30KW；间歇工况下功率P'30min=37KW；额定扭矩 M'rated=249Nm；间歇工况下扭矩 M'30min=307Nm，主电机功率扭矩图如图2所示。
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：
综合考虑各轴及轴承的极限转速，取n max=4000rpm。
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，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：
=249×7.317=1822Nm
M=M'rated xi
间歇工况下扭矩： M30min =M'30min×xi=307×7.317=2246Nm，主轴功率扭矩如图3所示。
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。
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。
主电机功率：N主 =N切η机+N空+N附KW
式中， N主为主传动电机功率（KW）； N切为消耗于切削时的功率损失（KW）； N空为消耗于空运转的功率损失（KW）； η机为主传动链的总机械效率； N附为有切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率（KW）。
（1） N切的确定。
由以往的计算可知，铣削加工时消耗功率最大，故以铣削加工求。
铣刀直径：D=Φ200mm。
铣刀刃数：Z=8。
铣削宽度：T=150mm。
铣削深度：B=8mm。
每齿进给量：S齿=0.375mm。
试件材料：铸铁HT200HB=180-200。
Pz =50T1.14×B0.9×Z×S0.72齿×D-1.14
=50×1501.14×80.9×8×0.3750.72×200-1.14
=932.5kg
铣削时各参数如表所示。
（2） 求N空。
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：
式中， da为主传动链中除主轴外所有传动轴的轴径平均值（mm）， da =71mm；d主为主轴前后轴径的平均值（mm）， d主=130mm；∑ni为当主轴的转速为N主时，传动链内，除主轴外各传动链的转速之和； N主为主轴计算转速（rpm）； c为系数，反映主轴支承情况，两支承轴承 c=0.85； I为润滑油黏度影响的修正条数，用20号机油时I=0.9。
当机床发挥最大功率时，则为如下情况。
再考虑各种因素，所以，主电机额定功率选30KW。
四、结语
HMC125b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。
（未完待续）
一、引言
零部件加工的精度要求在不断提高，机床正在向高速、高精、高效和智能方向飞速发展，作为机床核心部件，主轴的工作性能对机床有直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。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。沈阳机床厂多年一直致力于主轴的研究与设计，并已投入生产，是国内少有的具有主轴自主研制能力的企业。
这里以HMS125b型卧式加工中心的主轴设计为例，阐述主轴设计要点，理论计算及一些实际经验。
二、结构设计
开发卧式加工中心的时候，根据市场需求及实际发展要求，确定的主轴具体参数是：主轴锥孔型号No.7：24 ISO50，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NSK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。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。
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，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FANUC α30/6000i型号，此种交流电机紧凑、强制风冷型鼠笼异步电机具有调速范围宽、转矩不受速度影响、鲁棒性好等特点。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：
中档减速比：
高档减速比：
2.主轴性能参数计算
预选的FANUC α30/6000i主轴电机，其主要参数：额定转速 n'rated=1150rpm；最高转速 n' max=6000rpm；加工时最低转速 n'min=150rpm；额定功率 P'rated=30KW；间歇工况下功率P'30min=37KW；额定扭矩 M'rated=249Nm；间歇工况下扭矩 M'30min=307Nm，主电机功率扭矩图如图2所示。
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：
综合考虑各轴及轴承的极限转速，取n max=4000rpm。
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，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：
=249×7.317=1822Nm
M=M'rated xi
间歇工况下扭矩： M30min =M'30min×xi=307×7.317=2246Nm，主轴功率扭矩如图3所示。
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。
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。
主电机功率：N主 =N切η机+N空+N附KW
式中， N主为主传动电机功率（KW）； N切为消耗于切削时的功率损失（KW）； N空为消耗于空运转的功率损失（KW）； η机为主传动链的总机械效率； N附为有切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率（KW）。
（1） N切的确定。
由以往的计算可知，铣削加工时消耗功率最大，故以铣削加工求。
铣刀直径：D=Φ200mm。
铣刀刃数：Z=8。
铣削宽度：T=150mm。
铣削深度：B=8mm。
每齿进给量：S齿=0.375mm。
试件材料：铸铁HT200HB=180-200。
Pz =50T1.14×B0.9×Z×S0.72齿×D-1.14
=50×1501.14×80.9×8×0.3750.72×200-1.14
=932.5kg
铣削时各参数如表所示。
（2） 求N空。
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：
式中， da为主传动链中除主轴外所有传动轴的轴径平均值（mm）， da =71mm；d主为主轴前后轴径的平均值（mm）， d主=130mm；∑ni为当主轴的转速为N主时，传动链内，除主轴外各传动链的转速之和； N主为主轴计算转速（rpm）； c为系数，反映主轴支承情况，两支承轴承 c=0.85； I为润滑油黏度影响的修正条数，用20号机油时I=0.9。
当机床发挥最大功率时，则为如下情况。
再考虑各种因素，所以，主电机额定功率选30KW。
四、结语
HMC125b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。
（未完待续）