以HMS125b型（xíng）臥式加工（gōng）中心主軸設計為例，介紹主軸的（de）設計過程。詳細闡述主軸的結構設計及理（lǐ）論計算。通過機床樣機測試（shì），驗證主軸的結構設計合理、設計計（jì）算過程（chéng）正確。

      一、引言

      零部件加工的精度要（yào）求在不斷提高，機（jī）床正（zhèng）在向高速、高精、高效和智能方向飛速發（fā）展，作為機床核心部件，主軸的工作性（xìng）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（chóng）要因（yīn）素（sù）。主（zhǔ）軸設計主要考慮以（yǐ）下幾個方麵：剛度、精度穩定（dìng）性、回轉精（jīng）度、抗振（zhèn）和熱變形等方麵（miàn）。沈陽機床廠多年一直致力於主軸（zhóu）的研究與設計（jì），並已投入生產，是國內少有的具有主（zhǔ）軸自主（zhǔ）研製能力（lì）的企業。

      這裏以HMS125b型（xíng）臥式（shì）加工中心的主軸設計為（wéi）例，闡述主軸設計（jì）要點，理論（lùn）計算及一些實際經驗。

      二、結構設計（jì）

      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（zhóu）具體參數是：主軸錐孔型（xíng）號No.7:24ISO50，主軸變（biàn）檔3檔，主軸轉速範圍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（huí）轉精度（dù）高（gāo）、剛性好，可保證主軸（zhóu）加工精度。主軸最大扭矩2246Nm。

      主（zhǔ）軸箱內的齒輪傳動機構具有增大扭矩作用（yòng）。動力由主軸伺服電機通過電機軸的齒輪齧合，將運動（dòng）傳給中間軸。中間軸上（shàng）通過三位油缸推動滑移齒（chǐ）輪實現自（zì）動3檔（dàng）變（biàn）速，傳動檔次由滑移（yí）齒輪所（suǒ）處的位置確定，最後由中間軸傳給（gěi）主軸。主軸箱結（jié）構圖如圖1所示。

       圖1 主（zhǔ）軸箱展開圖

      主軸是由前麵3組高精度角接觸球軸承和（hé）後（hòu）麵一個滾珠軸承支承。主軸軸承的潤滑（huá）為脂（zhī）潤，主軸有冷卻循環係統，控製主軸溫升。拉刀機構是由（yóu）碟形彈簧及液壓油缸組成（chéng）的，當刀具（jù）裝入主軸的ISO50錐孔後，由主軸內部的刀具夾緊裝置（zhì）進行（háng）夾緊。當刀具開始夾（jiá）緊時（shí），夾（jiá）緊裝置的拉刀爪（zhǎo）夾住刀柄後部的（de）螺栓，靠碟簧彈力使刀（dāo）具拉緊。刀具鬆（sōng）開時是通過
主軸後部的液壓油缸壓縮碟形彈簧，使夾（jiá）緊裝置（zhì）的彈（dàn）性夾頭張開，並（bìng）借助（zhù）推（tuī）杆將刀具推出。

      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（diàn）機緊湊、強製風冷型鼠籠異（yì）步電機具有調速（sù）範圍（wéi）寬、轉矩不受速度影響、魯棒性好等特點。根據電機的（de）特性（xìng）曲線，通過計算，可以得到主軸驅動係統特性曲線。

      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（jiǎn）速比：

      2．主軸性（xìng）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，主軸轉速範圍：20rpm～4000rpm，計算如下：

      為了能充分發揮（huī）電機各階段的性能，在適合的轉速下進行機械換擋，能夠（gòu）得到最優的（de）功率扭矩曲線，機械檔數為高，中，低3檔，主電（diàn）機轉速：低檔：20rpm～478rpm；中
檔:479rpm～1188rpm；高檔：1189rpm～4000rpm。換擋速度計算公（gōng）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（jiā）大扭（niǔ）矩的傳遞（dì），主軸連續扭矩（jǔ）為：

      3．主電機功率的確定

      機床主電機功率是機床的主（zhǔ）要動力特（tè）性參數之一，直接關係著機床生產率的高低（dī），如果動力參（cān）數定得過大（dà）會（huì）使機床過於（yú）笨重（chóng），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（jī）功率的方法是調查研究和科學實驗，並輔（fǔ）之以計算，隨著機械製造工藝的發展以（yǐ）及高速（sù）強力切削的廣泛應用，機床動力也應有所提高，從國（guó）外機床工業發（fā）展趨勢來看也都朝著提高轉速與功率的方向發展。

     圖（tú）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（huò）最大進（jìn）給（gěi）抗力（鑽削（xuē））情況下所需之功率，由經驗可知：銑削功率大大超過鑽削，故以銑削（xuē）確定主軸電機功率（lǜ）。

     銑削時（shí）各參數如表所示。

                                           表

      (2) 求N空。
 
      中型機床主傳動（dòng）鏈的空運轉功率損失可用下列實驗公（gōng）式估算:
  
     

      再（zài）考慮各種因素（sù），所以，主電機額（é）定（dìng）功（gōng）率選30KW。

       四、結語

      HMC125b樣機裝配完成後，對主軸進（jìn）行幾何精度及加工精度切削檢驗，經（jīng）多次（cì）理論分析與實（shí）踐調整，檢驗數據表明各項精度已完全符（fú）合設計要求，且（qiě）該主軸在（zài）工作過程（chéng）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於機床（chuáng）生產。

     （未（wèi）完待續）