在CNC数控机床之主轴为重要的关键元件之一，心轴本体为速度、刚性与变性主要的关键参数，因此设计主轴时如何获得高速与高刚性在心轴设计则相形重要。在传动方面主要分为皮带式、齿轮式、内藏式与直节式等传动动力之形式，因此主轴也是常常利用传动形式进行分类。一般主轴单元的总体要求是保证在相同的负载与转速下，带动工件或刀具精确而稳定的绕其轴心线旋转，并长期保持这种性能。因此有下列的基本要求﹕ 1.旋转精度2.刚性3.抗振性4.温升与热变形等，本单元将介绍CNC数控机床机械主轴设计与应用相关科目与技术。

主轴分类原理：
CNC数控机床主要有数控车床与数控铣床两大类其应用有所差异，一般车床主轴夹持工件进行旋转运动，则X/Z轴进行切削加工运动，因此夹头与旋转油压缸为重要的夹持机构并且与主轴进行整合。而数控铣床主轴夹持刀把与刀具进行旋转运动，则X/Y/Z轴进行切削加工运动，因此拉刀机构为重要的刀具夹持机构并且与主轴进行整合。然而主轴设计时必须考虑与计算之项目如下：(1)计算切削力、马达加减速时间等，作为主轴马达选用相关资料，也为计算轴承寿命之依据;(2)主轴心轴本体主要参数确定，主要在决定主轴之内径、外径、悬伸量及跨距等; (3)主轴刚性计算分析，主要包括径向刚性、扭转刚性及临界转速计算分析; (4)轴承的计算，依选定之轴承计算其疲劳寿命; (5)皮带资料，此部份为厂商提供之技术资料; (6)盘形弹簧计算，确认其疲劳寿命; (7)拉松刀力量分析等，其中主轴主要的结构如图1所示，在刀把主要有3种规格，包含BT系列锥度为7/24，HSK系列锥度为1/10，Capto系列锥度为1/20。

数控机床机械设计之主轴选用计算
一般CNC数控机床主轴构造形状主要决定于轴上安装的传动件，轴承等零件类型、数量、位置与安装方法，为便于装配常把主轴作成阶梯形。主轴前端（鼻端）悬伸应尽量缩短，其前端形状已经标准化。主轴通常为空心，中心孔用于通过刀具拉杆、拉刀机构或工件拉杆。为了通过较粗的拉杆与减轻主轴重量，中心孔常希望大些。但中心孔过大会影响主轴刚性，在工程应用时，数控车床极少因主轴疲劳断裂而失效，但由于主轴在切削力作用下变形过大，或产生切削自激振动而使数控机床无法满足生产需求的案例较多。因此，设计数控机床主轴时主要以刚性为设计需求而非强度。主轴的静刚性，反映了主轴抵抗静态外负荷的能力。主轴的弯曲刚性K ，定义为主轴前端产生单位径向位移，在位移方向所需施加的力。主轴的主要参数是指：主轴平均直径D(或主轴前轴颈直径D1)，主轴内孔直径d，主轴悬伸量a和主轴支承跨矩L ，如图2所示。

以上参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，主要以静刚性条件来确定这些参数。即选择D、d、a等值使主轴获得最大静刚性。同时也兼顾到高速性、抗振性等需求。按数控铣床类型，根据主轴传动的功率或最大加工直径等，初步决定主轴平均直径D(前端轴颈直径)，为不使主轴温升过高或保证轴承寿命，需要验算dn值。在不降低主轴刚性的原则下，确定主轴内孔直径d同时满足该类数控机床对孔径的要求。主轴悬伸量a。取决于主轴端部之结构，为提高主轴系统与元件之刚性值，应使其尽量小。切削加工(如铣削)时须承受断续冲击负荷，为避免产生振动影响加工表面粗度，除了弯曲刚性外，主轴扭转刚性值也须讲究。有人建议1/60。/m，但此值相当高，并不太容易达到，若有1/8。/m以上刚性值，应也相当足够了。剪应力系由单位长度的扭转角θ 求得，而剪应力与扭矩T 之关系，则可依力矩原理求得。即轴承受扭矩T 作用时，其横截面所生之剪应力，对轴中心线的力矩总和必等于该截面所承受之扭矩。轴之单位长度的扭转角与扭矩成正比例，而与GJ 成反比例。GJ 称为轴之扭转刚度，此值可显示轴对扭转变形的抵抗能力。因此主轴外径设计时须考虑扭转刚性与扭转角，进而参考轴承标准规格订定主轴外径。在齿轮式主轴主要优点为高扭力且重切稳定性佳，缺点为惯性高不利高速化、高速时噪音大与维修组装技术高。皮带式主要应用齿型皮带(时规皮带) 可传递扭力较大，不易产生滑差，但高速时容易产生风切声，V型皮带易达到高速的需求，但可传递扭力较小且易因皮带张力不足而产生滑差。高速时产生的风切声较小而尖锐。下列为齿轮式主轴与皮带式主轴评鉴内容对应，如表1所示。

立式加工中心一般齿轮式主轴与皮带式主轴应用适合中重切削与低转速之应用，而直结式主轴与内藏式主轴应用于轻切削高进给之应用方式，直结式主轴为高速切削应用的入门形式，主要优点为构造简单与容易直传高速化，缺点为高速连轴器成本高、抓刀系统设计较困难与连轴器应用技术等。在高速内藏式主轴方面主要优点为容易达到高转速、震动较低、容易模组化与噪音低，缺点为主轴需解决热温升之问题、制造维护成本高与模组制造技术要求较高，其中在选用计算上则如表2所示。

主轴系统相关技术-主轴跨矩设计
一般在切削时先定义切削的移除率单位以CC为主，其中移除率与切削宽度、进给速度与切削深度成正比关系，当移除率为定值时进给率提高则可降低切削深度，则可达到高速切削之目标，因此内藏式与直结式主轴则适合高速切削之方式，高进给低切深的切削方式。