數控銑床的主軸為一中空軸，其前端為錐孔，與刀柄相配，在其內部和后端安裝有刀具自動夾緊機構，用于刀具裝夾。主軸在結構上要保證好良好冷卻潤滑，尤其是在高轉速場合，通常采用循環式潤滑系統。對于電主軸而言，往往設有溫控系統，且主軸外表面有槽結構，以確保散熱冷卻。
數控銑床按主軸位置一般可以分成以下幾類：
一、立式數控銑床：立式數控銑床主軸軸線垂直于水平面，是數控銑床主軸軸線垂直于水平面，是數控銑床中常見的一種布局形式，應用范圍廣泛。從機床數控系統控制的坐標數量來看，目前2坐標數控立銑仍占大多數;一般可進行3坐標聯動加工，但也有部分機床只能進行3個坐標中的任意兩個坐標聯動加工(常稱為2.5坐標加工)。此外還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標軸中的其中一個或兩個軸做數控擺角運動的4坐標和5坐標數控立銑。
二、龍門式數控銑床;數控龍門銑床主軸可以在龍門架的橫向與垂直導軌上運動，龍門架則沿床身做縱向動運動。大型數控銑床，要考慮到擴大行程、縮小占地面積等技術上的問題，往往采用龍門架移動式。
三、臥式數控銑床;臥式數控銑床與普通臥式銑床相同，其主軸軸線平行于水平面，主要用于加工箱體類零件。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數控銑床通常采用增加數控轉盤或萬能數控轉盤來實現4、5坐標加工。這樣，不但工件側面上的連續回轉輪廓可以加工出來，而且可以實現在一次安裝中，通過轉盤改變工位，進行“四面加工”。
四、立臥兩用數控銑床。立臥兩用數控銑床的主軸方向可以更換，能達到在一臺機床上既可以進行立式加工，又可以進行臥式加工，同時具備上述兩類機床的功能，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工對象的余地更大，給用戶帶來不少方便。
立臥兩用數控銑床靠手動或自動兩種方式更換主軸方向。有些立臥兩用數控銑床采用主軸頭可以任意方向轉換的萬能數控主軸頭，使其可以加工出與水平面呈不同角度的工件表面，還可以在這類銑床的工作臺上增設數控轉盤，以實現對零件的“五面加工”。
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