3.1电主轴材料的选择
材料是影响电主轴各项性能的重要因素，电主轴工作时，主轴和轴承承受拉伸、压缩、剪切、弯曲、交变等复杂应力，而且应力值较大，这就要求主轴和轴承用材料经相应强化工艺处理后，具有高的硬度、高的耐磨性、高的接触疲劳强度、高的弹性极限、一定的冲击韧度和断裂韧性、良好的尺寸稳定性等使用性能。此外，在一些特殊条件下工作的电主轴，还应具有满足如耐高温、抗辐射、耐腐蚀、无磁性，良好的低温性能等，同时，所用材料还应具有良好的工艺性能和经济性[5]。 常用的主轴材料有碳钢与合金钢，一般情况下通常选用价格便宜的45号钢或60号钢。对于一般机床主轴常以45号钢为主，经调质到220~250HBS，某些重要部位淬火至50~55HRC。若主轴加工载荷较大，为提高其抗疲劳性能可选用40Cr或50Mn2。对于受冲击载荷较大的主轴，其轴颈处需要更高的硬度，因而可选用20Cr进行渗碳淬火处理使硬度至56~62HRC。对于精密机床的主轴，在加工时要求其热膨胀变形不能太大，因此最好选择热处理后参与变应力小的材料，比如40Cr和45MnB等。总之合金钢具有良好的机械性能淬透性，但因其价格高以及对应力集中较为敏感的缺点，合金钢也只用于尺寸和性能要求较高的场合[18]。主轴材料具体的选用与热处理方式表3.1所示。 表3.1主轴材料的选用与热处理方式
钢材热处理方式用途
45 调质22～28HRC 一般机床主轴、传动轴
1
1
主轴转数高受到的冲击载荷较大，因而轴颈处需要较高的硬度，故选用20Cr 进行渗碳淬火处理使硬度至56~62HRC ；第二主轴最高转速只有6000r/min ，不受任何的径向与轴向载荷，轴颈处也无需较高的硬度，故选用40Cr 经淬火使硬度至48～55 HRC 。 3.2主轴直径的计算与校核 3.2.1主轴的计算 根据电主轴的类型，其主轴可以分为两大类：第一类是普遍用于雕铣类的主轴，该类主轴是实心轴；第二类是普遍用于加工中心的主轴，该类主轴为空心轴，为了在加工时方便更换刀具，在该类主轴内部设计有松拉刀装置。评价主轴的性能主要从它的强度和刚度两个方面，为了让主轴的强度和刚度均满足工作条件，我们分别对主轴的强度和刚度进行校核计算。 （1）主轴计算中常用根据扭转强度进行计算：
]
[2.095490003
T
d n P
W
精密电主轴T
dingx
ττ≤≈=
（3-1）
40Cr 淬 硬48～55 HRC 载荷较大，或表面要求较硬的主轴 40Cr 高频淬硬55～62HRC 滑动轴承的主轴轴颈
20Cr 渗碳淬硬56～62HRC 轴颈处需要高硬度或冲击性较大的主轴 9Mn2v 淬 硬59～62HRC
高精度机床主轴，热处理变形较小
38CrMoAI
A 氮化处理850～1200HV 高精度机床主轴，保证热处理变形小
50Mn2
调 质28～35HRC 载荷较大的重型机床主轴
1
3
033
3n
n ][2.09549000][2.09549000d P A P
n P T ==≥ττ
式中[]
3
09549000
0.2T A τ=
。
对于空心轴，则有：
3
40)
1(α-≥n P A d （3-2）
式中 T τ——扭转切应力，MPa ； T ——轴所受的扭矩，N·mm； T W ——轴的扭转截面系数，3mm ； n ——轴的转速，r/min ； P ——轴传递的功率，kW ； d ——计算截面处轴的直径。
d d /1=α，即空心轴的内径1d 与外径d 之比，通常取6.0~5.0=α。
表3-2常见材料的[]T τ和0A 的值
45、40Cr 、20Cr 、9Mn2v 、38CrMoAIA 、50Mn2
材料名称 45
40Cr 、38CrMoAIA 、
[]T τ
15~25 20~35 25~45 35~55 0A
149~126
135~112
126~103
97~112
1
（2）根据弯扭合成强度进行计算：
该方法要在确定主轴的布置方式以及轴承的安装方式之后使用的，主要分三步：
1、简化主轴部件，建立主轴的力学模型。根据理论力学，将主轴当做放置于铰链支座上的横梁，电主
首饰加工技术
轴加工零件时，轴端会受到一定的径向力和轴向力，从而会使主轴受到相应的弯矩与扭矩，为方便计算，我们将主轴受到的力分解成沿主轴轴向的分力和垂直于主轴的分力。
2、根据主轴的力学模型做出相应的弯矩图和扭矩图。
3、根据第三强度理论校核主轴的强度，从而得出合适的最小直径。该步主要针对一些危险截面校核主轴直径的，根据第三强度理论有：
22ca 4()δδατ=+ （3-3）
式中α为循环特性折合系数，因为主轴由弯矩产生的弯曲应力δ一般为对称循环变应力，而由扭矩产生的扭转切应力τ不是对称循环变应力，为了调节校核公式引入了折合系数α。为了方便计算，当扭转切应力为静应力时，0.3α≈；当扭转切应力为循环变应力时，0.6α≈；若二者同时为对称循环变应力时，1α≈。再由力学知识可知M W δ=
，2T
W
τ= ，所以上式可以进一步写为： []2222
ca 1(T)()4(
pam加药)2M M T W W ααδδ-+=+=≤ （3-4） 式中：ca δ——为主轴的计算应力，MPa;
M ——轴所受的弯矩，N mm ⋅；
T ——主轴所受到的扭矩，N mm ⋅； W ——主轴的抗弯截面系数，3mm 。
1
[]1δ- ——对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。
3.2.2主轴直径校核
经过上一目我们得到了主轴的大体直径，为了确保主轴的安全我们通常还要对主轴进行校核，主轴的校核方式有：1、按静强度条件进行校核；2、按疲劳强度条件进行精确校核；3、按弯曲刚度进行校核；4、按轴的扭转刚度进行校核。
（1）按静强度条件进行校核
对于车削和铣削类的大功率电主轴，为了防止主轴在瞬时载荷过大的情况下导致其塑性变形过大，无
法恢复到以前的形状，我们有必要对主轴进行静强度校核。静强度校核的强度条件为：石墨舟
ca 2
2
S S S S S S S S S S δτδτ血压袖带
=
≥+ （3-5）
式中：ca S S ——危险截面静强度的计算安全系数；
S S ——按屈服强度的设计安全系数；
1.2~1.4S S =，用于高塑性材料的钢轴； 1.4~1.8S S =，用于中等塑性材料的钢轴；
1.8~2S S =，用于低塑性材料的钢轴； 2~3S S =，用于铸造轴；
S S δ——只考虑弯矩和轴向力时的安全系数； S S τ——只考虑扭矩时的安全系数。
max max s
S S M F W A δδ=
⎛⎫
+ ⎪⎝
⎭
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