Design and development of a lathe spindle

Verktygsmaskiner möjliggör tillverkning av materiekroppar med olika form. Svarvar är de vanligaste maskinerna för att bearbeta runda detaljer. Man kan säga att en svarvspindeln möjliggör hela skärprocessen och att den därför är den viktigaste komponenten i en svarv. En svarvaxel, eller en spindel, bearbetar det roterande ämnet med ett stationärt skärverktyg, och materialet tas bort vid skärverktygets kontakt med ämnet.Det här arbetet syftar till att konstruera en spindel som uppfyller en given kravspecifikation. Specifikationen innehåller prestandakrav, som rotationshastighet och kraft, geometri och dimensionskrav, som storlek och håldiameter, samt vilka komponenttyper som ska användas, som t.ex. motorn.I enlighet medprestandakravet definieras maximalt lastscenario. Med givna svarvningsparametrar beräknas skärkraften på materialet vid dess kontakt med skärverktyget. En inbyggd motor som är tillräckligt kraftfull och uppfyller hastighets- och effektkraven väljs och en preliminär konstruktion skapas med valda lager, lagerordningar och axelmaterial.Beteendet av den preliminära spindelkonstruktionen, under påverkan av skärkrafter och rotation analyseras statiskt och dynamiskt med hjälp av FEM och analytiska modeller. Inom ett givet område optimeras avståndet mellan lagren, vilka utgör spindelns stöd.Genom verifikation och optimering av den preliminära konstruktionen skapas den slutliga detaljkonstruktionen. Slutkonstruktionen innefattar alla nödvändiga detaljer och viktiga krav beaktas och balanseras, som att vara tillverkningsbar och monterbar, tätningssystem, ett system för hastighetsmätning och lägesmätning, kabelvägar och andra nödvändiga punkter. I slutänden konstrueras en spindel som uppfyller den definierade kravspecifikationen.Machine tools enable the industry to shape almost any material by a variety of methods. Lathes are one of the most common machines to cut circular parts with precision and accuracy. And the spindle of a lathe can be entitled as the most critical mechanical component which makes the cutting process possible. A lathe spindle rotates the workpiece to be cut against a stationary rigid cutting tool, therefore removing material through the contact edge. In this thesis, a spindle is aimed to be designed which complies with a set of specifications defined. These specifications consists of performance requirements such as speed and power, dimensional constraints for space and bore diameter, and component types which must be used, such as for the motor.Based on the performance requirements, a maximum loading case with cutting parameters is defined. With these cutting parameters, cutting forces acting to the material from at the contact point with the cutting tool are calculated. A built-in motor with sufficient power and speed specifications is selected based on the maximum cutting forces and speed requirements. A preliminary design is made up by selecting bearings, bearing arrangements and shaft material.With static and dynamic analysis conducted on the preliminary design through analytical models and FEM, the behavior of the spindle is investigated separately under the cutting forces and during the rotation. Within an allowable range, optimization is made on the bearing span distances which are the support locations for the spindle.Following the verification and optimization of the preliminary design, the final detail design of the spindle is made. The final design includes the design of all the necessary parts, by taking the manufacturability, assemblability, sealing design, a system for speed and position measurements, cable paths and more necessary points into account. Ultimately, a spindle which meets the requirements and specifications successfully is designed as the expected outcome of this thesis