ballscrew mount final report

31
University of Tennessee Ball Screw Mount Design Mechanical Engineering Senior Design in conjunction with AccuRouter William Brown, Patirck Connor, Corey Crumpton, Skye Jerrolds 12122014

Upload: patrick-connor

Post on 13-Apr-2017

133 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

 

University  of  Tennessee  

Ball  Screw  Mount  Design  Mechanical  Engineering  Senior  Design  in  conjunction  with  Accu-­‐Router  

William  Brown,  Patirck  Connor,  Corey  Crumpton,  Skye  Jerrolds  12-­‐12-­‐2014  

 

1    

Abstract  

A  team  of  mechanical  engineering  seniors  from  the  University  of  Tennessee  have  partnered  with  Accu-­‐Router,  an  environment-­‐friendly  computer  numerically  controlled  (CNC)  refurbishing  company,  to  redesign  a  ball  screw  mount.    These  mounts  provide  both  the  support  structure  and  x-­‐axis  movement  for  several  different  CNC  tables  Accu-­‐Router  plans  to  refurbish.    However,  not  only  are  these  mounts  costly,  but  also  they  require  that  the  ball  screw  each  mount  supports  be  machined  and  threaded  as  well  –  further  adding  to  both  the  overall  cost  and  availability  of  these  two  parts.    As  a  company  that  values  timely  service  and  competitive  prices,  it  is  of  great  importance  that  the  team  can  produce  new  mounts  that  will  be  in  accordance  with  Accu-­‐Router’s  standards.  

The  intent  of  this  report  is  to  present  the  research,  redesign,  and  viability  of  the  new  and  improved  ball  screw  mount.    In  this  report,  the  background  of  the  project  is  discussed  in  more  detail,  design  specifications  for  current  mounts  are  explained,  several  different  designs  are  presented,  and  a  final  design  is  selected  as  the  prototype.    For  the  final  design,  a  finite  element  analysis  is  performed  through  Solidworks,  a  prototype  is  assembled  and  tested  during  the  spring  semester,  and  the  acquired  data  is  analyzed  and  documented.      

This  team  believes  that  through  the  efforts  outlined  in  this  report,  a  superior  mount  design  will  successfully  be  implemented  into  Accu-­‐Router’s  line  of  CNC  machines.  

   

2    

Table  of  Contents   Abstract  .......................................................................................................................................................  1  

Background  of  Problem  ...............................................................................................................................  3  

Work  Statement  ..........................................................................................................................................  3  

Design  Specifications  ...................................................................................................................................  4  

Design  Concepts  ..........................................................................................................................................  5  

Design  A  ...................................................................................................................................................  5  

Design  B  ...................................................................................................................................................  8  

Design  C  .................................................................................................................................................  10  

Evaluation  of  Concepts  ..............................................................................................................................  13  

Scoring  Process  ......................................................................................................................................  14  

Recommendation  ..................................................................................................................................  14  

Sponsor  Feedback  ..................................................................................................................................  15  

Finite  Element  Analysis  ..............................................................................................................................  15  

Fabrication  of  Prototype  ............................................................................................................................  18  

Economic  Impact  .......................................................................................................................................  22  

Conclusion  and  Recommendations  ...........................................................................................................  22  

Appendix  ....................................................................................................................................................  24  

Gantt  Chart  ............................................................................................................................................  24  

September-­‐December  ............................................................................................................................  24  

January-­‐April  ..........................................................................................................................................  26  

January  ..................................................................................................................................................  26  

February  .................................................................................................................................................  27  

March  ....................................................................................................................................................  27  

April  .......................................................................................................................................................  28  

Engineering  Calculations  ........................................................................................................................  29  

Detailed  Shop  Drawings  .........................................................................................................................  30  

 

3    

Background  of  Problem   Accu-­‐Router  is  a  small  business  that  specializes  in  “green  engineering,”  specifically  for  CNC,  or  computer  numerically  controlled,  machines.    They  buy  used  CNC  routers  and  refurbish  them  with  added  improvements  to  increase  the  longevity  of  the  machine.    Additionally,  the  company  also  builds  these  CNC  machines  from  the  ground  up.    Due  to  their  interest  in  reusing  materials,  it  would  be  beneficial  to  lower  costs  in  as  many  areas  as  possible.    One  area  of  high  cost  is  the  expense  of  having  both  the  ball  screw  mounts  and  the  corresponding  ball  screws  machined.    The  overall  cost  of  the  mount,  $494.49,  is  due  to  the  labor  involved  with  machining  very  tight  tolerances  for  the  bore  of  the  ball  screw.    The  cost  is  further  increased  because  the  ends  of  the  ball  screw  must  be  machined  not  only  to  match  the  inside  diameter  of  the  mount,  but  also  to  include  threads  that  will  secure  the  ball  screw  through  the  mount  with  a  lock  nut  on  the  outside.    Additionally,  having  the  ball  screw  machined  and  threaded  adds  a  significant  lead  time  to  the  availability  of  this  part.    This  down  time  is  of  great  concern  to  Accu-­‐Router,  and  having  a  ball  screw  that  requires  no  machining  would  be  highly  beneficial.  

Work  Statement     The  University  of  Tennessee’s  senior  design  group  is  dedicated  to  redesigning  and  producing  a  prototype  for  an  x-­‐axis  ball  screw  mount  for  Accu-­‐Router.    Through  the  team’s  design  process  and  engineering  analysis,  a  mount  will  be  produced  that  retains  both  the  integrity  of  the  original  design  as  well  as  a  reduced  price  for  an  overall  superior  product.    The  main  focus  of  this  project  is  to  take  an  existing  component  of  the  CNC  machine  and  redesign  it  to  produce  a  more  cost  effective  product.    This  redesign  process  integrates  previous  mounting  specifications,  maintains  the  structural  integrity  of  the  original  component,  and  accounts  for  material  and  labor  costs  of  producing  a  new  component.    The  team’s  preliminary  design  is  the  result  of  not  only  eliminating  unnecessary  material  associated  with  the  component,  but  also  complying  with  mounting  specification  requirements  in  order  to  implement  the  new  product  into  existing  CNC  tables.        Finally,  the  team  will  report  the  results  of  its  finite  element  analysis  and  prototype  testing  to  Accu-­‐Router  in  a  timely  manner  in  order  to  obtain  feedback  and  create  a  functional  component  that  meets  their  standards.  

   

 

4    

Design  Specifications   In  order  to  maximize  the  functionality  of  the  design,  the  new  prototype  needs  to  satisfy  the  following  criteria  depicted  in  Figure  1.  

Figure  1:  Bolt-­‐Hole  Pattern  Of  Original  Mount    

   The  base  of  the  design  must  maintain  the  exact  dimensions  of  the  original  design,  5.25  inches  long,  4  inches  wide,  and  1  inch  high,  and  also  must  contain  the  four  original  bolt-­‐holes’  pattern.    The  location  of  these  bolt-­‐hole  centroids,  measured  from  the  bottom  left  corner  of  the  base,  are  as  follows:  0.5  inches  by  0.625  inches,  0.5  inches  by  3.375  inches,  4.75  inches  by  .625  inches,  and  4.75  inches  by  3.375  inches.  The  diameter  of  all  the  bolt-­‐holes  must  be  0.41  inches.  The  height  of  the  ball  screw  mount  and  its  centroid,  measured  from  the  base,  are  5  inches  and  3.75  inches  respectively.  The  centroid  of  the  mount  must  be  placed  2.625  inches  from  the  left  and  right  side  of  the  base.      Finally,  the  new  design  must  also  have  an  overall  lower  cost  than  the  original  design.  This  can  be  done  by  implementing  both  a  creative  alternative  to  not  only  machining  and  threading  the  ball  screw  mount,  but  also  by  fastening  the  ball  screw  with  a  large  lock  nut.  The  new  design  must  also  be  able  to  withstand  the  required  load  as  well  as  not  produce  any  axial,  lateral,  or  rotational  loading  on  the  ball  screw.    

5    

Design  Concepts   Design  A   Features  The  team’s  first  design  (Design  A)  is  a  very  simple  design  requiring  only  two  pieces  to  be  machined.  Its  simplicity  also  allows  it  to  be  very  easily  produced,  resulting  in  a  reduction  of  the  cost  of  production.    

This  design  uses  a  two-­‐screw  clamping  system  and  a  setscrew  to  keep  the  ball  screw  in  place.  The  most  important  feature  of  this  design  is  that  by  increasing  the  ball  screw  mount  bore,  there  is  no  longer  a  need  to  machine  down  and  thread  the  end  of  the  ball  screw  to  secure  it  in  the  mount.  It  accomplishes  this  while  also  meeting  all  of  the  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router,  including  retaining  all  original  bolt  hole  patterns,  meeting  the  height  requirement  of  5  inches,  and  retaining  the  height  of  the  ball  screw  bore’s  centroid  of  3.75  inches.  

Additional  new  features  of  Design  A  are  listed  below.    

-­‐ Removal  of  the  gussets  (triangular  steel  pieces)  that  were  welded  on  to  the  side  of  the  original  design.  The  team  concluded  that  these  gussets  not  only  served  little  purpose,  but  also  added  extra  cost  to  production.    

-­‐ Increase  in  the  size  of  the  ball  screw  bore  to  1.97  inches  (50  mm).  This  will  allow  the  ball  screw  to  fit  into  the  mount  with  no  machining.  This  will  cut  down  on  the  amount  of  machining  and  the  overall  cost.  

-­‐ Decrease  in  overall  volume.  This  was  achieved  by  shortening  the  length  of  the  neck.  The  team  determined  this  would  cut  down  on  material  cost.  

-­‐ Increased  width  of  the  base  of  the  neck  to  accommodate  the  larger  ball  screw  bore.  -­‐ Changed  the  position  of  the  clamping  system.  This  was  done  to  meet  the  5-­‐inch  height  

requirement.    The  team  removed  the  screws  from  the  top  of  the  ball  screw  bore  and  instead  placed  them  vertically,  perpendicular  to  the  base,  and  next  to  the  ball  screw  bore  (Figure  5).  They  lay  flush  with  the  topside  of  the  mount  due  to  a  counter  bore.  

Benefits  Design  A  is  a  very  simple  design  that  is  similar  to  the  original  mount.  One  of  the  benefits  of  such  a  simple  design  is  that  it  will  require  a  minimal  amount  of  machining  to  complete  the  part,  thus  cutting  down  on  overall  cost.  This  design  also  cuts  cost  since  the  addition  of  the  setscrew  allows  the  ball  screw  to  be  clamped  into  the  mount  without  any  machining  or  threading.  Design  A  is  a  practical  solution  to  the  problem  set  forth  by  Accu-­‐Router  as  it  cuts  down  on  price  while  still  meeting  the  standards  and  requirements  expected.    

Feasibility    Design  A  has  a  very  high  feasibility  because  it  is  a  simple  design;  it  meets  all  the  requirements  and  functions  as  specified  by  Accu-­‐Router,  and  it  is  similar  to  the  original  design.  All  of  the  features  and  benefits  specified  above  will  help  reduce  costs  and  make  this  design  a  very  practical  option  for  replacing  Accu-­‐Router’s  current  ball  screw  mount.  

6    

Figure  2:  Design  A  Isometric  View  

   

Figure  3:  Design  A  Front  View  

7    

Figure  4:  Design  A  Top  View  

   

Figure  5:  Design  A  Section  View  

 Note:  Not  final  rendering  of  models  

8    

Design  B  

Features  The  second  design  is  comprised  of  two  components  machined  on  a  mill  and  welded  together  at  the  specified  location.  The  bolt-­‐hole  pattern  and  base  dimensions  are  the  same  as  the  original  assembly,  however,  the  height  of  the  base  has  been  reduced  to  one-­‐half  of  an  inch.  The  milled  pocket  on  the  top  face  of  the  base  piece  provides  a  means  of  precisely  attaching  the  neck  of  the  assembly.  The  pocket  is  130  thousandths  of  an  inch  deep,  and  has  been  designed  to  be  milled  with  an  end  mill  no  larger  than  half  of  an  inch  in  diameter,  therefore  all  internal  radii  are  greater  than  one-­‐quarter  of  an  inch.  Two  of  the  sides  provide  orthogonal  faces  that  the  orthogonal  sides  of  the  neck  can  rest  against,  providing  a  quick  and  simple  way  to  align  the  neck  of  the  mount  perpendicularly  during  the  welding  process.  The  neck  of  the  assembly  is  4.63  inches  tall  and  rests  on  the  face  created  by  the  pocket.  This  keeps  the  assembly  within  the  vertical  restriction  of  5  inches.  The  cross  section  of  the  neck  is  a  2-­‐inch  by  2.93-­‐inch  rectangle.  The  neck  of  Design  B  is  reduced  compared  to  the  design  of  the  original  neck  in  order  to  save  material  and  machining  costs.  The  bore  is  50  millimeters  in  diameter  in  order  to  house  the  non-­‐machined  ball  screw.  The  top  face  of  the  neck  contains  a  bolt-­‐hole  protruding  into  the  bore  that  is  meant  to  hold  a  set  screw,  which  prevents  twist  of  the  ball  screw  as  well  as  movement  in  the  axial  direction.  Since  the  bore  diameter  is  increased,  the  clamping  bolts  are  placed  on  the  side  instead  of  the  top  due  to  the  height  restriction  of  5  inches.  The  bolts’  axial  direction  is  therefore  oriented  to  the  assembly’s  vertical  direction.  The  bolt  heads  will  rest  in  the  counter  bore,  allowing  the  head  to  be  below  flush  with  the  top  face  of  the  neck,  resulting  in  no  bolt  resting  above  5  inches  in  the  vertical  direction.  

Benefits  The  cost  of  welding  for  this  design  is  reduced  since  the  neck  can  easily  be  located  on  the  base.  There  will  be  a  reduced  cost  of  material  since  the  overall  volume  has  been  decreased.  The  cost  of  machining  the  mount  will  be  reduced  since  only  a  base  and  neck  need  to  be  machined  instead  of  a  base,  a  neck,  and  two  gussets.  The  cost  of  machining  the  ball  screw  will  also  be  reduced  since  only  a  tapped  hole  for  a  set  screw  will  require  machining  instead  of  thread  on  the  outer  diameter  of  the  ball  screw  requiring  machining.  In  addition  to  the  reduced  costs,  the  design  is  still  able  to  withstand  the  required  load.  

Feasibility  This  design  is  a  simple  concept  that  meets  all  requirements  and  functions  specified  by  Accu-­‐Router.  This  design  is  very  similar  to  the  original  design,  and  therefore  would  be  very  easy  to  implement  on  current  and  future  systems.  

9    

Figure  6:  Design  B  Isometric  View  

Figure  7:  Design  B  Cross-­‐Sectional  View  

10    

Design  C    

Features  The  third  design  is  comprised  of  four  components  that  are  machined  and  bolted  together  at  the  specified  locations.  The  bolt-­‐hole  pattern  and  base  dimensions  are  the  same  as  the  original  assembly,  however,  the  height  of  the  base  has  been  reduced  to  one-­‐half  of  an  inch.  The  neck  of  the  assembly  is  1.72  inches  tall  and  rests  symmetrically  on  the  top  face  of  the  base.    The  cross  section  of  the  neck  is  a  0.75-­‐inch  by  2-­‐inch  rectangle.  The  neck  of  Design  C  is  reduced  compared  to  the  design  of  the  original  neck  in  order  to  save  material  and  machining  costs.  The  neck  attaches  to  the  base  via  two  bolts  that  are  run  from  the  bottom  of  the  base.  The  neck  supports  the  bottom  of  the  clamping  head.  The  clamping  head  is  attached  to  the  neck  via  two  bolts  that  are  run  from  the  top  of  the  bottom  clamping  head.  The  clamping  head  contains  a  cylindrical  extruded  cut  that  is  used  to  house  and  center  the  ball  screw.  The  bore  will  be  increased  to  50  millimeters  in  diameter  in  order  to  house  the  non-­‐machined  ball  screw.  The  top  clamping  head  is  attached  to  the  bottom  clamping  head  via  four  bolts  on  the  four  corners  of  the  clamping  heads.  The  two  heads  do  not  come  into  contact,  and  instead  has  a  cylindrical  bore  that  houses  the  ball  screw.  The  bolts  then  provide  the  clamping  force  that  the  clamping  heads  produce  on  the  ball  screw.  The  top  face  of  the  clamping  head  contains  a  bolt-­‐hole  protruding  into  the  bore  that  is  meant  to  hold  a  set  screw,  which  will  prevent  twist  of  the  ball  screw  as  well  as  movement  in  the  axial  direction.  The  bottom  clamping  head’s  dimensions  are  2.9  inches  long,  2  inches  wide,  and  1.15  inches  high  with  the  exception  of  the  bore  and  bolt  holes.  The  top  clamping  head’s  dimensions  are  2.9  inches  long,  2  inches  wide,  and  1  inch  high  with  the  exception  of  the  bore  and  bolt  holes.  

Benefits  This  design  eliminates  the  cost  of  welding  since  the  components  are  now  attached  via  bolts.  The  cost  of  material  is  reduced  since  the  overall  volume  has  been  decreased.  The  cost  of  machining  the  ball  screw  is  also  reduced.  Only  a  tapped  hole  for  a  set  screw  will  need  to  be  machined  instead  of  thread  on  the  outer  diameter  of  the  ball  screw.  In  addition  to  the  reduced  costs,  the  design  is  still  able  to  withstand  the  required  load.  

Feasibility  This  design  is  a  relatively  simple  concept  that  meets  all  requirements  and  functions  specified  by  Accu–Router.  In  order  to  implement  the  design,  the  user  would  simply  apply  a  thread-­‐locker  to  the  bolts  as  they  are  placed  in  the  appropriate  locations.  The  mount  is  then  placed  in  the  appropriate  location  as  the  ball  screw  is  located  and  mounted.    

11    

Figure  8:  Design  C  Isometric  View  

Figure  9:  Design  C  Cross  Sectional  View  Section  A-­‐A  

12    

Figure  10:  Design  C  Cross  Sectional  View  Section  B-­‐B  

13    

Evaluation  of  Concepts     In  order  to  determine  the  team’s  ideal  design,  a  Pugh  chart  was  created  that  evaluates  the  benefits  and  drawbacks  of  the  three  designs.    The  two  main  criteria  of  the  Pugh  chart  are  cost  and  safety,  and  each  criterion  is  given  50%  total  weight.  Figure  11  shows  the  details  of  the  Pugh  chart.    

 

Priority      

Design  A   Design  B   Design  C  

0.5   Safety        0.1   Load  Capacity   3   3   2  

0.4   Torque  Resistance   3   3   2  

0.5   Cost        0.2   Welding   1   2   3  

0.1   Machining   2   2   1  

0.1   Assembly   2   3   2  

0.1   Material   1   1   3  

 Total   2.2   2.5   2.2  

 

 *Total    =  priority*ranking    *Rankings  on  1-­‐3  scale    

       Figure  11:  Matrix  Decision  Pugh  Chart    

 Within  the  safety  category,  the  two  subcategories  were  load  capacity  and  torque  resistance.  Torque  resistance  was  given  40%  weight  due  to  the  continuous  rotational  forces  the  motor  applies  to  the  ball  screw  while  it  is  in  use.    The  load  capacity  was  given  10%  weight  since  the  ball  screw  only  experiences  minimal  axial  forces  that  are  transmitted  to  the  mounts.    Within  the  cost  category,  the  four  subcategories  were  welding,  machining,  assembly,  and  material.  Machining  was  given  20%  weight  due  to  the  major  considerations  of  machining  both  the  mounts  and  the  ball  screw.    A  design  that  could  successfully  accommodate  a  non-­‐machined  ball  screw  would  decrease  cost  and  availability  time  significantly;  therefore  this  category  was  weighted  with  more  importance  compared  to  the  other  cost  categories.    Although  the  labor  costs  for  welding  are  generally  higher  than  machining,  each  design  concept  requires  no  more  welding  than  the  original  design,  and  thus  welding  was  only  given  10%  weight.    Assembly  was  given  10%  weight  as  well  to  account  for  the  differences  between  the  assembly  of  the  original  design,  Design  A,  Design  B,  and  Design  C.    Finally,  material  costs  were  also  given  10%  weight  because  the  team  intends  to  use  the  same  material  as  the  current  mounts.  

14    

Scoring  Process   The  scoring  process  took  each  design  and  rated  all  of  the  categories  on  a  1  to  3  scale,  where  1  represents  a  poor  performance  and  3  represents  an  excellent  performance.    Each  score  given  was  an  estimate  based  on  the  knowledge  that  the  team  has  of  both  general  machine  design  and  the  original  design.  The  rest  of  this  section  will  highlight  the  strengths  and  weaknesses  of  each  design.        Design  A  was  scored  a  3  in  each  safety  category  since  Design  A  varied  only  slightly  from  the  original  design,  and  the  original  design  had  an  exceptional  safety  performance.    In  the  cost  section,  Design  A  scored  a  2  in  the  machining  and  assembly  categories  since  the  gussets  are  removed  from  the  original  design.    Finally,  Design  A  scored  a  1  in  the  welding  and  material  categories.    Although  the  welding  and  material  requirements  for  Design  A  were  less  than  the  original  design,  they  required  significantly  more  welding  and  material  than  the  other  design  concepts.        Similar  to  Design  A,  Design  B  scored  a  3  in  each  safety  category  since  Design  B  also  closely  resembles  the  original  design.    In  the  cost  section,  Design  B  scored  a  3  in  assembly  because  it  only  requires  the  attachment  of  the  base  plate  to  the  mount  itself.    However,  this  design  scored  a  2  in  machining  and  welding  since  it  requires  a  great  deal  of  machining  for  the  milled  cutout  so  both  the  alignment  of  the  mount  and  welding  of  the  mount  into  the  cutout.    Finally,  Design  B  scored  a  1  in  material  because,  similar  to  Design  A,  it  requires  more  material  than  design  C.        Finally,  Design  C  scored  a  2  in  each  safety  category  due  to  the  unique  design’s  unknown  reliability,  caused  from  its  slender  neck  not  being  able  to  withstand  the  rotational  forces  applied  to  the  mount.    In  the  cost  section,  Design  C  scored  a  3  in  material  and  welding  since  it  requires  very  little  material  as  well  as  no  welding.    This  design  scored  a  2  in  assembly  since  the  user  is  required  to  assemble  the  entire  mount.    Finally,  this  design  scored  a  1  in  machining  since  each  component  requires  individual  machining,  thus  increasing  the  cost  of  the  mount.         Recommendation   Originally,  the  team  recommended  Design  B  since  its  overall  score  on  the  Pugh  chart  was  a  2.5,  while  the  other  designs  each  scored  a  2.2.    Based  on  the  assumption  that  Design  B  was  similar  to  the  original  design,  the  team  was  confident  it  would  not  only  be  reliable,  but  also  reduce  costs  due  to  the  simplicity  of  accurately  aligning  the  neck  onto  the  base  via  the  milled  cutout.    However,  in  case  Design  B  was  not  sufficient,  the  team  decided  that  Design  A  would  be  the  next  best  option,  despite  that  both  Design  A  and  Design  C  scored  a  2.2  on  the  Pugh  chart.  The  justification  behind  this  decision  was  that  Design  A  was  closer  to  the  original  design  than  Design  C,  and  therefore  would  have  less  safety  risks.      

15    

Sponsor  Feedback   Although  Design  B  was  recommended  to  Accu-­‐Router,  they  informed  the  team  that  there  is  a  high  risk  of  the  steel  distorting  when  being  welded  into  a  milled  piece.  Therefore,  they  decided  that  Design  A  would  be  the  best  choice  among  the  three  designs.  Based  on  the  decision  matrix  and  scoring  process,  the  team  supported  their  decision.  Since  Design  A  is  similar  to  the  original  design,  it  would  create  the  least  amount  of  unknown  variables  when  the  part  is  tested.  

Finite  Element  Analysis        

The  team  decided  to  do  a  finite  element  analysis  (FEA)  to  determine  the  maximum  stresses  and  the  factor  of  safety  of  the  ball  screw  mount.  To  do  the  FEA,  the  decision  was  made  to  create  a  model  assembly  of  the  ball  screw  mount,  the  ball  screw,  and  the  setscrew  within  Solidworks.  The  team  ran  into  difficulties  replicating  the  ball  screw  and  setscrew,  so  the  decision  was  made  to  model  them  as  cylinders.  The  simulated  ball  screw  was  a  cylinder  with  a  diameter  of  50  millimeters  and  a  length  of  12  inches.  The  simulated  setscrew  was  a  cylinder  modeled  after  an  8-­‐32  and  5/16  inch  set  screw.  However,  the  team  later  learned  that  the  8-­‐32  set  screw  had  problems  breaking  after  use,  and  therefore  was  changed  to  a  ¼-­‐20  sized  screw  instead.  After  assembling  these  models,  the  simulation  program  in  Solidworks  was  used  to  run  the  analysis.    

During  the  simulation  program,  a  torque  and  an  axial  force  was  applied  on  the  ball  screw  (see  Figure  12).  The  torque  was  found  using  the  motor  specs  that  were  acquired  from  Accu-­‐Router.  The  axial  force  was  found  using  the  maximum  speed  of  the  table,  the  time  it  takes  to  reach  the  maximum  speed,  and  the  weight  of  the  table.  The  torque  applied  was  70  N-­‐m  (51.6  ft-­‐lb),  and  the  axial  force  applied  was  414  lbs.    To  simulate  the  mount  being  bolted  on  to  the  machine,  the  bottom  face  of  the  mount  was  fixed.  In  an  iterative  process,  the  team  simulated  tightening  the  bolts  down  and  deforming  the  top  face  of  the  mount  by  up  to  2mm.    

Figure  12:  FEA  Model  Assembly  

16    

Once  all  of  the  forces  were  applied,  a  mesh  was  created  of  the  assembly  and  the  simulation  was  performed.  Several  variables  attained  from  the  analysis  include  the  maximum  stresses,  the  location  of  the  maximum  stresses  (see  Figure  13),  and  the  factor  of  safety  (see  Figure  14).  All  of  these  values  are  located  on  Table  1.  The  team  was  also  interested  in  finding  out  if  the  setscrew  would  be  able  to  withstand  the  shear  and  axial  forces  applied,  as  well  as  determining  what  type  and  size  of  weld  would  be  appropriate  to  use.    

Figure  13:  FEA  Stress  Diagram  

Figure  14:  FEA  Factor  of  Safety  Diagram  

 

17    

After  running  the  simulation  and  analyzing  the  acquired  data,  the  team  determined  that  the  setscrew  would  be  able  to  withstand  the  required  shear  and  axial  forces.  This  data  was  also  used  to  determine  the  appropriate  type  and  size  of  weld  to  connect  the  base  plate  and  the  neck.  After  analyzing  the  data  and  researching  different  welds,  it  was  determined  that  a  ¼  inch,  E  6011  welding  rod  used  in  a  fillet  weld  would  produce  the  best  results.  This  welding  rod  was  chosen  because  it  has  a  high  maximum  strength  (60  kpsi)  and  it  has  a  high  tolerance  for  combining  imperfect  joints.    

 

Table  1:  FEA  Data  

Max.  Stresses  (FEA)   1.64  kpsi  Location  of  Max.  Stresses   Along  weld,  bolt  counter  bores,  where  

mount  contacts  ball  screw  Factor  of  Safety  (Min.)   22  Factor  of  Safety  (Max.)   50  (max.  on  team  scale)  Factor  of  Safety  (Avg.)   36  

Recommended  Setscrew   ¼  -­‐  20  5/16”  Recommended  Weld   ¼  “  E6011  fillet  weld  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

18    

Fabrication  of  Prototype        

Before  the  first  prototypes  were  produced,  a  few  changes  were  made  to  the  mounts  within  Solidworks.  After  the  small  modifications  were  completed,  Accu-­‐Router  was  contacted  and  the  final  detailed  shop  drawings  were  sent.  Accu-­‐Router  officially  put  in  the  work  order  for  the  mount  at  the  end  of  December.  Once  the  prototype  was  delivered  a  few  tests  were  developed  to  run  on  the  mounts.  These  tests  were  developed  to  see  if  the  requirements  set  by  Accu-­‐Router  were  met.  The  requirements  included:  the  ball  screw  must  fit  in  the  mount,  the  ball  screw  must  not  twist  in  the  mount,  and  the  ball  screw  must  not  push  or  pull  within  the  mount.      

 

 

Fig.  15  Prototype  

Special  Considerations,  Issues  in  Building  Prototype  

The  original  plan  was  to  tap  the  ball  screw  to  allow  the  setscrew,  located  on  top  of  the  mount,  to  screw  in  to  the  ball  screw  ensuring  no  twist  within  the  mount  occurred.  When  the  team  approached  the  machine  shop  to  tap  the  ball  screw,  it  was  brought  to  the  team’s  attention  that  unless  the  mount  and  the  ball  screw  were  tapped  at  the  same  time,  the  threads  would  not  match  up.  The  solution  was  to  drill  a  hole  in  the  ball  screw  with  a  diameter  of  (0.25  in.),  which  is  the  major  diameter  of  the  setscrew,  see  Fig.  16,  in  order  to  use  the  set  screw  as  a  pin.  

19    

 

Fig.  16  End  of  Ball  screw  with  hole  

Design  of  Test  Apparatus  and  Test  Procedure  

Before  the  prototype  was  tested  on  a  machine,  a  simple  test  was  designed  to  ensure  that  the  mount  met  the  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router,  which  were:  the  mount  must  house  the  ball  screw,  the  ball  screw  must  not  twist  within  the  mount,  and  the  ball  screw  must  not  move  axially  within  the  mount.    

The  team  was  given  some  values  for  external  forces  that  would  be  applied  to  the  ball  screw,  including  a  70  N*m  torque,  and  a  1400  N  axial  force.  In  order  to  apply  the  torque  on  the  ball  screw,  a  hexagonal  nut  was  welded  to  the  end  of  the  ball  screw,  see  Fig.  17.  This  was  done  so  that  the  team  could  take  a  wrench  and  apply  a  torque  to  the  ball  screw.  To  simulate  the  conditions  the  mount  would  most  likely  see  when  placed  on  an  operating  machine,  the  test  needed  to  fix  the  base  of  the  mount,  insert  the  ball  screw,  and  apply  our  external  forces.  

 

Fig.  17  Welded  Nut  

20    

For  the  first  test,  the  base  of  the  ball  screw  was  fixed  to  a  workbench  using  3  medium  sized  C-­‐clamps.  A  two-­‐foot  section  of  the  ball  screw  was  then  inserted  into  the  mount.  To  secure  the  ball  screw  within  the  mount,  two  clamping  bolts  and  a  setscrew  were  inserted  and  tightened.  Once  the  forces  were  applied,  it  was  determined  if  any  twisting,  or  pushing/  pulling  occurred  within  the  mount.  To  apply  the  loads,  a  wrench  was  used  that  was  approximately  a  foot  long.  The  wrench  was  oriented  as  close  to  horizontal  as  possible  in  order  to  ensure  the  greatest  amount  of  torque,  and  then  a  weight  of  160  pounds  was  hung  from  the  end.  This  resulted  in  a  moment  slightly  more  than  three  times  the  given  value  of  70  N*m.  

 

 

Fig.  18  Simple  Test  in  Estabrook  

After  the  simple  test  was  completed,  the  team  traveled  to  the  Accu-­‐Router  plant  in  Morrison,  TN.  The  purpose  of  this  visit  was  to  test  the  mounts  on  the  machines  that  the  mounts  would  be  used  on.  Once  the  mounts  were  bolted  onto  the  CNC  machine,  a  full-­‐length  ball  screw  was  inserted  and  supported  solely  by  the  newly  designed  mounts.  The  clamping  bolts  were  inserted  and  tightened,  and  it  was  decided  that  the  first  test  would  be  completed  without  the  use  of  the  setscrew.  If  needed,  a  second  test  would  be  run  with  a  set  screw  inserted.  An  accelerometer  was  also  placed  on  the  table  to  get  a  more  accurate  value  for  the  axial  force  applied  to  the  ball  screw.  

21    

         

Fig.  19  Accu-­‐Router  Test  1&2  

 

Fig.  20  Accu-­‐Router  Test  3  

Test  Results  

Preliminary  Testing  This  test  involved  tightening  the  clamping  screws,  as  well  as  inserting  the  setscrew.  After  applying  approximately  three  times  the  given  load  of  70  N*m  torque  to  the  end  of  the  ball  screw,  there  was  no  visible  twisting  or  axial  movement  within  the  mount.    

Real  World  Testing  This  test  involved  bolting  the  prototype  mounts  to  the  machines  in  which  they  would  be  used  on.  For  this  test  we  only  tightened  the  clamping  bolts  and  did  not  include  the  setscrew.  After  the  machine  was  run,  there  was  no  twisting,  pushing,  or  pulling  of  the  ball  screw  within  the  

22    

mount.  The  data  recorded  by  the  accelerometer  provided  an  acceleration  of  the  table  of  36.702  ft/s.  Using  the  acceleration  data,  along  with  the  weight  of  the  table  (1200  lb  or  37.267  slugs),  the  axial  force  was  calculated  at  1367.77  lbf.  This  is  greater  than  the  predicted  axial  force  due  to  the  fact  that  Accu-­‐Router  uses  a  bell  shaped  curve  to  model  the  acceleration  rate.  This  curve  was  unavailable  to  the  team  previous  to  the  site  testing,  and  therefore  constant  acceleration  had  to  be  assumed.  

The  tests  ran  on  the  prototypes  show  that  the  new  mounts  can  withstand  the  maximum  loads  without  allowing  any  movement  of  the  ball  screw.  It  was  also  found  that  the  mounts  secure  the  ball  screw  with  or  with  out  the  setscrew  inserted.  The  tests  also  showed  that  the  ball  screw  could  be  secured  without  having  to  machine  the  ends  down.  Ultimately,  the  testing  showed  that  meet  all  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router.      

Economic  Impact      

Since  the  main  objective  of  this  design  was  to  decrease  the  overall  costs  associated  with  the  mount,  economic  impact  played  a  significant  role  in  designing  of  the  model.  Two  ways  the  overall  cost  was  decreased  was  by  removing  the  gussets  off  the  side  of  the  mount  as  well  as  increasing  the  bore  diameter  in  order  to  reduce  the  machining  cost  of  the  ball  screw.  The  result  is  a  price  reduction  of  375  dollars.  Excluding  the  additional  costs  of  turning  the  ball  screw,  the  original  mount’s  quote  is  495  dollars.  The  newly  designed  mount’s  quote  is  120  dollars.  This  quote  also  excludes  the  cost  of  machining  the  ball  screw,  however  immensely  less  machining  is  involved;  therefore,  there  will  be  a  significant  price  reduction  associated  with  the  ball  screw  as  well.  Since  the  new  design  decreases  the  cost  by  a  factor  of  4.125  (or  a  price  reduction  of  75.8%),  the  design  has  an  undisputable  positive  impact.  

 

Conclusion  and  Recommendations    

The  objective  of  this  design  project  was  to  design  a  cheaper  mount  for  a  CNC  ball  screw  that  still  withstands  the  maximum  loads  on  the  ball  screw  without  allowing  the  ball  screw  to  rotate  or  move  axially.  This  was  achieved  via  computer  animated  design  software,  finite  element  analysis  software,  and  the  fabrication  of  a  prototype  to  ensure  the  design  works.  The  results  of  the  finite  element  analysis  show  that  the  model  withstands  the  maximum  axial  and  torsional  loads.  The  test  of  the  prototype  also  showed  that  the  model  withstands  the  maximum  loads  without  allowing  rotation  or  axial  movement.  In  addition  to  withstanding  the  maximum  loads,  the  model  is  also  cheaper  than  the  original  design.  This  is  due  to  the  decreased  machining  costs  

23    

of  the  components  involved  as  well  as  significantly  less  machining  to  the  ball  screw  itself.  The  result  is  a  cheaper,  yet  functional  model.  

During  the  prototype  testing,  the  ball  screw  was  mounted  on  two  of  the  designed  mounts.  Neither  side  of  the  ball  screw  had  a  setscrew  in  place.  Based  on  this  lack  of  a  set  screw  as  well  as  the  results  in  the  testing,  the  design  team  from  the  University  of  Tennessee  observes  that  a  set  screw  is  not  needed,  which  would  further  decrease  the  cost  of  the  mount  and  screw  assembly.  However  the  team  recommends  the  use  of  this  set  screw.  While  both  ends  do  not  need  one,  the  assembly  is  more  reliable  and  can  withstand  more  loads  over  time  with  the  setscrew  in  place.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

24    

Appendix    

Gantt  Chart   September-­‐December    

September  

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  

Days  16-­‐Sep  

17-­‐Sep  

18-­‐Sep  

19-­‐Sep  

20-­‐Sep  

21-­‐Sep  

22-­‐Sep  

23-­‐Sep  

24-­‐Sep  

25-­‐Sep  

26-­‐Sep  

27-­‐Sep  

28-­‐Sep  

29-­‐Sep  

30-­‐Sep  

Func.  and  Req.  Docu-­‐ment  

9/16/14   9/23/14   8  

                                                           

Design  Con-­‐cepts  

9/23/14   9/25/14   3  

                                                           

Pugh  Chart   9/25/14   9/30/14   6  

                                                           

 During  the  month  of  September,  the  team  focused  on  planning  the  initial  design  ideas  and  evaluated  the  pros  and  cons  of  each  design  by  creating  a  Pugh  Chart.    A  functions  and  requirements  document  was  also  prepared  that  details  the  specifications  for  each  design.     October  

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  

Days  1-­‐  Oct  

2-­‐Oct  

3-­‐Oct  

4-­‐Oct  

5-­‐Oct  

6-­‐Oct  

7-­‐Oct  

8-­‐Oct  

9-­‐Oct  

10-­‐Oct  

11-­‐Oct  

12-­‐Oct  

13-­‐Oct  

14-­‐Oct  

15-­‐Oct  

16-­‐Oct  

Pugh    Chart   10/1/14   10/7/14   7  

                                                               1st    

Design  Review  

10/7/14   10/7/14   1                                                                  

Final    Design  Decision  

10/7/14   10/21/14   15                                                                  

3-­‐D    Model   10/21/14   10/31/14   11  

                                                               Assembly  Drawing   10/21/14   10/31/14   11  

                                                               

Design    of  

Subsystems  10/21/14   10/31/14   11  

                                                               

25    

Task   Start  Date  End  Date  

#  of  

Days  17-­‐Oct  

18-­‐Oct  

19-­‐Oct  

20-­‐Oct  

21-­‐Oct  

22-­‐Oct  

23-­‐Oct  

24-­‐Oct  

25-­‐Oct  

26-­‐Oct  

27-­‐Oct  

28-­‐Oct  

29-­‐Oct  

30-­‐Oct  

31-­‐Oct  

Pugh  Chart  

10/1/14   10/7/14   7                                                              

1st  Design  Review  

10/7/14   10/7/14   1                                                              

Final  Design  Decision  

10/7/14   10/21/14   15  

                                                           3-­‐D  

Model   10/21/14  10/31/1

4   11                                                              

Assembly  Drawing   10/21/14  

10/31/14   11  

                                                           

Design  of  

Subsystems  10/21/14  

10/31/14   11  

                                                           

During  the  month  of  October,  the  team  presented  each  of  the  three  designs  to  Accu-­‐Router,  and  a  mutual  decision  to  pursue  Design  A  was  reached  after  evaluating  the  pros  and  cons  of  each  design.  After  the  final  design  was  determined,  a  3D  model  and  an  assembly  drawing  of  the  new  design  were  created  in  Solidworks.   November  

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  

Days  1-­‐  Nov  

2-­‐Nov  

3-­‐Nov  

4-­‐Nov  

5-­‐Nov  

6-­‐Nov  

7-­‐Nov  

8-­‐Nov  

9-­‐Nov  

10-­‐Nov  

11-­‐Nov  

12-­‐Nov  

13-­‐Nov  

14-­‐Nov  

15-­‐Nov  

3-­‐D  Model  

11/1/14   11/15/14   15                                                              

Assembly  Drawing   11/1/14   11/15/14   15  

                                                           Design  of  Sub-­‐

systems  

11/1/14   11/15/14   15  

                                                           2nd  

Design  Review  

 11/7/14   11/20/14   14  

                                                           

Design  Report   11/1/14   11/31/14   31  

                                                           

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  

Days  16-­‐Nov  

17-­‐Nov  

18-­‐Nov  

19-­‐Nov  

20-­‐Nov  

21-­‐Nov  

22-­‐Nov  

23-­‐Nov  

24-­‐Nov  

25-­‐Nov  

26-­‐Nov  

27-­‐Nov  

28-­‐Nov  

29-­‐Nov  

30-­‐Nov  

3-­‐D  Model   11/1/14   11/15/14   16  

                                                           

Assembly  Drawing   11/1/14   11/15/14   16  

                                                           Design  of  Sub-­‐

systems  

11/1/14   11/15/14   16  

                                                           

2nd  Design  Review  

11/7/14   11/20/14   14  

                                                           

Design  Report   11/1/14   11/31/14   31  

                                                           

 

26    

During  the  month  of  November,  the  team  continued  to  work  on  the  3D  model  and  assembly  drawing  of  the  new  design.  An  FEA  analysis  was  completed  in  Solidworks  to  determine  if  the  new  part  could  bear  both  the  required  load  and  torque  while  maintaining  a  high  safety  factor.  Once  this  was  completed,  the  team  prepared  to  present  the  acquired  data  to  Accu-­‐Router  for  the  second  design  presentation  at  the  beginning  of  December.   December  

Task   Start  Date   End  Date   #  of  Days   1-­‐Dec   2-­‐Dec   3-­‐Dec   4-­‐Dec   5-­‐Dec   6-­‐Dec   7-­‐Dec   8-­‐Dec   9-­‐Dec   10-­‐Dec   11-­‐Dec  

2nd  Design  Presentation   12/3/14   12/3/14   1  

                                           

First  Prototype   12/1/14   12/3/14   3                                              

Spring  Gant  Chart   12/1/14   12/11/14   11                                              

During  the  month  of  December,  the  team  presented  the  acquired  data  to  Accu-­‐Router  to  show  that  the  new  design  would  be  both  reliable  and  cost  efficient.  Plans  for  next  semester’s  work  were  laid  out,  and  a  completed  final  report  on  the  team’s  progress  during  this  semester  was  submitted.    

January-­‐April    

January  Task   Start  Date  

End  Date  

#  of  Days   7-­‐Jan   8-­‐Jan   9-­‐Jan   10-­‐Jan   11-­‐Jan   12-­‐Jan   13-­‐Jan   14-­‐Jan   15-­‐Jan   16-­‐Jan   17-­‐Jan   18-­‐Jan  

Adjust  Part  to  be  Re-­‐

manufactured  (If  Needed)  

1/7/15   1/21/15   15  

                                               

Manufacturing  of  Ball  Screw  

Mount  by  Accu-­‐Router*  

1/7/15   2/21/15   46  

                                               

 

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  Days   19-­‐Jan   20-­‐Jan   21-­‐Jan   22-­‐Jan   23-­‐Jan   24-­‐Jan   25-­‐Jan   26-­‐Jan   27-­‐Jan   28-­‐Jan   29-­‐Jan   30-­‐Jan  

Adjust  Part  to  be  Re-­‐

manufactured  (If  Needed)  

1/7/15   1/21/15   15  

                                               

Manufacturing  of  Ball  Screw  

Mount  by  Accu-­‐Router*  

1/7/15   2/21/15   46  

                                               

 

27    

February  Task  

Start  Date  

End  Date  

#  of  Days  

1-­‐Feb  

2-­‐Feb  

3-­‐Feb  

4-­‐Feb  

5-­‐Feb  

6-­‐Feb  

7-­‐Feb  

8-­‐Feb  

9-­‐Feb  

10-­‐Feb  

11-­‐Feb  

12-­‐Feb  

13-­‐Feb  

14-­‐Feb  

Manufacturing  of  Ball  Screw  Mount  by  Accu-­‐Router*  

1/7/15   2/21/15   39  

                                                       

Strain  Test  -­‐  Prototype   2/1/15   2/21/15   21  

                                                       

Vibration  Test  -­‐  Prototype   2/7/15   2/28/15   21  

                                                       

Report  -­‐  Special  Considerations  /  Issues  in  Building  

Prototype  

2/1/15   2/28/15   28  

                                                       

 

Task  Start  Date   End  Date  

#  of  Days  

15-­‐Feb  

16-­‐Feb  

17-­‐Feb  

18-­‐Feb  

19-­‐Feb  

20-­‐Feb  

21-­‐Feb  

22-­‐Feb  

23-­‐Feb  

24-­‐Feb  

25-­‐Feb  

26-­‐Feb  

27-­‐Feb  

28-­‐Feb  

Manufacturing  of  Ball  Screw  Mount  by  

Accu-­‐Router*  

1/7/15   2/21/15   39  

                                                       

Strain  Test  -­‐  Prototype   2/1/15   2/21/15   21  

                                                       

Vibration  Test  -­‐  Prototype   2/7/15   2/28/15   21  

                                                       

Report  -­‐  Special  

Considerations  /  Issues  in  Building  Prototype  

2/1/15   2/28/15   28  

                                                       

 

*Accu-­‐Router  is  given  21  extra  days  to  manufacture  the  ball  screw  mount  in  case  of  unexpected  delays   March  

Task  Start  Date   End  Date  

#  of  Days  

1-­‐Mar  

2-­‐Mar  

3-­‐Mar  

4-­‐Mar  

5-­‐Mar  

6-­‐Mar  

7-­‐Mar  

8-­‐Mar  

9-­‐Mar  

10-­‐Mar  

11-­‐Mar  

12-­‐Mar  

13-­‐Mar  

14-­‐Mar  

15-­‐Mar  

Report  -­‐  Design  of  

Test  Apparatus  and  Test  Procedure  

3/1/15   3/7/15   7  

                                                           

Analyze  Data  From  Testing  

3/1/15   3/15/15   15  

                                                           

 

28    

Task  Start  Date  

End  Date  

#  of  Days  

16-­‐Mar  

17-­‐Mar  

18-­‐Mar  

19-­‐Mar  

20-­‐Mar  

21-­‐Mar  

22-­‐Mar  

23-­‐Mar  

24-­‐Mar  

25-­‐Mar  

26-­‐Mar  

27-­‐Mar  

28-­‐Mar  

29-­‐Mar  

30-­‐Mar  

31-­‐Mar  

Report  -­‐  Test  Results   3/16/15   3/22/15   7  

                                                               

Report  -­‐  Economic  Impact  

3/23/15   3/31/15   9  

                                                               

Presentation  Preparation   3/16/15   3/31/15   16  

                                                               

 

April  Task  

Start  Date   End  Date  

#  of  Days  

1-­‐Apr  

2-­‐Apr  

3-­‐Apr  

4-­‐Apr  

5-­‐Apr  

6-­‐Apr  

7-­‐Apr  

8-­‐Apr  

9-­‐Apr  

10-­‐Apr  

11-­‐Apr  

12-­‐Apr  

13-­‐Apr  

14-­‐Apr  

15-­‐Apr  

Presentation  (Date  

Tentative  for  Early  April)  

4/1/15   4/1/15   1  

                                                           

Final  Report   4/1/15   4/15/15   15                                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

29    

Engineering  Calculations    

Calculated  Axial  Force  

  Table  ! = 1600  !!!    

  Table  Velocity  ! = 3000 !"!"#

   in  0.5!  

  Table  Acceleration  ! = 8.33 !"!!  

  Axial  Force  ! = !" = !!∗ ! = !"##

!".!∗ 8.33 = 414.9  !!!  

Measured  Axial  Force  

  Table  ! = 1200  !!!  

  From  accelerometer  

    Gravity  =  658  !"  

    Table’s  Acceleration  =  750  !"  

  ! = !"#$%!"#$%&'

∗ ! = !"#!"#

∗ 32.2 = 36.702 !"!!  

  Axial  Force  ! = !" = !!∗ ! = !"##

!".!∗ 36.702 = 1367.77  !!!  

Cost      

  Old  $495  

  New  $120  

  $495 − $120 = $375  Decrease  in  price      

  !"#!!"#!"#

∗ 100% = 75.8%  Reduction  in  cost  

 

 

 

 

 

 

 

   

30    

Detailed  Shop  Drawings