Prototype design and development of an innovative tool-holder for CNC machines

Precise tool-holding strategies are fundamental in CNC machining to ensure accuracy and efficiency. This thesis introduces an innovative and cost-effective alternative to conventional tool-holders for static boring turret fixture systems in CNC lathes, named WatAGrip. The primary objective of the study was to design, manufacture, and test a prototype of the WatAGrip system, addressing critical challenges such as slip torque performance and runout minimization. The thesis covers various aspects of the development process, including a description of the working principle, the definition of requirements and maximum working loads, the development of a simplified model to predict maximum slip torque, material selection, and static analysis of critical components. Finite Element Modelling (FEM) was employed to evaluate stress distribution and stress concentration factors in critical sections. The manufacturing processes and employed technologies are detailed, with a focus on addressing critical challenges and implementing solutions for different components. The prototype was experimentally tested to validate the predicted slip torque performance, and preliminary measurements of runout were conducted to assess the system’s precision. The results confirm that the simplified model accurately predicts slip torque performance, and the working load for the final product was redefined. FEM analysis demonstrates safety factors greater than 2 for all components under the revised load conditions. These findings highlight the potential of the WatAGrip system to meet industrial requirements, paving the way for further development and eventual commercialization.

Le strategie di bloccaggio degli utensili su macchine CNC sono di vitale importanza per garantire precisione ed efficienza nelle lavorazioni. In questa tesi viene introdotta una soluzione innovativa ed economica di mandrino per portabareni per torni CNC, chiamata WatAGrip. L’obiettivo principale di questo studio ha riguardato la progettazione, la realizzazione e i test di un prototipo del sistema WatAGrip, evidenziando le principali criticità in termini di coppia massima allo slittamento e minimizzazione del runout. Diversi aspetti sono esposti e analizzati, tra cui una descrizione del principio di funzionamento del sistema, la definizione dei requisiti e dei carichi di lavoro massimi, lo sviluppo di un modello semplificato per il calcolo della massima coppia allo slittamento, valutazioni sulla scelta del materiale e l’analisi statica delle sezioni critiche del sistema. Inoltre, è stato condotto uno studio FEM per l’analisi della distribuzione degli sforzi e dell’effetto d’intaglio. Le tecnologie meccaniche utilizzate per la produzione dei vari componenti sono descritte, con particolare attenzione alle principali problematiche e alle relative soluzioni adottate. Il prototipo è stato poi testato per validare il modello semplificato per il calcolo della coppia massima di slittamento e sono state effettuate alcune misurazioni preliminari sul runout. I risultati confermano l’attendibilità del modello semplificato per il calcolo della massima coppia allo slittamento, evidenziando risultati sperimentali coerenti con esso. Sulla base di ciò, i carichi di lavoro per il sistema finale sono stati ridefiniti e su questi sono state condotte ulteriori simulazioni FEM, che confermano fattori di sicurezza maggiori di 2 per tutti i componenti del sistema. Questi risultati evidenziano le grandi potenzialità del WatAGrip e aprono la strada a ulteriori sviluppi futuri e a un’eventuale commercializzazione.