Additive manufacturing of thread cutting tool
Niini, Arvo (2019)
Diplomityö
Niini, Arvo
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019061019881
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019061019881
Tiivistelmä
Preparation of M16 thread tap for additive manufacturing was done in the form of design and topology optimization with intention of experimental tapping performance validation for a hybrid manufactured M16 tap in which optimized tap crown was to be joined with a conventionally manufactured tap shank. Tap flute lead angle, rake angle, chamfer angle and chamfer length were studied in the design optimization in terms of their effect on M16 tap crown stress distribution before selecting their optimal values. Topology optimization requirements for tap crown were detailed in addition to studying how internal circle, square, hexagon and pentagon grid structures as well as internal hollow structure affected tap crown stress distribution in the topology optimization. 3D printing outcomes for tap crown topology configurations chosen based on their tap mass reduction capability and tap crown cross sectional stress distribution were displayed, followed by experimental tapping performance tests with standard M16 taps.
Experimental tapping tests were done with 35° spiral fluted standard M16 tap and straight fluted spiral point standard M16 tap on aluminum and stainless-steel workpieces. Tapping test results showed decrease in measured tapping torque when cutting speed was increased. Derived statistical model from the tapping tests displays relatively small deviation between experimentally measured tapping torque and tapping torque used in numerical simulation of this study. Experimental tapping torque results for different standard M16 tap types were found to be correctly aligned with previous research. Tutkimuksen tavoite oli M16 kierretapin valmistelu additiiviseen valmistukseen tehtiin suunnittelu- ja topologia optimoinnin muodossa aikomuksena kokeellinen kierteitystehon vahvistus hybridivalmisteiselle M16 kierretapille, jossa optimoitu kierretapin pää olisi yhteenliitettynä perinteisesti valmistetun kierretapin varren kanssa kitkahitsauksen avulla. Kierretapin lastu-uran nousukulman, rintakulman, viisteen kulman ja viisteen pituuden vaikutuksia M16 kierretapin pään poikkileikkauksien jännitysjakaumaan tutkittiin suunnitteluoptimoinnissa ennen niiden optimaalisten arvojen valintaa. Topologia optimoinnin vaatimukset kierretapin päälle esitettiin sekä sisäisten ympyrä, neliö, viisikulmio ja kuusikulmio verkkorakenteiden sekä sisäisen onton rakenteen vaikutukset kierretapin pään jännitysjakaumaan tutkittiin topologia optimoinnissa. 3D tulostustulokset esitettiin kierretapin pään topologia konfiguraatioilla, jotka oltiin valittu riippuen niiden materiaalikäytön vähennyskyvystä sekä rasitusarvoista kierretapin pään poikkileikkauksilla.
Tätä seurasi kokeellisten kierteityssuoritustestien suorittaminen vakio M16 kierretapeilla. Kokeelliset kierteitystestit tehtiin 35 kulmaisilla spiraaliuraisella vakio M16 kierretapilla ja spiraalikärkisellä vakio M16 kierretapilla alumiini ja ruostumaton teräs työkappaleille. Kierteitystestien tulokset osoittivat kierteitysmomentin laskevan lastuamisnopeuden noustessa. Kierteitystesteistä kerätty laskennallinen malli osoitti vain pientä poikkeamaa kokeellisesti mitatun kierteitysmomentin ja työssä käytetyn numeerisen simulaation kierteitysmomentin välillä. Kokeellisten kierteitysmomenttien tulokset erilaisille vakio kierretappi tyypeille osoitettiin olevan sopusoinnussa aiemman tutkimuksen kanssa.
Experimental tapping tests were done with 35° spiral fluted standard M16 tap and straight fluted spiral point standard M16 tap on aluminum and stainless-steel workpieces. Tapping test results showed decrease in measured tapping torque when cutting speed was increased. Derived statistical model from the tapping tests displays relatively small deviation between experimentally measured tapping torque and tapping torque used in numerical simulation of this study. Experimental tapping torque results for different standard M16 tap types were found to be correctly aligned with previous research.
Tätä seurasi kokeellisten kierteityssuoritustestien suorittaminen vakio M16 kierretapeilla. Kokeelliset kierteitystestit tehtiin 35 kulmaisilla spiraaliuraisella vakio M16 kierretapilla ja spiraalikärkisellä vakio M16 kierretapilla alumiini ja ruostumaton teräs työkappaleille. Kierteitystestien tulokset osoittivat kierteitysmomentin laskevan lastuamisnopeuden noustessa. Kierteitystesteistä kerätty laskennallinen malli osoitti vain pientä poikkeamaa kokeellisesti mitatun kierteitysmomentin ja työssä käytetyn numeerisen simulaation kierteitysmomentin välillä. Kokeellisten kierteitysmomenttien tulokset erilaisille vakio kierretappi tyypeille osoitettiin olevan sopusoinnussa aiemman tutkimuksen kanssa.