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Publicação
Analysis and optimisation of the drilling tip of timber screws
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Resumo(s)
Na construção civil com madeira, são utilizados parafusos especialmente certificados com pontas de furação. Estas pontas de furação têm aletas de corte que cortam as fibras da madeira à medida que o parafuso é inserido, reduzindo assim a propagação de fenda na madeira.
O objetivo desta tese passou por analisar a influência das características geométricas das pontas de perfuração nas forças de fendilhação, no engate inicial da rosca em ângulos de inserção de 90° e 45°, no parâmetro de retirada e no binário de inserção. As conclusões obtidas são então utilizadas para desenvolver uma ponta de parafuso que permite um engate inicial da rosca mais rápido, mantendo valores reduzidos das forças de fendilhação, do binário de inserção e valores elevados do parâmetro de retirada em comparação com a ponta de parafuso atual da Würth®, 'ASSYplus 4 VG'.
Para a análise, são examinados onze tipos diferentes de pontas de parafusos e a influência das suas características geométricas é avaliada pelo modelo linear de efeitos mistos (LME). As características geométricas examinadas são o diâmetro interno, o passo da rosca, o início da rosca, o ângulo da ponta, o comprimento das aletas de corte e o início das aletas de corte medido a partir da ponta.
Os resultados mostram que as forças de fendilhação são reduzidas pelas aletas de corte. Quanto mais longas forem as aletas e quanto mais tarde começarem, maior será o seu efeito na redução das forças de fendilhação. O mesmo se aplica ao binário de inserção. O engate inicial da rosca a 90° e o engate a 45° de inserção são influenciados positivamente por um início precoce da rosca e um ângulo de ponta pequeno.
Parafusos com as novas geometrias de ponta são produzidos através de fabrico aditivo com tecnologia SLM, e são testados da mesma forma que os parafusos precedentes, seguindo-se uma comparação dos resultados.
Um parafuso com uma nova geometria da ponta, que foi lixado nos flancos da rosca e tratado com o lubrificante para parafusos 'Gleitmo', apresentou uma melhoria nas forças de fendilhação e no binário de inserção, que foram 28% e 27% menores do que os do 'ASSYplus 4 VG', respetivamente. No entanto, o parâmetro de retirada diminuiu 17%. Em relação ao engate inicial da rosca, observou-se a maior melhoria: devido ao início precoce da rosca e ao pequeno ângulo da ponta, as novas geometrias da ponta do parafuso apresentaram um engate inicial da rosca até 97% mais rápido quando aparafusadas verticalmente em comparação com o modelo 'ASSYplus 4 VG'. E, enquanto que o 'ASSYplus 4 VG' não agarrou, sequer, a superfície inclinada, as novas geometrias apenas deslizaram 3 mm antes de agarrarem a superfície quando foram aparafusadas a um ângulo de 45°.
ln timber construction, specially certified screws with drilling tips are used. These drilling tips have cutting edges that cut the wood fibres as the screw is inserted, thereby reducing splitting of the wood. The airn of this thesis is to analyse the inlluence of geometric features of drilling tips on splitting forces, biting behaviour at 90° and 45° insertion angle, withdrawal pararneter, and insertion torque. The insights from the fmdings are then used to develop a screw tip that achieves quicker biting while maintaining reduced splitting, insertion torque, and withdrawal pararneter compared to the current screw tip from Würth®, 'ASSYplus 4 VG'. For the analysis, eleven different types of screws tips are examined, and the influence of their geometric features is evaluated by the linear mixed effects model (LME). The geometric features exarnined are the inner diarneter, the thread pite h, the thread start, the tip angle, the length of the cutting fins, and the start of the cutting fins measured from the tip. The results show that splitting forces are reduced by cutting fins. The longer the fins are and the later they start, the greater their effect on reducing splitting forces. The sarne applies to the insertion torque. The biting behaviour at 90° and the biting behaviour at 45° are positively influenced by an early thread start and a small tip angle. Screws with the new tip geometries are produced through additive manufacturing with SLM technology and tested in the sarne way as the previous screws, with the results being then compared. A sanded 3D-printed screw with a new tip geometry that was treated with the screw lubricant 'Gleitrno' showed improved splitting forces and insertion torque that were 28% and 27% lower than those of the 'ASSYplus 4 VG', respectively. However, the withdrawal pararneter decreased by 17%. ln regard to the biting behaviour, the biggest improvement could be observed: due to the early thread start and the small tip angle, the new screw tip geometries displayed up to 97% quicker biting when screwed in vertically compared to the 'ASSYplus 4 VG' model. While the 'ASSYplus 4 VG' did not bite at ali on the slope, the new geometries only slipped up to 3 mm before biting when inserted at a 45° angle.
Im Holzbau werden speziell zertifizierte Schrauben mit Bohrspitzen verwendet. Diese Bohrspitzen verfügen über Schneidkanten, die beim Eindrehen der Schraube die Holzfasem durchtrennen und so das Spalten des Holzes reduzieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der geometrischen Merkmale von Bohrspitzen auf die Spaltkrãfte, das Eingriffsverhalten bei einem Einschraubwinkel von 90° und 45°, den Auszugsparameter und das Einschraubdrehmoment zu analysieren. Die Erkenntnisse aus den Ergebnissen werden dann genutzt, um eine Schraubenspitze zu entwickeln, die ein schnelleres Anbeillen bei gleichzeitig reduziertem Spalten, Einschraubdrehmoment und Auszugsparameter im Vergleich zur aktuellen Schraubenspitze von Würth®, 'ASSYplus 4 VG', erreicht. Für die Analyse werden elf verschiedene Schraubenspitzentypen untersucht und der Einfluss ihrer geometrischen Merkmale mit dem linear-gemischten Effektmodell (LME) bewertet. Die untersuchten geometrischen Merkmale sind der Innendurchmesser, die Gewindesteigung, der Gewindeanfang, der Spitzenwinkel, die Lãnge der Schneidflügel und der Anfang der Schneidflügel, gemessen von der Spitze aus. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spaltkrãfte durch Frãsrippen reduziert werden. Je lãnger die Rippen sind und je spãter sie beginnen, desto grõBer ist ihre Wirkung auf die Reduzierung der Spaltkrãfte. Gleiches gilt für das Eindrehmoment. Das Anbeillverhalten bei 90° und bei 45° wird durch einen frühen Gewindeanfang und einen kleinen Spitzenwinkel positiv beeinflusst. Schrauben mit den neuen Spitzengeometrien werden mittels additiver Fertigung mit SLMTechnologie hergestellt und auf die gleiche Weise wie die vorherigen Schrauben getestet. AnschlieBend werden die Ergebnisse verglichen. Eine mit Schraubenschrniermittel 'Gleitmo' behandelte, geschliffene 3D-gedruckte Schraube mit neuer Spitzengeometrie zeigte verbesserte Spaltkrãfte und Eindrehmomente, die um 28 % bzw. 27% niedriger waren ais die der 'ASSYplus 4 VG'. Der Auszugsparameter verringerte sich jedoch um 17 %. Und wãhrend die 'ASSYplus 4 VG' auf der Schrãge überhaupt nicht griff, rutschten die neuen Geometrien beim Eindrehen im Winkel von 45° nur bis zu 3 mm, bevor sie anbeiBten.
ln timber construction, specially certified screws with drilling tips are used. These drilling tips have cutting edges that cut the wood fibres as the screw is inserted, thereby reducing splitting of the wood. The airn of this thesis is to analyse the inlluence of geometric features of drilling tips on splitting forces, biting behaviour at 90° and 45° insertion angle, withdrawal pararneter, and insertion torque. The insights from the fmdings are then used to develop a screw tip that achieves quicker biting while maintaining reduced splitting, insertion torque, and withdrawal pararneter compared to the current screw tip from Würth®, 'ASSYplus 4 VG'. For the analysis, eleven different types of screws tips are examined, and the influence of their geometric features is evaluated by the linear mixed effects model (LME). The geometric features exarnined are the inner diarneter, the thread pite h, the thread start, the tip angle, the length of the cutting fins, and the start of the cutting fins measured from the tip. The results show that splitting forces are reduced by cutting fins. The longer the fins are and the later they start, the greater their effect on reducing splitting forces. The sarne applies to the insertion torque. The biting behaviour at 90° and the biting behaviour at 45° are positively influenced by an early thread start and a small tip angle. Screws with the new tip geometries are produced through additive manufacturing with SLM technology and tested in the sarne way as the previous screws, with the results being then compared. A sanded 3D-printed screw with a new tip geometry that was treated with the screw lubricant 'Gleitrno' showed improved splitting forces and insertion torque that were 28% and 27% lower than those of the 'ASSYplus 4 VG', respectively. However, the withdrawal pararneter decreased by 17%. ln regard to the biting behaviour, the biggest improvement could be observed: due to the early thread start and the small tip angle, the new screw tip geometries displayed up to 97% quicker biting when screwed in vertically compared to the 'ASSYplus 4 VG' model. While the 'ASSYplus 4 VG' did not bite at ali on the slope, the new geometries only slipped up to 3 mm before biting when inserted at a 45° angle.
Im Holzbau werden speziell zertifizierte Schrauben mit Bohrspitzen verwendet. Diese Bohrspitzen verfügen über Schneidkanten, die beim Eindrehen der Schraube die Holzfasem durchtrennen und so das Spalten des Holzes reduzieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der geometrischen Merkmale von Bohrspitzen auf die Spaltkrãfte, das Eingriffsverhalten bei einem Einschraubwinkel von 90° und 45°, den Auszugsparameter und das Einschraubdrehmoment zu analysieren. Die Erkenntnisse aus den Ergebnissen werden dann genutzt, um eine Schraubenspitze zu entwickeln, die ein schnelleres Anbeillen bei gleichzeitig reduziertem Spalten, Einschraubdrehmoment und Auszugsparameter im Vergleich zur aktuellen Schraubenspitze von Würth®, 'ASSYplus 4 VG', erreicht. Für die Analyse werden elf verschiedene Schraubenspitzentypen untersucht und der Einfluss ihrer geometrischen Merkmale mit dem linear-gemischten Effektmodell (LME) bewertet. Die untersuchten geometrischen Merkmale sind der Innendurchmesser, die Gewindesteigung, der Gewindeanfang, der Spitzenwinkel, die Lãnge der Schneidflügel und der Anfang der Schneidflügel, gemessen von der Spitze aus. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spaltkrãfte durch Frãsrippen reduziert werden. Je lãnger die Rippen sind und je spãter sie beginnen, desto grõBer ist ihre Wirkung auf die Reduzierung der Spaltkrãfte. Gleiches gilt für das Eindrehmoment. Das Anbeillverhalten bei 90° und bei 45° wird durch einen frühen Gewindeanfang und einen kleinen Spitzenwinkel positiv beeinflusst. Schrauben mit den neuen Spitzengeometrien werden mittels additiver Fertigung mit SLMTechnologie hergestellt und auf die gleiche Weise wie die vorherigen Schrauben getestet. AnschlieBend werden die Ergebnisse verglichen. Eine mit Schraubenschrniermittel 'Gleitmo' behandelte, geschliffene 3D-gedruckte Schraube mit neuer Spitzengeometrie zeigte verbesserte Spaltkrãfte und Eindrehmomente, die um 28 % bzw. 27% niedriger waren ais die der 'ASSYplus 4 VG'. Der Auszugsparameter verringerte sich jedoch um 17 %. Und wãhrend die 'ASSYplus 4 VG' auf der Schrãge überhaupt nicht griff, rutschten die neuen Geometrien beim Eindrehen im Winkel von 45° nur bis zu 3 mm, bevor sie anbeiBten.
Descrição
Palavras-chave
Parafusos para madeira Pontas de perfuração Forças de fendilhação Comportamento de agarração Parâmetro de retirada Binário de inserção