KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.3A
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pp.189-198
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2011
Although high strength bolts with tensile strength of 1,000 MPa are mainly used in steel structure construction sites throughout the world, new high strength bolts are required owing to the installation of continuous long-span bridges resulting from the development and distribution of high strength steel and ultra-thick steel plates. Currently, high strength bolts with tensile strength of 1,300 MPa are being used. However, as they tend to place a large load on a small section of space, a high strength bolt of high structural performance and screw thread shape with less stress concentration is thought to be more effective. This study conducted analyses in order to develop an improved screw thread shape relative to the KS screw thread shape. A new screw thread shape with less stress concentration and effective load distribution at the time of fastening bolts and nuts was provided upon analysis of the characteristics of screw thread shape. Additionally, in an experimental study, the structural performance of high strength bolts with tensile strength of 1,300 MPa was investigated. The results revealed that the new screw thread shape was more effective than the existing screw thread shape in terms of structural performance and mitigating the stress concentration.
This paper describes the numerical determination of optimum blank diameter for sound material flow and high precise thread profile of a spindle screw through external thread rolling using two-three roll dies. Initial blank diameter affects the dimensional accuracy and surface finish qualities of a spindle screw in thread rolling process, therefore it is very important to determine the optimum blank diameter in thread rolling process. In order to determine the optimum blank diameter, this paper suggests the calculation method of initial bland diameter considering the real shape of tooth. The finite element code DEFORM is applied to analyze the metal flow of tooth, and these analytical results are verified by thread rolling experiment for spindle screw.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2002.05a
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pp.133-137
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2002
This paper summarizes the results of a numerical study conducted to analyze the determination of optimum blank diameter on material flow and thread profile for Spindle Screw in external thread rolling. Initial blank diameter affect a quality of Spindle Screw in thread rolling process. Therefore, it is very important to determine the optimum blank diameter in thread rolling process. In order to determine the optimum blank diameter, this paper suggest the calculating method of initial blank diameter considering real shape of tooth. The finite element code DEFORM is applied to analyze the metal flow of tooth. then the analytical results are verified by experiment of thread rolling for Spindle Screw.
The objectives of the present study are 1)to find the effect of the diameter of transpedicular screws on their fixational strength in pedicles under static pull-out loading, 2)to determine the biomechanical correlation between the pedicle diameter and the screw diameter, and 3)to find the effects of other factors in the screw design, such as materials, screw pitch, thread height and shape on their fixational strength. Biomechanical tests (Test I) were performed to evaluate the effect of the screw diameter on pull-out strength by using 60 porcine pedicls and six groups of custom-made pedicle screws with different diameters (the major and the minor diameter of the screws used in the testing varied from 4mm upto 9mm and from 3mm upto 8mm, respectively) while all other factors (materials, screw pitch, thread height and shape etc.) were fixed. In Test II, by using 61 porcine pedicles, the relationship between the ratio of the pedicle diameter and the screw diameter(=aspect ratio) of the custum-made screw and the pull-out strength of the screw was investigated. Test III was performed with 94 porcine pedicles and 8 different types of the commercial screws from 6 major productors in order to determine the effect of the screw diameter, pitch and the thread shape on the pull-out strength of the screw, respectively. The results of Test I showed that the axial pull-out resistance of the screw could be increased prportionaly to the screw diameter(P<0.05). But this increase in the pull-out resistance did not found when the screws of 4mm or 9mm in the diameter were employed. It was found from the results of Test II that the screws had its maximum pull-out resistant force when the aspect ratio ranging 40 - 69% (P<0.05). based on the results for the major diameter against the minor diameter of screw, the maximal pull-out resistance was found at 60-65% (P<0.05). According to these biomechanical testing results, it seems that the screw with a moderately large pitch is more desirable and the buttress-shaped screw can provide stronger fixation than the V-shape one can, if other designal factor and conditions were fixed.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.6
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pp.503-507
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2015
In this study, we compare the performance of the screw through the Clamping force of the test materials to change shape and structure, one of the ways to maintain and improve the engaging force to cope with the miniaturization of the fastener threads are further thinner and lighter precision way that can improve the fastening force of the screw results were as follows. The clamping force according to the materials was $7.57N{\cdot}cm$ in SUS XM7 and SWCH18A was $5.97N{\cdot}cm$. This result was to be found to average 13.5% high in the Clamping force of SUS XM7 materials. In the case of the clamping force of the screw thread shape change, the clamping force of symmetrical and asymmetrical thread was $6.78N{\cdot}cm$ and $7.57N{\cdot}cm$. The clamping force of the asymmetrical thread showed an average high of 11.6%.
In this paper, the process parameters of thread rolling were designed based on the numerical analysis results. Firstly, the effective analysis conditions that guarantee the reliability of the analysis results were found. To find the effective analysis conditions, the analyses were carried out for various numbers of teeth. And then, the effects of the process parameters such as tool shape and temperature on the thread rolling performance were investigated. The formability in thread rolling process was evaluated in terms of Cockcroft-Latham damage value. In order to evaluate formability, Cockcroft-Latham damage value was normalized by the critical damage value which was obtained from the analysis of uniaxial tensile test. The analyses were carried out using DEFORM-3D. The results showed that the flank angle and crest round had an effect on the thread rolling load. It was also shown that temperature had significant effects on the effective strain distribution, rolling load, and damage. With the reduced formability of stainless steel at higher temperature, it was shown that the normalized damage values increased as the process temperature.
In this paper, it is proposed to produce high precision screws with a diameter of $800{\mu}m$ and a thread pitch of $200{\mu}m$ ($M0.8{\times}P0.2$) by means of a cold thread rolling process. In this part II of the study, the focus is on the production and reliability testing of the prototype $M0.8{\times}P0.2$ micro-screw. Designs for two flat dies were developed with the aid of the literature and previous studies. Process parameters during the cold thread rolling process were established through FE simulations. The simulation results showed that the threads of the micro-screw are completely formed through the rolling process. Prototype $M0.8{\times}P0.2$ micro-screw were fabricated with a high precision thread rolling machine. In order to verify the simulation results, the deformed shape and dimensions obtained from the experiment were compared with those from the simulations. Hardness and failure torque of the fabricated micro-screw were also measured. The values obtained indicate that the CAE based process design used in this paper is very appropriate for the thread rolling of micro-sized screws.
The production of high-precision micro-sized screws, used to fasten parts of micro devices, generally utilizes a cold thread-rolling process and two flat dies to create the teeth. The process is fairly complex, involving parameters such as die shape, die alignment, and other process variables. Thus, up-front finite-element(FE) simulation is often used in the system design procedure. The final goal of this paper is to produce high-precision screw with a diameter of $800{\mu}m$ and a thread pitch of $200{\mu}m$ (M0.8${\times}$P0.2) by a cold thread rolling process. Part I is a first-stage effort, in which FE simulation is used to establish process parameters for thread rolling to produce micro-sized screws with M1.4${\times}$P0.3, which is larger than the ultimate target screw. The material hardening model was first determined through mechanical testing. Numerical simulations were then performed to find the effects of such process parameters as friction between work piece and dies, alignment between dies and material. The final shape and dimensions predicted by simulation were compared with experimental observation.
The purpose of this study is to verify the biomechanical characteristics of the custom-made(our) pedicle screws which are designed the different types of shape, pitch, and profile. The results of experiments for our pedicle screw were summarized. 1) The screw of larger outer diameter showed greater holding strength. 2) The holding strength of cylindrical shaped screw was superior to that of conical shaped screw. 3) The holding strength of buttress shape of thread profile showed superior to that of V-shape. 4) The pull out and holding strength of our pedicle screws was superior to that of commercialized screw (Diapason and CD) which is widely used.
Purpose: The purpose of this study was to investigate the effect of different thread designs on the marginal bone stresses around dental implant. Materials and methods: Standard ITI implant(ITI Dental Implant System; Straumann AG, Waldenburg, Switzerland), 4.1 mm in diameter and 10 mm in length, was selected as control. Test implants of four different thread patterns were created based on control implant, i.e. maintaining all geometrical design of control implant except thread pattern. Four thread designs used in test implants include (1) small V-shape screw (model A), (2) large V-shape screw (model B), (3) buttress screw (model C), and (4) trapezoid screw (model D). Surface area for unit length of implant was 14.4 $mm^2$ (control), 21.7 (small V-shape screw), 20.6 (large V-shape screw), 17.0 (buttress screw) and 28.7 $mm^2$ (trapezoid screw). Finite element models of implant/bone complex were created using an axisymmetric scheme with the use of NISA II/DISPLAY III (Engineering Mechanics Research Corporation, Troy, MI, USA). A load of 100 N applied to the central node on the crown top either in parallel direction or at 30 degree to the implant axis (in order to apply non-axial load to the implant NKTP type 34 element was employed). Quantification and comparison of the peak stress in the marginal bone of each implant model was made using a series of regression analyses based on the stress data calculated at the 5 reference points which were set at 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mm from implant wall on the marginal bone surface. Results: Results showed that although severe stress concentration on the marginal bone cannot be avoided a substantial reduction in the peak stress is achievable using different thread design. The peak marginal bone stresses under vertical loading condition were 7.84, 6.45, 5.96, 6.85, 5.39 MPa for control and model A, B, C and D, respectively. And 29.18, 26.45, 25.12, 27.37, 23.58 MPa when subject to inclined loading. Conclusion: It was concluded that the thread design is an important influential factor to the marginal bone stresses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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