Analytical and experimental investigation of tapping torque prediction and optimal core diameter determination

Thread tapping is a critical internal threading process in which tool failure often results from excessive torsional loading, chip congestion, or improper tool geometry selection. This study introduces an analytical and experimental framework to predict tapping torque and to determine the minimum safe core diameter of a tap necessary to prevent torsional fracture for a specific tool–workpiece combination. Orthogonal cutting experiments were performed to determine the cutting and edge force coefficients for the selected material pair. These coefficients were subsequently converted into oblique cutting coefficients and integrated into a mechanistic tapping torque model that incorporates tool geometry parameters, including pitch, nominal diameter, pre-drill diameter, chamfer angle, chamfer length, and calibration length. The predicted maximum tapping torque was then applied in a torsional strength formulation, together with a safety factor, chip packing index, stress concentration factor, and material shear strength, to estimate the optimal tap core diameter. Experimental tapping tests were conducted using multiple tap sizes, and the measured torque evolution, encompassing engagement, saturation, and disengagement stages, was compared with analytical predictions. The analytical model demonstrated strong agreement with experimental results, with only minor percentage deviations primarily attributed to friction variations and manual tapping conditions. The proposed methodology enables reliable prediction of tapping torque and offers a systematic approach for selecting the minimum safe tap core diameter, thereby reducing tool breakage and enhancing the reliability of the tapping process.

La maschiatura è un processo critico di filettatura interna nel quale il cedimento dell’utensile è frequentemente causato da eccessivo carico torsionale, congestione del truciolo o selezione non appropriata della geometria dell’utensile. Il presente studio introduce un quadro analitico e sperimentale per la previsione della coppia di maschiatura e per la determinazione del diametro minimo sicuro del nocciolo del maschio necessario a prevenire la frattura torsionale per una specifica combinazione utensile–pezzo. Sono state condotte prove di taglio ortogonale per determinare i coefficienti di forza di taglio e di spigolo relativi alla coppia di materiali selezionata. Tali coefficienti sono stati successivamente convertiti in coefficienti di taglio obliquo e integrati in un modello meccanicistico della coppia di maschiatura che incorpora i parametri geometrici dell’utensile, tra cui passo, diametro nominale, diametro di preforo, angolo di imbocco (chamfer), lunghezza di imbocco e lunghezza di calibrazione. La coppia massima di maschiatura prevista è stata quindi impiegata in una formulazione di resistenza torsionale, insieme a un fattore di sicurezza, un indice di impaccamento del truciolo, un fattore di concentrazione delle tensioni e la resistenza a taglio del materiale, al fine di stimare il diametro ottimale del nocciolo del maschio. Sono state eseguite prove sperimentali di maschiatura utilizzando maschi di diverse dimensioni; l’evoluzione della coppia misurata, comprendente le fasi di ingaggio, saturazione e disimpegno, è stata confrontata con le previsioni analitiche. Il modello analitico ha mostrato una forte concordanza con i risultati sperimentali, con scostamenti percentuali contenuti, principalmente attribuibili a variazioni di attrito e alle condizioni di maschiatura manuale. La metodologia proposta consente una previsione affidabile della coppia di maschiatura e offre un approccio sistematico per la selezione del diametro minimo sicuro del nocciolo del maschio, riducendo così il rischio di rottura dell’utensile e migliorando l’affidabilità del processo di maschiatura.