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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mutterngewindes
und ein Furchwerkzeug zur Durchführung
des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Mutterngewinde
werden üblicherweise
entweder spanabhebend geschnitten oder, beispielsweise mittels gewindefurchender
Schrauben oder Furchwerkzeugen, gefurcht. In der Patentschrift
DE 196 49 190 C2 wird
ein Verfahren zum Herstellen eines verfestigten Gewindes, insbesondere
eines Innengewindes, vorgestellt. Das Gewinde wird dabei zunächst durch
eine Bohrung auf einen Erstbearbeitungsdurchmesser festgelegt und
mittels eines Furchwerkzeuges gefurcht und die Gewindeflanken und
Gewindegründe
auf einen vorbestimmten Enddurchmesser verdichtet. Der Vorteil gegenüber geschnittenen
Gewinden liegt darin, dass das Material des Mutterngewindes nicht
angeschnitten, sondern plastisch verformt und verfestigt wird, was
positive Auswirkungen auf die Belastbarkeit hat. Im Kerbgrund bzw.
Gewindegrund der einzelnen Gewindegänge liegt bei gefurchten Gewinden
ein im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit vergleichsweise besseres
Gefüge
vor als beim geschnittenen Gewinde. Das beim Furchen verdrängte, plastisch
verformte Material wird bei dem bekannten Verfahren auf die Gewindeflanke
aufgelegt. Die Gewindeflanken werden dadurch verdichtet.
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Anstelle
eines Furchwerkzeuges können auch
gewindefurchende Schrauben eingesetzt werden, die den Fertigungsgang
des Aus bildens des Gewindes einsparen. Aufgrund ihres direkten Formschlusses
im selbst gefurchten Gewinde sind gewindefurchende Schrauben sicherer
gegenüber
einem selbsttätigen
Lösen als
Schrauben in separat gefurchten oder geschnittenen Gewinden. Außerdem wird
der Arbeitsgang des Furchens mittels eines Furchwerkzeugs eingespart,
was die Montage erleichtert und Kosten einspart.
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Ein
auf herkömmliche
Weise gefurchtes Gewinde kann sich unter ungünstigen Umständen jedoch
deutlich stärker
setzen als ein geschnittenes Gewinde. Die Setzverluste in der Schraubverbindung sind
besonders hoch, wenn die Gewindetragtiefe (Flankenüberdeckung)
gering ist. Dies kann zu Problemen bei kraftbeanspruchten Schraubenverbindungen
führen.
Besonders Schraubenverbindungen mit ungenügender Gewindetragtiefe können sich
daher selbsttätig
lösen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur
Herstellung eines Mutterngewindes derart weiterzuentwickeln, dass
erhöhte
Sicherheit gegen selbsttätiges
Lösen gewährleistet
wird. Außerdem
soll ein Furchwerkzeug bereitgestellt werden, das besonders tragfähige Schraubenverbindungen
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Günstige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Mutterngewindes werden die Gewindeflanken
in ihrer in die Bohrung ragenden radialen Erstreckung verkürzt. Vorzugsweise
werden dabei im Wesentlichen beim Furchen entstandene, radial in
die Bohrung ragende Lippen entfernt, die aus weniger oder kaum verfestigtem
Material bestehen. Dies kann durch Ausbohren auf einen einem Nennmaß des Mutterngewindes
entsprechen den Soll-Kerndurchmesser erfolgen. Dabei wird der im Wesentlichen
unverdichtete, in die Bohrung ragende äußere Bereich der Lippen entfernt,
wodurch spätere Setzverluste
des Gewindes deutlich reduziert werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
auf diese Weise profil- und maßgenaue
Gewinde hergestellt werden, die eine verbesserte Kraftübertragung
erlauben und sehr gute Gefügeeigenschaften
sowohl im Kerbgrund als auch in den Gewindeflanken des Mutterngewindes
besitzen. Gleichzeitig können
die angesprochenen Nachteile bezüglich
der Tragfähigkeit
der einzelnen Gewindegänge
im Vergleich zu einem geschnittenen Gewinde vermieden werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden besonders belastbare Schraubenverbindungen hergestellt, die
vorteilhafterweise in der Kraftfahrzeugtechnik Anwendung finden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines hoch belastbaren Verschraubungs-Mutterngewindes in einem Kraftfahrzeug
eingesetzt, besonders bevorzugt für Schraubverbindungen in Pleueln.
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Zur
Herstellung eines erfindungsgemäß verfestigten
Gewindes findet günstigerweise
ein Furchwerkzeug Anwendung, dessen Furch-Kerndurchmesser kleiner
ist als der dem Nennmaß entsprechende
Soll-Kerndurchmesser des Mutterngewindes. Vorzugsweise ist der Furch-Kerndurchmesser um
wenigstens 10% geringer als der Soll-Kerndurchmesser des Mutterngewindes.
Das Material kann somit beim Umformvorgang in den Bereich des Gewindegrunds
des Furchwerkzeugs fließen
und die typischen radial in die Bohrung ragenden Lippen ausbilden,
die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
anschließend
in ihrer in die Bohrung ragenden radialen Erstreckung verkürzt werden.
Im Vergleich zu dem bekannten Herstellungsverfahren des Mutterngewindes
kann bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
bei gleichem Nennmaß der
bei der ersten Bohrung festgelegte erste Durchmesser verkleinert werden,
was sich zusätzlich
positiv auf die Stabilität und
Belastbarkeit der Schraubenverbindung auswirkt. Es steht mehr Material
zum Verdichten zur Verfügung,
das die Gewindeflanken bildet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Teilschnitt einer Schraubenverbindung mit gefurchtem Gewinde und
einer selbstfurchenden Schraube;
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2 schematisch
einen Längsschnitt
durch die Schraubenverbindung in 1;
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3a, 3b schematisch
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gewinde mit Lippen nach
dem Furchen mit einem Furchwerkzeug (a) und im Endzustand (b).
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In
den Figuren sind im Wesentlichen gleiche oder gleich bleibende Teile
mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Der
Abstand zwischen einem in eine Bohrung ragende freien Ende von Gewindeflanken
eines Mutterngewindes zum gegenüberliegenden
Ende wird als Kerndurchmesser des Mutterngewindes bezeichnet. Als
Außendurchmesser
des Mutterngewindes wird der größte Durchmesser
in einem Gewindegrund des Mutterngewindes bezeichnet. Entsprechend
dazu bemisst sich der Außendurchmes ser
einer Schraube oder eines Furchwerkzeugs von einem freien Ende der
Gewindeflanke der Schraube zum gegenüberliegenden, und der Kerndurchmesser
der Schraube von einem Gewindegrund der Schraube zum gegenüberliegenden
Gewindegrund. Als Nennmaß der
Schraube wird ihr Außendurchmesser
bezeichnet. Die Gewinde werden nach einer definierten Toleranzlage
bzw. Toleranzgröße gefertigt.
Die durchmesserabhängigen
Toleranzen für
verschiedene Toleranzgrößen sind
gemäß DIN ISO
965 Teil 1 genormt.
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In 1 werden
beispielhaft die Verhältnisse bei
einem üblichen
Furchvorgang anhand einer selbstfurchenden Schraube erklärt. Die
in 1 dargestellte perspektivische Ansicht zeigt eine
herkömmliche
gewindefurchende, als Furchwerkzeug dienende Schraube 50 in
einem Gewinde 10, welche ein Element 35 mit einem
Element 40 verbindet. Als erster Arbeitsschritt wird eine
Bohrung 15 im Gewinde 10 eingebracht, bei der
ein erster Durchmesser 11 festgelegt wird. Anschließend wird
das Gewinde 10 mittels der gewindefurchenden Schraube 50 gefurcht,
wobei sich im Gewinde 10 jeweils Gewindeflanken 12 und
Gewindegründe 17 ausbilden.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind jeweils nur eine Gewindeflanke und ein Gewindegrund mit einem
Bezugszeichen gekennzeichnet. Das beim Furchen verdrängte Material
wird plastisch verformt und auf die Gewindeflanken 12 des
Gewindes 10 aufgelegt. Das Material wird beim Furchvorgang
im Bereich der Gewindeflanken 12 verfestigt, überschüssiges Material wird
an die in die Bohrung 15 ragenden freien Enden der Gewindeflanken 12 verdrängt und
bildet dabei typische Lippen 13, 14 aus.
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2 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch
eine Schraubenverbindung gemäß 1 mit einem
Gewinde 10 und einer selbstfurchenden Schraube 50 oder
einem Furchwerkzeug.
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Im
gezeigten Ausschnitt ist nur eine Hälfte des Gewindes 10 dargestellt,
das spiegelsymmetrisch zu einer nicht dargestellten Mittellinie
einer Bohrung 15 ist. Ein festgelegter erster Durchmesser 11 der
Bohrung 15 bildet den Erstbearbeitungsdurchmesser des Gewindes 10,
der anschließend
mit der gewindefurchenden Schraube 50 weiterbearbeitet wird.
Das beim Furchen verdrängte
und auf Gewindeflanken 12 aufgelegte Material bildet am
freien Ende der Gewindeflanken 12 jeweils typische Lippen 13, 14 aus,
von welchen der besseren Übersichtlichkeit
wegen nur ein Lippenpaar mit Bezugszeichen beziffert ist. Die Differenz
zwischen dem ersten Durchmesser 11 und der Höhe H der
Lippen 13, 14 zu beiden Seiten des Gewindes 10 ergibt
den Soll-Kerndurchmesser 16 des Mutterngewindes 10, der
gleichzeitig das Nennmaß des
Mutterngewindes 10 darstellt. Das Nennmaß liegt
an einer Nulllinie 25, die in 1 mit einer
strichlierten Linie gekennzeichnet ist. Die gewindefurchende Schraube 50 weist
einen Furch-Kerndurchmesser 20 auf, der kleiner ist als
der Soll-Kerndurchmesser 16 des Mutterngewindes, sonst
wäre ein
Zusammenschrauben mit dem Gegengewinde nicht möglich. Zwischen den Gewindeflanken 12 des
Mutterngewindes 10 und dem Furch-Kerndurchmesser 20 der
Schraube 50 ist ein Spiel nötig, das die Fertigung des
Gewindes 10 innerhalb gewisser Toleranzgrößen ermöglicht.
Diese Toleranzen, also die maßgeblichen
Spielräume,
sind sehr gering. Weder der erste Durchmesser 11 noch der
Furch-Kerndurchmesser 20 dürfen aufgrund dieser festgelegten
Toleranzgrößen das
festgelegte Nennmaß überschreiten
bzw. genau an der Nulllinie 25 liegen. Statt der gewindefurchenden
Schraube 50 kann auch entsprechend ein Furchwerkzeug verwendet
werden, für
das die Verhältnisse
vergleichbar sind.
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3 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein
erfindungsgemäßes Gewinde 10a mit
Lippen 13, 14 nach dem Furchen mit einem Furchwerkzeug 50a (3a)
und mit gekürzten
Lippen 13, 14, 21, 22 im Endzustand
des Gewindes 10a (3b). Auch
hier ist wie in 2 nur eine Hälfte des Gewindes 10a dargestellt.
Das Furchwerkzeug 50a wird in das als Mutterngewinde ausgebildeten
Gewinde 10a. Der bei einer Bohrung 15 vorgebohrte
und festgelegte erste Durchmesser 11a ist im gezeigten
Beispiel im Vergleich zu dem ersten Durchmesser 11 in 1 geringer.
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Der
Furch-Kerndurchmesser 20a des Furchwerkzeugs 50a ist
kleiner als der Soll-Kerndurchmesser 16 des Gewindes 10a,
vorzugsweise um mindestens 10% kleiner. Damit das Material beim
durch das Furchen verursachten Umformvorgang fließen und die
Lippen 13, 14 ausbilden kann, ist auch der Furch-Durchmesser 20a des
Furchwerkzeugs 50a kleiner ausgebildet als der entsprechende Furch-Durchmesser 20 bei
dem herkömmlichen
Gewinde 10 in 2. Die Lippen 13, 14 erstrecken
sich dabei im Wesentlichen in eine radiale Richtung 30. Die
Gewindeflanken 12 erstrecken sich also weiter in die Bohrung 15 als
in 2. Um ein Gewinde 10a mit dem gleichen
Soll-Kerndurchmesser 16 wie
in 2 zu erreichen, wäre der nach dem Umformen vorliegende
Innendurchmesser entsprechend dem radialen Abstand von freiem Ende
der Lippen 13, 14 zu freiem Ende der gegenüberliegenden
Lippen 21, 22 (s. 3b) des
Gewindes 10a zu klein für
einen Bolzen mit einem dem Furch-Durchmesser 20 in 2 entsprechenden
Nennmaß,
der entsprechend der Bohrung 11 in 2 bemaßt worden
ist.
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Bei
dem in 3a abgebildeten Teil des Gewindes 10a werden
daher die Gewindeflanken 12 erfindungsgemäß in ihrer
in die Bohrung 15 ragenden radialen Erstreckung 19 auf
ihr Nennmaß verkürzt. Beim
Verkürzen
werden im Wesentlichen die beim Furchen entstandenen Lippen 13, 14, 21, 22,
insbesondere deren besonders instabile äußerste, in die Bohrung 15 ragenden
Teile, entfernt. Dabei wird die Bohrung 15 nach dem Furchen
auf den Soll-Kerndurchmesser 16 des als Mutterngewinde
ausgebildeten Gewindes 10a ausgebohrt, der gleichzeitig
dem Nennmaß entspricht.
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3b zeigt
ein Detail eines dergestalt bearbeiteten Gewindes 10a mit
einem Soll-Kerndurchmesser 16 des Gewindes 10a.
Im Vergleich zu 2 ist in 3 der
erste Durchmesser 11a der Bohrung 15 bei gleicher
radialer Erstreckung 18 kleiner, was sich positiv auf die
Stabilität
der Schraubenverbindung auswirkt, weil sich beim Furchen mehr Material auf
die Gewindeflanken 12 auflegen kann. Diese werden dadurch
stärker
verdichtet und bieten bei gleicher Schraubengeometrie eine erhöhte Sicherheit bei
besonders kraftbeanspruchten Verbindungen.