DE102005024699A1 - Einschraubkörper mit sich änderndem Gewindeprofil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einschraubkörper mit sich änderndem Gewindeprofil, insbesondere eine einschraubbare künstliche Hüftgelenkpfanne, und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Einschraubkörper. Zwecks Realisierung eines bestimmten Verlaufs der Gewindezahnhöhe entlang der Gewindeerstreckung wird vorgeschlagen, die in Einschraubrichtung zeigende Flanke des Gewindezahns mit konstantem Winkel, und die andere Flanke des Gewindezahns mit sich änderndem Winkel auszuführen. Die praktische Umsetzung des Verfahrens erfordert eine CNC-Drehmaschine mit sogenannter B-Achse und eine bestimmte Vorgehensweise hinischtlich der Programmierung. Die Gewindegestaltung gemäß der Erfindung führt insbesondere bei einer selbstschneidenden Auslegung zu einer Reduzierung der beim Einschrauben in zähes Material erforderlichen Kräfte (Fig. 3).

Description

• Die Erfindung betrifft Einschraubkörper mit mindestens partiell gekrümmter oder geknickter Mantelfläche gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, wie z.B. einschraubbare künstliche Hüftgelenkpfannen gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchen mindestens in einem Teilbereich ihrer Gewindeerstreckung die mehr oder weniger gleitende Beeinflussung, Abwandlung oder Korrektur des Gewindeprofils erwünscht ist. Eine derartige Gestaltung kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein.
• Die Erfindung betrifft ferner ein spezielles Verfahren für die spanende Herstellung derartiger Einschraubkörper gemäß den Ansprüchen 5 bis 12.
• Gewinde sind als konstruktive Elemente des allgemeinen Maschinenbaus weit verbreitet. Gewöhnlich sind Gewinde zylinderförmig gestaltet. Daneben sind auch konische Gewinde z.B. für Ölfeldrohre verbreitet. Eine große Anzahl verschiedener Gewindeprofile sind bekannt und in Normen festgelegt. Üblicherweise ist das Gewindeprofil an einem Werkstück unveränderlich, das heißt, dass das Gewindeprofil am Gewindeanfang identisch mit dem am Gewindeende ist. Es sind jedoch Ausnahmen vorstellbar, bei denen eine zumindest in einem Teilbereich des Gewindes fließend sich ändernde Formgestalt des aus Gewinderille und Gewindezahn gebildeten Gewindeprofils von Vorteil sein könnte, z.B. um das Einführen eines Schraubengewindes in ein Mutterngewinde zu erleichtern.
• Spezielle geometrische Verhältnisse in Bezug auf das Gewinde bestehen jedoch vor allem bei Gewinden auf gekrümmten Flächen, wie sie insbesondere bei einschraubbaren künstlichen Hüftgelenkpfannen vorkommen. Hier sind hinsichtlich der Mantelform des Schalenkörpers z.B. hypo-, hemi-, oder hypersphärische, konischsphärische, parabolische toroidische, elliptische und ähnliche Geometrien bekannt. Bei spanenden Herstellungsverfahren für die Herstellung derartiger Schraubpfannen ergeben sich teilweise zwangsläufig fließend sich verändernde Verzerrungen des Gewindeprofils, welche in den meisten Fällen weder beabsichtigt noch erwünscht sind. Insbesondere bei der Benutzung von Gewindezähnen mit unsymmetrischen Teilflankenwinkeln (den jeweiligen Seitenwinkeln des Gewindezahns) ergibt sich das Phänomen, dass je nach Kipprichtung des resultierenden Gewindezahns die Zahnhöhe vom Pfannenäquator in Richtung zum Pfannenpol hin fließend zu- bzw. abnimmt, woraus sich dann am polnahen Gewindeanfang entweder viel zu große oder nahezu verkümmerte Gewindezähne ergeben. Im ersten Fall führen die extrem großen Gewindezähne dazu, dass zum Einschrauben der Pfanne sehr hohe Kräfte erforderlich werden, bzw. das Implantat nicht bis zum vollständigen Knochenkontakt eingeschraubt werden kann. Im zweiten Fall wird lediglich eine sehr dürftige Primärfixation zu erreichen sein. In beiden Fällen besteht die Gefahr des Auslockerns des Implantats, welches als Konsequenz eine nochmalige Operation des Patienten bedeuten würde.
• Aus der Französischen Patentanmeldung 2 548 012 ist eine Schraubpfanne bekannt, deren äußere Form im Anmeldetext als zylindrisch-sphärisch beschrieben ist. Sie ist mit einem eingängigen Gewinde ausgestattet, welches sich über die gesamte äußere Länge erstreckt und dessen Gewindeprofil sich vom Pfannenäquator zum Pfannenpol hin fließend ändert. Diese Profiländerung kommt in einer Abmagerung der Zahnhöhe und einer zunehmenden Ungleichheit der Zahnflankenlängen in Richtung zum Pfannenpol hin zum Ausdruck. Das Gewinde ist als herkömmliches ISO-Gewinde mit einem eingeschlossenen Flankenwinkel von 60° gefertigt. Davon wird in den Zeichnungsfiguren sozusagen das Ergebnis des letzten Schnitts mit einem üblichen Werkzeug (z.B. Gewindeschneidplatte) gezeigt. Zwecks Erzielung einer in Bezug auf die Gewindezahnspitzen konstanten Gewindesteigung wird vorgeschlagen, während der Herstellung auf einer CNC-Maschine das Werkzeug auf einer Bahn mit einer sich bei jeder Umdrehung ändernden Steigung zu verfahren. Der geometrische Hintergrund zur Ermittlung der jeweiligen Steigung ist in 6 der genannten Anmeldung zeichnerisch dargestellt. Auf den ersten Blick erscheint die angegebene Vorgehensweise plausibel und ohne weiteres umsetzbar.
• Bei näherer Analyse fällt zunächst auf, dass zwar die Gewindespitzen und der jeweilige Gewindegrund in der zweidimensionalen Darstellung auf Kreisbögen liegen, diese jedoch mit ihrem Drehpunkt nicht mit der Pfannenachse übereinfallen. Daher ist weder für den den Gewindegrund noch für den die Zahnspitzen einhüllenden geometrischen Mantel eine Kugelform realisiert. Eine präzise zeichnerische Darstellung mit einem CAD-System beweist dann, dass die ins Auge gefasste Herstellungsmethode keinesfalls in der Lage ist, das dargestellte Gewindezahnprofil zu realisieren. Mit zunehmendem Abtauchen der Gewinderille zum Pfannenpol hin treten nämlich gravierende geometrische Effekte auf, welche sich in extremen Fluktuationen der Gewindezahnhöhe auswirken. In der von Hand gefertigten Zeichnungsfigur der Anmeldeschrift sind diese drastischen Fehler nicht sichtbar, weil sie durch eine Summierung einer größeren Zahl zeichnerischer Ungenauigkeiten ausgeglichen werden.
• Tatsächlich ist es jedoch nicht möglich, mit dem unveränderlichen Gewindeprofil eines das Gewinde schneidenden Werkzeugs bei einem einzügigen Endschnitt mehreren voneinander unabhängigen Gesetzmäßigkeiten zu folgen.
• Daneben ist das vorgeschlagene Gewinde mit ISO-Profil für den vorgesehenen Zweck sowieso ungeeignet, weil es einerseits dem Festigkeitsverhältnis zwischen dem Knochen und dem Implantatwerkstoff nicht Rechnung trägt und andererseits sehr hohe Einschraubkräfte beim Implantieren erfordert. Selbst bei Abänderung des Gewindeprofils, z.B. durch Verwendung eines Drehmeißels mit trapezförmigem Profil und einer damit einhergehenden Verschmälerung der Gewindezähne, wäre bei einer einzügigen Herstellungsweise der Gewindegrund durch Treppenstufen repräsentiert. Damit wären nicht nur Klemmeffekte beim Einschrauben verbunden, sondern auch eine unerwünschte Spaltenbildung im Kontaktbereich zur knöchernen Lagerfläche. Diese Problematik besteht im Prinzip für viele Arten von Einschraubkörpern, welche einerseits über eine mindestens in einem Teilbereich gekrümmte Mantelfläche verfügen, und andererseits für das Einschrauben in ein Material mit einem gegenüber demjenigen des Einschraubkörpers deutlich reduzierten Festigkeit verfügen.
• Der oben geschilderte Sachverhalt ist Gegenstand der Europäischen Patentschrift EP 0 687 165 und daher allgemein bekannt. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, zur Erzielung eines bestimmten Gewindeprofilverlaufs das Gewinde mit unterschiedlichen Steigungen zu bearbeiten. Dieses Verfahren wird bereits im Bereich der Medizintechnik für die Herstellung von Knochenschrauben und künstlichen Hüftgelenkpfannen mit Erfolg angewandt. Dabei werden die Schutzrechte der zugehörigen Patentfamilie von den jeweiligen Herstellern in Bezug auf die jeweilige Produktgruppe exklusiv genutzt. Allerdings ist die mit dem Verfahren zur Verfügung stehende Bandbreite der Gestaltungsmöglichkeiten auf die Verwendung unterschiedlicher Gewindesteigungen beschränkt. Eine irgendwie geartete Beeinflussung des Kippwinkels des Gewindezahns ist nicht möglich.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 33 25 448 ist nun eine Hüftgelenkpfanne mit selbstschneidendem Gewinde und bombierter Kontur des Schalenmantels bekannt, welche ein im Prinzip konstantes Profil des Gewindezahns mit einer jeweils senkrechten Positionierung auf einer auf den Schalenmantel angelegten Tangente besitzt. Entsprechend unterliegen beide Flanken des Gewindezahns einer in Richtung zum Pfannenpol synchron zunehmenden Kippung. Dabei ragen die Zahnspitzen auf der Winkelhalbierenden mit einer jeweils identischen Höhe aus dem Schalenmantel heraus. Dieses Gewinde wird mit Hilfe einer Mehrachsenfräsmaschine produziert.
• Eine sorgfältige Überprüfung der bei der genannten Schraubpfanne bestehenden Einschraubsituation mittels einer 2D-Simulation auf einem Rechner zeigt allerdings, dass eine derartige Gewindegestaltung nicht optimal funktionieren kann. Der wesentliche Mangel besteht im Auftreten eines mindestens einseitigen Spalts zwischen Gewindezahn und der knöchernen Lagerfläche, weil während des Einschraubprozesses eine Furche erzeugt wird, welche breiter ist als das Gewindezahnprofil selbst.
• Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung von spanend auf einer CNC-Drehmaschine herstellbaren, alternativen Einschraubkörpern (z.B. in Gestalt von Knochenschrauben oder Hüftgelenkpfannen) mit einem mindestens in einem Teilbereich auf einer gekrümmten oder abgewinkelten Mantelfläche liegenden Gewinde mit unsymmetrischen Flanken des Gewindezahns und einer entlang der Gewindeerstreckung anpassbaren Gewindezahnhöhe, sowie eines Verfahrens zur Herstellung solch eines speziellen Gewindes für diese und andere Anwendungen auf einer CNC-Drehmaschine.
• Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Gewinderille eines auf einer mindestens partiell gekrümmten oder abgewinkelten Mantelfläche liegenden Gewindes in mindestens zwei streifenförmige Teilflächen aufgegliedert wird, von denen die erste durch die zum Pfannenpol zeigende Flanke des Gewindezahns und die zweite durch die zum Pfannenäquator zeigende Flanke des Gewindezahns gebildet ist, und die erste Flanke entlang der Gewindeerstreckung in ihrem Winkel unveränderlich ist, während die zweite Flanke mindestens in einem Teilbereich des Gewindes eine Winkeländerung aufweist, wodurch die Höhe und/oder der Kippwinkel des Gewindezahns an die konstruktive Vorgabe angepasst ist. Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung solch eines speziellen Gewindes auf einer CNC-Drehmaschine zur Verfügung gestellt.
• Dabei wird vorgeschlagen, die Gewinderille entlang der durch den Mantel des Einschraubkörpers gebildeten Kontur (dies ist im Prinzip der Grund der Gewinderille) in dem zur Anpassung des Gewindeprofils vorgesehenen Bereich in mindestens zwei Herstellungsgängen zu bearbeiten, wobei ein Bearbeitungsgang im wesentlichen die zum Pfannenpol zeigende Flanke und ein weiterer Bearbeitungsgang im wesentlichen die zum Pfannenäquator zeigende Flanke des Gewindezahns erzeugt, und dabei für die zum Pfannenäquator zeigende Flanke der Teilflankenwinkel mindestens in einem Teilbereich der Gewindeerstreckung geändert wird.
• Für die praktische Ausführung des Verfahrens auf einer CNC-Drehmaschine können wahlweise entweder dasselbe Werkzeug oder zwei bzw. mehrere Werkzeuge Verwendung finden. Soll nur ein Werkzeug eingesetzt werden, so muss seine schneidende Kante mit ihrem Winkel jeweils derart positioniert sein, dass dieser dem Teilflankenwinkel des Gewindezahns entspricht. Üblicherweise kommt für derartige Bearbeitungen als Werkzeug eine Wendeplatte aus Vollhartmetall zum Einsatz, welche aufgrund ihrer genormten Geometrie einen bestimmten Eckenwinkel (z.B. 35°, 55° oder 75°) einschließt. Auf einem neutralen Halter steht die Wendeplatte dann mit ihrer Winkelhalbierenden senkrecht zur Achse des Gewindes. Relativ zu der Winkelhalbierenden beträgt der Winkel der schneidenden Kante somit die Hälfte des Eckenwinkels. Bekannte Methoden zur festen Anpassung des Schneidkantenwinkels bestehen darin, den Halter entweder entsprechend abzufräsen, Distanzstücke unterzulegen, oder ihn schräg einzuspannen. Mit der Erfindung wird eine wesentlich elegantere Methode anwendbar, wenn eine CNC-Drehmaschine mit einer B-Achse des Kreuzschlittens zur Verfügung steht. Der Halter mit der Wendeplatte kann dann mittels einer entsprechenden Programmierung der B-Achse in die gewünschte Winkelstellung gebracht werden. Diese als statisch einzuordnende Winkelstellung kann z.B. nach jedem einzelnen Durchlauf beim Gewindeschneiden auf einen anderen Winkelbetrag gesetzt werden. Um jedoch die der Erfindung gemäße dynamische Winkelverschiebung zu realisieren, ist es erforderlich, den B-Winkel während des Durchlaufs des Werkzeugs durch die Gewinderille zu ändern. Zum Beispiel könnte einer der Teilflankenwinkel eines Gewindezahns am Anfang des Gewindes einen Betrag von 20° und am Ende einen solchen von 12° besitzen. Durch das wahlweise bezüglich der rechten und/oder linken Gewindezahnflanke und kontinuierlich bis sprunghaft programmierbare Schwenken dieses Winkels wird die Möglichkeit eröffnet, sowohl die Höhe als auch den Kippwinkel des Gewindezahns in nahezu beliebiger Weise an die konstruktiven Vorgaben anzupassen.
• Die Erfindung erlaubt hier die Wahl, entweder ein Werkzeug zu verwenden, welches in seinem Profil dem Profil der Gewinderille an ihrer engsten Stelle entspricht, oder ein Werkzeug, welches generell schmaler als die Gewinderille ist. Im zweiten Fall kann für den Gewindeschnitt neben der Benutzung mindestens eines sich ändernden Teilflankenwinkels für die Bearbeitungsgänge zusätzlich ein entsprechend angepasster Offset-Wert in der Steigungsachse einbezogen werden, um den Unterschied zwischen Werkzeug- und Gewinderillenbreite auszugleichen. Diese Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft, weil damit z.B. eine kleinere Spitzenverrundung des Bearbeitungswerkzeugs ermöglicht wird. Dadurch kann bei Anwendung eines jeweils kleinen relativen Versatzes des Werkzeugs nach jedem Durchgang eines Gewindeschneidzyklus der Gewindegrund feiner aufgelöst und der gekrümmten oder geknickten Mantelfläche besser angepasst werden.
• Mit der Erfindung wird ferner die Wahlmöglichkeit angeboten, die Gewindebearbeitung mit mehr als zwei Herstellungsgängen, bzw. mit zwei oder mehreren Werkzeugen durchzuführen. Werden z.B. drei Herstellungsgänge angewandt, so wird empfohlen, bei einem der Herstellungsgänge im wesentlichen die eine Seite der Gewinderille, bei einem weiteren im wesentlichen die andere Seite der Gewinderille, und bei einem dritten Herstellungsgang im wesentlichen den Gewindegrund zu bearbeiten. Dabei wird für das die Seiten der Gewinderille und damit die jeweiligen Flanken der Gewindezähne schneidende Werkzeug eine Positionierung gewählt, welche den jeweiligen Teilflankenwinkel ergibt, während vorgeschlagen wird, für das im wesentlichen die Mitte des Gewindegrundes schneidende Werkzeug eine Positionierung zu benutzen, welche mit ihrem Winkel zwischen diesen beiden Positionierungen liegt. Mit steigender Zahl der Bearbeitungsgänge bzw. Werkzeuge ist es so bei entsprechend kleiner Verrundung der jeweiligen Werkzeugspitze möglich, eine relativ kleine Verrundung des Gewindezahnfußes und eine noch bessere Anpassung des Gewindegrundes an die angestrebte Kontur der Mantelfläche eines derartigen Einschraubkörpers zu erzielen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Anwendung auf einer CNC-Drehmaschine vorgesehen. Beim Gewindedrehen auf derartigen Maschinen ist es üblich, die Gewinderille in mehreren Durchgängen mittels eines Drehmeißels zu bearbeiten. Der Herstellungsgang wird dann als Gewindeschneidzyklus bezeichnet. Bei einem einzigen Durchgang wird nur wenig Material abgetragen, dafür kann jedoch mit hohen Vorschüben gearbeitet werden. Demgegenüber kann ein Herstellungsgang beim Gewindefräsen aus einem einzigen Durchlauf bestehen, wofür sich jedoch aufgrund des erforderlichen kleinen Vorschubs in der Regel ein im Vergleich zum Drehen deutlich höherer Zeitaufwand ergibt. Für das Fertigen des erfindungsgemäßen Gewindes sind auf jeden Fall nur solche CNC-Drehmaschinen geeignet, welche über eine Schwenkachse für das Werkzeug in der aus Längsachse (Z) und radialer Achse (X) des Werkstücks gebildeten Ebene verfügen. Im entsprechenden CNC-Programm muss die von dem jeweiligen Werkzeug bzw. für den jeweiligen Zyklus relativ zum Werkstück zurückzulegende Bahn abgelegt sein. Zur Synchronisation der Herstellungsgänge bzw. Werkzeuge ist es erforderlich, die unterschiedlichen Startpunkte für die einzelnen Herstellungsgänge bzw. Schneidzyklen genau zu berechnen und einzugeben. In den Programmsätzen müssen neben den üblichen Parametern die den Winkeln gemäßen Werte für die oben genannte Schwenkachse (B) zusätzlich abgelegt sein.
• Bei der Herstellung eines der Erfindung gemäßen Einschraubkörpers auf einer CNC-Drehmaschine ist eine bestimmte Vorgehensweise angesagt. Dazu wird zunächst die Gewinderille grob mit einem geeigneten Stechmeißel ausgeräumt.
• Danach kann ein erster kürzerer Gewindezyklus ablaufen, bei welchem ein Schlichtmeißel zur Tiefe hin in der X-Achse so lange zugestellt wird, bis der Gewindegrund – vorzugsweise in seiner Mitte – erreicht ist. Im Anschluss wird dieser Schlichtmeißel in der Z-Achse bei jedem Schnitt des Gewindeschneidzyklus um den Betrag der Spandicke so lange zugestellt, bis die entsprechende Flanke der Gewinderille fertig hergestellt ist. Dabei muss die schneidende Flanke des Drehmeißels in ihrer Winkellage derjenigen der Gewindezahnflanke entsprechen. Für die andere Seite der Gewinderille gilt entsprechendes für die dortige Gewindezahnflanke. Dieser Winkel ist bezüglich der schneidenden Kante des Drehmeißels ganz einfach über die Programmierung der B-Achse einstellbar. Dadurch kann für die beiden zu bearbeitenden Seiten derselbe Drehmeißel verwendet werden. Dies hat auch den Vorteil, dass eine aufwendige Synchronisation der Meißelspitze, wie sie bei zwei Werkzeugen erforderlich wäre, entfallen kann.
• Da bei den CNC-Drehmaschinen gemäß dem Stand der Technik beim Gewindeschneiden eine automatische Kompensation des Schneidenradius nicht möglich ist, muss hier mit einem Trick gearbeitet werden, um die als Gewinderillengrund gebildete Kontur des Werkstückmantels ohne Verzerrung herstellen zu können. Dazu wird der Schneidenradiusmittelpunkt des jeweiligen Werkzeugs in der Werkzeugdatei beschrieben und eine um eine Äquidistante mit dem Abstand des Schneidenradius vergrößerte Kontur des Werkstücks programmiert.
• Ähnlich muss vorgegangen werden, wenn im Programm der Maschine eine Funktion zur automatischen Korrektur der Werkzeugposition bei dynamisch schwenkender B-Achse – diese wird zum Teil ATC (automatical tool correction) genannt – nicht vorhanden ist. Ohne eine solche Korrektur würde sich wegen des wandernden B-Winkels die Position der Drehmeißelspitze ständig verändern und von der korrekten Position entfernen. Das Werkstück würde dann skurile Formen annehmen und nicht mehr der Zielgeometrie entsprechen. Daher wird hiermit vorgeschlagen, in der Programmierung den Drehmittelpunkt der B-Achse des Kreuzschlittens der Maschine zu benutzen, und nicht wie üblich den Schneidenradiusmittelpunkt des Drehmeißels. Dazu wird der Abstand dieses Drehmittelpunktes vom jeweiligen Schneidenradiusmittelpunkt des Drehmeißels bestimmt und aus dieser Hypotenuse die Längen für die An- und Gegenkathete berechnet. Das so gebildete Korrekturdreieck muss nun noch um den Korrekturwinkel geschwenkt werden, welcher zwischen der schneidenden Flanke des Drehmeißels und der X-Achse des Kreuzschlittens eingeschlossen ist. Mit dem Schnittpunkt zwischen Gegenkathete und Hypotenuse wird dann die korrekte Position des Drehpunktes der B-Achse bestimmt.
• Zum besseren Verständnis sollen im folgenden die der Erfindung gemäßen Einschraubkörper als auch das der Erfindung gemäße Verfahren anhand von schematischen Beispielen mit Hilfe von drei Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Als Beispiel eines Einschraubkörpers mit gekrümmter Mantelfläche wurde dabei auf eine vereinfacht gezeichnete Hüftgelenkpfanne zurück gegriffen. 1 zeigt eine künstliche Hüftgelenkpfanne mit Gewinde gemäß dem Stand der Technik. In 2 ist eine solche Hüftgelenkpfanne mit einer konstanten Länge der polseitigen Zahnflanke dargestellt, während 3 eine vorteilhafte Ausführung zeigt, bei welcher die zwischen den Gewindezähnen liegenden Winkelhalbierenden eine konstante Höhe besitzen.
• 1 soll das weiter oben beschriebene Phänomen verdeutlichen, welches bei gekrümmten Mantelflächen von Rotationskörpern mit einem gekippten Profil der Gewindezähne zu einer stärkeren Fluktuation der Gewindezahnhöhe führt. Zur Veranschaulichung wurde ein etwas vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer künstlichen hemisphärischen Hüftgelenkpfanne mittlerer Größe mit einem konventionell hergestellten Schraubgewinde in einer geschnitten und halbseitig gezeichneten Darstellung in einem Maßstab von ungefähr 2,5 : 1 heran gezogen. Dabei wurde für die Gewindesteigung ein Wert von 5,2 mm gewählt. Die Gewindezähne wurden deutlich überhöht dargestellt, um die Details besser sichtbar machen zu können. Außerdem wurden sie der Einfachheit halber spitz zulaufend und ohne Verwundung des Zahnfußes gezeichnet, obwohl in praktischen Ausführungen der Zahnkopf beschnitten und der Zahnfuß mit einem Übergangsradius versehen ist.
• Die Hüftgelenkpfanne 1 ist aus einer Schale mit hemisphärischer äusserer Gestalt gebildet, welche in ihrer inneren Kontur in einen Bereich eines Kugelabschnitts 2 und eines Kegelabschnitts 3 aufgegliedert ist. Dieser innere Bereich ist für die Aufnahme eines Inletts vorgesehen. Die fünf Gewindezähne 4, 5, 6, 7, 8 besitzen ein unsymmetrisches Profil. Ihre zum Pol der Pfanne zeigenden Flanken weisen einen Winkel von 0°, und ihre zum Äquator der Pfanne zeigenden Flanken einen solchen von 24° auf. Entsprechend beträgt der eingeschlossene Flankenwinkel α 24°, wodurch sich ein Kippwinkel der Winkelhalbierenden von 12° in Richtung zum Pfannenpol ergibt. Diese Kipprichtung der Gewindezähne ist für die angestrebte Verwendung bei einer künstlichen Hüftgelenkpfanne besonders günstig, weil sich aufgrund der vorgegebenen Hauptbelastungsrichtung bessere Krafteinleitungsverhältnisse in das menschliche Becken erzielen lassen.
• Bei dem gezeigten Beispiel folgt der Mantel der Pfannenschale mit hoher Genauigkeit der Kugelform. Diese ist allerdings nur im Bereich der Gewinderille präsent. Eine derartige Ausbildung erfordert spezielle Bearbeitungsverfahren, bei denen in der Regel Durchläufe mit zwei oder mehr Drehmeißeln mit unterschiedlichen Stirn- und/oder Seitenwinkeln und unterschiedlichen Bahnen bzw. relativen Verschiebungen der jeweiligen Drehmeißelposition erforderlich sind. Derartige Verfahren sind zum Beispiel aus der EP 0 480 551 B1 und EP 0 687 165 B1 bekannt. Da dabei jedoch das Gewinde mit konstanter Steigung und konstanten Teilflankenwinkeln geschnitten wird, resultiert aus dem Kippwinkel der Gewindezähne eine fließende Veränderung der Gewindezahnhöhe. Es ist in der 1 gut zu erkennen, dass die radial gemessene Gewindezahnhöhe h2 in Polnähe fast doppelt so groß ist wie die Gewindezahnhöhe h1 in Äquatornähe. Obwohl fließende Zu- oder Abnahmen der Gewindezahnhöhen bis zu einem gewissen Grade besonders bei künstlichen Hüftgelenkpfannen durchaus gewollt sein können und dafür auch verschiedene Argumente ins Feld geführt werden, so ist doch eine solch starke Vergrößerung der Gewindezahnhöhe ausgesprochen nachteilig, weil damit unnötig tief in das Knochenmaterial eingegriffen wird. Derart große Gewindezähne an dem dem Pol nahen Gewindeanfang führen ferner insbesondere bei selbstschneidenden Schraubpfannen zu sehr hohen Einschraubkräften, da sich in dem Bereich des abrupten Anstiegs der Gewindezahnhöhe am Gewindebeginn die Zerspanungsarbeit beim Einschrauben in das Becken auf nur wenige Schneidkanten verteilt. Dadurch kann das Einbringen der Hüftgelenkpfanne bis zum vollständigen Knochenkontakt in Frage gestellt sein.
• 2 zeigt in einer mit 1 identischen Darstellungsweise das vereinfachte und leicht verzerrte Ausführungsbeispiel einer künstlichen Hüftgelenkpfanne mit Schraubgewinde gemäß der Erfindung. Die gezeigte Hüftgelenkpfanne 9 entspricht mit ihrer inneren Kontur aus Kugelabschnitt 10 und konischem Bereich 11 sowie der Zahl der Gewindezähne 12, 13, 14, 15, 16 jener aus 1. Der dem Äquator der Hüftgelenkpfanne nahe Gewindezahn 12 ist mit seiner Form und dem Betrag seiner Höhe h1 identisch mit dem entsprechenden Gewindezahn 4 aus 1. Der zwischen den Zähnen liegende Gewindegrund repräsentiert die Kugelform des Schalenmantels wie zuvor. Aufgrund der der Erfindung gemäßen Bearbeitung des Gewindes mittels zweier Herstellungsgänge, wobei die zum Äquator zeigende Flanke des Gewindezahns mit einem sich fließend ändernden Winkel geschnitten ist, wird nunmehr für den dem Pol nahen Gewindezahn 16 eine radial gemessene Zahnhöhe h3 verwirklicht, welche der Zahnhöhe h1 des dem Äquator nahen Zahns h1 entspricht. Dabei hat sich allerdings der eingeschlossene Flankenwinkel α des Gewindezahns von 24° auf etwa 46° vergrößert. Diese ausgesprochen derbe Vergrößerung des Flankenwinkels wurde hier allein deshalb gewählt, um das Prinzip der der Erfindung gemäßen Gestaltung und Bearbeitung besser verdeutlichen zu können.
• In der 3 ist die Variante einer künstlichen Hüftgelenkpfanne dargestellt, welche einer praktischen Ausführung deutlich näher kommt. Die Zeichnungsfigur zeigt in der schon aus den vorangehenden Figuren her bekannten Weise das Schnittbild einer Schraubpfanne 17 hemisphärischer Gestalt, deren Innenraum aus einem Kugelabschnitt 18 mit einem sich anschließenden konischen Bereich 19 gebildet ist. Die Schraubpfanne ist mit einem Gewinde ausgerüstet, von welchem sich im Schnittbild fünf Gewindezähne 20, 21, 22, 23, 24 ergeben. In das jeweilige Zahnprofil wurden die Winkelhalbierenden als strich-punktierte Linien eingezeichnet. Für das Zahnprofil des Gewindezahns 20 mit einem eingeschlossenen Flankenwinkel α von 24° beträgt der Kippwinkel dieser Winkelhalbierenden 12° in Richtung zum Pol. Bei dem Gewindezahn 24, welcher einen eingeschlossenen Flankenwinkel α von ca. 30° besitzt, hat sich der Kippwinkel der Winkelhalbierenden in Richtung zum Pol entsprechend auf etwa 15° vergrößert. In allen Fällen steht die zum Pfannenpol zeigende Flanke der Gewindezähne jeweils senkrecht auf der Pfannenachse. Die entlang der Winkelhalbierenden gemessenen Zahnhöhen, welche in der Zeichnungsfigur sowohl für den Gewindezahn 20 mit h1 als auch für den Gewindezahn 24 mit h2 eingezeichnet wurden, sind jeweils gleich groß.
• In den Zeichnungsfiguren 2 und 3 wurden Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen mittels des der Erfindung gemäßen Verfahrens eine bestimmte Strecke des Zahnprofils auf eine konstante Länge gebracht worden ist. Das vorgeschlagene Verfahren ist darauf jedoch nicht beschränkt. Im Gegenteil eröffnet es durch eine bestimmte Festlegung bzw. springende oder gleitende Schwenkung der schneidenden Kante des Drehmeißels und einer entsprechenden Programmierung der B-Achse der CNC-Drehmaschine zahlreiche Variationsmöglichkeiten, womit exakt bestimmbare Zu- oder Abnahmen der Gewindezahnhöhen verwirklicht werden können. Diese Modifikationen sind auch partiell in Teilbereichen des Gewindes einsetzbar. Dadurch wird mit der Erfindung ein sehr flexibel einsetzbares Mittel für die optimale Anpassbarkeit von Spezialgewinden, insbesondere von in ihrer Erstreckung gekrümmten oder geknickten Spezialgewinden, zur Verfügung gestellt.

Claims (12)

1. Einschraubkörper mit mindestens in einem Teilbereich geknickter oder gekrümmter Mantelfläche und einem mindestens in diesem Teilbereich liegenden Gewinde mit sich änderndem, aus Gewindezahn und Gewinderille gebildeten Gewindeprofil, wobei die in Einschraubrichtung liegende Flanke des Gewindezahns einen konstanten Winkel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Flanke des Gewindezahns im genannten Teilbereich einer Winkeländerung unterliegt.
2. Einschraubkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeländerung im wesentlichen fließend erfolgt.
3. Einschraubkörper gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verlauf der Gewindezähne eine Stufenfunktion überlagert ist.
4. Einschraubkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als Implantat, insbesondere als künstliche Hüftgelenkpfanne realisiert ist.
5. Verfahren zur spanenden Herstellung von Gewinden mit sich mindestens in einem Teilbereich verändernden Gewindeprofil auf einer CNC-Drehmaschine, wobei das Gewinde mindestens in diesem Teilbereich mit mindestens zwei Herstellungsgängen bzw. -zyklen bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dieser Herstellungsgänge bzw. -zyklen die die Gewindezahnflanke schneidende Kante des Drehmeißels einen festen Winkel einnimmt, und bei dem anderen Herstellungsgang bzw. -zyklus die die andere Gewindezahnflanke schneidende Kante des Drehmeißels in ihrem Winkel während des Durchlaufs durch die Gewinderille geändert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Bearbeitungsgang bzw. -zyklus im wesentlichen die eine Flanke des Gewindezahns sowie einen Teil des benachbarten Gewindegrundes, und der andere Bearbeitungsgang bzw. -zyklus im wesentlichen die andere Flanke des Gewindezahns sowie einen Teil des dieser anderen Flanke benachbarten Gewindegrundes betrifft.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde mit drei verschiedenen Bearbeitungsgängen bzw. -zyklen bearbeitet wird, wovon mit dem dritten Bearbeitungsgang bzw. -zyklus im wesentlichen die Mitte der Gewinderille bearbeitet und dabei eine Winkeleinstellung für den Drehmeißel benutzt wird, welche zwischen den für die beiden anderen Bearbeitungsgänge bzw. -zyklen benutzten Winkeleinstellungen liegt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bearbeitungsgang zuerst ausgeführt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeländerung des die andere Gewindezahnflanke schneidenden Drehmeißels während des Durchlaufs durch die Gewinderille im wesentlichen fließend erfolgt.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeländerung des Drehmeißels mittels Drehung der B-Achse der CNC-Drehmaschine realisiert ist.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die vom Schneidenradiusmittelpunkt des Drehmeißels während des Abfahrens der in Gestalt des Gewinderillengrundes zu realisierenden Mantelfläche des herzustellenden Einschraubkörpers zu beschreibende Bahn berechnet wird, diese Bahn mit einem jeweiligen Offset für X und Z in Bezug auf den Abstand des Schneidenradiusmittelpunktes des Drehmeißels vom Rotationsmittelpunkt der B-Achse des Kreuzschlittens und für B in Bezug auf die Winkeldifferenz zwischen der Schneide des Drehmeißels und der Nullstellung der B-Achse umgerechnet und im CNC-Programm angewendet wird, und in der Werkstückbeschreibung eine Äquidistante verwendet ist, welche in ihrem Betrag dem Schneidenradius des Drehmeißels entspricht.
12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug eine frästechnische erzeugte Stufenfunktion überlagert ist.