DE102005037119A1

DE102005037119A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück

Info

Publication number: DE102005037119A1
Application number: DE200510037119
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Glimpel; Dietmar Dipl.-Ing. Hechtle
Original assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Current assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: DE102005037119B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück (200), bei dem ein Werkzeug (100), das entweder einen Formzahn oder mehrere Formzähne, die, bezogen auf eine durch das Werkzeug (100) verlaufende Werkzeugachse (A¶WZ¶) in einer spiral- oder schraubenförmigen Anordnung, die eine vorgegebene Steigung und einen vorgegebenen Umlaufsinn aufweist, hintereinander angeordnet sind, umfasst, um die Werkzeugachse (A¶WZ¶) rotiert wird, das Werkzeug (100) und das Werkstück (200) relativ zueinander zugestellt werden, so dass der Formzahn bzw. die Formzähne des Werkzeugs (100) in Eingriff mit dem Werkstück (200) gebracht wird bzw. werden, und das Werkstück (200) und/oder das Werkzeug (100) um eine Werkstückachse (A¶WS¶) gedreht wird/werden, wobei die Werkstücke (A¶WS¶) und die Werkzeugachse (A¶WZ¶) wenigstens annähernd parallel zueinander gerichtet sind oder werden, wobei das Gewinde durch Eindrücken des Formzahns bzw. der Formzähne des Werkzeugs (100) in die Werkstückoberfläche erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück.

Zur Gewindeerzeugung oder Gewindenachbearbeitung sind neben spanabhebenden auch spanlose Verfahren und Gewindewerkzeuge bekannt. Einen Überblick über derzeit im Einsatz befindliche Gewindeerzeugungswerkzeuge und Arbeitsverfahren gibt das Handbuch der Gewindetechnik und Frästechnik, Herausgeber: EMUGE-FRANKEN, Verlag: Publicis Corporate Publishing, Erscheinungsjahr: 2004 (ISBN 3-89578-232-7), im Folgenden nur als „EMUGE-Handbuch" bezeichnet.

Unter die spanlosen Gewindeerzeugungswerkzeuge fallen die sog. Gewindefurcher (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 9, Seite 299 bis 324), mit denen nur Innengewinde erzeugbar sind, und die Gewindewalzwerkzeuge (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, Seite 373 bis 404), mit denen nur Außengewinde hergestellt werden. Gewindefurcher sind axial zu ihrer Werkzeugachse arbeitende Gewindewerkzeuge mit einem an einem Werkzeugschaft ausgebildeten Arbeitsbereich, der eine im Werkzeugquerschnitt polygonale und schraubenförmig die Werkzeugachse umlaufende Wirkfläche aufweist, mit der das Gewinde bei Drehung des Werkzeugs um die Werkzeugachse und axialem Vorschub entlang der Werkzeugachse in das Werkstück eingedrückt wird.

Aus WO 02/094491 A1 sind ein spanlos arbeitendes Gewindeformwerkzeug und ein Verfahren zur spanlosen Gewindeerzeugung bekannt geworden, die auf einem anderen Arbeitsprinzip beruhen. Das in WO 02/094491 A1 offen barte Gewindeformwerkzeug ist langgestreckt und umfasst einen Arbeitsbereich mit einem oder mehreren durch Ringnuten voneinander getrennten ringförmigen Umfangsprofil(en). Jedes Umfangsprofil ist in seinem Zentrum nicht-kreisförmig ausgebildet und weist wenigstens drei Erhebungen nach Art eines Polygons als Drückstollen auf. Zusätzlich können auch axial verlaufende Nuten zwischen den einzelnen Drückstollen an der Außenfläche des Werkzeugs zum Zuführen von Kühlflüssigkeit vorgesehen sein. Als Material für das Werkzeug wird entweder ein Carbid oder Schnellstahl vorgeschlagen. Dieses Werkzeug wird nun bei dem Verfahren gemäß WO 02/094491 A1 unter Drehung um seine eigene Achse in eine Bohrung mit größerem Durchmesser als das Werkzeug eingeführt und vollführt eine kreisförmige Bewegung entlang des Umfangs der Bohrung sowie zugleich eine Vorschubbewegung in die Bohrung und formt dadurch spanlos das Gewinde in der Bohrung.

Das Gewinde wird gemäß WO 02/094491 A1 also, im Gegensatz zum axialen Gewindefurchen, nicht mittels einer spiralförmigen, der Gewindesteigung angepassten Wirkfläche am Werkzeug und einer nur axialen oder linearen Vorschubbewegung des Werkzeugs kombiniert mit einer Drehung um die eigene Werkzeugachse geformt, sondern mittels ringförmiger und damit steigungsloser und zugleich im Querschnitt polygonaler Wirkflächen am Werkzeug einerseits und einer mit einer Drehung des Werkzeugs um die eigene Längsachse kombinierten schraubenförmigen Bewegung des Werkzeugs, die aus einer linearen Vorschubbewegung axial zur Längsachse des Werkzeugs und einer Zirkularbewegung der Längsachse des Werkzeugs um eine Mittelachse der Bohrung resultiert, andererseits.

Dieser Gewindeformer wird im Folgenden auch als Zirkulargewindeformer und das zugehörige Verfahren als Zirkulargewindeformen bezeichnet. Zirkulargewindeformer eignen sich zum Herstellen sowohl von Innengewinden als auch von Außengewinden.

Ein weiterer Zirkulargewindeformer ist nun auch aus der DE 103 18 203 A1 bekannt geworden. Dieser bekannte Zirkulargewindeformer weist zumindest einen, vorzugsweise zumindest zwei rillenförmige Profilvorsprünge an seinem Formkopf auf, die über den Umfang durchgehend und mit sich über den Umfang verändernder radialer Erstreckung polygon ausgebildet sind. Die Profilvorsprünge bilden dadurch über den Umfang jeweils mehrere Drückstollen, die über den Umfang gleichmäßig oder auch ungleich verteilt sein können. Die Drückstollen benachbarter Profilvorsprünge können ferner in Umfangsrichtung zueinander, insbesondere entlang einer Wendel, versetzt sein.

Ferner ist eine spanend arbeitende Vorrichtung zum Rotationsgewindefräsen aus DE 199 30 617 B4 bekannt, die eine Werkstückspindel, die ein Werkstück trägt, an dem das Gewinde zu fräsen ist, und eine Fräserspindel umfasst, wobei die Werkstückspindel und die Fräserspindel mit ihren Drehachsen zueinander parallel sind. Dabei werden die Werkstückspindel und die Fräserspindel beim Gewindefräsen zunächst ohne axiale Bewegung gegeneinander radial bei einem Drehzahlverhältnis gleich 1 bewegt, und dann von dieser radialen Bewegung gesondert gegeneinander axial bei einem Drehzahlverhältnis, bevorzugt ungleich 1, bewegt.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zur Erzeugung eines Gewindes in einem Werkstück anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Patentanspruch 1 abhängigen Patentansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, in einem Werkstück ein Gewinde unter Verwendung eines Werkzeugs zu erzeugen. Das Werkzeug umfasst dabei entweder einen Formzahn oder mehrere Formzähne, die bezogen auf eine durch das Werkzeug verlaufende Werkzeugachse in einer spiral- oder schraubenförmigen Anordnung hintereinander angeordnet sind. Diese spiral- oder schraubenförmige Anordnung weist eine vorgegebene Steigung und einen vorgegebenen Umlaufsinn auf. Das Werkzeug wird um die Werkzeugachse rotiert, wobei im Verlaufe dieser Rotationsbewegung des Werkzeugs das Werkzeug und das Werkstück relativ zueinander zumindest so weit zugestellt werden, dass der Formzahn bzw. die Formzähne des Werkzeugs in Eingriff mit dem Werkstück gebracht wird bzw. werden. Außerdem wird bzw. werden, zumindest während sich der Formzahn bzw. die Formzähne des Werkzeugs in Eingriff mit dem Werkstück befindet bzw. befinden, das Werkstück und/oder das Werkzeug um eine Werkstückachse gedreht, wobei die Werkstückachse und die Werkzeugachse wenigstens annährend parallel zueinander gerichtet sind oder werden. Das Gewinde wird dabei durch Eindrücken des Formzahns bzw. der Formzähne des Werkzeugs in die Werkstückoberfläche erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Umlaufsinn des erzeugten Gewindes im Werkstück in einer Richtung axial zur Werkstückachse gesehen entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Anordnung der Formzähne des Werkzeugs in der gleichen Richtung der zur Werkstückachse parallelen Werkzeugachse orientiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt zumindest während der Erzeugung des Gewindes eine Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und eine Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse vor, wobei die Rotationsrichtung des Werkstücks um die Werkstückachse entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Werkzeugs um seine Werkzeugachse ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt zumindest während der Erzeugung des Gewindes eine Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und eine Rotation des Werkzeugs um die Werkstückachse vor, wobei die Rotationsrichtung des Werkzeugs um die Werkstückachse gleichgerichtet zur Rotationsrichtung des Werkzeugs um seine Werkzeugachse ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist oder wird zumindest während der Erzeugung des Gewindes das Drehzahlverhältnis (n_WS/n_WZ) der Drehzahl n_WZ der Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und der Drehzahl n_WS der Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse und/oder des Werkzeugs um die Werkstückachse auf wenigstens einen konstanten Wert eingestellt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis gleich 1.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis ungleich 1, wobei besonders bevorzugt ist, dass wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis aus einem Bereich um 1 gewählt ist, insbesondere aus einem Bereich von 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,95 bis 1,05, aber jeweils ausgenommen dem Wert exakt gleich 1.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden das Werkzeug und das Werkstück in einer Axialbewegung axial oder parallel zur Werkzeugachse oder Werkstückachse relativ zueinander zugestellt, dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die axiale Geschwindigkeitskomponente v_ax der Axialbewegung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander abhängig von dem Drehzahlverhältnis, insbesondere von dessen jeweiligem konstanten Wert, aus der Drehzahl n_WZ der Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und der Drehzahl n_WS der Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse und/oder des Werkzeugs um die Werkstückachse und/oder abhängig von der Steigung des zu erzeugenden Gewindes und/oder abhängig von der Steigung Ph_z der Anordnung der Formzähne gewählt ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die genannte axiale Geschwindigkeitskomponente v_ax der Axialbewegung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander so gewählt, dass folgende Gleichung erfüllt ist: vax =(nWS – nWZ)Phz,wobei n_WS die Drehzahl des Werkstücks um die Werkstückachse oder die Drehzahl des Werkzeugs um die Werkstückachse, n_WZ die Drehzahl des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und Ph_z die Steigung einer Spiral- oder Schraubenlinie, in der die Formzähne um die Werkzeugachse herum angeordnet sind, sind.

Unter der Voraussetzung, dass eine Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und eine Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn während wenigstens einer Phase, in der keine relative Axialbewegung von Werkzeug und Werkstück vorliegt, der wenigstens eine konstante Wert für das Drehzahlverhältnis gleich 1 gewählt ist, und während wenigstens einer Phase, in der eine relative Axialbewegung von Werkzeug und Werkstück vorliegt, der konstante Wert für das Drehzahlverhältnis ungleich 1, vorzugsweise aus einem Bereich um 1, insbesondere einem Bereich von 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,95 bis 1,05, gewählt ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Zustellung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander radial zu der Werkstückachse.

Unter der Voraussetzung, dass das Werkzeug und das Werkstück in einer Axialbewegung axial oder parallel zur Werkzeugachse oder Werkstückachse relativ zueinander zugestellt werden und dass eine Zustellung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander radial zu der Werkstückachse erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn die axiale Zustellung und die radiale Zustellung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander in der Form eine Zustelleinfahrschleife, d. h. einer kombinierten Bewegung, ausgeprägt ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist jeder Formzahn ein Gewindeformprofil auf, das einen ersten Flankenbereich, einen Zentralbereich und einen zweiten Flankenbereich umfasst, die entlang des Abschnitts einer Spiral- oder Schraubenlinie nacheinander angeordnet sind, wobei der Zentralbereich radial von der Werkzeugachse am weitesten nach außen ragt und der radiale Abstand jedes der Flankenbereiche von der Werkzeugachse jeweils zum Zentralbereich hin zunimmt, wobei es vorteilhaft ist, wenn das Gewindeprofil jedes Formzahns parallel zu einer Ebene, auf die die Werkzeugachse senkrecht steht, verläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besitzt das Gewindeformprofil jedes Formzahns einen Steigungswinkel bzgl. einer Ebene, auf die die Werkzeugachse senkrecht steht, der gleich dem Steigungswinkel des im Werkstück zu erzeugenden Gewindes ist, und wobei dieser Steigungswinkel bzgl. dieser Ebene gerade in entgegengesetzter Richtung zum Steigungswinkel der Anordnung der Formzähne entlang dem Abschnitt der die Werkzeugachse umlaufenden Spiral- oder Schraubenlinie ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist jeder Formzahn an beiden Seiten des Gewindeformprofils abfallende Zahnseitenflächen auf. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Gewindeformprofil im Zentralbereich entlang des Gewindeformprofils und/oder in orthogonaler Richtung oder zu den Zahnseitenflächen hin abgerundet oder konvex gekrümmt ist. Es ist auch bevorzugt, wenn das oder jedes Gewindeformprofil einen stetigen oder stufenlosen Verlauf hat. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der maximale radiale Abstand der Gewindeformprofile von axial hintereinander angeordneten Formzähnen von der Werkzeugachse entgegen einer axialen Vorschubrichtung und/oder von einem Ende des Werkzeugs weg gerichtet zumindest in einem Anlaufbereich des Werkzeugs zumindest abschnittsweise zunimmt, vorzugsweise wenigstens abschnittsweise linear zunimmt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Werkzeug zusätzliche Elemente oder Abschnitte auf, die für spanabhebende Bearbeitungsvorgänge beim Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück geeignet sind, und es werden neben Bearbeitungsvorgängen, die im Zusammenhang mit dem Eindrücken des Formzahns bzw. der Formzähne des Werkzeugs in die Werkstückoberfläche vorgenommen weiden, auch spanabhebende Bearbeitungsvorgänge vorgenommen, bei denen diese zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs zum Einsatz gelangen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs zumindest eine Kernschneide und/oder zumindest eine Senkfase mit zumindest einem Schneidteil umfassen, wobei es im letztgenannten Fall besonders vorteilhaft ist, wenn die zumindest eine Senkfase des Werkzeugs zumindest ein Kernreibteil und/oder zumindest eine Spannute umfasst.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs in einem Abschnitt, der sich bzgl. der axialen Vorschubrichtung am Anfang und/oder in der Mitte und/oder am Ende des Werkzeugs befindet, angeordnet sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei im Einzelnen jeweils schematisch dargestellt ist:
1 ein Werkzeug bzw. Gewindeformer mit zwölf (nicht-spiralig angeordneten) Formleisten zum Gewindeformen von eingängigen Gewinden;
2 Längsansicht des Werkzeugs gemäß 1;
3 Querschnitt des Werkzeugs gemäß 1 und 2;
4 Längsschnitt des Werkzeugs gemäß 1 bis 3 im Bereich der Formzähne des Werkzeugs;
5a bis 5c Querschnittsdarstellungen unterschiedlicher Ausführungsbei spiele eines Formzahnes;
6a ein Werkzeug mit elf (nicht-spiralig angeordneten) Formleisten zum Gewindeformen von eingängigen Gewinden und einer Leiste von Kernschneiden;
6b ein Werkzeug mit zwölf (nicht-spiralig angeordneten) Formleisten zum Gewindeformen von eingängigen Gewinden und einer Senkfase mit einem (axialen) Schneidabschnitt;
6c ein Werkzeug mit zwölf (nicht-spiralig angeordneten) Formleisten zum Gewindeformen von eingängigen Gewinden und einer Senkfase mit zwei (axialen) Schneidabschnitten;
7 Längsschnitt des Werkzeugs gemäß 1 bis 4 und eines Werkstücks beim Gewindeformen eines Innengewindes vor radialer Zustellung;
8 Längsschnitt des Werkzeugs und des Werkstücks gemäß 7 bei voller radialer Zustellung;
9 Längsschnitt des Werkzeugs und des Werkstücks gemäß 7 bei voller radialer Zustellung und voller axialer Zustellung;
10 Querschnitt des Werkzeugs und des Werkstücks gemäß 8 bei voller radialer Zustellung in einer Stellung, bei der sich die Markierung A der Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks und die Drehposition 1 des Werkzeugs (exakt) gegenüberliegen;
11 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine viertel Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis exakt gleich 1 ist;
12 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine halbe Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis exakt gleich 1 ist;
13 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine dreiviertel Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis exakt gleich 1 ist;
14 Einzeichnung der Stellungen der Drehpositionen 1 bis 4 des Werkzeugs auf der abgewickelten Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks gemäß 10 bis 13, wobei keine axiale Relativbewegung von Werkzeug und Werkstück vorliegt;
15 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine viertel Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis gleich 1/1,10 ist;
16 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine halbe Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis gleich 1/1,10 ist;
17 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine dreiviertel Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis gleich 1/1,10 ist;
18 Konfiguration gemäß 10, wobei das Werkstück um eine volle Drehung weitergedreht ist und das Drehzahlverhältnis gleich 1/1,10 ist;
19 Einzeichnung der Stellungen der Drehpositionen 1 bis 4 des Werkzeugs auf der abgewickelten Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks gemäß 10 und 15 bis 18, wobei eine definierte axiale Relativbewegung von Werkzeug und Werkstück vorliegt;
20a Längsschnitt des Werkzeugs gemäß 6b und eines Werkstücks bei spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen in Bereichen des Werkstücks;
20b Längsschnitt des Werkzeugs gemäß 6c und eines Werkstücks bei spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen in Bereichen des Werkstücks.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 20b mit denselben Bezugszeichen versehen.
WERKZEUG
Das Werkzeug 100 gemäß 1 bis 4 weist einen Grundkörper 101 und einen Gewindeformbereich 102 auf, der um eine zentral längs durch den Grundkörper 101 verlaufende Werkzeugachse A_WZ, die insbesondere eine Hauptträgheitsachse oder Eigenachse des Werkzeugs ist, rotierbar ist. Der Grundkörper 101 ist in der Regel im Wesentlichen zylindrisch, also im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig, geformt. Der Querschnitt des Grundkörpers 101 kann neben der Kreisform auch beliebige andere Formen aufweisen, auch eine sich vergrößernde oder verkleinernde und/oder sich in der Form verändernde Querschnittsform. Insbesondere kann der Grundkörper 101 im eigentlichen Gewindeformbereich 102 einen größeren Durchmesser als im Bereich, der nicht für die eigentliche Gewindeerzeugung relevant ist, aufweisen. Der Grundkörper 101 besitzt einen Teil 103 ohne Gewindeformbereich.
Um im weiteren Verlauf der Beschreibung mittels 1 bis 5 das Werkzeugs 100 und mittels 6 bis 19 das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren zum Erzeugen eines Innengewindes mithilfe des Werkzeugs 100 anschaulich erläutern zu können, sind vier Drehpositionen 1, 2, 3 und 4 auf dem Außenumfang des Werkzeugs 100, die bezogen auf die Werkzeugachse A_WZ des Werkzeugs jeweils um einen Winkel von 90° entgegen dem Uhrzeigersinn (in der gesamten Beschreibung immer bezogen auf die Orientierung der Werkzeugachse A_WZ vom Gewindeformbereich 102 hin zum Anteil 103 ohne Gewindeformbereich des Grundkörpers 101) versetzt sind, markiert.
Am Außenumfang oder an der Mantelfläche des Gewindeformbereiches 102 des Grundkörpers 101 sind in einer um die Werkzeugachse A_WZ verlaufenden Schraubenlinie, die eine konstante Steigung aufweist, Formzähne 11 bis 15, 21 bis 24, 31 bis 34, 41 bis 44 an Drehpositionen 1 bis 4 und weitere Formzähne an weiteren Drehpositionen angeordnet, die radial von der Werkzeugachse A_WZ weg am weitesten nach außen ragen, an denen also das Werkzeug 100 und dessen Grundkörper 101 den größten Außendurchmesser d aufweisen. Insbesondere können die Formzähne dabei so angeordnet sein, dass jeweils ein Formzahn 12 (22, 32, 42, 13, 23, 33, 43 usw.), der nach einem einzelnen vollen Schraubenliniengang auf einen Formzahn 11 (21, 31, 41, 12, 22, 32, 42 usw.) folgt, in Richtung parallel zur Werkzeugachse A_WZ gesehen jeweils genau fluchtend angeordnet ist, so dass auf dem Gewindeformbereich 102 des Grundkörpers 101 sog. (gerade) Formleisten 51, 52, 53, 54 gebildet werden. Durch Versatz von derart übereinander angeordneten Formzähnen um einen konstanten Winkel bzgl. der Werkzeugachse A_WZ kann alternativ auch eine spiralige oder gedrallte Anordnung dieser Formleisten 51, 52, 53, 54 auf dem Gewindeformbereich 102 des Grundkörpers 101 erreicht werden. d₃ ist der Kerndurchmesser, d. h. der Durchmesser, den das Werkzeug 100 und dessen Grundkörper 101 an einer Stelle hat, an der beide den größten Außendurchmesser d aufweisen, wobei der radiale Anteil der Formzähne nicht berücksichtigt wird. Der von dem Gewindeformbereich 102 des Grundkörpers 101 abgewandte Anteil 103 des Grundkörpers 101 besitzt einen Schaftdurchmesser d₄ der gleich groß oder kleiner als der Kerndurchmesser d₃ ist.
Die Gewindesteigung Ph_z, d. h. die Steigung der Schraubenlinie, die von den entsprechend angeordneten Formzähnen gebildet wird, ist der Abstand zwischen zwei benachbarten zur Werkzeugachse A_WZ senkrechten Projektionsebenen, von denen die eine durch einen beliebigen Punkt auf der Schraubenlinie und die andere durch denjenigen Punkt auf der Schraubenlinie, der nach genau einer vollen Drehung der Schraubenlinie um die Werkzeugachse A_WZ erreicht wird, verlaufen. Auf der abgewickelten Zylindermantelfläche des Kernbereiches des Gewindeerzeugungsbereiches schließt die abgetragene Schraubenlinie und die Projektion der Ebene, auf der die Drehachse des Werkstücks A_WS senkrecht steht, einen Winkel φ ein. Für diesen Winkel φ gilt dabei tan φ = Phz/(πd3).
Die Projektion der Schraubenlinie, die von den auf dem Gewindeformbereich 102 des Grundkörpers 101 angeordneten Formzähnen gebildet wird, auf die Längsebene des Werkzeugs gemäß 4 erzeugt eine Projektionslinie 104, die mit der Ebene, auf die die Werkzeugachse A_WZ senkrecht steht, einen Winkel χ einschließt. Auf diese Projektionslinie 104 wiederum steht die Achse 105 senkrecht. Für diesen Winkel χ gilt tan χ = Phz/d3.
In der in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform des Werkzeugs 100 liegt die Längsschnittsachse jedes einzelnen Formzahns 11, 12 bis 15, 21 bis 34, 41, bis 44 in einer Ebene, auf die die Werkzeugachse A_WZ senkrecht steht. Es ist dabei allerdings zu beachten, dass die in 2 gezeigte Ausführungsform des Werkzeugs 100 einen Spezialfall bzgl. der Ausrichtung der Längsschnittsachsen der Formzähne 11 bis 44 darstellt. Im Allgemeinen liegen die Längsschnittsachsen der Formzähne in Ebenen, die mit der Ebene, auf die die Werkzeugachse A_WZ senkrecht steht, Winkel ungleich Null einschließen, wobei insbesondere die Längsschnittsachsen der Formzähne in Ebenen, die mit der Ebene, auf die die Werkzeugachse A_WZ senkrecht steht, ein und denselben festen Winkel ungleich Null einschließen. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass dieser letztgenannte feste Winkel ungleich Null auf die Steigung des zu formenden Gewindes angepasst ist.
Insbesondere bzgl. der Querschnittsebene, die durch einen einzelnen Formzahn 11 bis 44 verläuft, ist der Formzahn 11 bis 44 spiegelsymmetrisch, weist also zueinander spiegelsymmetrische Flanken auf. Aber auch eine asymmetrische Gestalt mit asymmetrischen Flanken ist möglich, die z. B. hinsichtlich des Formverhaltens beim Gewindeformprozess möglichst vorteilhafte Eigenschaften besitzt.
5a, 5b und 5c zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele jeweils eines einzelnen Formzahns 11 bis 44 im Querschnitt. Der Formzahn 11 bis 44 besitzt Flanken 108 bzw. 109, die auf der dem Anteil 103 des Grundkörpers 101 ohne Gewindeformbereich 102 abgewandten 106 bzw. zugewandten 107 Seite liegen. Diese Flanken 108 und 109 können eine ebene und/oder gewölbte, wobei eine konvexe Wölbung bevorzugt ist, Form aufweisen.
Zwischen den beiden Bereichen der Flanken 108 und 109 kann ein Mittelbereich 110, dessen Außenfläche im Wesentlichen parallel zum Grundkörper 101 bzw. der Werkzeugachse A_WZ verläuft, vorhanden sein, so wie es in 5a im Fall für zwei Flanken mit ebener Form dargestellt ist. Dabei kann der Abstand des Mittelbereichs 110 eine festen Wert besitzen oder in tangentialer Richtung Grundkörper 101 variieren. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Außenfläche des Mittelbereich 110 nicht parallel zum Grundkörper 101 bzw. der Werkzeugachse A_WZ verläuft, so z. B. wenn die radial äußersten Abschnitte der Flanken 108 und 109 radial verschieden weit vom Grundkörper 101 bzw. von der Werkzeugachse A_WZ beabstandet sind. Gemäß 5a schließen weiterhin die Flanken 108 bzw. 109 mit zur Werkzeugachse A_WZ senkrechten Projektionsebene einen Winkel β bzw. γ ein. Insbesondere können die Winkel β und γ gleich groß sein oder verschieden groß sein.
Der Mittelbereich zwischen den beiden Bereichen der Flanken 108 und 109 kann aber wie in 5b auch völlig fehlen, so dass die Flanken 108 und 109 an der Stelle, an der sie radial von der Werkzeugachse A_WZ weg am weitesten nach außen ragen, in einem Punkt zusammentreffen.
5c zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Formzahns mit zwei Flanken mit gewölbter Form, wobei eine konvexe Wölbung vorliegt. In der Querschnittsdarstellung sind zwei Projektionslinien 111 bzw. 112 eingezeichnet, die von den Schnittpunkten der Flanken 108 bzw. 109 mit dem Grundkörper 101 bis zu den Stellen der Flanken 108 bzw. 109, an denen sie radial von der Werkzeugachse A_WZ weg am weitesten nach außen ragen, verlaufen. Diese Projektionslinien 111 bzw. 112 schließen mit zur Werkzeugachse A_WZ senkrechten Projektionsebene einen Winkel β bzw. γ ein. Insbesondere können die Winkel β und γ gleich groß sein.
Zusammenfassend ist zur Gestaltung der einzelnen Formzähne festzuhalten, dass diese Gestaltung von verschiedenen Faktoren hinsichtlich des im Werk stück 200 zu erzeugenden Gewindes wie z. B. dem Werkstückmaterial abhängig ist.
6a, 6b und 6c zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Gewindeformen von eingängigen Gewinden, bei denen das Werkzeug zusätzliche Elemente aufweist, die für spanabhebende Bearbeitungsvorgänge beim Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück geeignet sind.
Dabei umfasst das Ausführungsbeispiel des Werkzeugs nach 6a elf (nicht-spiralig angeordneten) Formleisten mit Formzähne 11 bis 15, 21 bis 24, 41 bis 44 an Drehpositionen 1, 2 und 4 und weitere Formzähne an weiteren Drehpositionen und eine Leiste 56 von Kernschneiden 61, 62, 63, 64 und 65 zum Glätten von durch die Formzähne geformten Gewindebereichen.
6b weist dahingegen neben einem Gewindeformbereich 102 des Grundkörpers 101, der dem von 1 bis 4 entspricht, eine Senkfase 120 mit einem (axialen) Schneidabschnitt auf, die sich bzgl. der axialen Vorschubrichtung am Anfang des Werkzeugs 100 befindet. Die Senkfase 120 umfasst dabei Spannuten 127 und Kernreibteile 126 mit Schneiden 121, 122 und 123 zum Schneiden mit definierten Konturen in einem Werkstück in Bereichen, die räumlich vom zu erzeugenden Gewinde getrennt sind.
Gemäß 6c kann das Werkzeug 100 eine Senkfase 125 mit zwei (axialen) Schneidabschnitten besitzen, wobei die Senkfase 125 Spannuten 127 und Kernreibteile 126 mit Schneiden 121, 122, 124 und 124, die so angeordnet sind, dass sie beim Schneiden mit definierten Konturen in einem Werkstück teilweise gleichzeitig im Einsatz sind.
FUNKTION UND VERFAHREN MIT WERKSTÜCK
In den folgenden Betrachtungen rotiert das Werkzeug 100 um die Werkzeugachse A_WZ, weshalb A_WZ auch die Drehachse des Werkzeugs 100 ist. Der Grundkörper 101 des Werkzeugs 100 ist im Betrieb an einem Ende in eine nicht dargestellte Einspannvorrichtung oder einen Werkzeughalter oder ein Werkzeugfutter einer Werkzeugmaschine gehaltert oder eingespannt, die bzw. das mit wenigstens einem Antrieb zum Antreiben oder Bewegen des Werkzeugs 100 gekoppelt ist.
Mithilfe des Werkzeugs 100 wird ein Gewinde in einem Werkstück 200 erzeugt. Dieses Werkstück 200 besitzt analog zum Werkzeug 100 eine durch das Werkstück verlaufende Werkstückachse A_WS, die insbesondere eine Hauptträgheitsachse oder Eigenachse des Werkstücks 200 ist. In geeigneten Ausführungsformen, wie sie auch in den beigefügten Figuren dargestellt sind, der vorliegenden Erfindung, rotiert das Werkstück um eine Drehachse, wobei insbesondere die Drehachse mit der genannten Werkstückachse A_WS zusammenfällt.
7 bis 9 verdeutlichen das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren zum Erzeugen eines Innengewindes mithilfe des Werkzeugs 100 gemäß 1 bis 5 im Werkstück 200 in einer Prinzipdarstellung. Im Folgenden bedeuten axiale bzw. radiale Richtungen diejenigen Richtungen die parallel bzw. in einer Ebene senkrecht zur Werkstückachse A_WS verlaufen.
In 7 sind das Werkzeug 100 gemäß 1 bis 4 und das Werkstück 200, das eine zylinderförmige Ausnehmung mit einem Zylinderdurchmesser D₃ aufweist, im Längsschnitt beim Gewindeformen eines Innengewindes in einem Zustand dargestellt, in dem das Werkzeug 100 bereits so weit in die zylinderförmige Ausnehmung des Werkstücks 200 eingebracht worden ist, dass das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 in radialer Richtung relativ gegeneinander zugestellt werden können, sobald sichergestellt ist, dass (zumindest) das Werkzeug 100 eine Rotationsbewegung um seine Werkzeugachse A_WZ ausführt.
Gemäß 7 gilt für den Durchmesser D₃ der zylinderförmigen Ausnehmung D₃ > d, wobei der Außendurchmesser d des Werkzeugs 100 auch klei ner als der Kerndurchmesser D₁ des zu formenden Innengewindes ist, und die Zylinderachse fällt mit der Werkstückachse A_WS zusammen. Außerdem ist D₃ etwas größer als der Kerndurchmesser D₁ des zu formenden Innengewindes, d. h. es gilt D₃ > D₁ > d. Die Abhängigkeit zwischen dem Zylinderdurchmesser D₃ der Ausnehmung und dem Kerndurchmesser D₁ des zu erzeugenden Innengewindes ist in einschlägiger Literatur zum Gewindefurchen beschrieben (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 9, Seite 318 bis 323).
Während sich das Werkzeugs 100 und das Werkstück 200 im Verlaufe des erfindungsgemäßen Gewindeformverfahrens miteinander im Eingriff befinden, muss gewährleistet sein, dass (zumindest) das Werkzeug 100 eine Rotationsbewegung um seine Werkzeugachse A_WZ ausführt.
Zu beachten ist, dass gemäß der vorliegenden Erfindung, die Drehachse bzw. Werkzeugachse A_WZ des Werkzeugs 100 und die Drehachse bzw. Werkstückachse A_WS des Werkstücks 200, zumindest während sich das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 im Eingriff miteinander befinden, parallel zueinander sind, wobei sich im Falle, dass ein Innengewinde im Werkstück 200 zu formen ist (wie es im Übrigen in 7 bis 19 dargestellt ist), das Werkzeug 100 mit dem Werkstück 200 an der Innenseite des Werkstücks 200, an der ein Innengewinde zu formen ist, in Eingriff befindet.
In 8 ist im Längsschnitt das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 7 bei voller radialer Zustellung t dargestellt, wobei aber noch keine axiale Zustellbewegung ausgeführt worden ist.
9 zeigt im Längsschnitt das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 7 bei voller radialer Zustellung t und voller axialer Zustellung a. Die axiale Zustellung des rotierenden Werkzeugs ist bei gleichbleibender radialer Zustellung, nämlich der vollen radialen Zustellung t, ausgeführt worden. Das Innengewinde ist komplett geformt worden. Das Werkzeug 100 kann unmittelbar im Anschluss an den in 9 dargestellten Zustand soweit senkrecht zur Werkzeugachse A_WZ zur Werkstückachse A_WS hin bewegt wer den, bis die Differenz zwischen der vollen radialen Zustellung t und der dann erreichten radialen Zustellung größer als die Differenz zwischen dem Außendurchmesser D und dem Kerndurchmesser D₁ des geformten Innengewindes ist. Wenn diese letztgenannte Bedingung erfüllt ist, ist sichergestellt, dass sich die Formzähne des Werkzeugs 100 nicht mehr in Eingriff mit dem Werkstück 200 befinden, und mit der Rückholbewegung des Werkzeugs 100 in axialer Richtung aus der zylinderförmigen Ausnehmung des Werkstücks 200 heraus kann begonnen werden.
Um das erfindungsgemäße Verfahren weiter zu erläutern, wird der Arbeitsablauf des Gewindeformens eines Innengewindes für zwei Ausführungsbeispiele des Gewindeformverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung anhand 10 bis 19 genauer betrachtet, die jeweils das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 8 bzw. deren relative Lagen zueinander bei voller radialer Zustellung zu unterschiedlichen Zeitpunkten zeigen.
Für beide gezeigten Ausführungsbeispiele liegt eine Rotation des Werkzeugs 100 um seine Werkzeugachse A_WZ und eine Rotation des Werkstücks 200 um die Werkstückachse A_WS vor, wobei die Rotationsrichtung R_WS des Werkstücks 200 um die Werkstückachse A_WS entgegengesetzt zur Rotationsrichtung R_WZ des Werkzeugs 100 um seine Werkzeugachse A_WZ ist. Es wird dabei vorausgesetzt, dass sich das Werkstück 200 entgegen dem Uhrzeigersinn um seine Werkstückachse A_WS dreht und dass sich das Werkzeug 100 im Uhrzeigersinn um seine Werkzeugachse A_WZ dreht.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist zumindest während der Erzeugung des Gewindes das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ der Drehzahl n_WZ der Rotation des Werkzeugs um seine Werkzeugachse und der Drehzahl n_WS der Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse auf einen konstanten Wert eingestellt. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich dabei darin, dass dieser konstante Wert für das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 10 bis 14 exakt gleich 1 und beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 10 und 15 bis 19 gleich 1/1,10 = 0,909 ist.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren zum Erzeugen eines Innengewindes mithilfe des Werkzeugs 100 im Werkstück 200 werden die vier markierten Drehpositionen 1, 2, 3 und 4 auf dem Außenumfang des Werkzeugs 100, die bezogen auf die Werkzeugachse A_WZ des Werkzeugs jeweils um einen Winkel von 90° entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt sind, hinsichtlich ihrer Stellung zu vier auf der Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks markierten Positionen A, B, C und D, die bezogen auf die Drehachse A_WS des Werkstücks 200 jeweils um einen Winkel von 90° im Uhrzeigersinn versetzt sind, betrachtet.
In der Ausgangskonfiguration für beide dargestellten Ausführungsbeispiele, die in 10 gezeigt ist, befindet sich das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 in einer Stellung, bei der sich die Markierung A der Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks 200 und die Drehposition 1 des Werkzeugs 100 (exakt) gegenüberliegen, d. h. der Abstand zwischen Markierung A und Drehposition 1 ist minimal.
Im Folgenden wird nun das erste Ausführungsbeispiel des Gewindeformverfahrens, wie es in 10 bis 14 veranschaulicht ist, erläutert.
11 zeigt das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 8, wobei das Werkstück 200 um eine viertel Drehung um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 weitergedreht ist, für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ exakt gleich 1 ist. Da n_WS/n_WZ= 1 gilt, hat sich auch das Werkzeug 100 um seine Drehachse A_WZ gegenüber der Stellung in 10 um eine viertel Drehung in der entgegengesetzten Drehrichtung weitergedreht, weshalb sich die Markierung B der Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks 200 und die Drehposition 2 des Werkzeugs 100 (exakt) gegenüberliegen.
In 12 bzw. 13 sind das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 8 abgebildet, wobei das Werkstück 200 um eine halbe bzw. eine dreiviertel Drehung um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 weitergedreht ist, für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ exakt gleich 1 ist. Da n_WS/n_WZ = 1 gilt, hat sich auch das Werkzeug 100 um seine Drehachse A_WZ gegenüber der Stellung in 10 um eine halbe bzw. eine dreiviertel Drehung in der entgegengesetzten Drehrichtung weitergedreht, weshalb sich die Markierung C bzw. D der Zylindermantelfläche und die Drehposition 3 bzw. 4 des Werkzeugs 100 (exakt) gegenüberliegen.
In 14 sind die Stellungen der Drehpositionen 1 bis 4 des Werkzeugs 100 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche des Innenbereiches des Werkstücks 200 für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ exakt gleich 1 ist und keine axiale Relativbewegung von Werkzeug 100 und Werkstück 200 vorliegt, eingezeichnet, wobei vorausgesetzt wird, dass in Richtung der Werkzeugachse A_WZ an jeder Drehposition 1 bis 4 (und an den weiteren nicht-markierten Drehpositionen, an denen sich Formzähne befinden) jeweils vier volle Formzähne genau fluchtend (gerade Formleisten 51 bis 54) auf dem Werkzeug 100 angeordnet sind oder anders ausgedrückt, dass die Formzähne des Werkzeugs vier Schraubenliniengänge bilden, so wie es in 4 dargestellt ist.
D. h. gemäß 10 liegen in 14 alle Formzähne, die sich an der Drehposition 1 befinden (dies sind jeweils vier volle (!) Formzähne 11 bis 15), auf der abgewickelten Zylindermantelfläche an der durch A markierten Stelle, wobei die Positionen der Formzähne durch Kreuze kenntlich gemacht sind. (Bemerkung: Die Tatsache, dass an der durch Markierung A gekennzeichneten Stelle der Zylindermantelfläche fünf Kreuze eingezeichnet sind, rührt daher, dass in dieser Stellung des Werkzeugs 100 und des Werkstücks 200 zueinander gerade die beiden „halben" Formzähne 11 und 15, die sich in 4 im Längsschnitt in axialer Richtung gesehen jeweils genau am vorderen und hinteren Ende des Gewindeformbereiches 102 befinden, an der durch Markierung A gekennzeichneten Stelle der Zylindermantelfläche anlie gen. Diese beiden „halben" Formzähne 11 und 15 sind also quasi als ein einziger „voller" Formzahn aufzufassen bzw. zu zählen.)
Nach der in 11 dargestellten viertel Drehung des Werkstücks 200 um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 befinden sich in 14 die Formzähne 21 bis 24 der durch 2 markierten Drehposition des Außenumfanges des Werkzeugs 100 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche an der durch B markierten Position. Entsprechend befinden sich auf der abgewickelten Zylindermantelfläche die Formzähne 31 bis 34 bzw. 41 bis 44 der durch 3 bzw. 4 markierten Drehpositionen des Außenumfanges des Werkzeugs 100 nach der in 12 bzw. 13 dargestellten halben bzw. dreiviertel Drehung des Werkstücks 200 um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 an den durch C bzw. D markierten Positionen.
Nach einer vollen Drehung des Werkstücks 200 um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 wird dann exakt wieder die Ausgangsposition wie in 10 angenommen, was in 14 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche der Konfiguration am rechten Rand der Zeichnung entspricht.
Wird in 14 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche gestrichelt die Projektion der Ebene, auf der die Werkstückachse A_WS (und damit auch die Werkzeugachse A_WZ) senkrecht steht, eingezeichnet, so erkennt man, dass die daraus resultierende Projektionslinie zusammen mit den geformten Gewindegängen, die in 14 denjenigen parallelen Geraden entsprechen, die sich ergeben, wenn durch benachbarte markierte Eingriffspositionen der Formzähne für jeweils einen geformten Gewindegang Geraden gelegt werden (d. h. die vier Geraden, die durch die markierten Positionen 12 bis 11, 13 bis 12, 14 bis 13 und 15 bis 14 verlaufen) den Steigungswinkel φ einschließen. Für den Steigungswinkel φ gilt dabei tan φ = Ph_z/(πD₁).
Nun wird das zweite Ausführungsbeispiel des Gewindeformverfahrens, wie es in 10 und 15 bis 19 veranschaulicht ist, erläutert.
15 zeigt das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 8, wobei das Werkstück 200 um eine viertel Drehung um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 weitergedreht ist, für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ gleich 1/1,10 = 0,909 ist. Da n_WS/n_WZ = 1/1,10 gilt, hat sich das Werkzeug 100 um seine Werkzeugachse A_WZ gegenüber der Stellung in 10 um einen Winkel Δ = n_WZ/n_WS·90°=99° in der entgegengesetzten Drehrichtung weitergedreht, weshalb sich die Markierung B der abgewickelten Zylindermantelfläche und die Drehposition 2 des Werkzeugs nicht mehr gegenüberliegen. Vielmehr ist die durch 2 markierte Drehposition des Außenumfanges des Werkzeugs zu einem früheren Zeitpunkt bei derjenigen Position auf der abgewickelten Zylindermantelfläche, die bzgl. der Markierung A der Zylindermantelfläche und der Drehachse A_WS einen Winkel von Θ = 90°/1,10 = 81,82° einschließt.
In 16, 17 bzw. 18 sind das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 gemäß 8 abgebildet, wobei das Werkstück 100 um eine halbe, eine dreiviertel bzw. eine volle Drehung um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 weitergedreht ist, für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_wz gleich 1/1,10 ist. Da n_WS/n_WZ = 1/1,10 gilt, hat sich das Werkzeug 100 um seine Werkzeugachse A_WZ gegenüber der Stellung in 10 um 2Δ=198°, 3Δ=297° bzw. 4Δ=396° in der entgegengesetzten Drehrichtung weitergedreht, weshalb sich die Markierungen C, D bzw. A der abgewickelten Zylindermantelfläche und die Drehpositionen 3, 4 und 1 des Werkzeugs 100 nicht mehr gegenüberliegen. Vielmehr sind die durch 3, 4 und 1 markierten Drehpositionen des Außenumfanges des Werkzeugs 100 zu jeweils früheren Zeitpunkten bei denjenigen Positionen auf der abgewickelten Zylindermantelfläche, die bzgl. der Markierung A der Zylindermantelfläche und der Werkstückachse A_WS jeweils Winkel von 2Θ=163,63° bzw. 3Θ=245,46° bzw. 4Θ=327,27° einschließen.
Analog zu 14 sind in 19 die Stellungen der Drehpositionen 1 bis 4 des Werkzeugs 100 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche für den Fall, dass das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ gleich 1/1,10 ist und eine zusätzliche axiale Relativbewegung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander mit einer axialen Geschwindigkeit v_ax vax =(nWS – nWZ)Phz vorliegt, eingezeichnet. Dabei ist v_ax die axiale Geschwindigkeitskomponente oder der skalare Wert desjenigen Anteils v_ax e →_y des Geschwindigkeitsvektors der Bewegung von Werkzeug und Werkstück relativ zueinander, definiert, wobei e →_y der Einheitsvektor in axialer Richtung gemäß 19 ist. Ein positiver Wert von v_ax steht somit für eine axiale Bewegung deren Orientierung mit der Orientierung von e →_y übereinstimmt und ein negativer Wert von v_ax steht somit für eine axiale Bewegung deren Orientierung entgegengesetzt zur Orientierung von e →_y ist.
D. h. gemäß 10 liegen alle Formzähne, die sich an der Drehposition 1 befinden, auf der abgewickelten Zylindermantelfläche an der durch A markierten Stelle am linken Rand, wobei die Positionen der Formzähne 11 bis 15 durch Kreuze kenntlich gemacht sind. Nach der in 15 dargestellten viertel Drehung des Werkstücks 100 um seine Drehachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 befinden sich die Formzähne 21 bis 24 der durch 2 markierten Drehposition des Außenumfanges des Werkzeugs 100 auf der abgewickelten Zylindermantelfläche an einer Position, die in x-Richtung von der durch B markierten Position den Abstand
und in axialer Richtung von der durch B markierten Position den Abstand
aufweist. Entsprechend befinden sich auf der abgewickelten Zylindermantelfläche die Formzähne 31 bis 34 bzw. 31 bis 34 bzw. 41 bis 44 bzw. 11 bis 15 der durch 3 bzw. 4 bzw. 1 markierten Drehpositionen des Außenumfanges des Werkzeugs 100 nach der in der 16, 17 bzw. 18 dargestellten halben, dreiviertel bzw. vollen Drehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS gegenüber der Stellung in 10 an Positionen, die von den durch C, D bzw. A markierten Positionen die Abstände 2Δs_x = –(0,10/1,10)·πD₁/2 und 2Δs_y = –(0,10/1,10)·Ph_z/2,3Δs_x = –(0,10/1,10) 3πD₁/4 und 2Δs_y = –(0,10/1,10)·3Ph_z/4, bzw. 4Δs_x = –(0,10/1,10)·πD₁ und 4Δs_y = –(0,10/1,10)·Ph_z aufweisen. Zu beachten ist dabei, dass nach einer vollen Drehung des Werkzeugs 100 um seine Werkzeugachse A_WZ der Formzahn 15 in axialer Richtung gegenüber seiner Ausgangsstellung (d. h. gemäß 10) um ein Wegstück
abweicht und dass nach einer vollen Drehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS das Werkzeug 100 in axialer Richtung gegenüber seiner Ausgangsstellung (d. h. gemäß 10) um ein Wegstück
abweicht. Für den Steigungswinkel φ gilt dabei tan φ = Ph_z/(πD₁). D. h., aufgrund des Drehzahlverhältnisses n_WS/n_WZ = 1/1,10 und der gleichzeitigen axialen Relativbewegung von Werkzeug 100 und Werkstück 200 mit der Geschwindigkeit vax =(nWS – nWZ)Phz wird erreicht, dass der Steigungswinkel genauso groß ist wie beim Gewindeformen mit Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ = 1 und keiner axialen Relativbewegung von Werkzeug 100 und Werkstück 200.
Im Vergleich besitzt aber ein Gewinde, das mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bei wenigstens einem eingestellten konstanten Wert für das Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ ungleich 1 geformt worden ist und bei dem mehr als eine volle Umdrehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS ausgeführt worden ist, während sich das Werkzeug 100 und das Werkstück 200 miteinander in Eingriff befunden haben, gegenüber einem Gewinde, das mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem eingestellten konstanten Wert für Drehzahlverhältnis n_WS/n_WZ (exakt) gleich 1 geformt worden ist, den Vorteil, dass das auf diese Weise bei wenigstens einem eingestellten konstanten Wert für n_WS/n_WZ ungleich 1 geformte Gewinde einem Glättungsprozess unterworfen worden ist.
Dieser Glättungsprozess ist eine Folge der Tatsache, dass beim Gewindeformen bei wenigstens einem eingestellten konstanten Wert für n_WS/n_WZ ungleich 1 ein einzelner beliebiger Formzahn, der sich in einer Eingriffsposition mit dem Werkstück 200 befindet, nach einer vollen Umdrehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS seine Eingriffsposition (wobei vorausgesetzt sei, dass sich dieser Formzahn nach der ausgeführten vollen Umdrehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS in axialer Richtung gesehen nicht bereits außerhalb des Werkstücks 200 befindet) von seiner Eingriffsposition, die er eine volle Umdrehung des Werkstücks 200 um seine Werkstückachse A_WS zuvor eingenommen hat, um eine (geringe) Wegdifferenz abweicht (siehe Erläuterungen im Zusammenhang mit 15 bis 19). Somit kommt es zur gewünschten Glättung des zu formenden bzw. geformten Gewindes.
In 20a sind das sich um seine Werkzeugachse A_WZ rotierende Werkzeug 100 gemäß 6b und das Werkstück 200, in dem bereits ein Gewinde geformt worden ist, im Längsschnitt beim nachträglichen Ausführen von spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen in Bereichen des Werkstücks 200 mittels der zusätzlichen Elemente des Werkzeugs 100 gemäß 6b dargestellt. Dabei werden mithilfe der Kernreibteile 126 und der Schneiden 121 bis 123 der Senkfase 120 definierte Konturen im Werkstück 200 erzeugt.
20b zeigt das sich um seine Werkzeugachse A_WZ rotierende Werkzeug 100 gemäß 6c und das Werkstück 200, in dem bereits ein Gewinde geformt worden ist, im Längsschnitt beim nachträglichen Ausführen von spanabhebende Bearbeitungsvorgängen in Bereichen des Werkstücks 200 mittels der zusätzlichen Elemente des Werkzeugs 100 gemäß 6c, wobei dessen zwei Senkfasen 120 und 125 so gestaltet sind, dass gleichzeitig durch mehrere der Schneiden 121 bis 124 spanabhebende Bearbeitungsvorgänge am Werkstück 200 vorgenommen werden bzw. werden können.

1, 2, 3, 4: Drehpositionen
11, 12, 13, 14, 15,: Formzähne
21, 22, 23, 24,
31, 32, 33, 34,
41, 42, 43, 44
51, 52, 53, 54: Formleisten
56: Leiste von Kernschneiden
61, 62, 63, 64, 65: Kernschneiden
100: Werkzeug
101: Grundkörper
102: Gewindeformbereich
103: Anteil des Grundkörpers ohne Gewindeformbereich
104: Projektionslinie
105: Achse
106: dem Anteil des Grundkörpers ohne Gewindeformbereich
: abgewandte Seite
107: dem Anteil des Grundkörpers ohne Gewindeformbereich
: zugewandte Seite
108, 109: Flanken eines einzelnen Formzahns
110: Mittelbereich eines einzelnen Formzahns
111, 112: Projektionslinien
120, 125: Senkfasen
121, 122, 123, 124: Schneiden
126: Kernreibteil
127: Spannut
200: Werkstück
A_WZ: Werkzeugachse
A_WS: Werkstückachse
t: volle radiale Zustellung
a: volle axiale Zustellung
δPh_z: axiale Zustellung bei voller Umdrehung des Werkzeugs
Ph_z: Steigung der Schraubenlinie
φ: Steigungswinkel der Schraubenlinie
χ: Winkel
β, γ: Gewindeflankenwinkel
d: Außendurchmesser des Werkzeugs
d₃: Kerndurchmesser des Werkzeugs
d₄: Schaftdurchmesser des Werkzeugs
D: Außendurchmesser des Innengewindes
D₁: Kerndurchmesser des Innengewindes
D₃: Zylinderdurchmesser
R_WZ: Rotationsrichtung des Werkzeugs
R_WS: Rotationsrichtung des Werkstücks
Δ, 2Δ, 3Δ, 4Δ: Winkel
Θ, 2Θ, 3Θ, 4Θ: Winkel
Δs_x, 2Δs_x,: Abstände in x-Richtung
3Δs_y, 4Δs_X
Δs_y, 2Δs_y,: Abstände in axialer Richtung
3Δs_y, 4Δs_Y

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück (200), bei dem a) ein Werkzeug (100), a1) das entweder einen Formzahn a2) oder mehrere Formzähne, die bezogen auf eine durch das Werkzeug (100) verlaufende Werkzeugachse (A_WZ) in einer spiral- oder schraubenförmigen Anordnung, die eine vorgegebene Steigung und einen vorgegebenen Umlaufsinn aufweist, hintereinander angeordnet sind, umfasst, a3) um die Werkzeugachse (A_WZ) rotiert wird, b) das Werkzeug (100) und das Werkstück (200) relativ zueinander zugestellt werden, so dass der Formzahn bzw. die Formzähne des Werkzeugs (100) in Eingriff mit dem Werkstück (200) gebracht wird bzw. werden, und c) das Werkstück (200) und/oder das Werkzeug (100) um eine Werkstückachse (A_WS) gedreht wird/werden, wobei die Werkstückachse (A_WS) und die Werkzeugachse (A_WZ) wenigstens annährend parallel zueinander gerichtet sind oder werden, d) wobei das Gewinde durch Eindrücken des Formzahns bzw. der Formzähne des Werkzeugs (100) in die Werkstückoberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Umlaufsinn des erzeugten Gewindes im Werkstück (200) in einer Richtung axial zur Werkstückachse (A_WS) gesehen entgegengesetzt zum Umlaufsinn der Anordnung der Formzähne des Werkzeugs (100) in der gleichen Richtung der zur Werkstückachse (A_WS) parallelen Werkzeugachse (A_WZ) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest während der Erzeugung des Gewindes eine Rotation des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) und eine Rotation des Werkstücks um die Werkstückachse (A_WS), wobei die Rotationsrichtung (R_WS) des Werkstücks (200) um die Werkstückachse (A_WS) entgegengesetzt zur Rotationsrich tung (R_WZ) des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) ist, vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest während der Erzeugung des Gewindes eine Rotation des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) und eine Rotation des Werkzeugs (200) um die Werkstückachse (A_WS), wobei die Rotationsrichtung (R_WZ) des Werkzeugs (100) um die Werkstückachse (A_WS) gleichgerichtet zur Rotationsrichtung (R_WZ) des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) ist, vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zumindest während der Erzeugung des Gewindes das Drehzahlverhältnis (n_WS/n_WZ) der Drehzahl (n_WZ) der Rotation des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) und der Drehzahl (n_WS) der Rotation des Werkstücks (200) um die Werkstückachse (A_WS) und/oder des Werkzeugs (100) um die Werkstückachse (A_WS) auf wenigstens einen konstanten Wert eingestellt ist oder wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis gleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis ungleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem wenigstens ein konstanter Wert für das Drehzahlverhältnis aus einem Bereich um 1 gewählt ist, insbesondere aus einem Bereich von 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,95 bis 1,05, jeweils ausgenommen 1.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Werkzeug (100) und Werkstück (200) in einer Axialbewegung axial oder pa rallel zur Werkzeugachse (A_WZ) oder Werkstückachse (A_WS) relativ zueinander zugestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die axiale Geschwindigkeitskomponente v_ax der Axialbewegung von Werkzeug (100) und Werkstück (200) relativ zueinander abhängig von dem Drehzahlverhältnis, insbesondere von dessen jeweiligem konstanten Wert, aus der Drehzahl (n_WZ) der Rotation des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) und der Drehzahl (n_WS) der Rotation des Werkstücks (200) um die Werkstückachse (A_WS) und/oder des Werkzeugs (100) um die Werkstückachse (A_WS) und/oder abhängig von der Steigung des zu erzeugenden Gewindes und/oder abhängig von der Steigung (Ph_z) der Anordnung der Formzähne gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_ax) der Axialbewegung von Werkzeug (100) und Werkstück (200) relativ zueinander so gewählt ist, dass folgende Gleichung erfüllt ist: vax = (nWS – nWZ)Phz,wobei n_WS die Drehzahl des Werkstücks (200) um die Werkstückachse (A_WS) oder die Drehzahl des Werkzeugs (100) um die Werkstückachse (A_WS), n_WZ die Drehzahl des Werkzeugs (100) um seine Werkzeugachse (A_WZ) und Ph_z die Steigung einer Spiral- oder Schraubenlinie, in der die Formzähne um die Werkzeugachse (A_WZ) herum angeordnet sind, sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 oder einem der von Anspruch 3 oder 4 abhängigen Ansprüche, bei dem während wenigstens einer Phase, in der keine relative Axialbewegung von Werkzeug (100) und Werkstück (200) vorliegt, der wenigstens eine konstante Wert für das Drehzahlverhältnis gleich 1 gewählt ist, und während wenigstens einer Phase, in der eine relative Axialbewegung von Werkzeug (100) und Werk stück (200) vorliegt, der konstante Wert für das Drehzahlverhältnis ungleich 1, vorzugsweise aus einem Bereich um 1, insbesondere einem Bereich von 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,95 bis 1,05, gewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zustellung von Werkzeug (100) und Werkstück (200) relativ zueinander radial zu der Werkstückachse (A_WS) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und nach Anspruch 13, bei dem die axiale Zustellung und die radiale Zustellung von Werkzeug (100) und Werkstück (200) relativ zueinander in der Form eine Zustelleinfahrschleife, d. h. einer kombinierten Bewegung, ausgeprägt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem jeder Formzahn ein Gewindeformprofil aufweist, das einen ersten Flankenbereich, einen Zentralbereich und einen zweiten Flankenbereich umfasst, die entlang des Abschnitts einer Spiral- oder Schraubenlinie nacheinander angeordnet sind, wobei der Zentralbereich radial von der Werkzeugachse (A_WZ) am weitesten nach außen ragt und der radiale Abstand jedes der Flankenbereiche von der Werkzeugachse (A_WZ) jeweils zum Zentralbereich hin zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 15 bei dem das Gewindeprofil jedes Formzahns parallel zu einer Ebene, auf die die Werkzeugachse (A_WZ) senkrecht steht, verläuft.
Verfahren nach Anspruch 15 bei dem das Gewindeformprofil jedes Formzahns einen Steigungswinkel bzgl. einer Ebene, auf die die Werkzeugachse (A_WZ) senkrecht steht, besitzt, der gleich dem Steigungswinkel des im Werkstück (200) zu erzeugenden Gewindes ist, und wobei dieser Steigungswinkel bzgl. dieser Ebene gerade in entgegengesetzter Richtung zum Steigungswinkel der Anordnung der Formzähne entlang dem Abschnitt der die Werkzeugachse (A_WZ) umlaufenden Spiral- oder Schraubenlinie ist.
Verfahren einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem jeder Formzahn an beiden Seiten des Gewindeformprofils abfallende Zahnseitenflächen aufweist
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem das Gewindeformprofil im Zentralbereich entlang des Gewindeformprofils und/oder in orthogonaler Richtung oder zu den Zahnseitenflächen hin abgerundet oder konvex gekrümmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das oder jedes Gewindeformprofil einen stetigen oder stufenlosen Verlauf hat.
Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüche 15 bis 20, bei dem der maximale radiale Abstand der Gewindeformprofile von axial hintereinander angeordneten Formzähnen von der Werkzeugachse (A_WZ) entgegen einer axialen Vorschubrichtung und/oder von einem Ende des Werkzeugs (100) weg gerichtet zumindest in einem Anlaufbereich des Werkzeugs (100) zumindest abschnittsweise zunimmt, vorzugsweise wenigstens abschnittsweise linear zunimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkzeug (100) zusätzliche Elemente oder Abschnitte aufweist, die für spanabhebende Bearbeitungsvorgänge beim Erzeugen eines Gewindes in einem Werkstück (200) geeignet sind, und bei dem neben Bearbeitungsvorgängen, die im Zusammenhang mit dem Eindrücken des Formzahns bzw. der Formzähne des Werkzeugs (100) in die Werkstückoberfläche vorgenommen werden, auch spanabhebende Bearbeitungsvorgänge vorgenommen werden, bei denen diese zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) zum Einsatz gelangen.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) zumindest eine Kernschneide umfassen.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) zumindest eine Senkfase (120, 125) mit zumindest einem Schneidteil umfassen.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die zumindest eine Senkfase (120, 125) des Werkzeugs (100) zumindest ein Kernreibteil (126) und/oder zumindest eine Spannute (127) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) in einem Abschnitt, der sich bzgl. der axialen Vorschubrichtung am Anfang des Werkzeugs (100) befindet, angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei dem die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) in einem Abschnitt, der sich bzgl. der axialen Vorschubrichtung in der Mitte des Werkzeugs (100) befindet, angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem die zusätzlichen Elemente oder Abschnitte des Werkzeugs (100) in einem Abschnitt, der sich bzgl. der axialen Vorschubrichtung am Ende des Werkzeugs (100) befindet, angeordnet sind.