DE102006028380A1

DE102006028380A1 - Werkzeug und Verfahren zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes mit Furchflächenaufteilung

Info

Publication number: DE102006028380A1
Application number: DE102006028380A
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: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: DE102006028380B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes, wobei das Werkzeug a) um eine Werkzeugachse drehbar ist oder sich dreht und b) mehrere Formzähne, die, in einer Vorschubrichtung gesehen, nacheinander angeordnet sind, zum plastischen Eindrücken des Materials des Werkstücks aufweist, c) wobei jeder Formzahn ein Zahnprofil mit jeweils zwei Zahnflanken und einem die beiden Zahnflanken verbindenden, radial von der Werkzeugachse nach außen ragenden Zahnkopf aufweist, d) wobei bei wenigstens einem ersten Formzahn (13, 15) das Zahnprofil einen weniger weit nach außen ragenden Zahnkopf und einen größeren Abstand oder Zwischenraum zwischen den Zahnflanken aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes und d) wobei bei wenigstens einem zweiten Formzahn (12, 14, 16) das Zahnprofil einen radial weiter nach außen ragenden Zahnkopf aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren jeweils zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes.
Zur Gewindeerzeugung oder Gewindenachbearbeitung sind ausschließlich spanabhebend, ausschließlich spanlos und sowohl spanabhebend als auch spanlos arbeitende Verfahren und Gewindewerkzeuge bekannt. Spanabhebende Gewindeerzeugung beruht auf Abtrag des Materials des Werkstücks im Bereich des Gewindeganges (oder: Gewindeprofils). Spanlose Gewindeerzeugung beruht auf einer Erzeugung des Gewindeganges in dem Werkstück durch Druck und die dadurch bewirkte Umformung oder plastische Verformung des Werkstücks. Ein Vorteil der spanlosen Gewindeerzeugung im Vergleich zu spanabhebender Gewindeerzeugung ist, dass durch die Verfestigung oder Verdichtung an der Oberfläche die Härte des Werkstoffs im Bereich des Gewindeprofils ansteigt und somit ein verschleißfesteres Gewinde erzeugt werden kann.
Unter die spanlosen Gewindeerzeugungswerkzeuge fallen die sogenannten Gewindefurcher (vgl. (vgl. 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, Kapitel 9, Seiten 299 bis 324).
Gewindefurcher sind Gewindewerkzeuge mit einem an einem Werkzeugschaft ausgebildeten Außenprofil oder Außengewinde, das die Werkzeugachse spiral- oder schraubenförmig mit der Steigung des zu erzeugenden Gewindes umläuft und einen annähernd polygonalen Querschnitt aufweist. Die im Allgemeinen abgerundete Polygon-Eckbereiche bilden Drückstollen oder Furchzähne oder Formkeile, die das Gewinde durch plastische Verformung und Fließen des Werkstückmaterials in die Zwischenräume zwischen dem Außenprofil einerseits und Verdichtung des Werkstückmaterials andererseits in das Werkstück eindrücken. Zur Erzeugung eines Innengewindes in einer bereits vorhandenen Bohrung wird der Gewindefurcher mit einer linearen Vorschubbewegung axial zur Werkzeugachse und unter Drehung des Werkzeugs um diese Werkzeugachse in die Bohrung eingeführt. Der Außendurchmesser oder der Querschnitt des Gewindefurchers nimmt in einem Anfurchbereich vom vorderen Ende des Werkzeugs nach hinten, zumeist konisch, zu und bleibt in einem anschließenden Kalibrier- und/oder Führungsbereich im Wesentlichen gleich. Dadurch wird der Gewindegang schrittweise durch die immer tiefer in das Werkstück eindrückenden Furchzähne des Anlaufbereichs erzeugt und durch die in ihrer Eindrücktiefe gleichbleibenden Furchzähne des Kalibrierbereichs gegebenenfalls noch nachgeglättet oder kalibriert. Bekannte Ausführungsbeispiele solcher (axialen) Gewindefurcher finden sich auch in DE 101 36 293 A1 , DE 199 58 827 A1 , oder auch in DE 39 34 621 C2 .
Aus DE 10 2004 033 772 A1 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem in einem ersten Arbeitsschritt im Werkstück ein Vorgewinde spanend oder spanlos vorerzeugt wird mittels eines Gewindebohrers, Gewindefräsers, durch Drehen, Schleifen oder Wickeln oder auch mittels eines Gewindefurchers und in einem zweiten Arbeitsschritt die Fertigerzeugung des Vorgewindes spanlos erfolgt unter Verwendung eines Gewindefurchers, dessen Formkeile in den Gewindegrund oder Boden des Vorgewindes eindrücken. Die Formkeile werden dabei durch Verbreiterungen ihrer Flanken im vorerzeugten Gewinde zentriert. Die Gewindeflanken des im ersten Arbeitsschritt erzeugten Vorgewindes bleiben im zweiten Arbeitsschritt unverändert, da die Verbreiterungen der Formkeilflanken nur an den Vorgewindeflanken zur Zentrierung anliegen, diese jedoch nicht verformen. Im zweiten Arbeitsschritt wird das Werkstückmaterial lediglich im Bereich des die beiden Ge windeflanken verbindenden Gewindegrund des Vorgewindes weiter verformt durch Eindrücken der Formkeile.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein neues Werkzeug und ein neues Verfahren zur spanlosen Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung hinsichtlich des Werkzeugs gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Werkzeugs sowie des Verfahrens ergeben sich aus den vom Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 8 jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Das Werkzeug gemäß Patentanspruch 1 ist zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes in einem Werkstück geeignet und vorzugsweise auch bestimmt. Das Werkzeug

a) ist um eine Werkzeugachse drehbar ist oder drehend und
b) weist mehrere Formzähne, die in einer Vorschubrichtung gesehen nacheinander angeordnet sind, zum plastisches Eindrücken des Materials des Werkstücks auf,
c) wobei jeder Formzahn ein Zahnprofil mit jeweils zwei Zahnflanken und einem die beiden Zahnflanken verbindenden, radial von der Werkzeugachse nach außen ragenden Zahnkopf aufweist,
d) wobei bei wenigstens einem ersten Formzahn (13, 15) das Zahnprofil einen weniger weit nach außen ragenden Zahnkopf und einen größeren Abstand oder Zwischenraum zwischen den Zahnflanken aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes und
e) wobei bei wenigstens einem zweiten Formzahn (12, 14, 16) das Zahnprofil einen radial weiter nach außen ragenden Zahnkopf aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes.

Bei dem Verfahren zum Erzeugen oder Nachbearbeiten eines Gewindes in einem Werkstück gemäß Patentanspruch 8 werden

a) das Gewinde in aufeinander folgenden Verfahrensschritten durch plastisches Eindrücken des Materials des Werkstücks erzeugt oder nachbearbeitet,
b) in wenigstens einem der Verfahrensschritte
b1) ein in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugtes Zwischengewinde in seiner Gewindetiefe vergrößert oder
b2) das Material des Werkstücks zumindest am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewinde weiter eingedrückt,
c) und in wenigstens einem weiteren der Verfahrensschritte
c1) ein in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugtes Zwischengewinde in seiner Gewindebreite oder in dem Zwischenraum zwischen den Gewindeflanken vergrößert und in seiner Gewindetiefe nicht verändert oder
c2) das Material des Werkstücks an den Gewindeflanken, nicht jedoch am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritten erzeugten Zwischengewindes weiter eingedrückt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise mit einem Werkzeug gemäß der Erfindung durchgeführt, kann aber auch mit mehreren nacheinander zum Einsatz kommenden Werkzeugen für einzelne Verfahrensschritte durchgeführt werden.
Bei Verwendung des Werkzeugs gemäß der Erfindung in dem Verfahren gemäß der Erfindung werden vorzugsweise der wenigstens eine erste Formzahn (gemäß Merkmal d) des Patentanspruchs 1) für wenigstens einen ersten Verfahrensschritt (gemäß Merkmal b) des Patentanspruchs 10) und der wenigstens eine zweite Formzahn (gemäß Merkmal e) des Patentanspruchs 1) für wenigstens einen zweiten Verfahrensschritt (gemäß Merkmal c) des Patentanspruchs 10) vorgesehen.
Beim plastischen Eindrücken wird ein so hoher Druck auf die Werkstückoberfläche mittels des Werkzeugs ausgeübt, dass sich, über eine rein elastische Verformung hinaus, eine gezielte plastische Umformung des Werkstückmaterials im Gewindebereich ergibt, die wiederum zu einer Volumenvergrößerung im darauffolgenden Gewindeprofil gegenüber dem vorherigen Gewindeprofil führt. Das plastische Eindrücken oder Umformen bewirkt eine Verdichtung oder Verfestigung des Gefüges im Werkstückmaterial an den betroffenen Gewindeprofilbereiche und in der Regel auch ein Fließen des Werkstückmaterials, wenn der ausgeübte Druck oberhalb der Fließgrenze des Werkstückmaterials liegt. Sowohl die Verdichtungsvorgänge als auch die Fließvorgänge führen für sich oder in Kombination zu der angestrebten Volumenverkleinerung des Werkstückmaterials und der komplementären Volumenvergrößerung des Gewindeprofils.
Das Eindrückvolumen ergibt sich insbesondere als Differenzvolumen der jeweiligen Abmessungen der aufeinanderfolgenden Gewindeprofile oder der Zahnprofile des Werkzeugs abzüglich eines eventuellen und in der Regel relativ kleinen Rückstellvolumens aufgrund elastischer Rückstellung des Werkstückmaterials.
Die Reihenfolge und Anzahl der beiden Verfahrenschritte

b) Vergrößern der Gewindetiefe eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes oder weiteres Eindrücken des Materials des Werkstücks zumindest am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes (erster Verfahrensschritt)
c) Vergrößern der Gewindebreite oder des Zwischenraums zwischen den Gewindeflanken eines ein in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes ohne Veränderung der Gewindetiefe dieses Zwischengewindes oder weiteres Eindrücken des Materials des Werkstücks an den Gewindeflanken, nicht jedoch am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes (zweiter Verfahrensschritt)

Ein Gewindeprofil, sei es ein Zwischengewindeprofil oder das Endgewindeprofil, ist dabei in der üblichen Weise als Kontur eines Querschnitts des Gewindeganges senkrecht zu dessen spiral- oder schraubenförmigen Verlauf oder eines Längsschnittes durch den Gewindegang in einer zur Gewindemittelachse gemäß der Gewindesteigung geneigten Schnittebene definiert. Ein Zahnprofil eines Formzahnes ist als Kontur oder Profil eines Querschnitts senkrecht zu dessen Vorschubrichtung oder, bei einem Gewindefurcher, eines Schnittes in einer gemäß der Gewindesteigung zur Werkzeugachse geneigten Schnittebene definiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:
1 eine Abfolge von Zwischengewindeprofilen und eines Endgewindeprofils, die in insgesamt sieben Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Erzeugen eines Gewindes erzeugt werden, in einem Längsschnitt
2 eine Abfolge von sieben Gewindeformprofilen oder Profilen von Drückstollen eines Gewindeformwerkzeugs beim Durchführen der sieben Verfahrensschritte gemäß 1 in einem Längsschnitt,
3 einen Gewindefurcher mit einem Anfurchbereich mit einer Abfolge von Drückstollen mit unterschiedlicher Eingriffsbereichen in einer perspektivischen Ansicht,
4 einen Anfurchbereich eines Gewindefurchers mit einem linearen Verlauf in einem Längsschnitt,
5 einen Anfurchbereich eines Gewindefurchers mit einem aus zwei linearen Verläufen unterschiedlicher Steigung zusammengesetzten Verlauf in einem Längsschnitt,
6 einen Anfurchbereich eines Gewindefurchers mit einem konvex gekrümmten Verlauf in einem Längsschnitt, Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen die spanlose Erzeugung eines Gewindes in einem Werkstück 60 in mehreren, im dargestellten Ausführungsbeispiel sieben, Verfahrensschritten, in denen das Gewinde sukzessive weiter in die Werkstückoberfläche 61 mittels eines Gewindefurchers 50 eingedrückt wird. Die Werkstückoberfläche 61 ist in 1 und 2 die zylindrische Innenwandung eines Kernloches oder einer Kern- oder Vorbohrung 70. Der Radius r von der in 1 und 2 nicht dargestellten Mittelachse der Vorbohrung ist an der Werkstückoberfläche 61 vor der Erzeugung des Gewindes gleich dem Kernloch- oder Vorbohrungsradius oder halben Kernloch- oder Vorbohrungsdurchmesser R0 (r = R0). Die Werkzeug- und Drehachse des Gewindefurchers 50 fällt bei der Gewindeerzeugung mit der Mittelachse der Vorbohrung zusammen. Ein Anfurchbereich 51 des Gewindefurchers 50 der Länge L weist fünf Form- oder Furchzähne (oder Drückstollen) 11 bis 15 auf. Der am weitesten radial nach außen ragende Furchzahn 14 beispielsweise weist einen größeren Außenradius r = R2 auf als der erste Furchzahn 11, so dass im Anfurchbereich 51 also im Mittel eine radiale Zustellung verwirklicht ist. Ein sich an den Anfurchbereich 51 anschließender Kalibrier- oder Fertigfurchbereich 52 weist mehrere Furchzähne mit konstantem Außenradius RE mit RE > R2 auf, von denen die beiden ersten Furchzähne 16 und 17 dargestellt sind.
In einem ersten Verfahrensschritt wird nun ein erstes nur schwach ausgeprägtes Zwischengewinde 1 mittels des mit seinem Zahnkopf 11C leicht in die Werkstückoberfläche 61 eingedrückten Furchzahnes 11 geformt. Der Furchzahn 11 weist bevorzugt ein vollständiges Gewindeprofil mit zwei geradlinigen, unter einem Winkel α zueinander angeordneten Zahnflanken 1A und 1B und einem beide Zahnflanken 1A und 1B verbindenden Zahnkopf 1C, der im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet, vorzugsweise kreisförmig, ist, auf.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird in das Zwischengewinde 1 der Zahnkopf 12C des zweiten Furchzahnes 12 eingedrückt und ein gegenüber dem ersten Zwischengewinde 1 im Gewindeprofil oder Gewindegangquerschnitt vergrößertes zweites Zwischengewinde 2 erzeugt. Sowohl die Gewindeprofiltiefe r = R1 > R0, die der tiefsten Stelle des Gewindegrundes 2C entspricht, als auch das Gewindeprofilvolumen in der Gewindelängsrichtung oder entsprechend die Gewindeprofilbreite, die dem Zwischenraum oder einem Abstand der Flanken 2A und 2B, vorzugsweise dem sogenannten Flankendurchmesser, entspricht, sind beim zweiten Zwischengewinde 2 größer als beim ersten Zwischengewinde 1. Das bei dem Eindrücken des Furchzahnes 12 über die Fließgrenze hinaus verformte Material des Werkstücks 60 fließt aus dem Gewindegang radial nach innen und wirft sich an der Werkstückoberfläche 61 an der Vorbohrung 70 in zwei Auswerfungen FA und FB an den beiden Flanken 2A und 2B auf.
Dazu ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 der zweite Furchzahn 11 schmaler ausgebildet als der erste Furchzahn 11 mit zwei unter einem Winkel β, der kleiner ist als der Winkel α des ersten Furchzahnes 11, zueinander geneigten Zahnflanken 12A und 12B und mit einem gerundeten, vorzugsweise kreisrunden, Zahnkopf 12C, dessen äußere Tangenten an den Übergangspunkten zu den Zahnflanken 12A und 12B wieder den größeren Winkel α miteinander einschließen. Die Übergangspunkte P1 zwischen der Zahnflanke 12A und dem Zahnkopf 12C und P2 zwischen der Zahnflanke 12B und dem Zahnkopf 12C liegen jeweils bei r = R0. Das Zahnprofil des zweiten Furch zahnes 12 kann aus dem vollständigen Zahnprofil des ersten Furchzahnes 11 durch Freischleifen an den Flanken hergestellt werden.
Die radiale Differenz R1 – R0 der Gewindegrunde 2C und 1C in 1 oder Zahnköpfe 12C und 11C in 2 ist mit ΔR1 bezeichnet. Der Gewindegrund 2C des zweiten Zwischengewindes 2 entspricht im Wesentlichen der (komplementären) Form (oder Negativform) des Zahnkopfes 12C mit dem Tangentenwinkel α und die Flanken 2A und 2B des zweiten Zwischengewindes 2 schließen an den Auswerfungen FA und FB den Winkel β < α ein, da das Material an den Zahnflanken 12A und 12B des zweiten Furchzahnes 12 entlang fließt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das zweite Zwischengewinde 2 durch Eindrücken des dritten Furchzahnes 13 zu einem dritten Zwischengewinde 3 weitergeformt. Dabei erfolgt eine Umformung des Werkstückmaterials im zweiten Zwischengewinde 2 im Wesentlichen nur an dessen Flanken 2A und 2B.
Die Flanken 3A und 3B des dritten Zwischengewindes 3 sind somit weiter voneinander beabstandet (größerer Flankendurchmesser) als die Flanken 2A und 2B des zweiten Zwischengewindes 2 bzw. öffnen sich unter dem größeren Winkel α an den weiter vergrößerten Auswerfungen FA und FB. Der Gewindegrund 3C des dritten Zwischengewindes 3 ist dagegen praktisch unverändert gegenüber dem Gewindegrund 2C des zweiten Zwischengewindes 2 und liegt weiterhin bei der Profiltiefe oder dem Radius R1 mit dem Tangentenwinkel α.
Gemäß 2 ist der dritte Furchzahn 13 an seinen Zahnflanken 13A und 13B ausgebildet wie das vollständige Profil des ersten Furchzahnes 11 mit dem großen Zwischenwinkel α, ist aber gegenüber dem ersten Furchzahn 11 mit den Zahnflanken 13A und 13B radial weiter zum Werkstück 60 zugestellt und zugleich, insbesondere durch Freischleifen, am Zahnkopf 13C abgeflacht, so dass die maximale radiale Ausdehnung r etwa dem Vorbohrungsra dius R0 entspricht oder geringfügig darüber liegt. Die Übergangspunkte P3 zwischen der Flanke 13A und dem Zahnkopf 13C sowie P4 zwischen der Zahnflanke 13B und dem Zahnkopf 13C liegen etwa bei r = R0.
Aufgrund der größeren Breite des Zahnkopfes 13C gegenüber dem Zahnkopf 12C der vorherigen Furchzahnes 12 bildet sich zwischen dem Gewindegrund 3C und den Flanken 3A und 3B des dritten Zwischengewindes 3 jeweils ein Absatz 3D bzw. 3E bei r = R0, der annähernd parallel zur Werkstückoberfläche 61 verläuft.
In einem vierten Verfahrensschritt wird nun ein vierter Furchzahn 14 in das dritte Zwischengewinde 3 eingedrückt und das Werkstückmaterial an dessen Gewindegrund 3C und den angrenzenden Flankenbereichen der Flanken 3A und 3B verdrängt und umgeformt. Das resultierende vierte Zwischengewinde 4 weist nun einen bis r = R2 mit R2 > R1 tiefer in das Werkstück 60 reichenden, vorzugsweise abgerundetem, Gewindegrund 4C mit einem Tangentialwinkel α und zwei sich bei r = R1 anschließende Flanken 4A und 4B auf, wobei die Flanken 4A und 4B zunächst den kleineren Winkel β einschließen und sich an den nunmehr noch größeren Auswerfungen FA und FB auf den größeren Winkel α aufweiten. Die radiale Differenz R2 – R1 ist mit ΔR2 bezeichnet und ist der Betrag, um den das vierte Zwischengewinde 4 radial weiter in das Werkstück 60 eingearbeitet ist als das dritte Zwischengewinde 3.
Der für diesen vierten Verfahrensschritt gemäß 2 vorgesehene vierte Furchzahn 14 ist wieder schmaler ausgebildet als der vorhergehende dritte Furchzahn 13 und weist zwei unter dem kleineren Winkel β zueinander geneigte Zahnflanken 14A und 14B auf, die jeweils in einem Übergangspunkt P5 bzw. P6 in den, vorzugsweise gerundeten, Zahnkopf 14C mit dem Tangentialwinkel α übergehen. Auch der vierte Furchzahn 14 kann ebenso wie der zweite Furchzahn 12 aus einem vollständigen Furchzahnprofil wie 11 durch Freischleifen an den Zahnflanken unterhalb der Übergangspunkte P5 und P6 erzeugt werden.
In einem fünften Verfahrensschritt wird nun das vierte Zwischengewinde 4 durch Eindrücken eines weiteren, fünften Furchzahnes 15 zu einem fünften Zwischengewinde 5 umgeformt. In diesem fünften Verfahrensschritt erfolgt wiederum ein Eindrücken des Werkstückmaterials im Wesentlichen nur an den Flanken 4A und 4B des vorherigen vierten Zwischengewindes 4.
Das fünfte Zwischengewinde 5 weist einen gegenüber dem Gewindegrund 4C des vierten Zwischengewindes 4 weitgehend unveränderten Gewindegrund 5C und daran anschließende kurze Flankenbereiche 5F und 5G, die den Anfangsbereichen der Flanken 4A und 4B des vierten Zwischengewindes 4 entsprechen und unter dem Winkel β zueinander geneigt sind, auf. Weiter außen ist das fünfte Zwischengewinde 5 jedoch verbreitert und zwar gehen die Flankenbereiche 5F und 5G über Absätze 5D und 5E in unter dem größeren Winkel α zueinander geneigte Flankenbereiche 5A und 5B über, die an den noch weiter radial nach innen ausgeworfenen Auswerfungen FA und FB verlaufen. Die Absätze oder Übergangsbereiche 5D und 5E liegen bei etwa r = R0.
Für diesen fünften Verfahrensschritt wird bevorzugt der Furchzahn 15 gemäß 2 verwendet, der zwei unter dem Winkel α geneigte Zahnflanken 15A und 15B und einen in den Übergangspunkten P7 und P8 in die Zahnflanken 15A und 15B übergehenden Zahnkopf 15C aufweist. Der Zahnkopf 15C ist abgerundet. Die Übergangspunkte P7 und P8 liegen bei r = R0, während der Zahnkopf 15C etwas weiter nach außen ragt, die am weitesten außen liegende Stelle des Zahnkopfes 15C jedoch bei r < R1 liegt. Die an die Übergangspunkte P7 und P8 angrenzenden äußeren Bereiche des Zahnkopfes 15C bilden sich in die entsprechend geformten Absätze 5D und 5B des fünften Zwischengewindes 5 ab.
In einem sechsten Verfahrensschritt wird nun das fünfte Zwischengewinde 5 nochmals weiter in das Werkstück 60 eingeformt. Das resultierende sechste Zwischengewinde 6 ist in 1 gezeigt und weist einen bereits auf den Endradius RE eingeformten Gewindegrund 6C mit einem abgerundeten Profil und dem Tangentenwinkel α auf und zwei sich an den Gewindegrund 6C anschließende Flankenbereiche 6E und 6F, die unter dem kleineren Winkel β zueinander geneigt sind, und zwei sich an diese Flankenbereiche 6E und 6F anschließende den Winkel α einschließende Flanken 6A und 6B an den Auswerfungen FA und FB.
Für diesen sechsten Umformschritt wird bevorzugt der Furchzahn 16 gemäß 2 verwendet, der einen gerundeten Zahnkopf 16C mit dem Tangentenwinkel α und dem Außenradius RE aufweist sowie zwei sich an den Übergangspunkten P9 und P10 an dem Zahnkopf 16C anschließende lineare Flanken 16A und 16B, die unter dem kleineren Winkel β zueinander geneigt sind. Die Übergangspunkte P9 und P10 liegen bei R1 < r < R2 also zwischen den beiden Radien R1 und R2. Die Übergangspunkte P9 und P10 des sechsten Furchzahnes 16 bilden auch in dem sechsten Zwischengewinde 6 die Übergänge zwischen dem Gewindegrund 6C und den Flankenbereichen 6E und 6F, während die Übergangsbereiche zwischen den steileren Flankenbereichen 6E und 6F und den Flanken 6A und 6B etwa bei r = R0 liegen.
In einem siebten und letzten Verfahrensschritt wird nun das vollständige Endgewindeprofil 7 aus dem sechsten Zwischenprofil 6 erzeugt. Das Endgewindeprofil 7 weist einen, in 1 abgerundeten, Gewindegrund 7C und zwei sich an den Gewindegrund 7C an beiden Seiten anschließende geradlinige Gewindeflanken 7A und 7B, die unter dem Winkel α zueinander gerichtet sind, auf. Die Gewindetiefe oder weiteste radiale Ausdehnung des Gewindegrundes 7C ist bei RE. Die Gewindeflanken 7A und 7B erstrecken sich über die nunmehr vollständig ausgekragten oder ausgeformten Krallen oder Auswerfungen FA und FB nach außen.
Der für den siebten Verfahrensschritt vorgesehene Furchzahn 17 gemäß 2 weist das vollständige Zahnprofil auf wie der erste Furchzahn 11 mit den beiden geradlinigen unter dem Winkel α zueinander gerichteten Zahnflanken 17A und 17B und dem in 2 abgerundeten, Gewindegrund 17C mit der maximalen radialen Abmessung RE.
Die dargestellten sieben sukzessiven Formschritte geschehen im Allgemeinen simultan an verschiedenen Stellen des Gewindeganges oder der Werkstückoberfläche 61 an der Vorbohrung bei der axialen Vorwärtsbewegung des sich zugleich um seine nicht dargestellte Werkzeugachse drehenden Gewindefurchers 50. Während also das Gewinde im vorderen, in 1 und 2 linken Bereich der Vorbohrung gerade begonnen wird, wird es im hinteren, rechten Bereich fertiggestellt.
Zur Herstellung der Furchzähne 11 bis 17 kann zunächst ein Gewindeprofil an der Außenseite des mit polygonalem Querschnitt ausgebildeten Gewindefurchers 50 beispielsweise durch Schleifen erzeugt werden, das das vollständige Profil der Furchzähne 11 und 17 aufweist und anschließend können die Formen der Furchzähne 12 bis 16 durch Freischleifen an den Zahnköpfen oder Zahnflanken erzeugt werden.
Es ist in einer Weiterbildung möglich, die Auswerfungen FA und FB nachträglich zu entfernen, beispielsweise mit einem Kernreib- oder -schneidwerkzeug, um den ursprünglichen Kerndurchmesser wiederherzustellen.
3 zeigt nun einen vollständigen Gewindefurcher 50 mit einer Furchzahnanordnung mit unterschiedlicher Furchflächenaufteilung gemäß der Erfindung. Der Gewindefurcher 50 weist einen Schaft 55 auf zum Befestigen an einem Werkzeughalter oder einem Spannfutter einer Werkzeugmaschine und in einem vorderen Bereich einen Arbeitsbereich 54 mit einem Anfurchbereich 51 und einem Fertigfurch- oder Kalibrierbereich 52. Der Gewinde furcher 50 ist um die Werkzeugachse A drehbar und wird in der Vorschubrichtung V unter Drehung um seine eigene Werkzeugachse A in Anpassung an die Gewindesteigung P der einzelnen Furchzähne 21 bis 29 und damit des erzeugten Endgewindes bewegt. Die Furchzähne 21 bis 29 sind auf einem Profilteilbereich eines gewindeförmigen (oder: spiralförmigen oder schraubenförmigen) Profils an der Außenseite des Arbeitsbereiches 54 ausgebildet als weiter nach außen ragende Erhebungen oder Drückstollen eines entsprechend polygonalen Querschnittes des Arbeitsbereichs 54. Die einzelnen Gewindefurchzahnreihen oder Profilteilbereiche sind in axialer Richtung parallel zur Werkzeugachse A durch einzelne Nuten 56 zum Zuführen von Kühl- und/oder Schmiermittel voneinander getrennt.
Die in 3 gezeigten Furchzähne 21 bis 26 weisen unterschiedliche Gewindeformprofile oder Zahnprofile auf, die mit unterschiedlichen Zahnbereichen oder Furchflächen beim Erzeugen des Gewindes in das Werkstück eingreifen, so dass das Gewinde sukzessive an verschiedenen Bereichen der Gewindekontur oder des Gewindeprofils durch die einzelnen Furchzähne 21 bis 26 erzeugt wird. Die weiteren Furchzähne 27 bis 29 sind entsprechend dem vollständigen Endgewindeprofil ausgebildet und führen den Gewindefurcher 50 bzw. kalibrieren und glätten das erzeugte Endgewinde weiter. Für die Ausbildung der einzelnen Zahnprofile der Furchzähne 21 bis 26 kann insbesondere auch auf die Ausführungsform gemäß 2 zurückgegriffen werden.
Die 4 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen des Anfurchbereichs 51 des Gewindefurchers 50.
In 4 ist ein in der Grundform konischer oder kegelförmiger Anfurchbereich 51 vorgesehen mit einem Kegelwinkel δ.
In 5 weist der Anfurchbereich 51 zwei axial aufeinanderfolgende Kegel mit unterschiedlichen Kegelwinkeln δ und ε auf.
In 6 ist eine Freiform mit einer konvexen Krümmung im Anfurchbereich 51 dargestellt.
Die dargestellten Zahnformen und Zwischengewindeprofile sind nur spezielle Ausführungsbeispiele, die sich relativ einfach fertigen lassen, und können auch in weiten Grenzen variiert werden. Wesentlich ist, dass die Eingreiflänge oder Umschlingung, das heißt der Profilbereich der Furchzähne, der den jeweiligen Umformschritt vornimmt, variiert wird oder, mit anderen Worten, die Furchflächen oder Wirkflächen auf unterschiedliche Furchzähne aufgeteilt werden und somit eine Verteilung der Umformarbeit auf verschiedene Zahnbereiche und auch Werkstückbereiche erreicht wird, die zum Einen die Umformkräfte auf die einzelnen Zähne reduziert und zum Anderen die Erwärmung des Werkstücks und des Werkzeugs reduziert. Diese Wirkflächenaufteilung kann auch anders als dargestellt erfolgen, um ein gewünschtes sich als resultierendes Profil ergebendes Endgewindeprofil zu erzeugen.

1 bis 7: Zwischengewinde
1A bis 7A: Flanken
1C bis 7C: Gewindegrund
5D, 5E: Absätze
5F, 5G: Flankenbereiche
6E, 6F: Flankenbereiche
11 bis 17: Furchzähne/Drückstollen
12A bis 17A: Zahnflanken
11C bis 17C: Zahnkopf
21 bis 29: Furchzähne
50: Gewindefurcher
51: Anfurchbereich
52: Kalibrier-/Fertigfurchbereich
54: Arbeitsbereich
55: Schaft
56: Nut
60: Werkstück
61: Werkstückoberfläche
70: Vorbohrung
α, β, δ, ε: Winkel
ΔR1, ΔR2: radiale Differenz
A: Werkzeugachse
FA, FB: Auswerfungen
L: Länge
P: Gewindesteigung
P1 bis P10: Übergangspunkte
r, R1, R2: Radius
R0: Vorbohrungsradius
RE: Außenradius
V: Vorschubrichtung

Claims

Werkzeug zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes, wobei das Werkzeug a) um eine Werkzeugachse drehbar ist oder sich dreht und b) mehrere Formzähne, die in einer Vorschubrichtung gesehen nacheinander angeordnet sind, zum plastisches Eindrücken des Materials des Werkstücks aufweist, c) wobei jeder Formzahn ein Zahnprofil mit jeweils zwei Zahnflanken und einem die beiden Zahnflanken verbindenden, radial von der Werkzeugachse nach außen ragenden Zahnkopf aufweist, d) wobei bei wenigstens einem ersten Formzahn (13, 15) das Zahnprofil einen weniger weit nach außen ragenden Zahnkopf und einen größeren Abstand oder Zwischenraum zwischen den Zahnflanken aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes und d) wobei bei wenigstens einem zweiten Formzahn (12, 14, 16) das Zahnprofil einen radial weiter nach außen ragenden Zahnkopf aufweist als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes.
Werkzeug nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein zweiter Formzahn ein Zahnprofil mit einem größeren Abstand oder Zwischenraum zwischen den Zahnflanken als das Zahnprofil wenigstens eines in der Vorschubrichtung vorhergehenden Formzahnes aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem wenigstens einem zweiten Formzahn ein erster Formzahn in der Vorschubrichtung unmittelbar vorausgeht und/oder wenigstens einem ersten Formzahn ein zweiter Formzahn in der Vorschubrichtung unmittelbar vorausgeht.
Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zahnprofile wenigstens eines oder jedes ersten Formzahnes und wenigstens eines oder jedes zweiten Formzahn geradlinige, jeweils einen zugehörigen Öffnungswinkel zueinander einschließende Zahnflanken aufweisen und der Öffnungswinkel (β) der Zahnflanken des ersten Formzahnes kleiner ist als der Öffnungswinkel (α) der Zahnflanken des zweiten Formzahnes.
Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein in Vorschubrichtung den ersten und zweiten Formzähnen nachfolgender dritter Formzahn in seinem Zahnprofil dem Gewindeprofil des Endgewindes entspricht.
Werkzeug nach Anspruch 5, bei dem das Zahnprofil des wenigstens einen dritten Formzahnes geradlinige Zahnflanken aufweist, die einen Öffnungswinkel miteinander einschließen, der dem Öffnungswinkel der Zahnflanken wenigstens eines zweite Formzahnes entspricht,
Werkzeug nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem das Zahnprofil wenigstens eines ersten Formzahnes aus einem dem Endgewinde oder dem dritten Formzahn entsprechenden Zahnprofil durch Abtragen von Material oder Verringerung an den Zahnflanken gebildet ist und das Zahnprofil wenigstens eines zweiten Formzahnes aus einem dem Endgewinde oder dem dritten Formzahn entsprechenden Zahnprofil durch Abtragen von Material oder Verringerung an dem Zahnkopf gebildet ist.
Verfahren zur Erzeugung oder Nachbearbeitung eines Gewindes in einem Werkstück mit den folgenden Merkmalen: a) Erzeugen oder Nachbearbeiten des Gewinde in aufeinander folgenden Verfahrensschritten durch plastisches Eindrücken des Materials des Werkstücks, b) Vergrößern der Gewindetiefe eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes oder weiteres Eindrücken des Materials des Werkstücks zumindest am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes in wenigstens einem ersten der Verfahrensschritte, c) Vergrößern der Gewindebreite oder des Zwischenraums zwischen den Gewindeflanken eines ein in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes ohne Veränderung der Gewindetiefe dieses Zwischengewindes oder weiteres Eindrücken des Materials des Werkstücks an den Gewindeflanken, nicht jedoch am Gewindegrund eines in dem oder den vorhergehenden Verfahrensschritt(en) erzeugten Zwischengewindes in wenigstens einem zweiten der Verfahrensschritte.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in wenigstens einem ersten Verfahrensschritt die Gewindebreite oder in dem Zwischenraum zwischen den Gewindeflanken des vorherigen Zwischengewindes nicht verändert wird oder das Material des Werkstücks nicht an den Gewindeflanken (3A, 3D, 1B) des vorherigen Zwischengewindes eingedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem in einem letzten Verfahrensschritt ein Endgewinde mit einem Endgewindeprofil (3), das zwei Endgewindeflanken (3A, 3B) und einen die beiden Endgewindeflanken verbindenden Endgewindegrund (3C) aufweist, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem in wenigstens einem ersten Verfahrensschritt (gemäß Merkmal b)) ein in einem zweiten Verfahrensschritt (gemäß Merkmal c)) erzeugtes Zwischengewinde weiterbearbeitet wird und/oder in wenigstens einem zweiten Verfahrensschritt (gemäß Merkmal c)) ein in einem ersten Verfahrens schritt (gemäß Merkmal b)) erzeugtes Zwischengewinde weiterbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem wenigstens ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird und der oder wenigstens ein erster Formzahn des Werkzeugs in dem oder wenigstens einen ersten Verfahrensschritt zum Vergrößern der Gewindetiefe des Zwischengewindes verwendet wird und der oder wenigstens ein zweiter Formzahn des Werkzeugs in dem oder wenigstens einen zweiten Verfahrensschritt zum Vergrößern der Gewindebreite oder des Zwischenraums zwischen den Gewindeflanken des Zwischengewindes verwendet wird.