DE102007060554A1

DE102007060554A1 - Verfahren und Werkzeug zur Erzeugung eines Außengewindes

Info

Publication number: DE102007060554A1
Application number: DE200710060554
Authority: DE
Inventors: Helmut Glimpel; Dietmar 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: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Das Werkzeug (10) umfasst eine Rotationsachse (12) und eine die Rotationsachse (12) rotationssymmetrisch zumindest teilweise umgebende und einen Arbeitsraum (25) zumindest virtuell nach außen begrenzende Tragkörperinnenwand (17), von der wenigstens ein Gewindeformzahn (18) derart in den Arbeitsraum (25) hineinragt, dass er während des Arbeitsprozesses im Wesentlichen immer auf das im Arbeitsraum (25) befindliche Werkstück (24) ausgerichtet ist. Die Tragkörperinnenwand (17) weist einen Radius (Rwz) auf, der größer ist als der Radius (Rwst) des Werkstückmantels (26), so dass der Gewindeformzahn (18) während des Verfahrens zeitlich intermittierend, entlang von Tangentialbögen (30), die den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreiben, in die Werkstückoberfläche hineingedrückt wird und durch sein diskontinuierliches plastisches Verformen des Werkstückmaterials ein Gewinde erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Werkzeug zur Erzeugung eines Außengewindes.
Zur Gewindeerzeugung sind neben spanabhebenden auch spanlose Verfahren und Gewindewerkzeuge bekannt. Spanlose Verfahren weisen gegenüber spanabhebenden Verfahren den Vorteil auf, dass das resultierende Gewinde eine hohe statische und dynamische Festigkeit besitzt und dies auch bei größeren Gewindetiefen. Zurückzuführen ist dies auf eine Verfestigung des Werkstoffes im Gewindegrund, die beim spanlosen Gewindeformen durch Materialverdrängung im Gewindegrund auftritt. Materialschwächende Kerbwirkungen wie beim bei spanenden Verfahren werden vermieden. Weitere Vorteile des spanlosen Verfahrens sind die in der Regel höheren Standzeiten der Werkzeuge und der Wegfall der Späne.
Einen Überblick über 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.
Für eine spanlose Erzeugung von Außengewinden sind Gewindewalzwerkzeuge bekannt (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, 13 Seiten 423 bis 448). Zur Erzeugung eines Außengewindes mittels Gewindewalzens wird das Werkstück in der Regel zwischen zwei oder mehr walzenförmige Gewindewalzwerkzeuge eingebracht. Die Mantelfläche von zumindest einem Walzwerk zeug, auch Walzrolle genannt, weist das schraubenförmige Profil des gewünschten Gewindes auf. Die Walzwerkzeuge drehen synchron mit gleichem Drehsinn und werden radial aufeinander zu geführt, so dass sie Reibdruck auf das Werkstück ausüben und dieses mit den Walzen mitrotiert, wobei das Profil der wenigstens einen Walzrolle auf das Werkstück übertragen wird. Das Gewindewalzen bringt Gewinde mit hoher Form und Maßgenauigkeit und den oben beschriebenen Vorteilen hervor und benötigt nur kurze Hauptbearbeitungszeiten. Allerdings erfordert es Spezialmaschinen, was mit einem entsprechenden Platzbedarf und Kostenaufwand verbunden ist.
Spanabhebende Werkzeuge und Verfahren machen für die Erzeugung von Außengewinden einen höheren Anteil aus als das spanlose Gewindewalzen. Ein typisches Werkzeug für die spanende Erzeugung eines Außengewindes ist beispielsweise das so genannte Gewindeschneideisen. Das Gewindeschneideisen weist schneidend auf das Werkstück einwirkende und dabei das Gewinde erzeugende Wirkelemente auf, die auf einer Schraubenlinie rotationssymmetrisch um seine Rotationsachse herum angeordnet sind, wobei sie auf die Rotationsachse hin in einen Arbeitsraum hin ausgerichtet sind (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, Seiten 373 bis 404). Für die Gewindeerzeugung wird das Werkstück koaxial zur Rotationsachse des Gewindeschneideisens positioniert und das Schneideisen auf das Werkstück aufgeschraubt, wobei das Werkstück allmählich im Arbeitsraum aufgenommen und das Gewinde in das Werkstück eingeschnitten wird. Das Werkzeug rotiert um seine Rotationsachse und unterliegt gleichzeitig einer axialen, linearen Vorschubbewegung. Ist die gesamte Länge des Gewindes geschnitten wird das Schneideisen gegenläufig wieder ausgeschraubt. Zum Abführen der beim Schneiden anfallenden Späne sind axial verlaufende Nuten im Werkzeug vorgesehen. Durch den Dauereingriff der schneidenden Wirkelemente und ihre materialabtragende Wirkung ist die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück entsprechend hoch und es entstehen hohe Temperaturen während der Bearbeitung. Die Standzeiten der Werkzeuge sind daher entsprechend gering.
Ein weiteres Werkzeug zur spanenden Erzeugung eines Gewindes ist der zirkular arbeitende Gewindefräsen (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 10, Seiten 325 bis 372). Gewindefräser werden sowohl für die spanende Erzeugung von Innengewinden als auch für die spanende Erzeugung von Außengewinden eingesetzt (vgl. insbesondere EMUGE-Handbuch, Kapitel 10, Seiten 346 bis 356), wobei hier derjenige zur Erzeugung eines Außengewindes interessiert. Als Wirkelemente sind bei einem Gewindefräser steigungslose, axial hintereinander angeordnete Gewinderillen vorgesehen, deren Abstand zueinander der Steigung des zu erzeugenden Gewindes entspricht. Zur Erzeugung des Gewindes werden das Werkzeug und das Werkstück einander zugestellt, bis die Gewinderillen des Werkzeugs mit dem Werkstückumfang bzw. der Mantelfläche des Werkstücks in Eingriff stehen. Anschließend wird mit dem um seine Rotationsachse rotierenden Werkzeug eine schraubenförmige Bewegung um den Umfang bzw. die Mantelfläche des feststehenden Werkstückes herum ausgeführt, wobei der Vorschub pro Umfahrung des Werkstückumfanges der Steigung des Gewindes entspricht. Durch diese Bewegung werden mit einer Umfahrung so viele Gewindegänge fertig gestellt, wie Gewinderillen bei der Umfahrung mit dem Werkstück in Eingriff stehen. Da außerdem das Ausschrauben entfällt, ergeben sich daher für das Gewindefräsen viel kürzere Bearbeitungszeiten als für das Gewindeschneiden. Des Weiteren können mit dem Gewindefräser nahezu alle Werkstoffe bearbeitet werden, was mit dem Gewindeschneideisen nicht der Fall ist. Durch die materialabtragende Arbeitsweise der Wirkelemente entstehen aber während der Bearbeitung bei den Gewindefräsern bezüglich Reibung und Temperaturen ähnliche Probleme wie bei den Gewindeschneideisen, was sich entsprechend ähnlich auf die Standzeiten der Werkzeuge auswirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Erzeugung von Außengewinden anzugeben, mit dem Gewinde mit hoher statischer und dynamischer Festigkeit erzeugt werden können, wobei der Platzbedarf und die Kosten für die Maschine, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann bzw. die das erfindungsgemäße Werkzeug aufnehmen kann, möglichst gering sein sollen. Außerdem sollen für das Werkzeug hohe Standzeiten und für die Erzeugung eines Gewindes kurze Bearbeitungszeiten erreicht werden.
Wünschenswert für kurze Bearbeitungszeiten ist es außerdem, im selben Verfahren bzw. ohne Werkzeugwechsel die Erzeugung des Gewindes und auch seine Nachbearbeitung zu realisieren.
Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Werkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Werkzeugs gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 18 jeweils abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Werkzeug dienen der Erzeugung eines Außengewindes auf oder an einem rotationssymmetrisch um eine zentrale Werkstückachse angeordneten Werkstückmantel eines Werkstücks.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden das zu bearbeitende Werkstück und ein Werkzeug, das eine Rotationsachse und mindestens einen Gewindeformzahn aufweist, zunächst durch eine annähernd koaxiale Vorschubbewegung und eine darauffolgende radiale Bewegung zueinander in Arbeitsposition gebracht und anschließend werden während des Arbeitsprozesses das Werkzeug und das Werkstück relativ zueinander derart bewegt, dass der wenigstens eine Gewindeformzahn intermittierend, entlang von Tangentialbögen, die den Werkstückmantel in einer Schraubenlinie beschreiben, in die Werkstückoberfläche hineingedrückt wird. Die Tangentialbögen sind hierbei in der gleichen Richtung gekrümmt wie der Werkstückmantel, weisen aber einen größeren Krümmungsradius auf als dieser. Durch diese relative Bewegung von Gewindeformzahn und Werkstück gegeneinander, erzeugt der Gewindeformzahn durch diskontinuierliches plastisches Verformen des Werkstückmaterials ein Gewinde im Werkstückmantel.
Das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nun beispielsweise mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Werkzeugs durchführen.
Das erfindungsgemäße Werkzeug, das auch als Gewindeformer bezeichnet werden kann, umfasst eine Rotationsachse und eine die Rotationsachse rotationssymmetrisch zumindest teilweise umgebende und einen Arbeitsraum zumindest virtuell nach außen begrenzende Tragkörperinnenwand. Von dieser Tragkörperinnenwand ragt wenigstens ein Gewindeformzahn derart in den Arbeitsraum hinein, dass er während eines Arbeitsprozesses im Wesentlichen immer auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück ausgerichtet ist. Die Tragkörperinnenwand weist mit Bezug auf die Rotationsachse des Werkzeugs einen Radius auf, der größer ist als der Radius des Werkstückmantels, so dass der Gewindeformzahn während des Arbeitsprozesses entlang von Tangentialbögen, die den Werkstückmantel in einer Schraubenlinie beschreiben und deren Krümmungsradius größer ist als der des Werkstückmantels, zeitlich intermittierend in die Werkstückoberfläche hineingedrückt wird, wodurch das Material diskontinuierlich plastisch verformt und im Werkstückmantel ein Gewinde erzeugt wird. Das Werkzeug besitzt eine Werkzeugkupplung, mit der es in herkömmliche 3-dimensional programmierbare Maschinen, z. B. CNC-Maschinen, einsetzbar ist.
In Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Werkzeug wird unter Arbeitsprozess das Erzeugen des Außengewindes verstanden. Für das Erzeugen des Außengewindes müssen Werkstück und Werkzeug zueinander in Position, auch Arbeitsposition genannt, gebracht werden. Das Werkstück weist einen Bearbeitungsbereich auf. Das ist der Bereich des Werkstückes, der mit einem Außengewinde versehen werden soll. Werkstück und Werkzeug befinden sich dann zueinander in Arbeitsposition, wenn a) in Bezug auf das Verfahren: sich der Werkzeugmantel zumindest eines Teils des Bearbeitungsbereiches des Werkstücks mit einem gedachten Tangentialbogen in Berührung befindet; b) in Bezug auf das Werkzeug: sich das Werkstück zumindest mit einem Teil seines Bearbeitungsbereiches im Arbeitsraum des Werkzeugs befindet und sich der Werkzeugmantel dieses Teils des Bearbeitungsbereiches mit einem zumindest gedachten Tangentialbogen in Berührung befindet.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren wie auch das obenbeschriebene erfindungsgemäße Werkzeug erzeugen ein Gewinde durch Materialumformung. Solche Gewinde zeichnen sich durch hohe statische und dynamische Festigkeit aus. Da sich das erfindungsgemäße Verfahren auf einer herkömmlichen 3-dimensional programmierbaren Maschine (z. B. CNC Maschine) durchführen lässt und das oben beschriebene erfindungsgemäße Werkzeug in einer solchen Maschine verwendet werden kann, benötigt man keine speziellen Gewindewalzmaschinen mehr zum Erzeugen von Außengewinden mit den oben beschriebenen Qualitäten. Vielmehr können aufgrund der hier offengelegten Erfindung Gewinde mit hoher statischer und dynamischer Festigkeit auf in vielen Maschinenparks bereits vorhandenen 3-dimensional programmierbaren Maschinen erzeugt werden. Dies spart Platz und Kosten. Bedingt durch die nur intermittierend auftretende Belastung des Gewindeformzahns und das spanlose statt spanende Arbeiten, steigt die Standzeit des Werkzeugs im Verhältnis an. Da nach Fertigstellung des Gewindes die Rückführung entfällt, ergibt sich auch eine verhältnismäßig kurze Bearbeitungszeit.
Die relative Bewegung des Gewindeformzahns entlang von Tangentialbögen gegenüber dem Werkstückmantel ist sehr einfach zu verwirklichen, wenn der Gewindeformzahn auf seiner gesamten relativen Bewegungsbahn, die er während eines Arbeitsprozesses gegenüber dem Werkstück beschreibt, im Wesentlichen immer auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück ausgerichtet bleibt.
Am einfachsten kann ein Außengewinde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Werkzeug in das Werkstück eingebracht werden, wenn bei wenigstens annähernder Parallelstellung von Werkstückachse und Rotationsachse Werkzeug und/oder Werkstück relativ zueinander a) axial verschoben werden, b) Werkzeug und/oder Werkstück um die eigene Achse (Rotationsachse bzw. Werkstückachse) rotieren und c) Rotationsachse und/oder Werkstückachse eine Zirkularbewegung durchführen und alle drei Bewegungsformen einander überlagert ausgeführt werden. Für eine kegeliges oder haubenförmiges Gewinde ist es außerdem denkbar, die Rotationsachse und die Werkstückachse gegeneinander zu neigen mit einem während des Verfahrens ändernden Winkel, was allerdings eine sehr komplexe Steuerungen des Werkstückhalters und/oder des Werkzeughalters erfordert.
Um die Belastung des auf das Werkstück einwirkenden Wirkelementes, in unserm Fall des Gewindeformzahns, zu reduzieren, wird das Verfahren vorteilhafter Weise mit mehreren Gewindeformzähnen durchgeführt. Eine Variante besteht darin, dass die Gewindeformzähne intermittierend und zeitlich hintereinander entlang der den Werkstückmantel in einer Schraubenlinie beschreibenden Tangentialbögen in das Werkstück eingedrückt werden. Eine andere Variante besteht darin, dass mehrere Gewindeformzähne über eine definierte axiale Länge entweder gleichzeitig, also synchron mit gleichem Rhythmus intermittierend oder in zueinander versetztem Rhythmus entlang der beschriebenen Tangentialbögen mit dem Werkstück in Wirkeingriff gelangen. Auch hierbei bleiben die Gewindeformzähne während des gesamten Arbeitsprozesses im Wesentlichen in Richtung auf die zentrale Rotationsachse und das zu bearbeitende Werkstück hin ausgerichtet.
Ein Werkzeug bei dem die Belastung auf das Wirkelement, den Gewindeformzahn, reduziert werden soll, weist entsprechend mehrere Gewindeformzähne auf. Diese können beispielsweise in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum aufeinander folgend und steigungslos auf einer senkrecht zur Rotationsachse des Werkzeuges stehenden Ebene angeordnet sein. Sie können aber auch in einer oder in mehreren, in Umfangsrichtung verteilten Reihen axial hintereinander angeordnet sein und so einen sich in axialer Richtung erstreckenden materialverformenden Arbeitsbereich des Werkzeugs definieren. Sind im materialverformenden Bereich des Werkzeuges mehrere Gewindeformzähne axial und in Umlaufrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, so sind diese wieder, wie vorher beschrieben, auf senkrecht zur Ro tationsachse stehenden axial hintereinander liegenden Ebenen in Umfangsrichtung steigungslos aufeinanderfolgend angeordnet.
Die Reihen der Gewindeformzähne können dabei in Umfangsrichtung mehr oder weniger unmittelbar aufeinander folgen, denn beim spanlosen Verfahren benötigt man keinen Platz in Form z. B. von Nuten zwischen den Zahnreihen um Späne abzutransportieren. Aufgrund der daraus resultierenden großen Anzahl an Gewindeformzähnen kann trotz langsamer relativer Umfangsgeschwindigkeit ein hoher relativer Vorschub erreicht werden. Die Anzahl der Gewindeformzähne kann bis zu ca. 30 betragen oder zwischen 20% bis 75% des von der Tragkörperinnenwand beschriebenen Umfanges einnehmen, bzw. der Winkelabstand α zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Zähnen kann auf bis 10° reduziert werden und liegt vorzugsweise zwischen 15° und 180°.
Vorzugsweise weist das Werkzeug also keinen spanabhebenden Bereich und/oder keine Schneide auf. Denn in diesem Fall fallen keine Späne bei der Bearbeitung des Gewindes an, so dass die Handhabung des Werkzeugs deutlich vereinfacht ist.
Für die Zufuhr von Kühl- oder Schmiermitteln können aber zwischen den Reihen von Gewindeformzähnen durchaus Nuten oder Aussparungen vorgesehen sein. Diese können parallel oder helixförmig zur Rotationsachse verlaufen, wodurch die Reihen der Gewindeformzähne ebenfalls parallel oder helixförmig zur Rotationsachse des Werkzeugs verlaufen. Eine helixförmige Anordnung der Reihen ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Reibungsspitzen entlang des Arbeitsumfanges des Werkzeugs. Jedoch kann auch eine parallele Anordnung der Reihen vorteilhaft sein, bei der die Reibungsspitzen auf die entsprechenden Winkelpositionen des Werkzeugs konzentriert werden können.
Ist ein sich in axialer Richtung erstreckender materialverformenden Arbeitsbereich vorgesehen, so führt dies zu einer Zeitersparnis bei der Herstellung des Gewindes. Die Zeitersparnis ist dabei um so größer, je mehr axial hintereinander angeordnete Gewindeformzähne oder Ebenen mit Gewindeformzähnen vorgesehen sind. Die kürzeste Bearbeitungszeit ergibt sich, wenn über die gesamte Länge des zu erzeugenden Gewindes Gewindeformzähne vorgesehen sind. Bei Werkzeugen mit sehr vielen axial hintereinander angeordneten Gewindeformzähnen entsteht jedoch im Kontaktbereich zum Werkstück eine relativ hohe Reibung, so dass sich die kurze Bearbeitungszeit unter Umständen zu Lasten der Standzeit des Werkzeugs ergibt.
Zur Reduzierung der Reibung kann das Werkzeug mit einem verkürzten, materialverformenden Arbeitsbereich versehen sein. In diesem Fall muss nach einem schraubenförmigen Umlauf des Werkzeugs bzw. des Werkstückes um den Werkstückmantel jeweils eine Neupositionierung des Werkzeugs durch eine axiale Verschiebung um eine Anzahl von Gewindegängen, die der Anzahl der axial nacheinander auf dem Arbeitsbereich angeordnete Gewindeformzähne entspricht, durchgeführt werden. Diese axiale Neupositionierung erhöht zwar die Standzeit des Werkzeuges aber auch die Komplexität des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Steuerungsvorgangs für das erfindungsgemäße Werkzeug. Zudem erhöht sich der Zeitaufwand gegenüber einer Bearbeitung des Werkstücks mit einem über die gesamte Länge des Gewindes Gewindeformzähne aufweisenden Werkzeug, was die Kosten für die Herstellung des Gewindes erhöht. Gegenüber einer kontinuierlichen Weiterbearbeitung des Werkstücks, wie sie beim Schneiden eines Außengewindes mit einem Gewindeschneideisen zwangsläufig erfolgt, spart man jedoch immer noch Bearbeitungszeit ein. Zudem werden die Gewindegänge nicht unnötigerweise mehrfach durch die Gewindeformzähne bearbeitet.
Zur Reduzierung der Reibung kann das Werkzeug aber auch über die gesamte Länge des Gewindes verteilt mit einer verminderten Anzahl axial nacheinander angeordneten Gewindeformzähne ausgestaltet sein. Diese können dann entweder versetzt zueinander bzw. in aufgelockerter Form über den materialverformenden Arbeitsbereich des Werkzeuges verteilt sein, d. h. nicht an jeder durch die Ebenen bzw. Reihen vorgegebenen Position ist ein Gewindeformzahn angeordnet.
Während des Verfahrens können auch zusätzlich zu den Gewindeformzähnen Schneidzähne intermittierend entlang der den Werkstückmantel in einer Schraubenlinie beschreibenden Tangentialbögen mit der Werkstückoberfläche in Wirkeingriff gelangen und schneidend oder fräsend Material vom Werkstück abtragen.
Die Gewindeformzähne und Schneidzähne können dabei intermittierend und zeitlich hintereinander mit der Werkstückoberfläche in Wirkeingriff gelangen, und zwar aufgrund von Rotation und Zirkularbewegung vorzugsweise abwechselnd ein Gewindeformzahn und ein Gewindeschneidezahn hintereinander oder ein Gewindeformzahn und zwei Gewindeschneidezähne hintereinander oder zwei Gewindeformzähne und ein Gewindeschneidezahn hintereinander. Es ist aber auch möglich, dass Gewindeformzähne und Gewindeschneidezähne über eine definierte axiale Länge entweder gleichzeitig, also synchron mit gleichem Rhythmus intermittierend oder in zueinander versetztem Rhythmus entlang der beschriebenen Tangentialbögen mit dem Werkstück in Wirkeingriff gelangen. Eine solche Kombination von materialabtragendem, spanendem und materialverformendem, spanlosem Wirkeingriff erhöht die Qualität des Gewindes.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug, mit dem ein solches Verfahren durchgeführt werden kann, weist zusätzlich zu den Gewindeformzähnen entweder axial hintereinander und/oder in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend, steigungslos auf einer oder mehreren senkrecht zur Rotationsebene stehenden Ebenen des Werkzeugs Schneidzähne auf. Dabei können in vorbestimmter Reihenfolge in Umfangsrichtung Reihen nur mit Gewindeformzähnen und Reihen nur mit Schneidzähnen vorgesehen sein, oder aber axial hintereinander Ebenen nur mit Gewindeformzähnen und Ebenen nur mit Schneidzähnen vorgesehen sein oder aber auch axial und auf den Ebenen zueinander versetzt angeordnete Gewindeschneidezähne und Gewindeformzähne.
Besonders effizient sind Verfahren, bei denen zeitlich nacheinander materialverformende und materialabtragende Bereiche auf eine definierte Stelle des Werkzeugs einwirken, wobei die materialverformenden Bereiche des Werkzeuges primär spanlos mit Gewindeformzähnen auf das Werkstück einwirken und die materialabtragenden Bereiche des Werkzeugs primär mit fräsenden oder schneidenden Gewindeschneidezähnen spanend auf das Werkstück einwirken.
Ebenfalls sehr effizient sind Verfahren bei denen auf den ganzen oder einen größeren Bereich des Bearbeitungsbereiches des Werkstücks die materialformenden und die materialabtragenden Bereiche des Werkzeuges gleichzeitig einwirken.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Werkzeug in seinem Arbeitsbereich axial hintereinander wenigstens einen materialverformenden Bereich und einen materialabtragenden Bereich auf, wobei im materialverformenden Bereich entweder nur Gewindeformzähne oder Gewindeformzähne und Schneidzähne gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt axial hintereinander und/oder in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend vorgesehen sind, während im materialabtragenden Bereich primär spanende, d. h. schneidende oder fräsende Schneidzähne vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform des Werkzeugs kann in einem Arbeitsgang sowohl die spanabhebende als auch die spanlose Bearbeitung des Werkstücks erfolgen und somit das Gewinde sehr effizient gefertigt werden.
Vorzugsweise ist ein materialabtragender, schneidend/fräsender Bereich am freien Ende des Werkzeugs vorgesehen. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und/oder effiziente Fertigung eines Vorarbeitsdurchmessers und die Fertigstellung des Gewindes in einem Arbeitsgang ohne Werkzeugwechsel.
Ganz besonders effizient ist ein Verfahren, bei dem nach dem Positionieren von Werkzeug und Werkstück zueinander, das Werkstück mittels des materi alabtragenden Bereichs des Werkzeugs auf seinem gesamten Bearbeitungsbereich spanend auf einen Vorarbeitsdurchmesser reduziert wird, daran anschließend mittels des materialformenden Bereiches des Werkzeugs in dem Bearbeitungsbereich des Werkstückes das Gewinde gefurcht wird, dann Werkzeug und Werkstück durch eine radiale Bewegung koaxial zueinander positioniert und axial so gegeneinander bewegt werden, dass der jetzt mit dem Gewinde versehene Bearbeitungsbereich des Werkstückes in den Bereich des materialabtragenden Bereichs des Werkzeugs gelangt, Werkzeug und Werkstück durch radiale Bewegung wieder zueinander in Arbeitsposition gebracht werden und der Außendurchmesser des Gewindes fräsend überarbeitet wird, wobei Schneidzähne und Gewindeformzähne des Werkzeugs jeweils intermittierend, entlang von Tangentialbögen, die den Werkstückmantel in einer Schraubenlinie beschreiben, mit dem Werkstückmantel in Wirkeingriff gelangen.
Mit diesem Verfahren ist es sehr einfach und effizient möglich ein Außengewinde mit statisch und dynamisch hoher Festigkeit zu erzeugen, wobei der Vordurchmesser und das Gewinde in einem Arbeitsgang, d. h. ohne Wechsel des Werkzeugs hergestellt und das Gewinde abschließend im gleichen Arbeitsgang auch noch nachgearbeitet wird.
Bei einer entsprechenden Ausführung des Werkzeuges ist es möglich gleichzeitig mit dem Erzeugen des Vorarbeitsdurchmessers das Werkstück in Achsrichtung gesehen an den beiden Enden des Bearbeitungsbereiches zirkular anzufasen und/oder gleichzeitig mit dem Überarbeiten des mit dem Gewinde versehenen Bearbeitungsbereiches des Werkstückes einen in der Regel beim Gewindefurchen entstehenden unvollständigen Gewindegang zu entfernen. Sehr effizient kann hierfür ein Werkzeug eingesetzt werden, dass am freien Ende des Werkzeugs für das zirkulare Anfasen einen oder mehrere Gewindeschneidezähne aufweist, die beim überarbeiten des Gewindes für die Entfernung des unvollständigen Gewindeganges einsetzbar sind.
In eine bevorzugten Ausführungsform sind die Zähne des Werkzeuges einstückig mit der Tragkörperinnenwand ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine besonders stabile, insbesondere einteilige Ausführungsform, in der keine Teile aneinander fixiert sind, bzw. fixiert werden müssen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Zähne als auswechselbare, vorgefertigte Teile, insbesondere in Form von Leisten, ausgebildet, die in die Tragkörperinnenwand auswechselbar einsetzbar und durch Befestigungseinrichtungen an ihr fixierbar sind. Die Befestigungseinrichtungen sind dabei vorzugsweise in Form von Klemmvorrichtungen und/oder Verschraubungen ausgeführt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Eine Vorfertigung senkt die Kosten für die Herstellung des Werkzeugs, zudem lassen sich Tragkörper einerseits und Gewindeformzähne andererseits aus unterschiedlichen und somit für die jeweilige Aufgabe besonders gut geeigneten Materialien fertigen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein die Tragkörperinnenwand aufweisender Tragkörper aus einem Werkzeugstahl, insbesondere einem Schnellarbeitsstahl gefertigt ist. Das kann beispielsweise ein Hochleistungsschnellstahl (HSS-Stahl) oder ein cobaltlegierter Hochleistungsschnellstahl (HSS-E-Stahl) sein. Die Gewindeerzeugungsbereiche sind im Allgemeinen aus einem Material, das härter ist als das Material des Werkstücks und ausreichende Zähigkeit aufweist, vorzugsweise aus Hartmetall oder aus einer Hartmetalllegierung, insbesondere P-Stahl oder K-Stahl oder Cermet, oder aus Sinterhartmetall, insbesondere aus Wolframkarbid oder Titannitrid oder Titankarbid oder Titankarbonitrid oder Aluminiumoxid oder aus polykristallinem Diamant (PKD) gefertigt.
Es versteht sich, dass der Umfang der Tragkörperinnenwand sowie die Anzahl und das Material der Zähne, nämlich Furchzähne und/oder Schneidzähne, des Werkzeugs abhängig vom Umfang und vom Material des zu bearbeitenden Werkstückes gewählt ist.
Ist die Tragkörperinnenwand als eine in Umfangsrichtung durchgehende Tragkörperinnenwand ausgebildet ist, ist die Herstellung des Tragkörpers besonders einfach und kostengünstig möglich. In einer solchen Tragkörperinnenwand können in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen nutenartige Aussparungen vorgesehen sein, deren Dimension und den zu erwartenden Materialabfluss angepasst ist. Unter Materialabfluss ist hier insbesondere der Kühlmittel- und/oder Schmiermittelabfluss gemeint und bei Kombination von spanloser mit spanender Bearbeitung auch der Abtransport von Spänen. Bei einem Werkzeug mit einer solchen geschlossenen Tragkörperinnenwand ist der Arbeitsraum tatsächlich von der Tragkörperinnenwand begrenzt, was zu einer einfacheren Definition der Arbeitsposition führt: Werkstück und Werkzeug befinden sich dann zueinander in Arbeitsposition, wenn der Werkstückmantel in Berührung mit der Tragkörperinnenwand bzw. in Berührung mit einem von ihr abstehenden Gewindeformzahn oder Gewindeschneidzahn befindet.
Statt einer geschlossenen Tragkörperinnenwand, kann aber auch eine Tragkörperinnenwand vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen schlitzförmige Durchbrüche aufweist, deren Dimension an den zu erwartenden Materialabfluss angepasst ist. In einer weiteren Ausführungsform stehen die Gewindeformzähne und/oder Schneidzähne am freien Ende des Werkzeugs in axialer Richtung leistenartig ab.
Wie oben bereits erwähnt kann das erfindungsgemäße Werkzeug in einer vorteilhaften Ausgestaltung wenigstens ein Zufuhrkanal für ein Kühlmittel und/oder Schmiermittel aufweisen. Eine effiziente Zufuhr von Kühlmittel und/oder Schmiermittel ist sehr vorteilhaft für die Standzeit des Werkzeugs, da so ein Überhitzen des Werkzeugs wie auch des Werkstücks verhindert oder zumindest reduziert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Gleiche Elemente werden dabei in den FIG mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die FIG zeigen rein schematisch
1 ein erfindungsgemäßes Werkzeug in einer perspektivischen Ansicht;
2 eine Skizze zur Verdeutlichung des Verfahrensprinzips;
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs in einer perspektivischen Ansicht;
4 noch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs in einer perspektivischen Ansicht
5 einen Schritt in einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer schematischen Schnittzeichnung durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug;
6 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5;
7 einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 5 ebenfalls anhand der Schnittzeichnung durch das erfindungsgemäße Werkzeug aus 5;
8 einen vergrößerten Ausschnitt aus 7;
9 noch einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 5 anhand der Schnittzeichnung durch das erfindungsgemäße Werkzeug aus 5;
10 einen vergrößerten Ausschnitt aus 9.
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 10, auch Gewindeformer genannt, mit einer Rotationsachse 12 in perspektivischer Ansicht. Das Werkzeug 10 weist einen Schaft 14 und einen Tragkörper 16 auf, wobei in bzw. auf oder an einer Tragkörperinnenseite 17 des Tragkörpers 16 mehrere Reihen 19 mit Gewindeformzähnen 18, angeordnet sind. Die Tragkörperinnenwand 17 begrenzt einen Arbeitsraum 25 und umgibt rotationssymmetrisch die Rotationsachse 12. Die Gewindeformzähne 18 ragen von der Tragkörperinnenwand 17 in den Arbeitsraum 25 hinein und sind im Wesentlichen gegen die Rotationsachse 12 hin ausgerichtet.
Die Reihen 19 mit den Gewindeformzähnen 18 sind als vorgefertigte Teile, hier in Form von auswechselbaren und in die Tragkörperinnenwand 17 einsetzbare Leisten 48 angefertigt, die mit Hilfe von Befestigungseinrichtungen 22, in diesem Fall Schrauben, am Tragkörper 16 fixiert und befestigt sind. Die Gewindezähne 18 sind in den Reihen 19 axial hintereinander angeordnet und entlang des Umfanges der Tragkörperinnenwand 17 steigungslos aufeinanderfolgend auf einer senkrecht auf der Rotationsachse 12 stehenden Ebene angeordnet (nicht dargestellt). Sie definieren in ihrer axialen Ausdehnung einen Arbeitsbereich 20 des Werkzeugs, der in diesem Beispiel gleich einem materialverformenden Bereich 21 ist.
In dem hier gezeigten Beispiel sind vierzehn Reihen 19 mit Gewindeformzähnen 18 vorgesehen, was eine Winkelteilung von etwa 25,7° ergibt. Berücksichtigt man, dass die Gewindeformzähne 18 selber in Umfangrichtung etwa 12° bis 15° einnehmen bleibt zwischen den Gewindeformzähnen ein Abstand von etwa 10° bis 12°, und sie nehmen etwa 45% bis 50% des Umfanges ein. Der Tragkörper 16 ist in dem hier gezeigten Beispiel aus Hochleistungsschnellstahl (HSS-Stahl) gefertigt, während die Leisten 48 mit den Gewindeformzähnen 18 aus einem Sinterhartmetall bestehen.
2 zeigt in einer Skizze an einem Beispiel das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit 10 ist wiederum ein Werkzeug gekennzeichnet, wie es beispielsweise aus 1 bekannt ist. In der Skizze der 2 sind allerdings primär die Tragkörperinnenwand 17 und die Rotationsachse 12 des Werkzeugs 10 dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit halber, ist in dieser Prinzipskizze der Radius Rwz der Tragkörperinnenwand (kurz auch Werk zeugradius genannt) gleichgesetzt mit dem Radius, auf dem die Spitzen der Gewindeformzähne 18 liegen (oben im Bild in übertriebener Größe angedeutet), und der naturgemäß um die zu erstellende Gewindetiefe d kleiner ist als der Radius Rwz der Tragkörperinnenwand 17. Ein zu bearbeitendes Werkstück 24 mit seinem rotationssymmetrisch um seine zentrale Werkstückachse 28 angeordneten Werkstückmantel 26 ist in 2 in Arbeitsposition gezeigt. Das heißt das Werkstück 24 befindet sich zumindest mit einem Teil seines mit einem Gewinde zu versehenden Bearbeitungsbereiches im Arbeitsraum 25 des Werkzeugs 10, wobei sich sein Werkstückmantel 26 mit der Tragkörperinnenwand 17 bzw. den davon abstehenden Gewindeformzähnen 18 in Berührung befindet (Punkt B). In diese Position zueinander sind Werkzeug 10 und Werkstück 24 durch eine annähernd koaxiale Vorschubbewegung und eine darauffolgende radiale Bewegung gebracht worden. Zum Erzeugen des Gewindes während des hier Arbeitsprozess genannten Vorgangs werden Werkzeug 10 und Werkstück 24 relativ zueinander derart bewegt, dass der in 2 dargestellte wenigstens eine Gewindeformzahn 18 intermittierend, entlang von Tangentialbögen 30, die den Werkstückmantel 26 in einer Schraubenlinie beschreiben, in die Werkstückoberfläche hineingedrückt wird. Im Werkstückmantel 26 wird auf diese Weise durch zeitlich diskontinuierliches plastisches Verformen des Werkstückmaterials ein Gewinde erzeugt. Wie aus 2 gut erkennbar ist, sind die Tangentialbögen 30, entlang derer sich der oder die Gewindeformzähne 18 bewegen, in der gleichen Richtung gekrümmt wie der Werkstückmantel 26, wobei sie allerdings einen größeren Krümmungsradius aufweisen als das zu bearbeitende Werkstück 24.
Um eine solche Bewegung des wenigstens einen Gewindeformzahnes 18 hervorzubringen, werden Werkzeug 10 und/oder Werkstück 24 relativ zueinander in Bewegung versetzt, wobei sich bei wenigstens annähernder Parallelstellung von Werkstückachse 28 und Rotationsachse 12 prinzipiell drei Bewegungsarten überlagern: eine axiale Vorschubbewegung von Werkzeug 10 und/oder Werkstück 24 gegeneinander eine Rotationsbewegung des Werkzeugs 10 um seine Rotationsachse 12 und/oder des Werkstücks 24 um seine Werkstückachse 28 sowie eine gleichzeitig ausgeführte zirkulare Bewegung der Rotationsachse 12 und/oder der Werkstückachse 28.
In einem ersten Beispiel ist in der Skizze der 2 die Bewegung des Werkzeuges 10 in Rotation um seine Rotationsachse 12 mit Pfeil 33 angedeutet, wobei sich die Rotationsachse 12 gleichzeitig entlang einer Kreisbahn 35 (Pfeil und gepunktete Linie) bewegt und eine Vorschubbewegung zum Beispiel, aus der Papierebene heraus erfolgt. Die groben gestrichelten Linien 38 deuten die Zirkularbewegung des Werkzeugs 10 bzw. genauer der Tragkörperinnenwand 17 an. Wie daraus ersichtlich ist, ergeben sich aus der Bewegung der Rotationsachse 12 entlang der Kreisbahn 35 und der Eigenrotation der Tragkörperinnenwand 17 um die Rotationsachse 12 Tangentialbögen 30, die um den Werkstückmantel 26 des zu bearbeitenden Werkstückes 24 herumwandern und auf denen bei zeitlich entsprechender Abstimmung der Bewegungen der oder die Gewindeformzähne 18 mit dem Werkstück 24 in Wirkeingriff gelangen. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, ist der Radius der Tangentialbögen 30 gleich dem Radius Rwz des Werkzeugs 10/17 und dieser ist größer als der Radius Rwst des Werkstücks 24. Aufgrund des axialen Vorschubs aus der Papierebene heraus ergibt sich schließlich die Schraubenlinie auf dem Gewindemantel die für die Erzeugung eines Gewindes nötig ist.
Ein zweites Bewegungsbeispiel ist durch die Strichpunktierten Kreislinien 36 und den konzentrisch zur Rotationsachse 12 verlaufenden punktierten Kreisbogen 34 angedeutet. In diesem Beispiel wird die Werkstückachse 28 des Werkstückes 24 entlang der Kreisbahn 34 bewegt, wobei das Werkstück 24 gleichzeitig um seine eigene Achse 28 rotiert und sich zum Beispiel axial aus der Papierebene herausbewegt. Die strichpunktierten Kreislinien 36 deuten die Bewegung des Werkstückes 24 entlang der Tragkörperinnenwand 17 des Werkzeuges 10 an. Die oder der Gewindeformzahn 18 greift wiederum intermittierend entlang von Tangentialbögen in das Werkstück 24 gewindeformend ein, wobei diesmal die Tangentialbögen zeichnerisch mit der Tragkörperinnenwand 17 zusammenfallen.
Mit einer komplexen Steuerung können diese beiden Bewegungen einmal nur des Werkzeugs 10 und einmal nur des Werkstücks 24 in beliebiger Weise kombiniert werden.
3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Werkzeugs 10 bzw. Gewindeformers. Diese unterscheiden sich von dem in 1 gezeigten Werkzeug 10 dadurch, dass ihr Arbeitsbereich 20 axial aufgeteilt ist in einen am freien Ende des Werkzeugs 10 befindlichen materialabtragenden Bereich 40 und einen axial dahinterliegenden materialverformenden Bereich 21. Im materialverformenden Bereich 21 sind wiederum Reihen 19 von Gewindeformzähnen 18 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend und auf senkrecht zur Rotationsachse 12 des Werkzeugs 10 stehenden Ebenen angeordnet, während im materialabtragenden Bereich 40 Schneidzähne 42/44, insbesondere Fräselemente 42 und zum Anfasen Fasenschneider 44 vorgesehen sind. In beiden Beispielen sind die axial jeweils hintereinander angeordneten Gewindeformzähne 18 und Schneidzähne 42/44 jeweils in Form von Leisten 48 vorgefertigt, die im Beispiel der 3 durch nicht näher dargestellte Klemmvorrichtungen fix mit der Tragkörperinnenwand 17 verbunden sind und im Beispiel der 4, wie in 1 mit dem Tragkörper 16 verschraubt sind.
Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich zum einen dadurch, dass im Beispiel der 3 in Umfangsrichtung nur 8 Leisten 48 vorgesehen sind, während im Beispiel der 4 in Umfangsrichtung 16 Leisten 48 vorgesehen sind. Außerdem ist im Beispiel der 3 die Tragkörperinnenwand 17 zwischen den Leisten 48 mit Durchbrüchen 46 versehen, so dass sie den Arbeitsraum 25 in diesem Beispiel nur virtuell aber nicht tatsächlich begrenzt. Im Beispiel der 4 ist dagegen eine durchgehende Tragkörperinnenwand 17 vorgesehen und statt der Durchbrüche 46 sind zwischen den Leisten 48 Öffnungen und Nuten 50 erkennbar, die der Kühlmittel- und/oder Schmiermittelzuführung dienen und mit entsprechenden Zuführkanälen (nicht dargestellt) im Werkzeug 10 verbunden sind.
In den 5 bis 10 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben mit dem ein Außengewinde äußerst effizient erzeugt und nachbearbeitet werden kann, wobei die 5, 7 und 9 in einem schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug 10 gemäss 3 einen Situationsüberblick bei dem entsprechenden Verfahrensschritt zeigen und die 6, 8 und 10 zur jeweiligen Situation einen vergrößerten Ausschnitt der vorherigen FIG zeigen, um zu verdeutlichen was zwischen Werkstück 24 und Werkzeug 10 vor sich geht.
In den 5 und 6 ist gezeigt, wie das Werkstück 24 nach dem Positionieren von Werkzeug 10 und Werkstück 24 zueinander in einer ersten Arbeitsposition, mittels der Fräselemente 42 im materialabtragenden Bereich 40 des Arbeitsbereichs 20 des Werkzeugs 10 auf einem in seiner Länge dem zu erzeugenden Gewinde entsprechenden Bearbeitungsbereich 52 des Werkstücks 24 spanend auf einen Vorarbeitsdurchmesser D reduziert wird. Gleichzeitig wird das Werkstück 24 in Achsrichtung gesehen an den beiden Enden des Bearbeitungsbereiches 52 mit Hilfe von Fasenschneidern 44 im materialabtragenden Bereich 40 des Werkzeugs 10 zirkular angefast.
Daran anschließend wird, wie in den 7 und 8 dargestellt, mittels der Gewindeformschneider 18 im materialformenden Bereiche 21 des Arbeitsbereiches 20 des Werkzeugs 10 in dem auf den Vordurchmesser D gebrachten Bearbeitungsbereich 52 des Werkstückes 24 ein Gewinde 54 gefurcht. Dabei bewegen sich die Gewindeformzähne 18, wie beschrieben, auf Tangentialbögen, die in einer Schraubenlinie dem Werkstückmantel 26 folgen. Der Abstand der Gewindeformzähne 18 in axialer Richtung entspricht dabei der Steigung des resultierenden Gewindes 54. Nach Fertigstellung des Gewindes 54 werden Werkzeug 10 und Werkstück 24 durch eine radiale Bewegung koaxial zueinander positioniert und axial so gegeneinander bewegt werden, dass der jetzt mit dem Gewinde 54 versehene Bearbeitungsbereich 52 des Werkstückes 24 wieder in den materialabtragenden Bereich 40 des Werkzeugs 10 gelangt (nicht dargestellt). Werkzeug 10 und Werkstück 24 werden durch radiale Bewegung wieder zueinander in Arbeitsposition gebracht, wie dies in
9 und 10 dargestellt ist und der Außendurchmesser des Gewindes 54 wird mittels der Fräselemente 42 fräsend überarbeitet. Gleichzeitig wird mit Hilfe des Fasenschneiders ein in der Regel beim Gewindefurchen entstandener unvollständiger Gewindegang 56 entfernt.
Nach dieser Überarbeitung des Gewindes 54 werden Werkzeug 10 und Werkstück 24 durch eine radiale Bewegung wieder koaxial zueinander positioniert und das Werkstück wird durch eine axiale Bewegung aus dem Arbeitsraum 25 des Werkzeugs 10 herausbewegt. Das Werkstück 24 mit dem fertig erzeugten und nachbearbeiteten Außengewinde kann nun von der Maschine entfernt und ein neues Werkstück zum Bearbeiten eingespannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun erneut durchgeführt.
Wie gezeigt werden konnte, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem erfindungsgemäßem Werkzug 10 möglich ein statisch und dynamisch festes Außengewinde sehr schnell und effizient zu erzeugen. Mit einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und des Werkzeugs 10 ist es auch möglich ohne Werkzeugwechsel am Werkstück einen Vorarbeitsdurchmesser herzustellen, das Gewinde zu erzeugen und dieses nach zu bearbeiten. Da die erfindungsgemäßen Werkzeuge im Schaftbereich so ausgestaltet sind, dass sie in herkömmliche 3-dimensional programmierbaren Maschinen eingespannt werden können, ist das Verfahren ohne großen Platzbedarf und hohe Kosten durchführbar.

10: Werkzeug
12: Rotationsachse
14: Schaft
16: Tragkörper
17: Tragkörperinnenwand
18: Gewindeformzähne
19: Reihe
20: Arbeitsbereich
21: materialabtragender Bereich
22: Befestigungseinrichtungen
24: Werkstück
25: Arbeitsraum
26: Werkstückmantel
28: Werkstückachse
30: Tangentialbogen
32: Weg der Rotationsachse
34: Weg der Werkstückachse
36: Umriss des bewegten Werkstücks
38: Umriss des bewegten Werkzeugs
40: materialabtragender Bereich
42: Fräselemente
44: Fasenschneider
46: Durchbrüche
48: Leisten
50: Öffnungen und Nuten für Kühlmittel
52: Bearbeitungsbereich
54: Gewinde
56: unvollständiger Gewindegang
Rwz: Radius Werkzeug
Rwst: Radius Werkstück
D: Vorarbeitsdurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- 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" [0003]
- vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, 13 Seiten 423 bis 448 [0004]
- vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, Seiten 373 bis 404 [0005]
- vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 10, Seiten 325 bis 372 [0006]
- vgl. insbesondere EMUGE-Handbuch, Kapitel 10, Seiten 346 bis 356 [0006]

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Außengewindes auf oder an einem rotationssymmetrisch um eine zentrale Werkstückachse (28) angeordneten Werkstückmantel (26) eines Werkstücks (24), a) bei dem das zu bearbeitende Werkstück (24) und ein Werkzeug (10) mit einer Rotationsachse (12) und einem Gewindeformzahn (18) zunächst durch eine annähernd koaxiale Vorschubbewegung und eine darauffolgende radiale Bewegung zueinander in Arbeitsposition gebracht werden und bei dem anschließend während des Arbeitsprozesses das Werkzeug (10) und das Werkstück (24) relativ zueinander derart bewegt werden, dass b) der wenigstens eine Gewindeformzahn (18) zeitlich intermittierend, entlang von Tangentialbögen (30), die den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreiben, in die Werkstückoberfläche hineingedrückt wird, so dass er im Werkstückmantel (26) durch diskontinuierliches plastisches Verformen des Werkstückmaterials ein Gewinde erzeugt, wobei die Tangentialbögen (30) in der gleichen Richtung mit einem größeren Krümmungsradius gekrümmt sind als der Werkstückmantel (26) des zu bearbeitenden Werkstückes (24).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich eine axiale Vorschubbewegung von Werkzeug (10) und/oder Werkstück (24) bei wenigstens annähernder Koaxial- oder Parallelstellung von Werkstückachse (28) und Rotationsachse (12) mit einer Rotationsbewegung des Werkzeugs (10) um seine Rotationsachse (26) und/oder des Werkstücks (24) um seine Werkstückachse (28) sowie zusätzlich mit einer gleichzeitig ausgeführten zirkularen Bewegung von Rotationsachse (12) und/oder Werkstückachse (28) überlagern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Werkzeug (10) eingesetzt wird, das einen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse (12) angeordneten Arbeitsraum (25) aufweist und der wenigstens eine Ge windeformzahn (18) in solcher Weise in Richtung auf die zentrale Rotationsachse (26) des Werkzeugs (10) hin und in den Arbeitsraum (25) hinein ausgerichtet ist, dass er während des Verfahrens im Wesentlichen immer auf das zu bearbeitende Werkstück (24), das sich im Arbeitsraum (25) befindet, ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Werkzeug (10) mehrere Gewindeformzähne (18) aufweist, die auf einer senkrecht zur Rotationsachse (12) des Werkzeuges (10) stehenden Ebene um die Rotationsachse (12) herum angeordnet sind, wobei die Gewindeformzähne (18) intermittierend und zeitlich hintereinander entlang der den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreibenden Tangentialbögen (30) in das Werkstück (24) eingedrückt werden, und während des gesamten Arbeitsprozesses im Wesentlichen in Richtung auf die zentrale Werkstück- oder Rotationsachse (28) und das zu bearbeitende Werkstück (24) hin ausgerichtet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Gewindeformzähne (18) auf mehreren, axial hintereinander liegenden Ebenen um die Rotationsachse (12) des Werkzeugs (10) herum angeordnet sind und jeweils die Gewindeformzähne (18) einer Ebene intermittierend, zeitlich hintereinander entlang der den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreibenden Tangentialbögen (30) in das Werkstück (24) eingedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei auf einer oder mehreren Ebenen um die Rotationsachse (12) des Werkzeugs (10) herum Schneidzähne (42/44) vorgesehen sind, die zeitlich intermittierend entlang der den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreibenden Tangentialbögen (30) mit der Werkstückoberfläche in Wirkeingriff gelangen und spanend Material vom Werkstück (24) abtragen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Gewindeformzähne (18) und Schneidzähne (42/44) in vorbestimmter Reihenfolge auf einer Ebene oder in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (12) herum angeordnet sind, so dass sie intermittierend und zeitlich hintereinander mit der Werkstückoberfläche in Wirkeingriff gelangen, und zwar aufgrund von Rotation und Zirkularbewegung vorzugsweise abwechselnd ein Gewindeformzahn (18) und ein Schneidzahn (42/44) hintereinander oder ein Gewindeformzahn (18) und zwei Schneidzähne (42/44) hintereinander oder zwei Gewindeformzähne (18) und ein Schneidzahn (42/44) hintereinander.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Werkzeug (10) zum Einsatz kommt bei dem auf mehreren Ebenen Gewindeformzähne (18) und Schneidzähne (42/44) in vorbestimmter Reihenfolge um die Rotationsachse (12) herum vorgesehen sind, axial hintereinander aber jeweils nur eine Art von Zähnen, Schneidzähne (42/44) oder Gewindeformzähne (18).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Werkzeug (10) zum Einsatz kommt bei dem axial hintereinander Ebenen nur mit Gewindeformzähnen (18) und Ebenen nur mit Schneidzähnen (42/44) vorgesehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei axial und auf den Ebenen zueinander versetzt angeordnete Schneidzähne (42/44) und Gewindeformzähne (18) mit der Werkstückoberfläche in Eingriff gelangen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Werkzeug (10) zum Einsatz kommt, das axial hintereinander materialverformende Bereiche (21) und materialabtragende Bereiche (40) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die materialverformenden Bereiche (21) des Werkzeuges (10) primär spanlos mit Gewindeformzähnen (18) auf das Werkstück (24) einwirken und die materialabtragenden Bereiche (40) des Werkzeugs (10) primär mit fräsenden oder schneidenden Schneidzähne (42/44) spanend auf das Werkstück (24) einwirken.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die materialformenden Bereiche (21) und die materialabtragenden Bereiche (40) des Werkzeuges (10) zeitlich nacheinander auf eine definierte Stelle des Werkstückes (24) einwirken.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei auf einen größeren Bereich des Werkstücks (24) die materialformenden Bereiche (21) und die materialabtragenden Bereiche (40) des Werkzeuges (10) gleichzeitig einwirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei nach dem Positionieren von Werkzeug (10) und Werkstück (24) zueinander, das Werkstück (24) mittels des materialabtragenden Bereichs (40) des Werkzeugs (10) auf einem in seiner Länge dem zu erzeugenden Gewinde entsprechenden Bearbeitungsbereich (52) spanend auf einen Vorarbeitsdurchmesser (D) reduziert wird, daran anschließend mittels des materialformenden Bereiches (21) des Werkzeugs (10) in dem Bearbeitungsbereich (52) des Werkstückes (24) das Gewinde (54) gefurcht wird, dann Werkzeug (10) und Werkstück (24) durch eine radiale Bewegung koaxial zueinander positioniert und axial so gegeneinander bewegt werden, dass der mit dem Gewinde (54) versehene Bearbeitungsbereich (52) des Werkstückes (24) in den Bereich des materialabtragenden Bereichs (40) des Werkzeugs (10) gelangt, Werkzeug (10) und Werkstück (24) durch radiale Bewegung wieder zueinander in Arbeitsposition gebracht werden und der Außendurchmesser des Gewindes spanend überarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem gleichzeitig mit dem Erzeugen des Vorarbeitsdurchmessers (D) das Werkstück (24) in Achsrichtung gesehen an den beiden Enden des Bearbeitungsbereiches (52) zirkular angefast wird und/oder gleichzeitig mit dem Überarbeiten des mit dem Gewinde (54) versehenen Bearbeitungsbereiches (52) des Werkstückes (24) ein in der Regel beim Gewindefurchen entstandener unvollständiger Gewindegang (56) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem für das zirkulare Anfasen des, dem freien Ende des Werkstückes (24) gegenüberliegenden Bearbeitungsbereiches (52) und für das Entfernen des unvollständigen Gewindeganges (56) der oder die gleichen Schneidzähne (42/44) im materialabtragenden Bereich (40) des Werkzeugs (10) verwendet werden.
Werkzeug (10) zur Erzeugung eines Außengewindes, verwendbar in einem Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem auf oder an einem rotationssymmetrisch um eine zentrale Werkstückachse (28) angeordneten Werkstückmantel (26) eines Werkstücks (24) ein Außengewinde (54) erzeugbar ist, a) wobei das Werkzeug (10) eine Rotationsachse (12) und eine die Rotationsachse (26) rotationssymmetrisch zumindest teilweise umgebende und einen Arbeitsraum (25) zumindest virtuell nach außen begrenzende Tragkörperinnenwand (17) umfasst, b) von der wenigstens ein Gewindeformzahn (18) derart in den Arbeitsraum (25) hineinragt, dass er während des Arbeitsprozesses im Wesentlichen immer auf das im Arbeitsraum (25) befindliche Werkstück (24) ausgerichtet ist, und c) wobei die Tragkörperinnenwand (17) einen Radius (Rwz) aufweist, der größer ist als der Radius (Rwst) des Werkstückmantels (26), so dass der Gewindeformzahn (18) zeitlich intermittierend, entlang von Tangentialbögen (30), die den Werkstückmantel (26) in einer Schraubenlinie beschreiben und deren Krümmungsradius größerer ist als der des Werk stückmantels (26), in die Werkstückoberfläche hineindrückbar ist, und durch diskontinuierliches plastisches Verformen des Werkstückmaterials ein Gewinde herstellbar ist.
Werkzeug (10) nach Anspruch 18, wobei mehr als ein Gewindeformzahn (18) vorgesehen ist und die Gewindeformzähne (18) in Umfangsrichtung aufeinander folgend, steigungslos auf einer senkrecht zur Rotationsachse (12) stehenden Ebene des Werkzeugs (10) angeordnet sind.
Werkzeug (10) nach Anspruch 19, bei dem mehrere senkrecht zur Rotationsachse (26) stehende Ebenen axial hintereinander vorgesehen sind, auf denen in Umfangsrichtung benachbarte Gewindeformzähne (18) steigungslos angeordnet sind.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem entweder axial hintereinander und/oder in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend, steigungslos auf einer oder mehreren senkrecht zur Rotationsebene stehenden Ebenen des Werkzeugs (10) Schneidzähne (42/44) vorgesehen sind.
Werkzeug (10) nach Anspruch 21, bei dem Gewindeformzähne (18) und Schneidzähne (42/44) gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt axial hintereinander und/oder in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend vorgesehen sind.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei 20% bis 75% des von der Tragkörperinnenwand (17) beschriebenen Umfanges von Zähnen, nämlich von Gewindeformzähnen (18) und/oder Schneidzähnen (42/44), eingenommen werden.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Winkelabstand α zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Zähnen zwischen 15° und 180° beträgt.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei der Umfang der Tragkörperinnenwand (17) sowie die Anzahl und das Material der Zähne, nämlich Gewindeformzähne (18) und/oder Schneidzähne (42/44), des Werkzeugs (10) abhängig vom Umfang und vom Material des zu bearbeitenden Werkstückes (24) gewählt ist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei axial hintereinander wenigstens ein materialformender Bereich und wenigstens ein matereilabtragender, schneidend/fräsender Bereich vorgesehen sind, und der matereilabtragende, schneidend/fräsende Bereich vorzugsweise am freien Ende des Werkzeugs (10) vorgesehen ist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei die Zähne einstückig mit der Tragkörperinnenwand (17) ausgebildet sind.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei die Zähne als auswechselbare, vorgefertigte Teile, insbesondere in Form von Leisten, ausgebildet sind.
Werkzeug (10) nach Anspruch 28, wobei die vorgefertigten Teile in die Tragkörperinnenwand (17) auswechselbar einsetzbar und durch Befestigungseinrichtungen (22) an ihr fixierbar sind, wobei die Befestigungseinrichtungen (22) vorzugsweise in Form von Klemmvorrichtungen und/oder Verschraubungen ausgeführt sind.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 29, bei dem die Tragkörperinnenwand (17) als eine in Umfangsrichtung durchgehende Tragkörperinnenwand (17) ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen (18, 42, 44) nutenartige Aussparungen aufweist, deren Dimension and den zu erwartenden Materialabfluss angepasst ist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 29, bei dem die Tragkörperinnenwand (17) in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen (18, 42, 44) schlitzförmige Durchbrüche (46) aufweist, deren Dimension and den zu erwartenden Materialabfluss angepasst ist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 29, bei dem die Zähne (18, 42, 44) am freien Ende des Werkzeugs (10) in axialer Richtung leistenartig abstehen.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 32, bei dem wenigstens ein Zufuhrkanal für ein Kühlmittel und oder Schmiermittel vorgesehen ist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 34, wobei das Werkzeug (10) in eine 3-dimensional programmierbare Maschine einsetzbar ist und hierfür insbesondere eine entsprechende Werkzeugkuppelung aufweist.