DE102015102293A1

DE102015102293A1 - Gewindeformwerkzeug mit Gewindeformprofil mit speziellem Furchkeilwinkel

Info

Publication number: DE102015102293A1
Application number: DE102015102293.1A
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: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Gewindeformwerkzeug (1) zur spanlosen Herstellung von Gewinden, insbesondere von Innengewinden, an oder in Werkstücken, mit einer Werkzeuglängsachse (A) und umfassend wenigstens einen Gewindeerzeugungsbereich (32, 34) mit einer Anzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneten Gewindeformzähnen (32A, 34A), wobei wenigstens ein Gewindeformzahn (32A, 34A) ein in einem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs liegendes Gewindeformprofil (60) ausbildet, das einen Furchkeilwinkel (γ₀, ..., γ₄) aufweist, der zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils (60) monoton abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gewindeformwerkzeug zur spanlosen Herstellung von Gewinden, insbesondere von Innengewinden, an oder in Werkstücken.
Zur Gewindeerzeugung oder Gewindenachbearbeitung sind spanlose Verfahren und spanlos arbeitende Gewindewerkzeuge bekannt.
Unter die spanlosen Gewindeerzeugungswerkzeuge fallen die sogenannten Gewindefurcher (vgl. Handbuch der Gewindetechnik und Frastechnik, 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) und, nur für Außengewinde, die Gewindewalzwerkzeuge (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, Seiten 373 bis 404).
Gewindefurcher sind Gewindewerkzeuge mit einem annähernd spiral- oder schraubenförmig umlaufenden Gewindeprofil, entlang dem mehrere Drückstollen (auch als Formzähne, Furchzähne oder Formkeile bezeichnet) angeordnet sind, die durch zueinander versetzte weiter nach außen ragende und im Allgemeinen abgerundete Polygon-Eckbereiche eines annähernd polygonalen Querschnittes des Gewindefurchers gebildet sind. Beim Erzeugen des Gewindes wird der Gewindefurcher ähnlich wie der Gewindebohrer mit zur Werkzeugachse axialem Vorschub und unter Drehung um seine Werkzeugachse in ein zylindrisches Kernloch in einem Werkstück bewegt, wobei die Werkzeugachse des Gewindebohrers koaxial zur Mittelachse des Kernloches ausgerichtet wird. Die Drehgeschwindigkeit und die axiale Vorschubgeschwindigkeit werden entsprechend der Gewindesteigung aufeinander abgestimmt. Die Drückstollen des Gewindefurchers sind permanent mit dem Werkstück an der Kernlochwandung in Eingriff und drücken den Gewindegang durch plastische Verformung in die Kernlochwandung, so dass ein durchgehender Gewindegang an der Kernlochwandung entsteht.
Der Werkzeugschaft der genannten Gewindeerzeugungswerkzeuge ist in der Regel wenigstens annähernd zylindrisch um seine Längsachse ausgeführt und/oder mit seinem vom Werkstück abgewandten Ende im Spannfutter einer Werkzeugmaschine aufgenommen und gehalten. Der Drehsinn eines Gewindefurchers beim Erzeugen des Gewindes entspricht dem Windungssinn des zu erzeugende Gewindes. Die in die erzeugten Innengewinde eingeschraubten bekannten Schrauben oder Schraubgewinde umfassen zu den Innengewinden komplementäre durchgehende helikale Außengewinde.
Die DE 10 2012 105 183 A1 offenbart ein Werkzeug zum Herstellen eines Gewindes in einem Werkstück, mit den Merkmalen:

a) das Werkzeug ist um eine Werkzeugachse drehbar,
b) das Werkzeug weist eine Anzahl n ≥ 1 von um die Werkzeugachse gedrallten Nuterzeugungsbereichen zum Erzeugen jeweils einer Nut in dem Werkstück und eine Anzahl m ≥ 1 von um die Werkzeugachse gedrallten, vorzugsweise helikalen, Gewindeerzeugungsbereichen zum Erzeugen des Gewindes in dem Werkstück auf,
c) der Drall des oder der Nuterzeugungsbereiche und der Drall des oder der Gewindeerzeugungsbereiche sind aneinander angepasst,
d) jeder der m Gewindeerzeugungsbereiche ist hinter einem der n Nuterzeugungsbereiche dem Drall dieses Nuterzeugungsbereichs folgend angeordnet.

Aus der DE 10 2011 001 772 A1 sind Gewindeerzeugungswerkzeuge bekannt, die Nuterzeugungsbereiche zum Erzeugen einer Nut in dem Werkstück und Gewindeerzeugungsbereiche zum Erzeugen des Gewindes in dem Werkstück aufweisen. Dabei ist jeder Gewindeerzeugungsbereich in einer axialen Projektion parallel zur Werkzeugachse hinter dem wenigstens einen Nuterzeugungsbereich angeordnet und weist im Querschnitt in der axialen Projektion eine kleinere Ausdehnung auf als dieser Nuterzeugungsbereich. Dadurch hat jeder Gewindeerzeugungsbereich in einer zur axialen Richtung senkrechten Projektionsebene einen Abstand vom Nutrand, insbesondere dem Nutgrund und/oder in axialer Richtung durch die vom in der Projektion davor liegenden Nuterzeugungsbereich erzeugte Nut im Werkstück frei bewegbar. Im Gegensatz zur DE 10 2012 105 183 A1 erstrecken sich Nuterzeugungsbereiche und Gewindeerzeugungsbereiche gerade oder parallel zur Werkzeugachse.
Die DE 10 2005 010 543 A1 offenbart ein Werkzeug zur Erzeugung eines Gewindes in einem Werkstück mit von der Werkzeugachse nach außen radial vorstehenden Gewindeformbereichen zum Eindrücken des Gewindeprofils in das Werkstück. Jeder Gewindeformbereich weist einen ersten Seitenbereich, einen Zentralbereich und einen zweiten Seitenbereich auf, die nacheinander in einem vorgegebenen ersten Drehsinn um die Werkzeugachse angeordnet sind, wobei der äußere oder maximale radiale Abstand jedes der Seitenbereiche von der Werkzeugachse jeweils zum Zentralbereich hin zunimmt. Und der äußere oder maximale radiale Abstand des Gewindeformbereichs von der Werkzeugachse im Zentralbereich sein Maximum annimmt, d. h. der Zentralbereich radial weiter nach außen ragt als die Seitenbereiche. Die Zunahme oder der Anstieg des radialen Abstands des ersten Seitenbereiches von der Werkzeugachse in dem ersten Drehsinn zum Zentralbereich hin ist nun zumindest abschnittsweise anders gewählt als die Zunahme oder der Anstieg des radialen Abstandes des zweiten Seitenbereiches von der Werkzeugachse in einem zum ersten Drehsinn entgegengesetzten zweiten Drehsinn. Es wird also eine in Drehrichtung asymmetrische Gestalt des Gewindeformbereichs oder Formkeils verwirklicht.
Insbesondere bei der Nuterzeugung und einer damit kombinierten Gewindeerzeugung ist es notwendig die ruckartig entstehende Kraft beim axialen Eintauchen bei der Nuterzeugung zu reduzieren. Hierzu werden die Gewindeerzeugungsbereiche des Werkzeugs sehr schmal ausgeführt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein vorteilhaftes Gewindeformwerkzeug mit schmalen Gewindeerzeugungsbereichen bereitzustellen, mit welchem ein Gewinde formend und in guter Qualität hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Gewindeformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Werkzeugs gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Ein Gewindeformwerkzeug zur spanlosen Herstellung von Gewinden in Werkstücken, mit einer Werkzeuglängsachse nach Anspruch 1 umfasst wenigstens einen Gewindeerzeugungsbereich mit einer Anzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneten Gewindeformzähnen, wobei wenigstens ein Gewindeformzahn ein in einem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs liegendes Gewindeformprofil ausbildet, das einen Furchkeilwinkel aufweist, der zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils monoton abnimmt.
Ein monoton abnehmender Furchkeilwinkel ermöglicht es, in einem im Werkstoff vorlaufenden Abschnitt des Gewindeformprofils einen hohen Umformgrad zu erhalten. Im weiteren Verlauf des Gewindeformprofils zum Maximum des Außendurchmessers des Gewindeformprofils hin nimmt der Furchkeilwinkel auf geringere Werte ab und ermöglicht so eine gleichmäßige Ausformung des Gewindegangs mit guter Oberflächenqualität. Ein monoton abnehmender Furchkeilwinkel nimmt ab, kann aber abschnittsweise konstante Werte aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt der Furchkeilwinkel zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils streng monoton ab und/oder das Gewindeformprofil weist eine Kontur auf, die zumindest abschnittsweise der Kurve einer degressiven Funktion entsprechend verläuft.
Ein streng monoton abnehmender Furchkeilwinkel erlaubt eine kontinuierlich abnehmenden Umformgrad und damit eine Umformung unter Vermeidung ruckartig sich ändernder Umformkräfte. Die Kurve einer degressiven Funktion ermöglicht ebenfalls einen kontinuierlich abnehmenden Umformgrad. Unter einem streng monoton abnehmenden Furchkeilwinkel soll verstanden werden, dass der Furchkeilwinkel kontinuierlich abnimmt und auch nicht abschnittsweise konstant bleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Gewindeformprofil in seiner auf die Werkzeuglängsachse bezogenen radialen Ausdehnung ein Ausdehnungsmaximum auf, an dem der Furchkeilwinkel einen Wert von 0° aufweist
und/oder
das Gewindeprofil weist in seiner auf die Werkzeuglängsachse bezogenen radialen Ausdehnung einen Punkt geringerer radialer Ausdehnung, insbesondere einen Erstkontaktpunkt zum im Drehsinn vorlaufenden Erstkontakt zwischen Gewindeprofil und Werkstück, als in einem Ausdehnungsmaximum auf, insbesondere wobei
das Ausdehnungsmaximum in Richtung eines Drehsinns in Umfangsrichtung von dem Punkt geringerer radialer Ausdehnung beabstandet ist
und vorzugsweise wobei
in dem von Ausdehnungsmaximum und dem Punkt geringerer radialer Ausdehnung begrenzten Abschnitt des Gewindeprofils die radiale Ausdehnung in Richtung auf das Ausdehnungsmaximum so zunimmt, dass das Gewindeformprofil in diesem Abschnitt zumindest teilweise einen auf das Ausdehnungsmaximum zu degressiv abnehmenden Furchkeilwinkel aufweist, oder dass das Gewindeprofil in diesem Abschnitt einen auf das Ausdehnungsmaximum zu degressiv abnehmenden Furchkeilwinkel aufweist.
Ein Ausdehnungsmaximum des Gewindeformprofils erlaubt eine genau definierte Gewindegangtiefe. Ist ein Erstkontaktpunkt oder anders ausgedrückt, ein Ersteingriffspunkt von dem Ausdehnungsmaximum beabstandet, so wird ein genau begrenzter Arbeitsabschnitt des Gewindeformprofils definiert, in dem ein Furchkeilwinkel monoton, streng monoton oder degressiv abnehmend gestaltet werden kann. Als Erstkontaktpunkt soll als ein Punkt oder eine Position des Gewindeformprofils bei einem bestimmten Radius verstanden werden, die in Richtung des Drehsinns vorlaufend zuvorderst in Eingriff mit dem Werkstück kommt.
Bei einer vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung weist das Ausdehnungsmaximum und Erstkontaktpunkt einen Abstand im Bereich von 21° ≥ φ ≥ 15°, insbesondere im Bereich von 19° ≥ φ ≥ 17°, vorzugsweise im Bereich von 18°, auf und/oder weist der Erstkontaktpunkt bezogen auf einen von dem Ausdehnungsmaximum zu erzeugenden Gewindegang, insbesondere bezogen auf eine zu erzeugende Gewindegangtiefe, einen Furchkeilwinkel im Bereich von 28° ≥ γ₀ ≥ 22°, vorzugsweise im Bereich von 26° ≥ γ₀ ≥ 24°, besonders bevorzugt bei γ₀ = 25° auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewindeprofil einen Fliessradiusbereich auf, der sich entgegen dem Drehsinn von dem Erstkontaktpunkt bis zu einem Radius erstreckt, an dem der Furchkeilwinkel einen maximalen Wert, insbesondere im Bereich von 28° ≥ γ₁ ≥ 23°, vorzugsweise im Bereich von 26° ≥ γ₁ ≥ 24°, besonders bevorzugt bei γ₁ = 25°, aufweist.
In einem so dimensionierten Fliessradiusbereich wird der Gewindegang in diesem Bereich mit einem besonders hohen Umformgrad bei relativ geringem notwendigen Drehmoment ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der maximale Furchkeilwinkel einen Winkelabstand von dem Ausdehnungsmaximum von 18° ≥ φ ≥ 12°, insbesondere im Bereich von 16° ≥ φ ≥ 14°, vorzugsweise von φ = 15°, aufweist.
Bei konventionellen Gewindeformern werden relativ flache Furchkeilwinkel, beispielsweise γ < 15° eingesetzt, da bei steileren Furchkeilwinkeln die Oberflächenqualität abnimmt und der tangentiale Widerstand zunimmt, was bei einem konventionellen Gewindeformer mit einer Steigerung des benötigten Drehmoments einhergeht. Bei dem erfindungsgemäßen Gewindeformwerkzeug hingegen ist es besonders vorteilhaft hinsichtlich der aufzuwendenden Umformkräfte, dass ein Arbeitsabschnitt des Gewindeformprofils von einem Ausdehnungsmaximum und einem Erstkontaktpunkt mit den genannten Abstandswerten begrenzt ist. Ebenfalls besonders vorteilhaft ist ein Furchkeilwinkel im Erstkontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück in den genannten Wertebereichen. Auch dadurch kann mit niedrigeren Umformkräften gearbeitet werde.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs ein Polygonprofil einbeschrieben oder einbeschreibar ist, so dass das Gewindeformprofil in einem Eckbereich des Polygonprofils ausgebildet ist, insbesondere so, dass die Kontur des Gewindeformprofils der Kontur des Polygonprofils in dem Eckbereich entspricht.
Als Polygonprofil soll ein Polygon verstanden werden, dessen Ecken unter einem definierten Radius abgerundet sind. Auf diese Weise ist es möglich, ein Gewindeerzeugungswerkzeug zu definieren und herzustellen, dessen verschiedene Gewindeerzeugungsbereiche identisch ausgebildet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Kontur des Polygonprofils in dem Eckbereich als Kurve einer degressiven Funktion ausgebildet.
Durch diese Maßnahme ist es in einfacher Weise möglich eine degressiv abnehmenden Furchkeilwinkel zu erhalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besagt, dass wenigstens, vorzugsweise genau, zwei Gewindeerzeugungsbereiche vorgesehen sind, die bezogen auf eine Werkzeuglängsachse in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, und, insbesondere spiralförmig oder schraubenlinienförmig um die Werkzeuglängsachse angeordnet sind,
und/oder
wobei an dem Gewindeformwerkzeug oder an einem zusätzlichen Nuterzeugungswerkzeug Nuterzeugungsbereiche ausgebildet sind, durch die Nuten in der Wandung eines Werkstücks, insbesondere in der Wandung eines Kernlochs in einem Werkstück, erzeugbar sind,
insbesondere wobei wenigstens ein Teil der Gewindeerzeugungsbereiche des Gewindeerzeugungswerkzeugs auf einer dem zu erzeugenden Gewinde in der Gewindesteigung und dem Windungssinn entsprechenden Schraubenlinie die um die Werkzeugachse angeordneten Gewindeformzähne aufweist, die vorzugsweise innerhalb des Gewindeerzeugungsbereiches radial am Weitesten nach außen ragen.
Mit einem derartigen Werkzeug oder einer derartigen Werkzeugkombination ist es möglich Gewinde im sogenannten Punch-Tap-Verfahren herzustellen, wodurch eine sehr schnelle Gewindeerzeugung möglich ist bei zugleich hoher Qualität.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind an dem Gewindeformwerkzeug dem oder den Gewindeerzeugungsbereich(en) axial vorgelagert Nuterzeugungsbereiche ausgebildet, wobei jeder Gewindeerzeugungsbereich in einer axialen Projektion parallel zur Werkzeuglängsachse hinter wenigstens einem Nuterzeugungsbereich angeordnet ist und im Querschnitt in der axialen Projektion eine kleinere Ausdehnung aufweist als der jeweils zugeordnete Nuterzeugungsbereich, insbesondere wobei wenigstens ein Teil der Gewindeerzeugungsbereiche des Gewindeerzeugungswerkzeugs auf einer dem zu erzeugenden Gewinde in der Gewindesteigung und dem Windungssinn entsprechenden Schraubenlinie die um die Werkzeugachse angeordneten Gewindeformzähne aufweist, die vorzugsweise innerhalb des Gewindeerzeugungsbereiches radial am Weitesten nach außen ragen, vorzugsweise jedoch radial weniger weit nach außen ragen als der oder die Nuterzeugungsbereich(e).
In einer solchen Ausführungsform ist ein vorteilhaftes Kombinationswerkzeug geschaffen, mit dem sowohl die Erzeugung der entsprechenden Nuten als auch die Erzeugung des Gewindes mit einem einzigen Werkzeug möglich ist. Dadurch ist eine sehr wirtschaftliche Gewindeerzeugung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird geschaffen, indem an dem Gewindeformwerkzeug oder an einem zusätzlichen Nuterzeugungswerkzeug Nuterzeugungsbereiche ausgebildet sind, durch die Nuten in der Wandung eines Werkstücks, insbesondere in der Wandung eines Kernlochs in einem Werkstück, erzeugbar sind, wobei zumindest der Gewindeformzahn der ein in einem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs liegendes Gewindeformprofil ausbildet, das einen Furchkeilwinkel aufweist, der zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils monoton abnimmt, an wenigstens einem der Nuterzeugungsbereiche ausgebildet ist.
Dadurch kann die vorteilhafte Form des Gewindeformprofils auch im Nuterzeugungsbereich zur Anwendung kommen, wo ja bei der Gewindeerzeugung ebenfalls ein Gewindeformzahn in Eingriff mit dem Material kommen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen jeweils schematisch dargestellt sind:
1 ein kombiniertes Werkzeug mit zwei Gewindeerzeugungsbereichen und vorgelagerten Nuterzeugungsbereichen in gerader Ausführung und in einer perspektivischen Ansicht;
2 ein kombiniertes Werkzeug mit zwei Gewindeerzeugungsbereichen und vorgelagerten Nuterzeugungsbereichen in gedrallter Ausführung und in einer perspektivischen Ansicht;
3 eine schematische Skizze eines polygonförmigen Querschnittsprofils eines Gewindeformwerkzeugs;
4 eine schematische Skizze eines polygonförmigen Querschnittsprofils eines Gewindeformwerkzeugs mit eingearbeiteten Schmiernuten
5 ein Kernloch in einer Schnittdarstellung mit einem Gewinde nach Bearbeitung eines kombinierten Werkzeugs gemäß 2;
6 eine Ansicht eines Gewindeformzahns entsprechend der in 1 dargestellten Schnittebene IV bei Eingriff in einem Werkstück bei der Gewindeerzeugung;
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt ein kombiniertes Werkzeug 1, bei dem im vorderen Abschnitt 5 des Werkzeugs 1 zwei formende Gewindeerzeugungsbereichen 32 und 34 noch an der Stirnseite 3 ein Nuterzeugungsbereich 42 vor dem Gewindeerzeugungsbereich 32 und ein Nuterzeugungsbereich 44 vor dem Gewindeerzeugungsbereich 34 vorgelagert sind. Nicht dargestellt sind Gewindeerzeugungswerkzeuge ohne Nuterzeugungsbereich, also reine Gewindeformwerkzeuge oder Gewindefurcher, die gleichwohl ebenfalls gemäß der Erfindung ausgebildet sein können.
Jeder Nuterzeugungsbereich 42 und 44 weist eine axial nach vorne gerichtete an der Stirnseite 3 befindliche Nutschneide auf. Die Nutschneiden sind die radial am Weitesten nach außen ragenden sowie von den radial außen befindlichen Bereichen axial am Weitesten vorne befindlichen Bereiche des Werkzeuges 1 in dessen vorderem Abschnitt 5.
2 zeigt ein kombiniertes Werkzeug 1, bei welchem der Nuterzeugungsbereich 42 und der Gewindeerzeugungsbereich 32 sowie der Nuterzeugungsbereich 44 und der Gewindeerzeugungsbereich 34 gedrallt ausgebildet sind, also sich spiral- oder schraubenlinienförmig um die Werkzeugachse A herum angeordnet sind. Jeder Gewindeerzeugungsbereich 32, 34 umfasst jeweils mehrere Gewindeformzähne 32A, 34A, mittels derer Gewinde in ein Werkstück geformt werden können.
3 und 4 zeigen in einer schematischen Darstellung ein polygonförmiges Querschnittprofil eines Gewindeformwerkzeugs. Durch die Polygonform des Querschnittsprofils sind in den Eckbereichen des Polygons mehrere Gewindeformzähne 10 bis 14 ausgebildet. Die Gewindeformzähne 10 bis 14 können durch Schmiernuten 16 voneinander getrennt sein. Das in 3 und 4 dargestellte Konstruktionsprinzip kann in für den Fachmann einfacher Weise auf Polygone mit beliebiger Anzahl n Ecken angewendet werden, beispielsweise auch zur Konstruktion der Gewindeerzeugungswerkzeuge nach 1 und 2.
5 zeigt ein mit dem Werkzeug nach 2 erzeugtes Gewinde in einem Werkstück 2 mit einem Durchgangsloch als Kernloch 21 bei bereits herausgezogenem Gewindeerzeugungswerkzeug.
Der Gewindegang 36 ist vollständig in der Kernlochwandung 21 des Kernlochs 20 erzeugt und nur im Bereich der Nuten 22 und 24 unterbrochen. Die Mittelachse M des Kernloches 21 ist nun die Gewindeachse des erzeugten Gewindes mit dem (unterbrochenen) Gewindegang 36.
In 5 ist auch die Gewindesteigung P und der Gewindesteigungswinkel δ (gegenüber der Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse M) des Gewindeganges 36 eingezeichnet sowie zum Vergleich die Nutdrallsteigung PN, von der die Hälfte PN/2 gezeigt ist, und der Nutdrallwinkel θ (gegenüber der Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse M) der insoweit sichtbaren gedrallten Nut 24.
Die Helix der Nuten wird im Allgemeinen deutlich weiter und steiler gewählt als die Helix des Gewindes, um den schon beschriebenen und bei geraden Nuten wie beim Stand der Technik besonders großen Zeitvorteil beim Prozess gegenüber konventionellem Gewindebohren oder Gewindefurchen auch mit gedrallten Nuten erzielen und beibehalten zu können.
Bei einem mit dem Gewindeerzeugungswerkzeug 1 gemäß 1 erzeugtem Gewinde würde der Nuterzeugungsvorgang mit einer ausschließlich linearen Bewegung des Gewindeerzeugungswerkzeugs 1 ausgeführt, so dass die entstehenden Nuten gerade anstatt gedrallt wären.
6 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gewindeformzahns 32A entsprechend der in 1 dargestellten Schnittebene IV bei Eingriff in einem Werkstück 20 bei der Gewindeerzeugung, ein erfindungsgemäß ausgebildeter Gewindeformzahn kann ohne Weiteres auch an einem Gewindeerzeugungswerkzeug gemäß 2 angeordnet sein.
Der Gewindeformzahn 32A wird in Richtung des Drehsinns S bewegt und befindet sich dabei in Eingriff mit der Kernlochwandung 23 des Kernlochs 21. Dadurch formt der Gewindeformzahn 32A den Gewindegang 52 in der Kernlochwandung 23 aus. Der Gewindeformzahn 32A weist in der dargestellten Ansicht ein als Polygonprofil oder mit polygonförmiger Kontur gestaltetes Gewindeformprofil 60 auf. Die Gestaltung dieser Kontur beeinflusst den erreichbaren Umformgrad und das notwendig werdende Drehmoment.
Das Gewindeformprofil 60 ist dabei als sogenanntes degressives Polygon gestaltet. Radial nach außen ragend weist das Gewindeformprofil 60 dabei ein Ausdehnungsmaximum bei r(_φM) auf. In Umfangsrichtung und in Richtung des Drehsinns S gesehen nimmt die radiale Ausdehnung des Gewindeformprofils 60 bis auf wenigstens r(_φ1) ab. Auch in Richtung entgegen dem Drehsinn nimmt die radiale Ausdehnung des Gewindeformprofils 60 auf wenigstens r(_φ1) ab, wobei möglich ist, dass die radiale Ausdehnung noch weiter abnimmt. Bei r(_φ1) entspricht im Wesentlichen die radiale Ausdehnung oder, einfacher ausgedrückt, der Radius des Gewindeformprofils 60, dem Radius des Kernlochs 21 Befindet sich demnach das Gewindeformprofil 60 in vollem Eingriff in dem Werkstück 20 so ergeben sich durch die degressive Polygonform folgende Winkelverhältnisse zwischen Gewindeformprofil 60 und Werkstück 20. Gepunktet dargestellt ist die herzustellende Kontur des Gewindegangs 52, in der dargestellten Ansicht der Gewindegrund, bzw. die zu erreichende gewünschte Fertig-Gewindetiefe. Die Position an der das Gewindeformprofil 60 in Richtung des Drehsinns S zuvorderst in Eingriff mit der Kernlochwandung 23 kommt, ist bei dem sogenannten Fliessradiusr(_φ1) definiert. Diese Position wird als Erstkontaktpunkt bezeichnet.
Die Begriffe Furchkeilwinkel und Formkeilwinkel werden in Bezug auf das Ausführungsbeispiel synonym verwendet. Allgemein ausgedrückt sind Furchkeilwinkel γ an der Kontur 60 definiert, wobei jeweils einem Radiusvektor r ein Furchkeilwinkel γ zuordenbar ist. Der Furchkeilwinkel γ ist dabei der Winkel zwischen einer die Kontur 60 schneidenden Senkrechten eines Radiusvektors r und einer Tangente der Kontur 60 durch den Schnittpunkt des Radiusvektors r mit der Kontur 60. Radiusvektor r, Tangente und Kontur 60 liegen dabei in einer Ebene, die entsprechend dem Gewindesteigungswinkel 6 zur Werkzeugachse A geneigt ist.
An der Position des Fliessradius r(_φ1) erreicht ein Furchkeilwinkel γ₁ des Gewindeerzeugungswerkzeugseinen Wert beispielsweise im Bereich von 26° ≥ γ₁ ≥ 20°, vorzugsweise im Bereich von 24° ≥ γ₁ ≥ 22°, besonders bevorzugt bei γ₁ = 23°. Allgemein ausgedrückt ist ein Furchkeilwinkel vorgesehen, der von γ₂ beginnend bis γ_min monoton fallend, oder sogar streng monoton fallend, abnimmt. Im Winkelbereich zwischen γ₁ und γ₂, also von r(_φ1) bis r(_φ2), auch Fliessradiusbereich genannt, findet bei der Gewindeerzeugung der Hauptanteil der Umformarbeit, also das Fliessen des Werkstoffs statt.
In dem genannten Winkelbereich von r(_φ1) bis r(_φ2) kann eine Zunahme des Furchwinkels, also γ₂ > γ₁, bis auf Werte von 28° ≥ γ₂ ≥ 22° vorzugsweise im Bereich von 26° ≥ γ₂ ≥ 24°, besonders bevorzugt bei γ₂ = 25°, bei r(_φ2) vorgesehen sein. In den γ₂, bzw. r(_φ2) entsprechend dem Drehsinn S nachlaufenden Bereichen nimmt die Umformarbeit ab, Formänderungsgeschwindkeit und benötigte Umformkraft nehmen in diesen Bereichen ab.
Ferner liegt im Bereich des Ausdehnungsmaximums r(_φM) ein Furchkeilwinkel γ_min = 0° vor.
Vereinfacht kann für eine streng monoton abnehmende Kontur des Gewindeformprofils vom Fliessradius r(_φ1) bis zum Ausdehnungsmaximum r(_φM) des Gewindeformprofils folgende mathematische Vorschrift angegeben werden: γ(φ_i) < γ(φ_i+1); Gl. 1.1 (mit i = 1, ..., n – 1; wobei i = 1 am Fliessradius, bzw. der Eingriffsgrenze r(_φ1) des Gewindeformprofils und n im Ausdehnungsmaximum r(_φM) des Gewindeformprofils liegt); Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 nimmt in diesem speziellen Fall der Formkeilwinkel bereits vom Fliessradius r(_φ1) bis zum Ausdehnungsmaximum r(_φM) kontinuierlich ab.
Auf diese Weise wird erreicht, in einem in Richtung des Drehsinns S vorderen Abschnitt des Gewindeformprofils einen verhältnismäßig großen Furchkeilwinkel und damit einen hohen Umformgrad zu erhalten. Im weiteren Verlauf des Gewindeformprofils entgegen dem Drehsinn S zum Ausdehnungsmaximum r(_φM) hin, nimmt der Furchkeilwinkel sukzessive oder kontinuierlich ab, um eine gleichmäßige Ausformung des Gewindegangs 52 mit guter Oberflächenqualität zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Furchkeilwinkel im Fliessradiusbereich zwischen r(_φ1) und r(_φ2) zunimmt.
Konventionelle Gewindeformer erzielen eine Fertig-Gewindetiefe durch sukzessives Herausarbeiten des Gewindes mit mehreren axial nacheinander angeordneten Gewindeformzähnen, die radial nacheinander jeweils eine größer werdende radiale Ausdehnung aufweisen. Ferner arbeiten konventionelle Gewindeformer maximal eine Gewindetiefe r(_φ1) – r(_φ4) von beispielsweise 0,05 mm pro Gewindeformzahn heraus, jeweils unter einem maximalen Furchkeilwinkel γ₄ < 15° an einem sich in Eingriff befindlichen Gewindeformzahn.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug kann eine Fertig-Gewindetiefe mit einem einzigen Gewindeformzahn 32A, 34A erzeugt und auch mit sehr viel steileren Furchkeilwinkeln bis zu 28° ≥ γ₂ ≥ 22° gearbeitet werden, beispielsweise kann eine Gewindetiefe von bis zu 3,5 mm mit einem Gewindeformzahn erzielt werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kontur 60 des Gewindeformzahns 32A einen sich entsprechend der Krümmung der Kontur 60 in Richtung des Drehsinns S ändernden Furchkeilwinkel γ auf. Die Verteilung der Werte des Furchkeilwinkels in Abhängigkeit vom Winkelabstand zu φ_M ist der Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1

Winkelabstand von φ_M Furchkeilwinkel

φ₀ = 0° γ_M = 0°

φ₄ = ~5° γ₄ = ~16,5°

φ₃ = ~9° γ₃ = ~22°

φ₂ = ~15° γ₂ = ~25°

φ₁ = ~18° γ₁ = ~23°
Bezugszeichenliste

1: Gewindeerzeugungswerkzeug
2: Schaft
3: Stirnseite
4: Vielkant
5: vorderer Abschnitt
6: hinterer Abschnitt
10, ..., 15: Gewindeformzähne
16: Schmiernuten
20: Werkstück
21: Kernloch
23: Kernlochwandung
22, 24: Nut
32, 34: Gewindeerzeugungsbereich
32A, 34A: Gewindeformzahn
32B, 34B: Freifläche
33, 35: Außenfläche
36: Gewindegang
42, 44: Nuterzeugungsbereich
52: Gewindegang
60: Gewindeformprofil
A: Werkzeugachse
P: Gewindesteigung
S: Drehsinn
Δr: radialer Abstand
M: Mittelachse
r(_φ1), ..., r(_φ4): Radius
r(_φM): maxialer Radius
γ₁, ..., γ₄: Furchkeilwinkel
δ: Gewindesteigungswinkel
Θ: Drallwinkel

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 Patentliteratur

DE 102012105183 A1 [0006, 0007]
DE 102011001772 A1 [0007]
DE 102005010543 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Handbuch der Gewindetechnik und Frastechnik, 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 [0003]
EMUGE-Handbuch, Kapitel 11, Seiten 373 bis 404 [0003]

Claims

Gewindeformwerkzeug (1) zur spanlosen Herstellung von Gewinden, insbesondere von Innengewinden, an oder in Werkstücken, mit einer Werkzeuglängsachse (A) und umfassend wenigstens einen Gewindeerzeugungsbereich (32, 34) mit einer Anzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneten Gewindeformzähnen (32A, 34A), wobei wenigstens ein Gewindeformzahn (32A, 34A) ein in einem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs liegendes Gewindeformprofil (60) ausbildet, das einen Furchkeilwinkel (γ₁, ..., γ₄) aufweist, der zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils (60) monoton abnimmt.
Gewindeformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Furchkeilwinkel (γ₁, ..., γ₄) zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils (60) streng monoton abnimmt und/oder dass das Gewindeformprofil (60) eine Kontur aufweist, die zumindest abschnittsweise der Kurve einer degressiven Funktion entsprechend verläuft.
Gewindeformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeformprofil (60) in seiner auf die Werkzeuglängsachse (A) bezogenen radialen Ausdehnung (r) ein Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) aufweist, an dem der Furchkeilwinkel (γ_min) einen Wert von 0° aufweist und/oder dass das Gewindeprofil (60) in seiner auf die Werkzeuglängsachse (A) bezogenen radialen Ausdehnung (r) einen Punkt geringerer radialer Ausdehnung ((r(_φ1), ..., (r(_φ4)), insbesondere einen Erstkontaktpunkt (r(_φ1)) zum im Drehsinn (S) vorlaufenden Erstkontakt zwischen Gewindeprofil (60) und Werkstück (20), als in einem Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) aufweist, insbesondere wobei das Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) in Richtung eines Drehsinns (S) von dem Punkt geringerer radialer Ausdehnung (r(_φ1)) beabstandet ist und vorzugsweise wobei in dem von Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) und dem Punkt geringerer radialer Ausdehnung (r(_φ1)) begrenzten Abschnitt des Gewindeprofils (60) die radiale Ausdehnung in Richtung auf das Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) so zunimmt, dass das Gewindeformprofil (60) in diesem Abschnitt zumindest teilweise einen auf das Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) zu degressiv abnehmenden Furchkeilwinkel (γ₁, ..., γ₄) aufweist, oder dass das Gewindeprofil (60) in diesem Abschnitt einen auf das Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) zu degressiv abnehmenden Furchkeilwinkel (γ₁, ..., γ₄) aufweist.
Gewindeformwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) und Erstkontaktpunkt (r(_φ1)) einen Abstand im Bereich von 21° ≥ φ ≥ 15°, insbesondere im Bereich von 19° ≥ φ ≥ 17°, vorzugsweise im Bereich von φ = 18°, aufweisen und/oder dass der Erstkontaktpunkt (r(_φ1)) bezogen auf einen von dem Ausdehnungsmaximum (r(_φM)) zu erzeugenden Gewindegang (52), insbesondere bezogen auf eine zu erzeugende Gewindegangtiefe, einen Furchkeilwinkel (γ₁) im Bereich von 26° ≥ γ₁ ≥ 20°, vorzugsweise im Bereich von 24° ≥ γ₁ ≥ 22°, besonders bevorzugt bei γ_i = 23° aufweist.
Gewindeformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeprofil (60) einen Fliessradiusbereich aufweist, der sich entgegen dem Drehsinn (S) von dem Erstkontaktpunkt (r_φ1) bis zu einem Radius (r_φ2) erstreckt, an dem der Furchkeilwinkel (γ₂) einen maximalen Wert, insbesondere im Bereich von 28° ≥ γ₁ ≥ 23°, vorzugsweise im Bereich von 26° ≥ γ₁ ≥ 24°, besonders bevorzugt bei γ₁ = 25°, aufweist.
Gewindeformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs ein Polygonprofil einbeschrieben ist oder einbeschreibar ist, so dass das Gewindeformprofil (60) in einem Eckbereich des Polygonprofils ausgebildet ist, insbesondere so, dass die Kontur des Gewindeformprofils (60) der Kontur des Polygonprofils in dem Eckbereich entspricht.
Gewindeformwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Polygonprofils in dem Eckbereich als Kurve einer degressiven Funktion ausgebildet ist.
Gewindeformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens, vorzugsweise genau, zwei Gewindeerzeugungsbereiche (32, 34) vorgesehen sind, die bezogen auf eine Werkzeuglängsachse (A) in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, und, insbesondere spiralförmig oder schraubenlinienförmig um die Werkzeuglängsachse (A) angeordnet sind, und/oder wobei an dem Gewindeformwerkzeug oder an einem zusätzlichen Nuterzeugungswerkzeug Nuterzeugungsbereiche (42, 44) ausgebildet sind, durch die Nuten in der Wandung eines Werkstücks, insbesondere in der Wandung eines Kernlochs in einem Werkstück, erzeugbar sind, insbesondere wobei wenigstens ein Teil der Gewindeerzeugungsbereiche (32, 34) des Gewindeerzeugungswerkzeugs (10) auf einer dem zu erzeugenden Gewinde in der Gewindesteigung (P) und dem Windungssinn entsprechenden Schraubenlinie die um die Werkzeugachse (A) angeordneten Gewindeformzähne (32A, 34A) aufweist, die vorzugsweise innerhalb des Gewindeerzeugungsbereiches (32, 34) radial am Weitesten nach außen ragen.
Gewindeformwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gewindeformwerkzeug dem oder den Gewindeerzeugungsbereich(en) (32, 34) axial vorgelagert Nuterzeugungsbereiche (42, 44) ausgebildet sind, wobei jeder Gewindeerzeugungsbereich (32, 34) in einer axialen Projektion parallel zur Werkzeuglängsachse hinter wenigstens einem Nuterzeugungsbereich (42, 44) angeordnet ist und im Querschnitt in der axialen Projektion eine kleinere Ausdehnung aufweist als der jeweils zugeordnete Nuterzeugungsbereich (42, 44), insbesondere wobei wenigstens ein Teil der Gewindeerzeugungsbereiche (32, 34) des Gewindeerzeugungswerkzeugs (10) auf einer dem zu erzeugenden Gewinde in der Gewindesteigung (P) und dem Windungssinn entsprechenden Schraubenlinie die um die Werkzeugachse (A) angeordneten Gewindeformzähne (32A, 34A) aufweist, die vorzugsweise innerhalb des Gewindeerzeugungsbereiches (32, 34) radial am Weitesten nach außen ragen, vorzugsweise jedoch radial weniger weit nach außen ragen als der oder die Nuterzeugungsbereich(e) (42, 44).
Gewindeformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gewindeformwerkzeug oder an einem zusätzlichen Nuterzeugungswerkzeug Nuterzeugungsbereiche (42, 44) ausgebildet sind, durch die Nuten in der Wandung eines Werkstücks, insbesondere in der Wandung eines Kernlochs in einem Werkstück, erzeugbar sind, wobei zumindest der Gewindeformzahn (32A, 34A) der ein in einem Querschnitt des Gewindeerzeugungsbereichs liegendes Gewindeformprofil (60) ausbildet, das einen Furchkeilwinkel (γ₁, ..., γ₄) aufweist, der zumindest in einem Abschnitt des Gewindeformprofils (60) monoton abnimmt, an wenigstens einem der Nuterzeugungsbereiche (42, 44) ausgebildet ist.