DE102017103073B4

DE102017103073B4 - Werkzeug zum Gewindewalzen einer gewindeformenden Schraube, Verfahren zum Herstellen einer lochformenden und/oder gewindeformenden Schraube, sowie eine gewindeformende und/oder lochformende Schraube

Info

Publication number: DE102017103073B4
Application number: DE102017103073.5A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hieber
Original assignee: Hieber & Maier GmbH
Current assignee: Hieber & Maier GmbH
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: DE102017103073A1

Abstract

Werkzeug zur Herstellung einer lochformenden und/oder gewindefurchenden Schraube umfassend eine Antriebsseite oder einen Kopf (23), einen Schaft (25) und eine der Antriebsseite und dem Kopf (23) gegenüberliegend angeordnete Spitze, wobei sie einen zylindrischen Abschnitt (25) und einen gewindeformenden annähernd kegelstumpfförmigen Abschnitt (27) mit einem polygonalen Querschnitt aufweist, wobei die Schraube durch Walzen aus einem Rohling mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt ist, wobei das Werkzeug eine feststehende Walzbacke (29) und eine bewegliche Walzbacke (29) umfasst, wobei die Walzbacken (29) jeweils eine Walzfläche (31) aufweisen, die einander zugewandt sind, wobei in den Walzflächen (31) mehrere nebeneinander angeordnete formgebende Profile (33, 35) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Teilfläche der Walzfläche (31) die formgebenden Profile gleich sind, und dass in einer zweiten Teilfläche der Walzfläche (31) die Höhe und die Tiefe der formgebenden Profile (35) in Richtung der Relativbewegung (Y-Achse) der Walzbacken (29) periodisch zu- und abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Gewindewalzen, das zwei Walzbacken umfasst mit deren Hilfe eine gewindeformende Schraube nach Anspruch 8 hergestellt werden kann. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer lochformenden und/oder gewindeformenden Schraube gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7.
Gewindeformende Schrauben werden in einer Vielzahl von Großserienprodukten eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet solcher Schrauben ist die Automobilindustrie. Mit Hilfe von gewindeformenden Schrauben wird beim Eindrehen der Schraube in ein vorbereitetes Loch, beispielsweise eines Stahlblechs oder eines Aluminiumblechs, das zu der Schraube komplementäre Innengewinde gefurcht. Dieser Vorgang wird im Zusammenhang mit der Erfindung als Gewindeformen oder Gewindefurchen bezeichnet.
Gewindeformende Schrauben sind seit langem bekannt. Beispielhaft ist z.B. aus der DE 33 32 570 A1 eine Schraube bekannt, die durch Gewindewalzen mit zwei Gewindewalzbacken hergestellt wird. Im Bereich einer Schraubenspitze ist der Querschnitt der fertigen Schraube polygonal, d.h. der Querschnitt hat die Form eines Gleichdicks mit zwei oder mehr Maxima und Minima. Im Zusammenhang mit gewindeformenden Schrauben wird bei einem Gleichdick mit drei Maxima auch von einem „trilobularen“ Querschnitt gesprochen. Bei einem Gleichdick mit fünf Maxima wird auch von einem „pentalobularen“ Querschnitt gesprochen. Die Begriffe „polygonal“, „tribolar“ und „pentalobular“ sind synonym zu verstehen.
Aus der DE 20 2005 013 320 U1 ist eine gewindefurchende Schraube bekannt, die an ihrem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende einen konischen Teilbereich aufweist, der im Querschnitt polygonal ist. Beide genannten Druckschriften gehen davon aus, dass der Rohling einer Schraube schon bevor das Gewinde aufgewalzt wird mindestens im Bereich der Spitze einen polygonalen Querschnitt hat. Auf diesen polygonalen Querschnitt wird mit herkömmlichen Walzbacken ein Gewinde aufgewalzt, damit sich im Idealfall im Bereich der Schraubenspitze ein kegelförmiges Gewinde mit polygonalem Querschnitt ausbildet.
Aus der WO 2014 ist eine gewindefurchende Schraube bekannt, die an ihrem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende einen konischen Teilbereich aufweist.
Die DE 1248001 B beschreibt Walzbacken, die zur Herstellung von Schrauben mit einen zylindrischen Schraubenschaft und einer kegelstumpfförmigen Spitze mit polygonaler Spitze geeignet sind. Die Walzbacken weisen zwei Walzflächen auf, die miteinander einen stumpfen Winkel einschließen.
Aus der WO 85/02797 ist ein Werkzeug zum Gewindewalzen bekannt, das an einem vorderen Teil des Schraubenschafts eine Verzahnung und an einem hinteren Teil eine Gewinde erzeugt. r Der tragende Teil des Schraubenschafts ist kreisförmig im Querschnitt und trägt die Hauptlast der durch die Schraube in das Innengewinde des Gegenstücks zu übertragenden Kräfte.
Die zur Herstellung dieser Schrauben erforderlichen Walzbacken weisen eine Walzfläche auf, in der mehrere nebeneinander angeordnete formgebende Profile ausgebildet sind. Diese formgebenden Profile walzen das gewünschte Gewinde in den Rohling. Dabei sind die formgebenden Profile, die das Gewinde walzen, über die gesamte Walzfläche gleich.
Aus dem Zusammenspiel eines durch Umformen hergestellten Rohlings mit einem im Bereich der Schraubenspitze polygonalen Querschnitt und einer Walzbacke, deren formgebenden Profile über die gesamte Walzfläche gleich sind, lässt sich eine gewindeformende Schraube herstellen, deren Spitze ein polygonales Außengewinde aufweist, welches beim Einschrauben in ein vorbereitetes Loch des Gegenstücks ein Innengewinde formen kann.
Zwischen der Schraubenspitze und dem Schraubenkopf ist ein zylindrischer Abschnitt der Schraube ausgebildet mit einem Zylindergewinde. In der 1 ist dieser Sachverhalt kurz dargestellt.
In der 1a ist ein Pressbolzen oder Rohling 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. An einen Schraubenkopf 3 schließt ein zylindrischer Abschnitt 5 an. Der zylindrische Abschnitt 5 hat die Länge L₁. Daran schließt sich ein Abschnitt 7 an, der einen polygonalen Querschnitt aufweist. Dieser zweite Abschnitt 7 hat die Länge L₂. Dort wird später der gewindeformende Anschnitt der Schraubenspitze ausgebildet.
Die Schraubenspitze ist maßgeblich für das Formen/Furchen des Innengewindes zuständig, wenn die Schraube in ein entsprechendes Gegenstück (nicht dargestellt) eingedreht wird.
Der Schnitt entlang der Linie A-A in der 1 a) verdeutlicht, dass im zweiten Abschnitt 7 der Querschnitt des Rohlings 1 nicht kreisförmig, sondern polygonal ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Polygon mit drei Maxima und drei Minima.
In der 1b ist die Walzfläche 9 einer Walzbacke 11 dargestellt, die zum Walzen eines Gewindes auf den Schaft (Abschnitte 5 und 7) des Rohlings geeignet ist. In der 1b) ist ein Koordinatensystem mit einer X-Achse und einer Y-Achse eingezeichnet.
Eine Breite B (x = B) der Walzbacke 11 entspricht in etwa der Länge des späteren Schraubenschafts bzw. der Summe aus den Längen L₁ und L₂ des Pressbolzens bzw. des Rohlings 1.
Aus der 1b ergibt sich weiter, dass in der Walzfläche 9 eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten formgebenden Profilen 13 eingearbeitet ist. Die Querschnitte der formgebenden Profile 13 bestimmen das Profil des Gewindes der Schraube 15. Um ein metrisches Normgewinde herzustellen, sind die formgebenden Profilen 13 als gleichseitige Trapeze ausgebildet. Bei der in 1 (Stand der Technik) dargestellten Walzbacke 11 sind die formgebenden Profile 13 über die gesamte Länge, d. h. in Richtung der y-Achse gleich ausgebildet. Im Bereich des zweiten Abschnitts 7 (x = L₁ bis x = L₂) nimmt die Tiefe der formgebenden Profile 13 in Richtung der X-Achse ab, so dass in diesem Bereich eine kegelige Schraubenspitze, zumindest aber ein kegeliges Gewinde beim Walzen entsteht.
Wenn man nun einen Rohling 1 gemäß 1a mit Walzbacken 11 gemäß der 1b bearbeitet, dann entsteht die in der 1c dargestellte Schraube 15. Im Bereich der Schraubenspitze 17 ist ein Gewinde ausgeformt, das annähernd einen polygonalen Querschnitt hat und dessen Durchmesser beginnend an der eigentlichen Schraubenspitze 17 (x = L₂) zunimmt und schließlich in erster Näherung am Übergang (x = L₁) zwischen erstem Abschnitt 5 und zweitem Abschnitt 7 den gleichen Durchmesser hat wie das Gewinde in dem zylindrischen ersten Abschnitt L₁.
Bei dieser nach dem Stand der Technik hergestellten Schraube ergeben sich Probleme beim Furchen des Gewindes, weil die Formstollen bzw. die Gewindegänge des polygonalen Gewindes am Übergang (x = L₁) zwischen erstem Abschnitt 5 und zweitem Abschnitt 7 oft nicht voll ausgeformt sind.
Dann formt der zweite Gewindeabschnitt (beginnend bei x = L₂ und endend bei x = L₁) der Schraube 15 mit dem polygonalen Profil das Gewinde in dem Gegenstück nicht vollständig aus und beim Eindrehen der Schraube muss der zylindrische Teil des Gewindes einen Teil der Formgebung des komplementären Innengewindes mit übernehmen. Dies hat mehrere Nachteile, die anhand der 2 kurz erläutert werden.
Die 2 zeigt ein Diagramm, in dem das Einschraubdrehmoment über dem Einschraubwinkel dargestellt ist. In der 2 sind die die Einschraubdrehmomente von fünf baugleichen herkömmlich gefertigten formgebenden Schrauben dargestellt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die Einschraubmomente der fünf gemessenen Schrauben in einem relativ großen Bereich streuen. So benötigt bei einem Einschraubwinkel von 3500° eine der Schrauben ein Einschraubmoment von etwa 16 Nm, während eine andere Schraube ein Einschraubdrehmoment von 24 Nm benötigt. Diese große Streuung von etwa 50% ist ein Nachteil, weil sie das automatisierte Einschrauben und Gewindefurchen in einer Großserienfertigung mit gleichzeitiger Überprüfung der Schraubverbindung durch die Auswertung des Anzugsmoments erschwert oder teilweise sogar unmöglich macht.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass jede Schraube ein sogenanntes Überdrehmoment hat, das in der 2 durch eine gestrichelte Linie 19 dargestellt ist. Wenn dieses Überdrehmoment der Schraube beim Eindrehen und beim Furchen des Gewindes erreicht wird, dann kann es zum Versagen der Schraube kommen, beispielsweise indem der Schraubenkopf abschert. Auch das ist selbstverständlich unerwünscht und führt zum Ausschuss der Schraubverbindung.
Wie sich aus der 2 ergibt, kommt eine der fünf gemessenen Schrauben kurzzeitig in den Bereich des Übermoments 19, so dass ein Versagen dieser Schraube nicht ausgeschlossen werden kann. In anderen Worten: Diese gewindeformenden Schrauben sind für eine prozesssichere vollautomatisierte Montage nur bedingt einsetzbar.
Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten gewindefurchenden Schrauben ist darin zu sehen, dass der Rohling 1 im Bereich der Schraubenspitze polygonal geformt sein muss (Siehe 1a). Dies führt dazu, dass die Matrize, mit deren Hilfe der Rohling geformt wird, teuer in der Herstellung ist. Weiter gibt es aufgrund des polygonalen Querschnitts eine Vielzahl von Maßen, die bei der Qualitätssicherung der Rohlinge erfasst werden muss, um sicherzustellen, dass der Rohling alle geometrischen Sollmaße einhält.
Weil bei einer Serienfertigung die polygonalen Querschnitte der Rohlinge in verschiedenen Winkelstellungen in die Gewindewalzmaschine gelangen, führt dies zu unterschiedlichen Ausformungen der Flanken bei verschiedenen Schrauben einer Serie. Diese Unterschiede werden als ursächlich für die große Streubreite bei den Einschraubmomenten angesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine selbstfurchende Schraube bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, die aus einem kostengünstig herstellbarem Rohling gefertigt wird und bei der die Einschraubmomente beim Eindrehen der Schraube in ein Gegenstück niedriger als beim Stand der Technik sind und eine geringere Streuung aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Werkzeug mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüche 2 bis 6 angegeben. Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Verfahren nach Anspruch 7 sowie durch eine Schraube nach Anspruch 8 gelöst.
In anderen Worten: Der Teil der formgebenden Profile, der die Schraubenspitze mit polygonalem Querschnitt und Gewinde ausformt, macht in Längsrichtung (Y-Achse) der erfindungsgemäßen Walzbacken eine wellenförmige Auf- und Abbewegung. Diese Wellenbewegung kann sinusförmig sein. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Wellenbewegung mit anderen periodischen Funktionen realisiert werden.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Walzbacken wird ein Rohling, der einen kreisrunden Querschnitt sowohl im Bereich des Anschnitts der Schraubenspitze als auch des späteren Gewindeschafts aufweist, beim Gewindewalzen im Bereich des Anschnitts der Schraubenspitze mit einem polygonalen Querschnitt versehen. Gleichzeitig wird dort ein polygonales Gewinde aufgewalzt.
Dadurch, dass sowohl das Herstellen eines polygonalen Querschnitts als auch das Walzen eines polygonalen Gewindes mit Hilfe der erfindungsgemäßen Walzbacken erfolgt, wird das auf diese Weise hergestellte polygonale Gewinde besser und präziser ausgeformt als mit herkömmlichen Walzbacken, die einen Rohling mit bereichsweise polygonalem Querschnitt umformen.
Insbesondere wird der Formstollen des polygonalen Gewindes der erfindungsgemäß hergestellten Schraube am Übergang zwischen dem Anschnitt der Schraubenspitze und dem zylindrischen Abschnitt besser und präziser, d. h. mit einer größeren Wiederholgenauigkeit, ausgeformt.
Im Ergebnis wird bei einer Schraube, die mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug hergestellt wurde, wenn sie in das vorbereitete Loch des Gegenstücks eingedreht wird, das Gewindefurchen vollständig von dem polygonalen Gewinde im Bereich der Schraubenspitze übernommen. Der daran anschließende zylindrische Abschnitt leistet keinen Beitrag zum Formen bzw. Gewindefurchen des komplementären Innengewindes. In Folge dessen sind die Einschraubmomente niedriger und streuen nur in sehr geringem Umfang. Diese Eigenschaften erlauben das automatische und prozesssichere Eindrehen einer erfindungsgemäß hergestellten Schraube in ein Gegenstück.
Man kann das erfindungsgemäße Werkzeug so auslegen, dass der zylindrische Abschnitt der Schraube das zuvor geformte Innengewinde kalibriert. Dadurch wird die Maßhaltigkeit des gefurchten Innengewindes verbessert.
Damit die Umformung des ursprünglich zylindrischen Querschnitts des Rohlings in einen polygonalen Querschnitt und das formgebende Gewinde möglichst schonend von statten geht, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Amplitude der Zu- und Abnahme von Höhe bzw. Tiefe der formgebenden Profile in Richtung der Y-Achse zunimmt. Dann erfolgen die Umformung des Querschnitts und das Walzen des Gewindes in mehreren kleinen Schritten.
Es ist aber auch möglich, dass die Amplitude der Zu- und Abnahme von Höhe bzw. Tiefe der formgebenden Profile in Richtung der Y-Achse gleich bleibt.
Um ein optimales Ergebnis zu erzielen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zu- und Abnahme von Höhe bzw. Tiefe der formgebenden Profile in Richtung der Y-Achse einen ganzzahligen Bruchteil des Umfangs entspricht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ändert sich die Geometrie der formgebenden Profile in Querrichtung (X-Achse). Dadurch ergibt sich ein Freiheitsgrad bei der Geometrie der Schraubenspitze
In der 6 sind die Einschraubmomente erfindungsgemäß hergestellter gewindeformender Schrauben mit gleichen Abmessungen wie in der 2 (Stand der Technik) dargestellt.. Dabei wird deutlich, dass erstens die Streuung zwischen den Einschraubdrehmomenten der gemessenen Schrauben sehr viel geringer ist als bei Schrauben nach dem Stand der Technik. Außerdem bewegt sich das Einschraubmoment in einem engen Korridor zwischen 14 Nm und 16 Nm. D.h. ein Abstand S zu dem Überdrehmoment (dargestellt durch die Linie 19) von zum Beispiel 24 Nm ist sehr groß. Dies führt im Ergebnis dazu, dass die mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug hergestellten Schrauben prozesssicher und zuverlässig vollautomatisiert montiert werden können. Die in der 6 dargestellten Einschraubmomente betreffen die Auswertungen von ersten Mustern. Es ist zu vermuten, dass durch Optimierungen im Detail noch weitere Verbesserungspotentiale erschlossen werden können.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Walzbacken ist darin zu sehen, dass der Rohling ausschließlich kreisringförmige Querschnitte hat, so dass die Herstellung einer Matrize zum Pressen der Rohlinge sehr viel einfacher und kostengünstiger ist. Gleichzeitig wird die Qualität der Schrauben in dem Bereich, der das Innengewinde in dem Gegenstück formt, verbessert, das Einschraubmoment wird reduziert und die Streuung der Einschraubmomente wird sehr stark reduziert. Dies ermöglicht eine prozesssichere vollautomatisierte Montage auch größter Stückzahlen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht und der nachfolgenden Zeichnung sowie deren Beschreibung offenbart.
Es zeigen

1: Die Herstellung einer Schraube nach dem Stand der Technik,
2: die Einschraubdrehmomente von fünf Schrauben nach dem Stand der Technik,
3: ein Beispiel eines Rohlings zur Herstellung einer Schraube mit den erfindungsgemäßen Walzbacken,
4: eine erfindungsgemäße Walzbacke in verschiedenen Ansichten und Schnitten,
5: eine mit den erfindungsgemäßen Walzbacken hergestellte Schraube in verschiedenen Ansichten und Schnitten,
6: die Einschraubdrehmomente von fünf mit den erfindungsgemäßen Walzbacken hergestellten Schrauben.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Rohlings 21 dargestellt, der zur Herstellung einer gewindeformenden Schraube mit den erfindungsgemäßen Walzbacken verwendet werden kann. Der Rohling 21 weist einen Kopf 23 und einen zylindrischen Abschnitt 25 auf. Optional (nicht dargestellt) kann ein kegelstumpfförmiger Abschnitt angeformt sein, der später die Schraubenspitze bildet. Auch in diesem kegelstumpfförmigen Abschnitt ist der Querschnitt des Rohlings kreisförmig.
Wegen der einfachen Geometrien ist der Rohling 21 durch Kaltumformen sehr einfach und kostengünstig herstellbar.
In der 4 ist eine erfindungsgemäße Walzbacke 29 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Zum Walzen von Gewinden werden eine feststehende und eine bewegliche Walzbacke benötigt. Da die Erfindung in gleicher Weise an beiden Walzbacken ausgebildet ist, wird die Erfindung nur anhand einer Walzbacke 29 erläutert.
In der 4a ist stark vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Walzbacke dargestellt. Ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z sowie einem Ursprung „U“ eingezeichnet. An der Oberseite der Walzbacke 29 ist eine Walzfläche 31 ausgebildet.
Eine Breite B in Richtung der X-Achse entspricht in etwa der Länge des umzuformenden Bereichs der mit dieser Walzbacke 29 hergestellten Schraube.
Auf der Walzfläche 31 der beispielhaft dargestellten erfindungsgemäßen Walzbacke 29 sind mehrere nebeneinander verlaufende formgebende Profile ausgebildet, die nachfolgend im Detail erläutert werden.
Die formgebenden Profile sind nicht über die gesamte Walzfläche 31 gleich, so dass man die erfindungsgemäße Walzfläche 31 gedanklich in mehrere Teilflächen aufteilen kann.
Im Bereich einer ersten Teilfläche mit den Koordinaten x = 0 bis x = B₁ und y = 0 bis y = L sind mehrere nebeneinander verlaufende formgebende Profile ausgebildet. Die formgebenden Profile sind innerhalb der ersten Teilfläche gleich. Mit diesen formgebenden Profilen wird das zylindrische Gewinde im zylindrischen Abschnitt 25 des Rohlings 21 gewalzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um gleichschenklige Trapeze. Damit kann ein metrisches ISO-Gewinde gewalzt werden. Die Erfindung ist nicht auf diese Gewindeform beschränkt. Sie kann bei allen gängigen Gewindeformen und auch bei Sondergewinden eingesetzt werden.
Im Bereich einer daran anschließenden zweiten Teilfläche mit den Koordinaten x = B₁ bis x = B₂ und y = 0 bis y = L sind ebenfalls mehrere nebeneinander verlaufende erfindungsgemäß gestaltete formgebende Profile ausgebildet. Mit den formgebenden Profilen der zweiten Teilfläche wird der kreisrunde Querschnitt des Rohlings 21 in einen polygonalen Querschnitt umgeformt und gleichzeitig wird ein polygonales Gewinde geformt. Die Lage der zweiten Teilfläche in Richtung der X-Achse kann in weiten Grenzen variiert werden, entsprechend den gewünschten Abmessungen der herzustellenden Schraube.
Die erfindungsgemäßen formgebenden Profile ändern ihr Profil und/oder Ihre Höhe und Tiefe innerhalb der zweiten Teilfläche. Die formgebenden Profile der zweiten Teilfläche formen den kreisförmigen Querschnitt des Rohlings 21 in einen polygonalen Querschnitt um und formen das formgebende Gewinde aus.
Im Bereich einer daran anschließenden optionalen dritten Teilfläche mit den Koordinaten x = B₂ bis x = B und y = 0 bis y = L können weitere formgebende Profile, beispielsweise zum Ausbilden einer fließlochformenden Spitze, ausgebildet sein.
Die 4 b) zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Walzbacke 29. In dieser Seitenansicht ist zu erkennen, dass die formgebenden Profile der zweiten Teilfläche in Richtung der Y-Achse eine periodische Auf- und Abbewegung beginnend bei ausführen. Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt die Amplitude in Richtung der positiven Y-Achse zu.
Die 4 c) zeigt eine Ansicht von oben auf die Walzbacke 29. In dieser Ansicht sind die Grenzen zwischen den Teilflächen durch die Angaben B₁ und B₂ angedeutet.
Die 4 d) zeigt einen Ausschnitt der Walzfläche 31 der Walzbacke 29 stark vergrößert. In dieser Darstellung sind die drei oben genannten Teilflächen gut zu erkennen.
Weiter ist zu erkennen, dass sich im Bereich der ersten Teilfläche die Höhen der formgebenden Profile 33 nicht oder nur ein geringem Maße ändern. Lediglich am Ende der ersten Teilfläche ist eine Auslaufschräge vorhanden.
Es ist weiter gut zu erkennen, dass im Bereich der zweiten Teilfläche (X > B₁ und X < B₂) sich die formgebenden Profile 35.1 bis 35.4 in Richtung der Y-Achse wellenförmig oder periodisch ändern. Durch diese erfindungsgemäße wellenförmige Auf- und Abbewegung der formgebenden Profile erfolgt das Umformen des Rohlings 21 in einen polygonalen Querschnitt und das Walzen des formgebenden Gewindes. Wie bereits erwähnt nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel die Amplitude in Richtung der positiven Y-Achse zu. Die Amplitude kann aber auch konstant sein.
Die 4 e) zeigt die Details A und B stark vergrößert.
Das Detail A zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Walzfläche 29 in einer X-Z-Ebene am Übergang (X = B₁) von der ersten Teilflache zu der zweiten Teilfläche.
Die formgebenden Profile 33 der ersten Teilfläche sind bei diesem Ausführungsbeispiel als gleichschenklige Trapeze ausgebildet. Benachbarte Profile 33 in der ersten Teilfläche sind bei diesem Ausführungsbeispiel geometrisch gleich. Sie können auch verschieden sein. So können sich beispielsweise die Flankenwinkel der formgebenden Profile 33 in Richtung der Y-Achse und/oder in Richtung der X-Achse ändern.
Die Kanten der Trapeze können gerundet oder angefast sein. Entsprechendes gilt auch für den Grund am Fuß von zwei benachbarten formgebenden Profilen 33.
Die erfindungsgemäßen Profile 35.1 bis 35.4 haben eine Spitze 36, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel abgeflacht ist, zwei Flanken 38 und zwischen zwei benachbarten erfindungsgemäßen Profilen 35.1 bis 35.4 jeweils Nutgrund 37.1 bis 37.5.
Die erfindungsgemäße wellenförmige Auf- und Abbewegung der erfindungsgemäßen formgebenden Profile 35.1 bis 35.4 kann die Spitzen 36, die Flanken 38 und die Nutgründe 37 betreffen.
Jedes dieser Profilbestandteile kann eine wellenförmige Auf- und Abbewegung in Richtung der Y-Achse machen, die unabhängig von den anderen Profilbestandteilen oder gekoppelt mit den anderen Profilbestandteilen erfolgt. Dadurch ergeben sich viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der formgebenden Profile.
Zusätzlich können sich im Bereich der zweiten Teilfläche die formgebenden Profile 35.1 bis 35.4 auch in Richtung der X-Achse ändern, wie dies in dem Detail A (siehe 4e) dargestellt ist. Anders ausgedrückt: Der Nutgrund 37 einer Nut zwischen zwei benachbarten formgebenden Profilen 35 verlagert sich schrittweise nach oben. D. h. die Z-Koordinate ändert sich bei dem dargestellten Beispiel bei den Nutgründen 37.1 bis 37.5 in der zweiten Teilfläche in Richtung der X-Achse.
In ähnlicher Weise ändern sich bei diesem Ausführungsbeispiel auch die Abflachungen 36 der formgebenden Profile 35.1 bis 35.4. Mit zunehmendem X-Wert werden die Abflachungen immer größer. In Richtung der Z-Achse haben die Profile 35.1 bis 35.4 die gleiche Höhe.
In der dargestellten Schnittebene ist die Höhe Z = Z₁. Sie ist in der dargestellten Schnittebene nicht gleich der Höhe Z₀ der formgebenden Profile 33 der ersten Teilfläche. Wenn man die Schnittebene in Richtung der y-Achse verschiebt, dann ändert sich die Höhe der formgebenden Profile 35 (Z₁ = f(y)). Die Schraubenspitze kann auch im Kern, wie die Flanken, sich kegelförmig oder über einen Radius verjüngen.
In dem Detail B (siehe 4e) sind die Änderungen der Höhe bzw. der Tiefe der formgebenden Profile 35 im Bereich der zweiten Teilfläche in Längsrichtung der Walzbacke 29 nochmals dargestellt. Wie sich aus dem Detail B ergibt, machen die formgebenden Profile 35 in Richtung der Y-Achse eine wellenförmige Auf- und Abbewegung.
Dies wird im Sinne der Erfindung als Zu- und Abnahme von Höhe bzw. Tiefe der formgebenden Profile in Längsrichtung der Walzbacke bezeichnet. Durch die erfindungsgemäße wellenförmige Gestaltung der formgebenden Profile 35 in Richtung der Y-Achse erfolgt an dem zylindrischen Abschnitt 27 die gewünschte Umformung des kreisförmigen Querschnitts in einen polygonalen Querschnitt und das Aufwalzen eines polygonalen furchenden Profils in einem Schritt und mit sehr großer Präzision und Wiederholgenauigkeit.
Wenn der Abschnitt 27 der Schraube des Rohlings 21 kegelstumpfförmig ist, dann empfiehlt es sich, dass die formgebenden Profile 35 in Richtung der X-Achse (siehe Detail „A“) ihre Form ändern.
Der erfindungsgemäße doppelte Umformvorgang (Ändern des Querschnitts und Aufwalzen eines polygonalen Profils) findet bevorzugt in mehreren kleinen Teil-Schritten statt. Das kann dadurch erreicht werden, dass eine Amplitude A der wellenförmige Auf- und Abbewegung der formgebenden Profile in Richtung der Y-Achse langsam zunimmt. Dann ist die Amplitude A eine Funktion von Y (A = f(Y)). Dadurch werden die Walzbacken geschont und die Formgenauigkeit der Umformung des Rohlings 21 im zweiten Abschnitt 27 wird verbessert.
Die Periodizität der erfindungsgemäßen wellenförmigen Zu- und Abnahme der formgebenden Profile in Längsrichtung der Walzbacken ist maßgebend dafür, ob ein polygonales Gewinde mit drei Maxima und drei Minima oder mit zwei Maxima und zwei Minima und dergleichen mehr hergestellt wird.
In dem Detail B ist beispielhaft die Situation dargestellt, dass ein polygonales Gewinde mit drei Maxima und drei Minima hergestellt werden soll. In diesem Fall ist die Periodizität zwischen zwei Minima bzw. zwei Maxima der wellenförmig ausgestalteten formgebenden Profile gleich einem Drittel des Umfangs U des Gewindes in diesem Bereich. In anderen Worten: Der Rohling wird zwischen den Walzbacken 29 um 360° gedreht, wenn die Walzbacken 29 eine Relativbewegung zueinander von drei Perioden ausgeführt haben.
In dem Detail B ist der Abstand zwischen zwei Minima bzw. zwei Wellentälern mit „U/3“ bezeichnet. U steht für die Wegstrecke welche das zu walzende Teil pro Umdrehung zurücklegt und „U/3“ bedeutet, dass die Periodizität der Zu- und Abnahme von Höhe bzw. Tiefe der formgebenden Profile 35 einem Drittel (1/3) des Umfangs entspricht.
Wenn ein Gewinde mit zwei Maxima und zwei Minima geformt werden soll, dann ist die Periodizität gleich „U/2“. Entsprechendes gilt für andere polygonale Profile.
Aus der Zusammenschau der 4 a bis e wird deutlich, dass sich im Bereich der zweiten Teilfläche die formgebenden Profile 35 in Richtung der Y-Achse ändern.
Es ist auch möglich, dass sich die formgebenden Profile 35 im Bereich der zweiten Teilfläche in Richtung der X -Achse ändern (siehe das Detail „A“).
In der 5 ist eine mit den erfindungsgemäßen Walzbacken 29 hergestellte Schraube in verschiedenen Ansichten dargestellt. Sie wurde aus einem Rohling 21 gemäß der 3 hergestellt. Der ehemals zylindrische Abschnitt 25 ist nun mit einem zylindrischen Gewinde versehen und hat nach wie vor einen kreisförmigen Querschnitt. Wie man in der Ansicht von oben (5 c) erkennen kann, ist das Gewinde im Bereich des kegelstumpfförmigen Abschnitts 27 polygonal ausgebildet. Des Weiteren kann man anhand des Details „A“ auch erkennen, dass das polygonale Gewinde mit dem Maximum in radialer Richtung über den Durchmesser D' des zylindrischen Abschnitts 25 hinausragt. Das wird durch die Formgebung des formgebenden Profils 35.1 erreicht. Dadurch ist sichergestellt, dass diese drei Maxima 37 den formgebenden Furchvorgang in dem Innengewinde des Gegenstücks zum Abschluss bringen und der zylindrische Abschnitt 25 keinen Beitrag zum Gewindefurchen leistet.
An der gegenüberliegenden Seite (siehe das Detail „B“) hat das Profil ein Minimum 39 und ragt nicht über den zylindrischen Abschnitts 25 hinaus.
Weil durch das erfindungsgemäße Umformen die drei Maxima 37 am Übergang zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 27 und dem zylindrischen Abschnitt 25 erstens sehr präzise ausgeformt sind und über den Durchmesser D1 des zylindrischen Abschnitts hinausragen, ist sichergestellt, dass das Einschraubmoment relativ gering ist und auch die Streuung der Einschraubmomente von mehreren baugleichen Schrauben sehr gering ist. Belegt wird dies durch die 6, welche eindrucksvoll im Vergleich mit der 2 die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens und Werkzeugs veranschaulicht.

Claims

Werkzeug zur Herstellung einer lochformenden und/oder gewindefurchenden Schraube umfassend eine Antriebsseite oder einen Kopf (23), einen Schaft (25) und eine der Antriebsseite und dem Kopf (23) gegenüberliegend angeordnete Spitze, wobei sie einen zylindrischen Abschnitt (25) und einen gewindeformenden annähernd kegelstumpfförmigen Abschnitt (27) mit einem polygonalen Querschnitt aufweist, wobei die Schraube durch Walzen aus einem Rohling mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt ist, wobei das Werkzeug eine feststehende Walzbacke (29) und eine bewegliche Walzbacke (29) umfasst, wobei die Walzbacken (29) jeweils eine Walzfläche (31) aufweisen, die einander zugewandt sind, wobei in den Walzflächen (31) mehrere nebeneinander angeordnete formgebende Profile (33, 35) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Teilfläche der Walzfläche (31) die formgebenden Profile gleich sind, und dass in einer zweiten Teilfläche der Walzfläche (31) die Höhe und die Tiefe der formgebenden Profile (35) in Richtung der Relativbewegung (Y-Achse) der Walzbacken (29) periodisch zu- und abnimmt.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude (A) der Zu- und Abnahme von Höhe und Tiefe der formgebenden Profile (35) in Richtung Y-Achse zunimmt oder gleich bleibt.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Periodizität der Zu- und Abnahme von Höhe undTiefe der formgebenden Profile (35) einem ganzzahligen Bruchteil des Umfangs des Gewindes entspricht.
Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Geometrie der formgebenden Profile (35.1, 35.2, 35.2, 35.4) in Querrichtung (X- Achse) der Walzbacke (29) ändert.
Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die periodische Auf- und Abbewegungen im Bereich der Spitzen (36), der Flanken der formgebenden Profile (35) und/oder der Nutgründe (37) in Richtung der y-Achse ändert.
Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Auf- und Abbewegungen im Bereich der Spitzen (36), der Flanken der formgebenden Profile (35) und/oder der Nutgründe (37) in Richtung der y-Achse unabhängig voneinander oder gekoppelt erfolgt.
Verfahren zum Herstellen einer lochformenden und/oder gewindeformenden Schraube umfassend die folgenden Arbeitsschritte: Herstellen eines Schrauben-Rohlings (21) durch Umformen, wobei der Rohling (21) im Bereich des späteren Schraubenschafts einen kreisförmigen Querschnitt aufweist: Walzen des Gewindes mit einem Paar von Walzbacken (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Schraube umfassend eine Antriebsseite oder einen Kopf (23), einen Schaft (25) und eine der Antriebsseite und dem Kopf (23) gegenüberliegend angeordnete Spitze, wobei sie einen zylindrischen Abschnitt (25) und einen gewindeformenden annähernd kegelstumpfförmigen Abschnitt (27) mit einem polygonalen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube mit einem Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durch Walzen aus einem Rohling mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt ist.