DE102018008291A1

DE102018008291A1 - Fastening element with polygonal external thread, process for its production and composite element and its use

Info

Publication number: DE102018008291A1
Application number: DE102018008291.2A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Kolm; Petra Bernard-Schöpf
Original assignee: Bernard Schoepf Petra
Current assignee: Bernard Schoepf Petra
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement aus einem metallischen Werkstoff mit einem mehrkantigen Außengewinde wie z.Bsp. Sechskant. Das Gewinde ist derart geformt, dass es sowohl selbstschneidend in weichere Materialien als das Befestigungselement selbst mit relativ geringem Aufwand an Drehmoment eingedreht werden kann, wobei durch die Mehrkant-Außenkontur des Gewindes eine hohe Selbsthemmung gegen Ausdrehen gewährleistet ist, als es auch eingespritzt, eingepresst oder eingeklebt werden kann, wobei die Mehrkant-Außengeometrie des Gewindes einen festen Sitz im umgebenden Material gewährleistet, da der Schutz gegen Verdrehen nicht nur durch Kraftschluß, sondern zusätzlich durch Formschluß (Mehrkantgeometrie) bewerkstelligt wird und der Schutz gegen Herausziehen durch die Gewindestruktur gegeben ist.The invention relates to a fastener made of a metallic material with a polygonal external thread such. Hex. The thread is shaped so that it can be screwed both self-tapping in softer materials than the fastener itself with relatively little effort on torque, being ensured by the polygonal outer contour of the thread high self-locking against unscrewing, as it is injected, pressed or can be glued, the polygonal outer geometry of the thread ensures a tight fit in the surrounding material, since the protection against rotation is accomplished not only by adhesion, but also by positive engagement (polygonal geometry) and the protection against pulling out by the thread structure is given.

Description

Stand der TechnikState of the art

Befestigungselemente mit selbstschneidendem Außengewinde in Form von Schrauben, Bolzen, Eindrehmuttern oder Außengewindehülsen zum Eindrehen in verschiedene Materialien wie z.Bsp. Holz, Kunststoff, Metall, Knochen, ... sind allgemein bekannt. Sie besitzen entweder ein zylindrisches oder konisches Gewinde, wobei die Gewinde-Außenkontur meist kreisrund ist. Ebenfalls bekannt sind Gewindeformen mit kreisrunder Außenkontur mit aufgerauten oder teilunterbrochenen Gewindeflanken, um die Selbsthemmung gegen Ausdrehen zu erhöhen. Diese Befestigungselemente weisen den Nachteil auf, dass ein relativ hohes Drehmoment für das Eindrehen aufzuwenden ist. Weiterhin entstehen beim Eindrehen in das umgebende Material hohe Spannungen im Material, da für das Einbringen des Gewindes Material verdrängt werden muss, was sich entweder in den verbleibenden Hohlräumen der Gewindegänge sammelt, oder das umgebende Material verdichtet. Werden solche Befestigungselemente beispielsweise in Holz geschraubt, kommt es oft zu Spannungsrissbildungen im Bereich des Gewindes oder gar zur Zerstörung des gesamten Bauteils.Fastening elements with self-tapping external thread in the form of screws, bolts, screw-in nuts or external threaded sleeves for screwing into various materials such. Wood, plastic, metal, bone, ... are well known. They have either a cylindrical or conical thread, the thread outer contour is usually circular. Also known are thread forming with circular outer contour with roughened or partially interrupted thread flanks to increase the self-locking against unscrewing. These fasteners have the disadvantage that a relatively high torque is required for screwing. Furthermore arise when screwing in the surrounding material high stresses in the material, since material must be displaced for the introduction of the thread, which collects either in the remaining cavities of the threads, or compacts the surrounding material. If such fastening elements are screwed, for example, into wood, stress cracking often occurs in the area of the thread or even the destruction of the entire component.

Figurenlistelist of figures

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement zu schaffen, das vorgenannte Nachteile, insbesondere das hohe EinschraubDrehmoment und die Gefahr der Spannungsrissbildung im Gewindebereich vermeidet und gleichzeitig den festen Sitz im umgebenden Material gewährleistet. Darüberhinaus soll das Befestigungselement in eine kreisrunde Bohrung einsetzbar sein, da diese einfach herzustellen ist und weiterhin soll es mit anderen Materialien wie beispielsweise Kunststoff oder Aluminium umspritzbar sein oder eingeklebt beziehungsweise radial eingepresst werden können. Erfindungsgemäß wird das durch ein Außengewinde in Form eines Außenmehrkants erreicht, wobei die zu den Kanten des Außenmehrkantes hin verlaufenden Gewindeflanken schärfer gestaltet sind als am Gewindegrund, was durch einen je nach Einsatzfall veränderlichen Flankenwinkel erreicht wird. Dabei ist die konkrete Ausführungsform irrelevant, das Befestigungselement kann sowohl als Bolzen, als Mutter mit einem beliebigen Innengewinde, oder beispielsweise als Clip mit Innenkontur zum Aufrasten auf passendes Gegenstück ausgeführt sein, allen Ausführungsformen gemein ist das erfindungsgemäße mehrkantige Außengewinde, wobei die Gangzahl des Gewindes und die Flankengeometrie dem Anwendungsfall angepasst werden können.

1 zeigt stellvertretend für andere Ausführungsformen ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 100 in Form eines Rastbolzens zum Einrasten in ein entsprechendes, hier nicht näher dargestelltes Gegenstück. Wie in der Draufsicht links ersichtlich, handelt es sich im Bereich des Außengewindes 20 stellvertretend für weitere Außenmehrkante um einen Außensechskant 22. Die Seitenansicht rechts zeigt ca. vier Gewindegänge 21 mit der Dicke d im Bereich der Kanten 24. Da es sich um ein rotationssymmetrisches Bauteil handelt, besitzt das Befestigungselement eine Längsachse 23, zu welcher der kreisförmige Gewindegrund 26,27 parallel verläuft.
2 zeigt den Gewindeteil des Befestigungselementes 100, wobei ersichtlich ist, dass das Gewinde einen Flankenwinkel alpha besitzt, der in einem Bereich von 0...45° veränderlich gestaltet werden kann, um das Gewinde an unterschiedliche Anforderungen, besonders an unterschiedliche Materialien, in die das Befestigungselement 100 eingesetzt werden soll, anzupassen, wobei der kreisförmige Gewindegrund 27 sich immer parallel zur Längsachse 23 erstreckt.
3 zeigt das Befestigungselement 100 im Bereich des Gewindes, wobei ersichtlich ist, daß die Gewindegänge an den Kanten 24 des Außenmehrkantes 22 eine kleinere Dicke d24 aufweisen, als in den Mitten der Flächen 28,d28.
4 zeigt im Gegensatz zu 1 das erfindungsgemäße Befestigungselement 100 in der Ausführungsform als Gewindehülse mit einer Durchgangsbohrung 30 mit Innengewinde 31.
5 zeigt ein Verbundelement 200, bestehend aus einem äußeren Bauteil 40, in das ein Befestigungselement 100 in der Ausführungsform als Gewindehülse nach 4 eingedreht wurde.

The invention is therefore an object of the invention to provide a fastener that avoids the aforementioned disadvantages, in particular the high screw-in torque and the risk of stress cracking in the threaded area and at the same time ensures the tight fit in the surrounding material. In addition, the fastener to be used in a circular bore, as this is easy to manufacture and continue to be with other materials such as plastic or aluminum be sprayed over or glued or pressed radially. According to the invention, this is achieved by an external thread in the form of an outer polygon, with the thread flanks extending toward the edges of the outer polygon being made sharper than at the root of the thread, which is achieved by a variable flank angle depending on the application. In this case, the specific embodiment is irrelevant, the fastener can be designed both as a bolt, as a nut with any internal thread, or for example as a clip with an inner contour for snapping on matching counterpart, common to all embodiments is the polygonal external thread according to the invention, wherein the number of turns of the thread and the flank geometry can be adapted to the application.

1 shows representative of other embodiments, an inventive fastener 100 in the form of a locking bolt for locking in a corresponding, not shown here in detail counterpart. As can be seen on the left in the plan view, it is in the area of the external thread 20 representative of another outer polygon around an external hexagon 22 , The side view on the right shows about four threads 21 with the thickness d in the area of the edges 24 , Since it is a rotationally symmetrical component, the fastener has a longitudinal axis 23 to which the circular thread bottom 26 . 27 runs parallel.
2 shows the threaded portion of the fastener 100 It can be seen that the thread has a flank angle alpha, which can be made variable in a range of 0 ... 45 ° to the thread to different requirements, especially to different materials in which the fastener 100 is to be used to adapt, wherein the circular thread root 27 always parallel to the longitudinal axis 23 extends.
3 shows the fastener 100 in the area of the thread, where it can be seen that the threads on the edges 24 of the outer polygon 22 a smaller thickness d24 than in the centers of the surfaces 28 , D28.
4 shows in contrast to 1 the fastening element according to the invention 100 in the embodiment as a threaded sleeve with a through hole 30 with internal thread 31 ,
5 shows a composite element 200 consisting of an outer component 40 into which a fastener 100 in the embodiment as a threaded sleeve after 4 was screwed in.

Die erfindungsgemäßen Befestigungselemente können durch spanabhebende und auch durch Umformverfahren wie z.Bsp. Gießen, Spritzen oder Walzen hergestellt werden. Stellvertretend für spanabhebende Verfahren wird hier eines näher beschrieben:The fastening elements according to the invention can by machining and also by forming processes such. Casting, spraying or rolling are produced. Representative of Machining is described here in more detail:

Beabsichtigt ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Befestigungselementes in Form einer Gewindestange mit Außensechskant. Eine Außen-Sechskant-Stange wird im Dreibackenfutter einer Drehmaschine mit Leit- und Zugspindel eingespannt und über eine Zentrierbohrung an der dem Futter gegenüberliegenden Seite mittels Reitstock gegengehalten um ein Ausbrechen des Werkstücks von der Längsachse, verursacht durch die Bearbeitungskräfte, zu verhindern. Während das angetriebene Dreibackenfutter das Werkstück in Rotation versetzt, taucht ein angetriebenes Werkzeug in Form eines Sägeblattes oder Scheibenfräsers für die Metallbearbeitung senkrecht zur Werkstück-Längsachse, zugestellt über die Y-Achse (Planschieber), spanabhebend ein, bis der gewünschte Gewindegrund erreicht ist. Gleichzeitig führt die X-Achse(Längsschieber) der Drehmaschine, angetrieben über das Vorschubgetriebe und der voreingestellten Gewindesteigung, das angetriebene Werkzeug parallel zur Längsachse des Werkstückes so nach, dass sich das gewünschte Gewinde über der Sechskant-Stange ergibt.The intention is to produce a fastening element according to the invention in the form of a threaded rod with external hexagon. An external hexagonal rod is clamped in the three-jaw chuck of a lathe with guide and traction spindle and counteracted via a centering hole on the opposite side of the lining by means of tailstock to prevent breakage of the workpiece from the longitudinal axis, caused by the machining forces. While the driven three-jaw chuck sets the workpiece in rotation, a driven tool in the form of a saw blade or disk cutter for metalworking perpendicular to the workpiece longitudinal axis, delivered over the Y-axis (plan shifter) dipped until the desired thread root is reached. At the same time, the X-axis (longitudinal slide) of the lathe, driven by the feed gear and the preset pitch, feeds the driven tool parallel to the longitudinal axis of the workpiece to give the desired thread over the hex bar.

Die Gewindeform ist ein negatives Abbild der Form der Sägezähne des Sägeblattes bzw. Scheibenfräsers, eine Änderung der Flankenform der Gewindegänge ist durch Veränderung der Zahngeometrie des Werkzeuges möglich, die Gewindetiefe ist über Veränderung der Y-Zustellung möglich, die Gängigkeit wird über das Vorschubgetriebe verändert. Somit kann das mehrkantige Außengewinde des erfindungsgemäßen Befestigungselementes in weiten Grenzen dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden.The thread form is a negative image of the shape of the saw teeth of the saw blade or disc cutter, a change in the flank shape of the threads is possible by changing the tooth geometry of the tool, the thread depth is possible by changing the Y-delivery, the movement is changed via the feed gear. Thus, the polygonal external thread of the fastening element according to the invention can be adapted within wide limits of the specific application.

Ein besonders effektives Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Befestigungselementes in der Ausführungsform als Gewindehülse mit Innengewinde nach 4 ergibt sich, wenn eine fertige Sechskantmutter z.Bsp. nach DIN EN ISO 8673 (2013-04-00) als Werkstückrohling eingesetzt wird. Dazu wird in das angetriebene Spannfutter ein dem fertigen Innengewinde der Mutter entsprechender Gewindedorn eingespannt, auf den eine oder mehrere Muttern aufgeschraubt werden um sie nach oben beschriebenen Verfahren zu bearbeiten. Die Drehrichtung des angetriebenen Werkzeugs ist dabei derart gewählt, dass die entstehenden Bearbeitungskräfte so auf das Werkstück wirken, dass sie nicht vom Gewindedorn losgeschraubt, sondern im Gegenteil, eher noch festgeschraubt werden.A particularly effective manufacturing method of the fastening element according to the invention in the embodiment as a threaded sleeve with internal thread after 4 arises when a finished hex nut z.Bsp. to DIN EN ISO 8673 (2013-04-00) is used as workpiece blank. For this purpose, a threaded mandrel corresponding to the finished internal thread of the nut is clamped in the driven chuck, onto which one or more nuts are screwed in order to machine them according to the method described above. The direction of rotation of the driven tool is chosen such that the resulting machining forces act on the workpiece so that they are not unscrewed from the mandrel, but on the contrary, rather still be screwed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN ISO 8673 (2013-04-00) [0007]

Claims

A fastener 100 of a metallic material having an external thread 20 consisting of more than one thread 21 of thickness d, the threads having the shape of an outer polygon 22 having a longitudinal axis 23, the polygon having n edges 24, where n greater than or equal to 4, the thread having a substantially circular thread base (26, 27) with respect to the longitudinal axis 23.

Fastening element 100 according to claim 1, characterized in that the threads 21 have a thread flank angle of 0 <= alpha <= 45 °, in particular 0.5 <= alpha <= 5 °, and have a thread root 27 which extends parallel to the longitudinal axis 23 , whereby the external thread in wood is self-tapping screwed.

Fastening element 100 according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness d of the threads 21 decreases from the centers of the surfaces 28 to the edges 24 of the outer polygon 22 and / or that the outer polygon not more than 20 edges, in particular not more than 10 edges , having.

Fastening element 100 according to one of the preceding claims, characterized in that the fastening element has a bore 30 with internal thread 31.

Composite element 200, consisting of an outer member 40 with an inserted fastener 100 according to any one of the preceding claims.

Composite element 200 after Claim 5 , wherein the fastener 100 is screwed, injected, pressed or glued.

Composite element 200 after Claim 5 or 6 , characterized in that it is a composite hat with an inserted fastener 100 after Claim 4 is.

Composite element 200 after Claim 7 , wherein the composite element is made of a wood material, wherein the wood material is selected from solid wood, in particular hardwood, glulam, wood compound or MDF.

Method for producing a fastening element 100 according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that an outer polygon of metal with n edges 24, where n> = 4, with a longitudinal axis 23, in a machine tool with at least one rotary axis and at least two linear axes is clamped and by means of a driven tool in the form of a circular saw blade or disc milling cutter is machined for metal machining, wherein a thread is produced, wherein the movement of the thread is achieved by a synchronous with the rotary axis and parallel to the longitudinal axis of the workpiece 23 axis, wherein the thread depth is set via the second linear axis perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece 23 is, with the flank geometry of the thread results from the bevel angle of the tool.

Use of a composite element 200 according to one of Claims 5 to 8th or a fastener 100 according to one of Claims 1 to 4 in technical timber construction for covering a free external thread.