DE112014001046B4

DE112014001046B4 - Verfahren zum Herstellen einer Mutter durch stufenweises Pressschmieden eines flächigen Blechs und daraus gebildete Mutter

Info

Publication number: DE112014001046B4
Application number: DE112014001046.4T
Authority: DE
Inventors: Raul Ortega Dona
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: US9689420B2; ES2490390B1; CN104981308B; US20160010678A1; CN104981308A; DE112014001046T5; ES2490390A1; WO2014133872A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Mutter durch stufenweises Pressschmieden eines flächigen Blechs dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Ausgehend von einem flächigen Blech aus einem geeigneten Material mit geeigneter Wandstärke, Produzieren eines Werkstücks mit einer Stützscheibe (3) und einem auskragenden Teil (1) durch Pressschmieden, wobei dieser auskragende Teil (1) eine Sechskantform mit gleichmäßiger Wandstärke aufweist, und- Erstellen eines Innengewindes (5) im Innern des auskragenden Teils (1) durch stufenweises Pressschmieden, wobei Material aus den mittleren Bereichen (7) der Flächen (4) seitwärts in die Randbereiche (7') verdrängt wird,- Aufbringen einer Wärmebehandlung auf das so erhaltene Teil, wobei die Behandlung dazu vorgesehen ist, dem Teil eine höhere Festigkeit zu verleihen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mutter, die zum Befestigen von anzubringenden Gegenständen verwendet wird, und die einen Flansch, einen Verbindungsdom und einen auskragenden Körper mit einem Innengewinde und einer Sechskantaußenfläche zum Anziehen mittels eines Werkzeugs aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung der Mutter, wobei das besondere Merkmal darin besteht, dass der Materialzuschnitt gleichförmig ist, eine geringe Wandstärke aufweist, und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks verbessert werden.
Muttern, die der erfindungsgemäßen Mutter ähnlich sind und eine eingearbeitete Scheibe oder einen eingearbeiteten Stützfuß aufweisen, von der bzw. dem ein Teil mit einer Sechskantaußenseite und einem Innengewindezylinder auskragt, d. h. Muttern die in einem einzigen Werkstück eingearbeitet eine vergrößerte Stützfläche oder Scheibe, einen Sechskantaußenteil zum Bearbeiten mittels eines Werkzeugs und das eigentliche Rohr, durch dessen Innengewinde ein Gewinde zum Festlegen des anzubringenden Bauteils einsetzbar ist, aufweisen, sind beispielsweise aus den Patentschriften EP 2 379 896 B1 oder DE 41 05 541 A1 bekannt.
Das US-Patent US 4 281 699 A stellt eine ähnliche Mutter bereit, in welcher der Sechskantaußenteil und der Innengewindeteil im gleichen Teil des Werkstücks angeordnet sind. Diese Bauart ermöglicht eine Verringerung der Gesamthöhe des Werkstücks, allerdings zu Lasten eines ansehnlichen Gewichts. Hier ist es in der Tat notwendig, Material zum Bilden sowohl des Außensechskants und des Innengewindes bereitzustellen, wobei das Innengewinde üblicherweise in das schon gebildete Werkstück eingeschnitten wird.
Muttern dieser Art können durch die Kombination verschiedener Teile, die zusammengefügt werden, oder aus einem einzelnen Material hergestellt werden. Im letzteren Fall werden sie aus Drähten oder Rohren mit verschiedenen Wandstärken und verschiedenen Eigenschaften, beispielsweise aus Stahl, Edelstahl, gehärtetem Nickel, galvanisiertem Eisen oder anderen eisenhaltigen Materialien hergestellt. Sie können mit Kohlenstoff, Bor, Wärme usw. behandelt werden, um eine geeignete Harte und Festigkeit bereitzustellen.
Der Draht bzw. das Rohr wird allgemein in einem Prozess, der dem ähnlich ist, der für die Herstellung von Schrauben und Bolzen verwendet wird, kalt umgeformt, um sowohl deren Innen- und Außenform zu bilden. Die Wandstärke des Ausgangsrohrs oder -drahts wird gemäß der Größenangabe der herzustellenden Mutter gewählt. Beim Kaltumformen und beim nachfolgenden Gewindeschneiden fallen Materialverluste an, und im Allgemeinen lässt sich sagen, dass dies nicht zur Gewichtsoptimierung des daraus gebildeten Werkstücks beiträgt.
Die CN 102407261 A offenbart ein Verfahren, das einen zylinderförmigen Innenraum in einen Sechskantstab einprägt, in dem dann ein Gewinde ausgebildet wird.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mutter mit optimiertem Gewicht bereitzustellen, um die Materialverluste in deren Herstellprozess zu minimieren, und eine weitere ins Auge gefasste Aufgabe besteht darin, dass das Werkstück wesentlich leichter ausfallen und wesentlich weniger Material enthalten soll.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Mutter trotz des leichteren Gewichts die gleichen oder bessere mechanische Eigenschaften wie bzw. als ähnliche Muttern aus dem Stand der Technik aufweisen soll.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und eine Mutter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 4 gelöst. Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen dargelegt.
Dieser Vorteil und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung genauer ersichtlich.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Mutter, die aus einer umgeformten flächigen Oberfläche gebildet wird, wobei die Mutter einen flachen tragenden Fuß aufweist, der ohne Störstelle zu einem etwa halbkugelförmigen, domartigen Abschnitt ansteigt, über dem eine Form herausragt, die außen sechskantförmig ist und ein darin angeordnetes Innengewinde aufweist.
Diese Mutter weist in ihrer Oberfläche durchgehend eine gleichförmige Wandstärke auf, außer im Sechskantteil, wo bei der Herstellung des Werkstücks eine stufenweise Fließdehnung des Materials zum Bilden des Innengewindezylinders auftritt, während die Außenseite sechskantförmig verbleibt.
Dieses Werkstück und dessen Produktionsverfahren gehen nicht von einem Metallrohr oder einem Metalldraht aus, sondern von einem flachen Band mit gleichförmiger Wandstärke. Der Scheibenteil und der Domteil, wie auch der Außensechskant, werden ohne weitere Komplikation durch Umformen des Ausgangsblechs produziert.
Zu diesem Zeitpunkt in der Herstellung des Werkstücks liegen alle endgültigen Formen außer dem Innengewindezylinder vor. Stattdessen weist das Werkstück einen sechskantförmigen Innenraum und eine gleichförmige Wandstärke über die gesamte Außenfläche auf. In diesem Prozess tritt kein Materialverlust auf.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren der Mutter führt sodann einen stufenweisen Pressschmiedeprozess aus, in welchem das Material des inneren Teils des Sechskants der Mutter stufenweise zur Seite gedrückt bzw. verdrängt wird, um die für die Erfindung typische zylindrische Gewindeform zu bilden.
Das so gebildete Werkstück kann geeigneten Behandlungen, beispielsweise mit Kohlenstoff, Bor, Wärme usw., unterzogen werden, um ihm eine größere Härte und höhere Festigkeit zu verleihen.
Daraus ergibt sich ein leichtes Werkstück, das ohne Materialverlust hergestellt worden ist und eine gleichförmige Wandstärke aufweist. Der Gewindeteil weist gegenüber dem Bereich der Außensechskantflächen und des Innengewindezylinders eine andere Wandstärke auf.
Dank des Materials, aus dem das Werkstück gebildet ist, und eventuellen Härtungsbehandlungen, dem das Werkstück unterzogen worden ist, ist das Werkstück trotzdem genau so robust oder robuster als solche aus dem Stand der Technik, wobei das Werkstück etwa 60% leichter ist. Somit sind alle ins Auge gefassten Aufgaben der Erfindung erfüllt.
Beigefügt sind Zeichnungsblätter, die ohne die Erfindung einzuschränken lediglich zur beispielhaften Darstellung und zum besseren Verständnis der Erfindung vorgesehen sind.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mutter, die der erfindungsgemäßen Mutter ähnlich ist, jedoch dem Stand der Technik entstammt. Die Wandstärke im sechskantförmigen Teil, die zum Bilden des Außensechskantteils und des Innengewindes benötigt wird, ist deutlich sichtbar.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mutter, die erfindungsgemäß hergestellt worden ist, wobei ihre vergleichsweise dünne Wandstärke zu vermerken ist.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Mutter in der obenstehenden Figur.
4 zeigt schematisch ein Detail einer Stufe bei der Bildung des Innengewindezylinders der erfindungsgemäßen Mutter aus den vorhergehenden Figuren, insbesondere die Stufe, in welcher der Innengewindezylinder der Mutter bereitgestellt wird.

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Mutter und die daraus gebildete Mutter der Art von Mutter, in der ein tragender Fuß und ein außenliegendes Sechskantprofil zum Ansetzen eines Werkzeugs eingearbeitet sind, wobei die Mutter aus einem flachen Blech gleichförmiger Wandstärke durch Pressschmieden gebildet wird und einen auskragenden Teil (1) aufweist, der ohne Störstelle in eine Stützscheibe (3) übergeht.
Die Außenseite dieses auskragenden Teils (1) weist eine Sechskantform auf, d. h. weist sechs Flächen (4) auf, wobei ein Innengewinde (5) darin angeordnet ist. Das ganze Werkstück weist eine gleichförmige Wandstärke auf, insbesondere die Wandstärke des flächigen Blechs oder Bands, aus dem es gebildet wird, mit Ausnahme des auskragenden Teils (1), in welchem der stufenweise Pressschmiedeprozess das Herausragen des Innengewindeabschnitts (5) verursacht hat und ein innen und außen sechskantförmiges Rohr in ein Rohr mit einem zylindrischen Innenraum umgeformt hat, was eine derartige Verdrängung des Materials bewirkt, dass die Wandstärke des auskragenden Teils (1) ein Verhältnis mit dem Bereich einer bestimmten Stelle auf jeder Fläche (4) aufweist.
Beispielsweise tritt die größere Wandstärke (7') des auskragenden Teils an den Ecken zwischen den verschiedenen Flächen (4) auf, wohingegen die geringere Wandstärke (7) in einer dazwischenliegenden Entfernung auftritt.
Beim Ergebnis dieser Anwendung handelt es sich um eine Mutter mit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringerem Gewicht, mit besserer
Materialausnutzung, insbesondere gegenüber der herkömmlichen Kaltumformtechnik oder dem Pressen eines Rohrs oder Drahts aus Stahl oder einem anderen eisenhaltigen Material, bei welchen Prozessen ein Materialverlust und eine geringe Materialausbeute auftritt.
Um jedoch das erfindungsgemäße Herstellverfahren, in dem durch stufenweises Pressschmieden eines flächigen Metallbands die herkömmlichen Ausgangsmetallrohre aus dem Stand der Technik ersetzt werden, zu gebrauchen, ist es notwendig, einen schwierigen Prozess auszuführen, der zum Formen des Gewindeteils bzw. des auskragenden Teils (1) der Mutter vorgesehen ist. Dieser Prozess ist äußerst schwierig, weil er von einer Oberfläche oder einem Material ausgeht, die bzw. das sehr viel dünner ist als in der herkömmlichen Technik. Anstatt wie im Stand der Technik im Innenraum eines zylindrischen Rohrs ein Gewinde zu schneiden, ist es hier in der Tat notwendig, mit einem stufenweisen Pressschmieden fortzufahren, mit dem der Gewindeabschnitt produziert wird, wobei Material von einem Bereich seitwärts in einen anderen Bereich verdrängt wird, wobei ein sechskantförmiger Innenraum in einen anderen Innenraum umgewandelt wird, der zylindrisch oder nicht zylindrisch sein kann und in dem das Gewinde (5) eingearbeitet ist.
4 stellt diese seitwärts gerichtete Materialverdrängung von Bereichen (7) in Bereiche (7') dar, wobei ein Zylinder geformt und das Innengewinde (5) der Mutter gebildet wird.
In all den Ausführungsformen in den verschiedenen Größen der erfindungsgemäß hergestellten Muttern liegt die erzielte Materialverringerung im Vergleich zum Stand der Technik bei etwa 60%. Diese erhebliche Verringerung bei Material und Gewicht stellt eine nennenswerte Einsparung bei der Massenfertigung des Werkstücks dar.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Dom (2) bzw. ein etwa halbkugelförmiger Verbindungsabschnitt vor, der der Mutter eine größere Belastungsreserve zwischen der Stützscheibe (3) und dem auskragenden Teil (1) mit einem Innengewinde (5) bereitstellt.
Hinsichtlich der verwendeten Materialien, verwendet der erfindungsgemäße Herstellprozess weiterhin bevorzugt wärmebehandelten Kohlenstoffstahl, der zum Bereitstellen einer größeren Harte ausgestaltet ist. Tatsächlich liegen die Formänderungsfestigkeiten Rp 0,2% des Werkstücks etwa in der Größenordnung von 1200 MPa, im Vergleich zu 380 MPa bei standardmäßigem Stahl. Die Zugfestigkeit Rm liegt bei etwa 1400 MPa im Vergleich zur Rm von 470 MPa bei standardmäßigem Stahl. Das erzielte Werkstück ist nicht nur leichter, sondern fester und mechanisch effizienter. Es weist eine größere Festigkeit bei geringerer Wandstärke auf.
Die Glockenform, wie von unten betrachtet, ermöglicht die komfortable Ausrichtung einer Schraube oder eines Bolzens, die bzw. der durch Eigengewicht in den Gewindeabschnitt des auskragenden Teils (1) der Öffnung (6) der Mutter eingesetzt wird. In dieser Hinsicht ist die erfindungsgemäße Mutter aufgrund dieser erleichterten Ausrichtung des Bolzens der Anwendung leichter zu montieren.
Die Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen ausgestaltet werden, insbesondere mit unterschiedlichen Werkstückgrößen und Materialwandstärken, kann aus verschiedenen Materialien gebildet werden, und kann allgemein allen Abänderungen unterliegen, die in den beigefügten Hilfsansprüchen enthalten sind.
Es versteht sich in diesem Fall, dass alle Einzelheiten der Bearbeitung und der Form Veränderungen unterliegen und den Grundgedanken der Erfindung nicht beeinflussen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mutter durch stufenweises Pressschmieden eines flächigen Blechs dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Ausgehend von einem flächigen Blech aus einem geeigneten Material mit geeigneter Wandstärke, Produzieren eines Werkstücks mit einer Stützscheibe (3) und einem auskragenden Teil (1) durch Pressschmieden, wobei dieser auskragende Teil (1) eine Sechskantform mit gleichmäßiger Wandstärke aufweist, und - Erstellen eines Innengewindes (5) im Innern des auskragenden Teils (1) durch stufenweises Pressschmieden, wobei Material aus den mittleren Bereichen (7) der Flächen (4) seitwärts in die Randbereiche (7') verdrängt wird, - Aufbringen einer Wärmebehandlung auf das so erhaltene Teil, wobei die Behandlung dazu vorgesehen ist, dem Teil eine höhere Festigkeit zu verleihen.
Verfahren zum Herstellen einer Mutter durch stufenweises Pressschieden eines flächigen Blechs nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressschmieden einen etwa halbkugelförmigen Verbindungsbereich in der Form eines Doms (2) zwischen der Stützscheibe (3) und dem auskragenden Teil (1) produziert.
Verfahren zum Herstellen einer Mutter durch stufenweises Pressschmieden eines flächigen Blechs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Kohlenstoffstahls ein Werkstück mit einer Formänderungsfestigkeit Rp 0,2% von ca. 1200 MPa und eine Zugfestigkeit Rm von ca. 1400 MPa ergibt.
Mutter, die einen eingearbeiteten tragenden Fuß und ein eingearbeitetes äußeres Sechskantprofil für das Ansetzen eines Werkzeugs aufweist und nach dem Verfahren nach Anspruch 1 produziert worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter einen auskragenden Teil (1) aufweist, der in eine Stützscheibe (3) übergeht, wobei der auskragende Teil (1) eine Außenseite, die einen Sechskant mit sechs Flächen (4) bildet, und eine Innenseite mit einem darin angeordneten Gewinde (5) aufweist.
Mutter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der Verbindungsstelle zwischen der Stützscheibe (3) und dem auskragenden Teil (1) ein etwa halbkugelförmiger Teil in der Form eines Doms (2) befindet
Mutter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter aus einem verfestigten Material wie einem technisch behandelten Kohlenstoffstahl mit einer Formänderungsfestigkeit Rp 0,2% von ca. 1200 MPa und einer Zugfestigkeit Rm von ca. 1400 MPa hergestellt ist.
Mutter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter eine gleichförmige Wandstärke, insbesondere diejenige des flächigen Blechs oder Blechbands, aus der die Mutter gebildet wird, aufweist, außer im auskragenden Teil (1), in dem der Prozess des stufenweisen Pressschmiedens den Innengewindeabschnitt (5) aufgebaut hat und dafür sorgt, dass die Wandstärke dieses auskragenden Teils (1) im Verhältnis zu dessen relativer Position hinsichtlich der Mittelpunkte der Flächen (4) steht.