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Die Erfindung betrifft ein Gewindeformwerkzeug zur spanlosen Herstellung von Gewinden in Werkstücken und ein Verfahren zur Herstellung eines Gewindeformwerkzeugs.
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Zur Gewindeerzeugung oder Gewindenachbearbeitung sind spanlose Verfahren und spanlos arbeitende Gewindewerkzeuge bekannt.
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Unter die spanlosen Gewindeerzeugungswerkzeuge fallen die sogenannten Gewindefurcher (vgl. Handbuch der Gewindetechnik und Frästechnik, Herausgeber: EMUGE-FRANKEN, Verlag: Publicis Corporate Publishing, Erscheinungsjahr: 2004 (ISBN 3-89578-232-7), im Folgenden nur als „EMUGE-Handbuch“ bezeichnet, Kapitel 9, Seiten 299 bis 324) und, nur für Außengewinde, die Gewindewalzwerkzeuge (vgl. EMUGE-Handbuch, Kapitel 13, Seiten 423 bis 448).
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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.
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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.
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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.
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Bei im Stand der Technik bekannten Werkzeugen mit gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen kann die Erzeugung einer günstigen und an das herzustellende Gewinde angepassten Formgeometrie für den Gewindeerzeugungsbereich problematisch sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Gewindeformwerkzeug mit einer günstigen Formgeometrie bereitzustellen sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Gewindeformwerkzeug.
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Diese Aufgabe wird mit einem Gewindeformwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens oder Werkzeugs gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Ein Gewindeformwerkzeug zur spanlosen Herstellung von Gewinden in Werkstücken nach Anspruch 1 umfasst wenigstens einen Gewindeerzeugungsbereich mit wenigstens einem Drückstollen, wobei der Drückstollen als Gewindeformzahn ausgebildet ist und ein Gewindeprofil mit sich gegenüberliegenden Zahnflanken aufweist, in dem die Zahnflanken über zumindest ein Zahnmaximum miteinander verbunden sind, und
wobei das Gewindeprofil zumindest abschnittsweise im Wesentlichen spitzbogenförmig oder schief spitzbogenförmig
oder
wobei die erste Zahnflanke einen ersten Flankenabschnitt und die zweite Zahnflanke einen zweiten Flankenabschnitt ausbildet, wobei der erste Flankenabschnitt und der zweite Flankenabschnitt über einen Zahnrücken miteinander verbunden sind, so dass der Übergang von erstem Flankenabschnitt zu dem Zahnrücken eine erste Zahnkante ausbildet und/oder der Übergang von zweitem Flankenabschnitt zu dem Zahnrücken eine zweite Zahnkante ausbildet, wobei der Zahnrücken parabelabschnittsförmig geformt ist.
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Ein spitzbogenförmiges oder schief spitzbogenförmiges oder parabelförmiges oder schief parabelförmiges Gewindeprofil lässt sich an einem Gewindeformzahn herstellen, auch wenn der Gewindeerzeugungsbereich, der den Gewindeformzahn umfasst, stark gedrallt ausgebildet ist. Durch den starken Drall, bzw. durch eine Überlagerung von Furchkeilwinkel und Freiwinkel, ergeben sich bei herkömmlichen Gewindeprofilen an den Gewindeflanken des Formzahns zwei unterschiedliche Maxima, die sich am Außenumfang des Zahns, bzw. der Zahnspitze nicht treffen. Ein herkömmliches Gewindeprofil kann daher nicht mit einer einzigen Gewindeprofilschleifscheibe hergestellt werden, da die Gewindeprofilschleifscheibe so profiliert ist, dass Gewindekern und Gewindeflanke zugleich abgebildet werden. Spitzbogenförmige oder schief spitzbogenförmige oder parabelförmige oder schief parabelförmige Gewindeprofile können in einem zusätzlichen Schleifschritt an den Gewindeformzahn angeformt werden. Derartige Gewindeprofile können in den Übergängen der Flanken und/oder im Bereich der Zahnspitze weitgehend abgerundet ausgebildet sein oder Kanten oder Knicke aufweisen. Die Flanken können tangential in eine gebogene Kontur übergehen und so einen kantenlosen Übergang bilden oder die Flanken können eine scharfe Biegung wie eine Kante oder einen Knick aufweisen, oder mathematisch ausgedrückt, die Flanke kann an einer bestimmten Position nicht differenzierbar sein. Als Gewindeprofil soll in diesem Sinne insbesondere die Außenkontur des Gewindeformzahns im Zahnquerschnitt an einer bestimmten Position oder über eine bestimmte Länge des Zahns verstanden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die sich gegenüberliegenden Zahnflanken als Zahnflanke mit einem ersten Flankenabschnitt und einem zweiten Flankenabschnitt und als Zahnflanke mit einem dritten Flankenabschnitt und einem vierten Flankenabschnitt ausgebildet, wobei jeweils der zweite Flankenabschnitt und der vierte Flankenabschnitt im Wesentlichen gerade sind oder mit im Wesentlichen geraden Profilabschnitten ausgebildet sind und/oder wobei jeweils der erste Flankenabschnitt und der dritte Flankenabschnitt gekrümmt sind oder mit im Wesentlichen gekrümmten Gewindeprofilen ausgebildet sind, insbesondere so dass sich der erste Flankenabschnitt und der dritte Flankenabschnitt in einem Zahnmaximum treffen und/oder ineinander übergehen.
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Gerade Flankenabschnitte können mit einer herkömmlich profilierten Schleifscheibe hergestellt werden. Zusätzlich wird an den Gewindeformzahn im Bereich des Zahnmaximums, also dem Bereich des Zahns der radial am weitesten nach außen ragt gekrümmte Profilabschnitte angeformt, so dass eine spitzbogenförmige oder schief spitzbogenförmige oder parabelförmige oder schief parabelförmige Kontur nur im Bereich des Zahnmaximums entsteht, während die Zahnflanken gerade bleiben. Dadurch wird eine besonders hohe Festigkeit des Gewindeformzahns erreicht und das Zahnmaximum erhält einen harmonisch abgerundeten Übergang zwischen den Flanken.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste Flankenabschnitt kreisbogenförmig gekrümmt ist, insbesondere definiert durch einen ersten Radius, und/oder der dritte Flankenabschnitt kreisbogenförmig gekrümmt ist, insbesondere definiert durch einen zweiten Radius, wobei vorzugsweise der erste Radius verschieden von dem zweiten Radius ist oder wobei vorzugsweise der erste Radius gleich dem zweiten Radius ist.
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Durch eine Ausgestaltung mit unterschiedlichen Radii ist ein schief spitzbogenförmiges Gewindeprofil des Gewindeformzahns geschaffen, wodurch bei bestimmten Belastungen eine Erhöhung der Festigkeit des Gewindeformzahns erreicht wird, wodurch höhere Umformkräfte erreicht werden können. Bei gleichen Radii wird ein symmetrisch spitzbogenförmiger Gewindeformzahn geschaffen, der insbesondere bei geringeren Vorschubgeschwindkeiten hohe Umformkräfte bereitstellen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der dritte Flankenabschnitt in Vorschubrichtung vor dem erste Flankenabschnitt angeordnet, insbesondere wobei der dem dritten Flankenabschnitt zugeordnete zweiten Radius größer ist als der dem ersten Flankenabschnitt zugeordnete erste Radius, oder insbesondere wobei der dem dritten Flankenabschnitt zugeordnete zweiten Radius kleiner ist als der dem ersten Flankenabschnitt zugeordnete erste Radius.
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Bei einem in Vorschubrichtung geneigten Zahnmaximum, also bei einem zweiten Radius der kleiner ist als der erste Radius, können beispielsweise höhere Kräfte von dem Zahn aufgenommen werden. Bei einem entgegen die Vorschubrichtung geneigten Zahnmaximum kann eine ungewünschte Verformung des Gewindeformzahns verringert werden, so dass die Genauigkeit des herzustellenden Gewindes gesteigert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung liegt der dem ersten Radius zugeordnete erste Zentralpunkt für den ersten Flankenabschnitt auf der Oberfläche des zweiten Flankenabschnitts und der dem zweiten Radius zugeordnete zweite Zentralpunkt für den dritten Flankenabschnitt liegt auf dem vierten Flankenabschnitt oder der dem ersten Radius zugeordnete erste Zentralpunkt für den ersten Flankenabschnitt liegt zwischen den Oberflächen des zweiten Flankenabschnitts und des vierten Flankenabschnitts und der dem zweiten Radius zugeordnete zweite Zentralpunkt für den dritten Flankenabschnitt liegt zwischen den Oberflächen des zweiten Flankenabschnitts und des vierten Flankenabschnitts.
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Liegen die Zentralpunkte auf den Flankenabschnitten, so ist dadurch ein klassisch spitzbogenförmiges Gewindeprofil realisiert, das auch „gotisches“ Profil oder gotischer Spitzbogen genannt wird. Die Belastbarkeit eines Formzahns mit solchem Gewindeprofil ist sehr hoch. Liegen die Zentralpunkte zwischen den Flankenabschnitten, so entsteht ein flacheres oder niedrigeres oder gedrücktes spitzbogenförmiges Gewindeprofil. Die Belastbarkeit ist hier ebenfalls erhöht, wobei zugleich die der Grund des zu erzeugenden Gewindes flacher ausgebildet ist.
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Als zusätzliche vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die sich gegenüberliegenden Zahnflanken als Zahnflanke mit einem ersten Flankenabschnitt und einem zweiten Flankenabschnitt und als Zahnflanke mit einem dritten Flankenabschnitt und einem vierten Flankenabschnitt ausgebildet sein, wobei sich der erste Flankenabschnitt und der dritte Flankenabschnitt zumindest in einem Zahnmaximum treffen und ineinander übergehen und im Wesentlichen einen Abschnitt einer Parabelkurve oder eines Parabelbogens bilden.
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Ein Zahn mit einem parabelförmigen Gewindeprofil weist gegenüber einem spitzbogenförmigen Gewindeprofil den Vorteil auf, dass das Zahnmaximum oder die Zahnspitze vollständig abgerundet ist, also keine Kante aufweist. Eine Parabelform ermöglicht zudem eine sehr hohe Belastung des Formzahns und damit hohe Gewindeformkräfte.
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In einer vorteilhaften alternativen Ausführung der Erfindung ist die erste Zahnflanke einen ersten Flankenabschnitt und die zweite Zahnflanke einen zweiten Flankenabschnitt ausbildet, wobei der erste Flankenabschnitt und der zweite Flankenabschnitt über einen Zahnrücken miteinander verbunden sind, insbesondere so, dass der Übergang von erstem Flankenabschnitt zu dem Zahnrücken eine erste Zahnkante ausbildet und/oder der Übergang von zweitem Flankenabschnitt zu dem Zahnrücken eine zweite Zahnkante ausbildet.
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In einer derartigen Ausführungsform ist der auf das Gewindeprofil wirkende Druck beim Gewindeformen sehr gut über den Zahnrücken ableitbar. Dadurch wird ein Gewindeformwerkzeug bereitgestellt, welches eine sehr hohe Standzeit aufweist. Als Zahnkante sollen insbesondere diejenigen Stellen des Gewindeprofils angesehen werden, an denen die Kontur mathematisch nicht differenzierbar ist, oder mit anderen Worten, an denen die Kontur eine Kante, einen Knick oder eine Ecke bildet.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Zahnrücken parabelabschnittsförmig geformt geformt.
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Eines Zahnrückens mit parabelabschnittsförmiger Form ermöglicht eine höhe Belastbarkeit des Gewindeformzahns.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zahnkanten jeweils unterschiedlich weit von der Mittelachse des Werkzeugs entfernt sind, so dass ein schief parabelförmig oder schief parabelabschnittsförmig oder geformter Zahnrücken gebildet ist.
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Indem die Zahnkanten unterschiedlich weit von der Mittelachse des Werkzeugs entfernt sind, entsteht ein schiefer Zahnrücken. Die Schiefstellung ermöglicht beispielsweise eine weitere Erhöhung der Belastbarkeit des Gewindeformzahns. Je nach Bearbeitungsaufgabe kann die Schiefstellung in Richtung der Vorschubrichtung des Werkzeugs oder entgegen dieser Richtung eingestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der wenigstens eine Drückstollen auf einer dem zu erzeugenden Gewinde in der Gewindesteigung und dem Windungssinn entsprechenden Schraubenlinie um die Werkzeugachse angeordnet und/oder dass der wenigstens eine Drückstollen einen definierten Gewindesteigungswinkel aufweist.
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In einer derartigen Anordnung kann ein definiertes Gewinde mit definierter Steigung geformt werden. Insbesondere wenn eine Vielzahl von Drückstollen auf der Schraubenlinie angeordnet sind kann besonders vorteilhaft ein Gewinde erzeugt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei Gewindeerzeugungsbereiche mit jeweils wenigstens einem, bevorzugt einer Vielzahl, an Drückstollen vorgesehen, wobei die Gewindeerzeugungsbereiche um die Werkzeugachse gedrallt ausgebildet sind, insbesondere mit einem definierten Drallwinkel.
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Insbesondere bei gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen kommen die Vorteile der Erfindung zum Tragen, da durch den Drall die gegenüberliegenden Zahnflanken nicht genau symmetrisch sind und dadurch die gekrümmten Bereiche des Gewindeprofils nicht mit einem einzigen Radius verbunden werden können. Mit Zahn mit einem erfindungsgemäßen Gewindeprofil können auch stark gedrallte Gewindeerzeugungsbereiche mit günstiger Abrundung bereitgestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Drallwinkel der Gewindeerzeugungsbereich zu dem Gewindesteigungswinkel des Drückstollens ein Verhältnis von 1:7 bis 1 : 13, vorzugsweise von 1 : 10 aufweist.
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Bei einem stark gedrallten Gewindeerzeugungsbereich ist durch das Vorsehen von Abrundungen gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft, da durch den Drall entstehende Verzerrungen der Zahngeometrie ausgeglichen werden können und Gewindeformzähne mit günstigen Geometrieeigenschaften hergestellt werden können. Ein Verhältnis von Drallwinkel des Gewindeerzeugungsbereichs zu Gewindesteigungswinkel des Drückstollens von 1 : 7 bis 1 : 13, vorzugsweise von 1 : 10, entspricht einem Verhältnis von φ = 7 Θ bis φ = 13 Θ, vorzugsweise von φ = 10 O. Besonders bei derartig gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen erreicht eine erfindungsgemäß ausgestaltete Zahngeometrie eine sehr hohe Belastbarkeit und damit sehr hohe einsetzbare Umformkräfte.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Gewindeformwerkzeugs, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen eines Werkzeugrohlings;
- b) Erzeugen wenigstens eines Gewindeformzahns in einem ersten Schleifprozess, wobei das im ersten Schleifprozess verwendete erste Schleifwerkzeug den Gewindegrund und die geraden Zahnflankenabschnitte erzeugt;
- c) Bearbeiten des wenigstens einen Gewindeformzahns in einem zweiten Schleifprozess, wobei das im zweiten Schleifprozess erzeugte zweite Schleifwerkzeug einen gekrümmt ausgebildeten ersten Flankenabschnitt und einen gekrümmt ausgebildeten dritte Flankenabschnitt, und insbesondere ein Zahnmaximum, erzeugt;
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Ein derartiges Herstellungsverfahren ermöglicht die Herstellung eines Gewindeformwerkzeugs mit sehr stark gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen, wobei die Zahngeometrie in einem zweiten Schleifschritt in einem Zahnmaximum abgerundet oder gekrümmt hergestellt wird. Dadurch kann ein Gewindeformwerkzeugs mit sehr stark gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen bei gleichzeitig vorteilhafter Zahngeometrie bereitgestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite Schleifwerkzeug ein konkaves, vorzugsweise ein spitzbogenförmiges oder schief spitzbogenförmiges oder parabelförmiges oder schief parabelförmiges, Profil auf.
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Insbesondere kann durch die Verwendung eines konkaven, vorzugsweise spitzbogenförmigen oder schief spitzbogenförmigen oder parabelförmigen oder schief parabelförmigen Profil ein entsprechendes Gegenprofil, bzw. Gewindeprofil an das in einem ersten Schleifschritt vorbereitete Zahnmaximum angeschliffen werden. Dadurch können in einfacher Weise Formzähne in stark gedrallten Gewindeerzeugungsbereichen mit günstiger Zahngeometrie geschaffen werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
- 1 ein kombiniertes Werkzeug mit zwei Gewindeerzeugungsbereichen und vorgelagerten Nuterzeugungsbereichen in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 das Werkzeug gemäß 1 in einer perspektivischen Seitenansicht,
- 3 ein vorderer Teil des Werkzeuges gemäß 1 und 2 in einem Längsschnitt,
- 4 ein Kernloch in einer Schnittdarstellung mit einem Gewinde zur Veranschaulichung der verschiedenen Winkelverhältnisse;
- 5A und 5B ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gewindeprofil eines Drückstollens
- 6A und 6B eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gewindeprofils eines Drückstollens
- 7 eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gewindeprofils eines Drückstollens jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen in verschiedenen Darstellungen ein kombiniertes Werkzeug 1 gemäß der Erfindung, bei dem im vorderen Abschnitt 5 des Werkzeugs 1 zwei formende Gewindeerzeugungsbereichen 32 und 34 noch an der Stirnseite 6 ein Nuterzeugungsbereich 42 vor dem Gewindeerzeugungsbereich 32 und ein Nuterzeugungsbereich 44 vor dem Gewindeerzeugungsbereich 34 mit Drall vorgelagert sind. Nicht dargestellt sind Gewindeerzeugungswerkzeuge ohne Nuterzeugungsbereich, also reine Gewindeformwerkzeuge oder Gewindefurcher, die gleichwohl ebenfalls gemäß der Erfindung ausgebildet sein können.
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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.
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Wie in 3 gezeigt, ist der Radius r0 der Nutschneide 42A um einen Differenzradius Δr größer als der Radius r1 des ersten Gewindeerzeugungsteilbereichs 321 und als der, in 3, zum Radius r1 gleiche Radius r2 des zweiten Gewindeerzeugungsteilbereichs 322.
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An jede Nutschneide 42A schließt sich seitlich in Umfangsrichtung eine im Drehsinn S um die Werkzeugachse A vordere Seitenschneide und ein im Drehsinn S um die Werkzeugachse A hinterer Seitenbereich an.
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Die vordere Seitenschneide schneidet beim zur Erzeugung des Gewindes erfolgenden Drehen des Werkzeugs 1 im Drehsinn S seitlich in das Werkstück ein und ist entsprechend geschliffen, so dass sich radial nach innen eine Spanfläche anschließt zur Spanabfuhr. Der hintere Seitenbereich ist dagegen stumpf und vorzugsweise konvex ausgebildet, da er nur folgt, jedoch nicht schneiden muss.
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Axial hinter der Nutschneide 42A schließt sich eine Freifläche 42B an, die, wie in 3 gezeigt, vom Radius r0 auf einen Radius, der kleiner ist als der Radius r1 des ersten Drückstollens 321, abfällt, insbesondere linear oder konisch.
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Radial nach innen schließt sich an die Nutschneide 42A eine stirnseitige Spanfläche 42C an, die linear oder auch konkav gekrümmt axial nach hinten verläuft und auf der beim Räumen der Nut mit der Nutschneide 42A entstehende Späne ablaufen. Die Spanfläche 42C verläuft von einer tiefsten Stelle wieder axial nach vorne bis zu einem ebenen, senkrecht zur Werkzeugachse A gerichteten Zentralbereich, der eine zentrale Öffnung eines zentralen Kanals 50 des Werkzeugs 1 umgibt, über den Kühl- und/oder Schmiermittel zugeführt werden kann.
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Die beiden Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34 beim Kombinationswerkzeug 1 gemäß 1 bis 3 sind formend ausgebildet und haben mehrere im Drehsinn S um die Werkzeugachse A vorne angeordnete Gewindeformzähne oder Drückstollen 32A und 34A, deren Außenschneiden der Form des zu erzeugenden Gewindeprofils angepasst sind. Außen schließt sich entgegengesetzt zum Drehsinn S an die Gewindeformzähne 32A und 34A eine äußere Freifläche 32B bzw. 34B an, die an einem im Drehsinn S hinteren Seitenbereich endet.
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Die von der Stirnseite 3 gesehen ersten zwei Gewindeerzeugungsteilbereiche des Gewindeerzeugungsbereichs 32 mit jeweils einem Drückstollen sind in 3 mit 321 und 322 bezeichnet.
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Die Drückstollen 32A und 34A sind die radial am Weitesten nach außen ragenden Bereiche der Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34. Die Nuterzeugungsbereiche 42 und 44 ragen, wie gut in 3 zu erkennen, radial noch weiter nach außen als die Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34.
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Die Nutschneiden 42A und 44A liegen in der in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zur Werkzeugachse A gerichtet ist, liegen also axial auf gleicher Höhe. Dadurch sind die dahinter liegenden Schneidenrücken oder Freiflächen der Nuterzeugungsbereiche 42 und 44 entsprechend der Gewindesteigung P unterschiedlich lang. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Nutschneiden 42A aber auch um die Gewindesteigung P axial zueinander versetzt angeordnet sein, um eine gleiche axiale Länge der Nuterzeugungsbereiche 42 und 44 zu ermöglichen.
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Bei einem Gewindeerzeugungswerkzeug 1 gemäß 1 bis 3 arbeiten die Gewinderzeugungsbereiche das Gewinde nur durch eine kleine Drehung zwischen einer von dem Nuterzeugungsbereich 42 erzeugten Nut und der nächsten, von dem Nuterzeugungsbereich 44 erzeugten Nut ein, wobei einzelne Gewindegangabschnitte, die Teile der Helix des Gewindes bilden und durch die Nuten unterbrochen oder voneinander getrennt sind, erzeugt werden. Jeder Gewindeerzeugungsbereich und jeder Gewindeformzahn oder -keil darin erzeugt somit einen zugehörigen individuell erzeugten Gewindegangabschnitt, welcher bei Drehung nur bis zur nächsten Nut nur einmalig und nur von diesem Gewindeerzeugungsbereich und dessen Gewindeformkeil durchlaufen und erzeugt wird. Bei Drehung jedes Gewindeerzeugungsbereichs bis zur übernächsten Nut wird der Gewindegangabschnitt zwischen zwei Nuten nur von zwei aufeinanderfolgenden Gewindeerzeugungsbereichen und deren Gewindeformkeilen und allgemein durchlaufen und gemeinsam hintereinander eingearbeitet. Umgekehrt betrachtet, bearbeitet jeder Gewindeerzeugungsbereich und jeder Gewindeformzahn oder -keil darin die Werkstückoberfläche in zwei aufeinander folgenden individuellen Gewindegangabschnitten, einem zwischen der ersten Nut für i = 1 mit 1 <_ i ≤ n und der nächsten Nut mit i = 2 und einem zwischen der nächsten Nut (i = 2) und der übernächsten Nut (i = 3 oder wieder i = 1, wenn n= 2). Bei allgemein m Weiterdrehungen bis zur m-ten folgenden Nut mit natürlicher Zahl m arbeiten m hintereinander liegende Gewindeformkeile in demselben Gewindegangabschnitt. Jedoch wird in den seltensten Fällen m größer als 2 oder maximal 3 gewählt werden, vielmehr genügt immer bereits m = 1.
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Das Außenprofil nur eines Gewindeformkeiles (oder höchstens m Gewindeformkeilen) bestimmt also bereits das endgültige Gewindeprofil des von diesem Zahn oder Keil erzeugten Gewindegangabschnitts.
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Somit kann gemäß der Erfindung das Gewinde aus einzelnen Gewindegangabschnitten mit praktisch beliebig vorgegebenen Gewindeprofilen zusammengesetzt werden, wobei das Gewindeprofil jedes Gewindegangabschnittes allein und unabhängig von den anderen Gewindegangabschnitten durch das Außenprofil des bei der Drehung dem Gewindegangabschnitt zugeordneten Gewindeformkeiles abgebildet oder als dazu komplementär erzeugt wird.
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4 zeigt beispielhaft ein mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug erzeugbares Gewinde in einem Durchgangsloch als Kernloch 20 bei bereits herausgezogenem Gewindeerzeugungswerkzeug 1. Der Gewindegang 36 ist vollständig in den Wandungsteilbereichen der Kernlochwandung 21 des Kernlochs 20 erzeugt und nur im Bereich der Nuten 22 und 24 unterbrochen. Die Mittelachse M des Kernloches 20 ist nun die Gewindeachse des erzeugten Gewindes mit dem (unterbrochenen) Gewindegang 36.
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In 4 ist auch die Gewindesteigung P und der Gewindesteigungswinkel Φ (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 (gegenüber der Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse M) der insoweit sichtbaren gedrallten Nut 24. Der Nutdrallwinkel entspricht dem Drallwinkel Θ des oder der Gewindeerzeugungsbereiche 32, 34.
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Die Helix der Nuten wird im Allgemeinen deutlich weiter und steiler gewählt als die Helix des Gewindes. Das bedeutet, dass die Gewindesteigung P, die insbesondere dem Abstand oder der Steigung zweier Gewindeformzähne der Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34 des Werkzeugs 1 entspricht, deutlich kleiner als die Nutdrallsteigung PN, die vorzugsweise der Steigung, bzw. dem Drallwinkel Θ der gedrallten Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34 des Werkzeugs 3 entspricht, gewählt wird, im Allgemeinen PN > 4 P, insbesondere PN > 6 P, vorzugsweise PN > 18 P, wobei auch PN > 36 P gewählt sein kann, und/oder der Gewindesteigungswinkel φ des Gewindeganges 36, entsprechend dem Winkel von einem auf der Gewindelinie liegenden Gewindezahn zum nächsten auf der Gewindelinie liegenden Gewindezahn, gemessen zur Mittelachse M bzw. Werkzeugachse A, deutlich größer ist als der Nutdrallwinkel, der insbesondere dem Drallwinkel Θ der gedrallten Gewindeerzeugungsbereiche 32 und 34 des Werkzeugs 1 entspricht und ebenfalls zur Mittelachse M bzw. Werkzeugachse A gemessen ist, insbesondere φ > 2 Θ, vorzugsweise φ > 4 Θ. Der Gewindesteigungswinkel φ des Gewindeganges 36 entspricht dem Gewindesteigungswinkel φ der gewindeerzeugenden Drückstollen 321, 322 und wird dementsprechend synonym verwendet.
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5A zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gewindeprofil eines Drückstollens 321 in einer 3 entsprechenden Detail-Ansicht. Der Drückstollen 321 oder Gewindeformzahn oder -keil weist Zahnflanken 70 und 76 auf, die unter einem Winkel von 60° zueinander angeordnet sind, was einem metrischen ISO-Gewinde entspricht. Der benachbarte Drückstollen 322 ist von dem Drückstollen 321 durch einen Zahngrund 71 abgetrennt. Die Zahnflanke 70 weist einen ersten Flankenabschnitt 72 auf, der in einen zweiten Flankenabschnitt 74 übergeht. Der zweite Flankenabschnitt 74 ist im Profil gerade, bildet also in der Längserstreckung des Drückstollens 321 in Richtung des Drehsinns S eine im Wesentlichen ebene Fläche. Entsprechend weist die Zahnflanke 76 einen dritten Flankenabschnitt 75 und einen vierten Flankenabschnitt 77 auf, wobei der vierte Flankenabschnitt 77 eine im Wesentlichen ebene Fläche ausbildet.
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5A und 5B in Zusammenschau veranschaulichen die Ausformung der ersten und dritten Flankenabschnitte 72, 75. Die Profillinien der ersten und dritten Flankenabschnitte 72, 75 bilden jeweils eine definierte Kurve und treffen sich in einem Zahn- oder Keilmaximum 73. 5B zeigt ein entsprechendes Konstruktionsbeispiel, bei dem die Flankenabschnitte 72, 75 jeweils mit einem Radius R1, bzw. R2 abgerundet sind, wobei die Flankenabschnitte 72, 75 jeweils einen Kreisbogen mit Radius R1, bzw. R2 bilden, deren Mittelpunkte M1, bzw. M2 auf dem zweiten Flankenabschnitt 74, bzw. auf dem vierten Flankenabschnitt 77 liegt. Zweiter Flankenabschnitt 74 und vierter Flankenabschnitt 77 treffen sich im Schnittpunkt der jeweiligen Kreisbögen im Zahnmaximum 73. Dadurch weist das Gewindeprofil des Zahns die Form eines „gotischen“ Bogens auf.
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6A und 6B zeigen eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gewindeprofils eines Drückstollens 321 gegenüber 5A und 5B. Auch bei dieser Ausführungsform weist der Drückstollen 321 sich gegenüberliegende Zahnflanken 80, 86 auf. Die Zahnflanken 80, 86 umfassen erste und dritte Flankenabschnitte 82, 85, die abgerundet oder kurvenförmig ausgebildet sind. Auch die Flankenabschnitte 82, 85 sind mit einem Radius R3, bzw. R4 abgerundet. Die Flankenabschnitte 82, 85 bilden dabei jeweils einen Kreisbogen mit Radius R3, bzw. R4 bilden, wobei deren Mittelpunkte M3, bzw. M4, anders als im Ausführungsbeispiel nach 5A und 5B, nicht auf dem zweiten Flankenabschnitt 84, bzw. auf dem vierten Flankenabschnitt 87 liegt, sondern zwischen den Zahnflanken 80, 86 angeordnet ist. Auf diese Weise nimmt die Steigung oder Steilheit des zweiten, bzw. vierten Flankenabschnitts 84, 87 in höherem Maße ab als es in dem Ausführungsbeispiel nach 6A und 6B der Fall ist. Die Flankenabschnitte 82, 85 treffen sich im Schnittpunkt der Kreisbögen und bilden so das Zahnmaximum 83. Das Gewindeprofil des Zahns bildet so einen flachen oder gedrückten „gotischen“ Bogen aus.
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7 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gewindeprofils eines Drückstollens 321. Der Drückstollen 321 weist auch bei dieser Ausführungsform sich gegenüberliegende Zahnflanken 90, 96 auf. Die erste Zahnflanke 90 bildet einen ersten Flankenabschnitt 94 und die zweite Zahnflanke 96 einen zweiten Flankenabschnitt 97 aus. Das Gewindeprofil des Drückstollens ist ferner so ausgebildet, dass erster Flankenabschnitt 94 und zweiter Flankenabschnitt 97 über einen Zahnrücken 93 miteinander verbunden sind und zwar so, dass der Übergang von erstem Flankenabschnitt 94 zum Zahnrücken 93 eine erste Zahnkante 92 ausformt und der Übergang von zweitem Flankenabschnitt 97 zum Zahnrücken 93 eine zweite Zahnkante 95 ausformt. Mit anderen Worten weist das Gewindeprofil an diesen Stellen jeweils einen Knick auf oder, mathematisch ausgedrückt, ist an diesen Stellen nicht differenzierbar.
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Der Zahnrücken 93 ist dabei parabelabschnittsförmig geformt, es ist aber auch möglich den Zahnrücken 93 als Kreisbogenabschnitt auszubilden. Ebenso ist es möglich, die Zahnkanten 92, 95 mit jeweils verschiedenen Abständen zur Mittelachse A des Werkzeugs auszubilden, so dass ein schief parabelförmig, beziehungsweise schief parabelabschnittsförmig oder schief kreisbogenförmig ausgebildeter Zahnrücken 93 gebildet ist.
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Bevorzugte Werkstoffe für mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug zu bearbeitende Werkstücke sind Metalle, insbesondere Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen und andere Leichtmetalle, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Werkstoffe beschränkt. Ferner kommen als Werkstücke sowohl dickwandige oder massive Werkstücke als auch dünnwandige Bauteile oder Bleche, insbesondere aus Stahl oder anderen Werkstoffen, in Betracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindeerzeugungswerkzeug
- 2
- Schaft
- 3
- Stirnseite
- 4
- Vielkant
- 5
- vorderer Abschnitt
- 6
- hinterer Abschnitt
- 32, 34
- Gewindeerzeugungsbereich
- 32A, 34A
- Gewindeformzahn
- 32B, 34B
- Freifläche
- 33, 35
- Außenfläche
- 42
- Nuterzeugungsbereich
- 42A
- Nutschneide
- 42B
- Freifläche
- 42C
- Spanfläche
- 50
- Kanal
- 70, 76, 80, 86
- Zahnflanken
- 71, 81
- Zahngrund
- 72, 82
- erster Flankenabschnitt
- 73, 83
- Zahnmaximum
- 74, 84
- zweiter Flankenabschnitt
- 75, 85
- dritter Flankenabschnitt
- 77, 87
- vierter Flankenabschnitt
- 321, 322
- Gewindeerzeugungsteilbereich
- 90, 96
- Zahnflanken
- 91
- Zahngrund
- 92
- erste Zahnkante
- 93
- Zahnrücken
- 95
- zweite Zahnkante
- 94
- erster Flankenabschnitt
- 97
- zweiter Flankenabschnitt
- A
- Werkzeugachse
- P
- Gewindesteigung
- S
- Drehsinn
- r
- Radius
- r0, r1, r2
- Radius
- Δr
- radialer Abstand
- M
- Mittelachse
- M1, M2, M3, M4
- Zentralpunkte
- R1, R2, R3, R4
- Radienstrecken
- VR
- Vorschubrichtung
- Φ
- Gewindesteigungswinkel
- Θ
- Drallwinkel
