DE19602216A1

DE19602216A1 - Verfahren zur Herstellung von Befestigungselementen

Info

Publication number: DE19602216A1
Application number: DE1996102216
Authority: DE
Inventors: Heinz-W Hermanns
Original assignee: FIXINOX GES ZUR ENTWICKLUNG RA
Current assignee: FIXINOX GES ZUR ENTWICKLUNG RA
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-07-24
Also published as: WO1997027021A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Befestigungselementen, insbesondere von Schrauben mit einem im wesentlichen zylindrischen zumindest teilweise ein Gewinde aufweisenden Schaft und einem daran angeordneten Kopfteil.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Befestigungselementen der gattungsgemäßen Art bekannt, wobei je nach Anwendungsbereich üblicherweise ein zumindest teilweise ein Gewinde aufweisender Schaft mit einem entsprechend dimensionierten Kopfteil versehen wird. Daß der Schaft zumindest teilweise ein Gewinde aufweist, soll den Charakter des Befestigungselementes definieren. Es kann sich dabei um Innen- oder Außengewinde im weitesten Sinne handeln, also auch gewindeähnliche Befestigungstypen, beispielsweise Bajonette oder dergleichen, die im Zusammenwirken mit korrespondierenden Teilen der Befestigung dienen. Das Kopfteil hat einen Bereich, an dem es mit dem Schaft verbunden wird, indem dieser mit einer seiner Stirnflächen am Kopfteil fixiert wird, sowie einen Teil, der ausschließlich funktional bestimmt ist. Hier sind Sechskant, Schlitze, Körper unterschiedlichster Form, Hammerköpfe und dergleichen bekannt.

Derartige Befestigungselemente dienen in der Regel dazu, zwei relativ zueinander bewegliche Teile miteinander zu verbinden. Entsprechend wirken die jeweiligen Kräfte in an sich bekannter Weise und der Schaft, das Kopfteil und der Verbindungsbereich sind dementsprechend ausgebildet.

Unabhängig von Nach- oder Feinbearbeitungsvorgängen werden derartige vorbekannte Befestigungselemente in aller Regel geschmiedet. Es handelt sich üblicherweise um gesenkgeschmiedete Teile, die nach dem Schmieden üblicherweise gebeizt werden müssen, um ein halbwegs einheitliches Erscheinungsbild zu gewährleisten. Durch das Schmieden entstehen auf den Oberflächen die an sich bekannten Anlauffarben.

Abgesehen davon, daß wegen der erforderlichen Werkzeuge, Formen und erzielbaren Produktionsgeschwindigkeiten die Herstellung im Schmiedeverfahren vergleichsweise aufwendig ist, ist der Hersteller auf schmiedefähige Materialien beschränkt.

Will man entsprechende Befestigungselemente auf andere Weise unter Verwendung hochwertigerer Materialien herstellen, so ist es beispielsweise bekannt, den Schaft und das Kopfteil mit bekannten Verfahren miteinander zu verschweißen. Derartige Schweißverfahren sind sehr teuer und erwirken verfahrensgemäß nur in Teilbereichen eine Verbindung zwischen Kopfteil und Schaft. Darüber hinaus bildet sich üblicherweise eine Wulst aus dem Schweißgut, die vielfach die exakt festgelegte Befestigungselementgeometrie so verändern würde, daß das Befestigungselement nicht mehr verwendbar wäre. Auch sind die mechanischen, insbesondere die dynamischen Eigenschaften nicht mehr exakt bestimmbar und einhaltbar.

Befestigungselemente der gattungsgemäßen Art sind in aller Regel Massenbauteile. So werden beispielsweise in der Bauindustrie im Fassadenbereich sogenannte Ankerschienen angeordnet, in welche Hammerkopfschrauben so eingesetzt werden, daß der mit Gewinde versehene Schaftteil im wesentlichen senkrecht zur Ankerschiene aus dieser herausragt, während der Hammerkopfteil in der Ankerschiene angeordnet ist. Durch die Befestigung, beispielsweise das Aufschrauben einer Mutter zur Fixierung von Trägern, wird die in Schaftrichtung weisende Hammerkopffläche gegen die die Einführnut begrenzende Ankerschienenfläche gepreßt und somit die Hammerkopfschraube relativ zur Ankerschiene unbewegbar fixiert. Derartige Hammerkopfschrauben sind Gesenkschmiedebauteile und werden in großen Stückzahlen hergestellt und eingesetzt. Schon geringe Kosteneinsparungen bei der Herstellung einzelner Befestigungselemente können in der Gesamtheit zu großen Kosteneinsparungen führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Befestigungselementen, insbesondere Schrauben mit einem im wesentlichen zylindrischen zumindest teilweise ein Gewinde aufweisenden Schaft und einem daran angeordneten Kopfteil anzugeben, welches auch die Verwendung anderer, insbesondere hochwertiger Materialien ermöglicht und darüber hinaus die Massenherstellung von Befestigungselementen auf wirtschaftliche Weise vereinfacht.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren mit folgenden Schritten angegeben:

a) der Schaft und das Kopfteil werden separat gefertigt,
b) der Schaft und das Kopfteil werden relativ zueinander um die Längsmittelachse des Schaftes verdrehbar und in der Axialrichtung des Schaftes bewegbar in einer Verbindungsposition eingespannt,
c) wenigstens eines der beiden Teile wird in eine Drehung um die Längsmittelachse des Schaftes mit einer hohen Umdrehungsgeschwindigkeit versetzt,
d) beide Elemente werden mit einer vorgegebenen Kraft gegeneinander gedrückt und
e) die Umdrehung des wenigstens einen Teils wird beendet.

Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens durch die hohe Umdrehung des einen der beiden Elemente und das Aufeinanderdrücken der beiden Elemente im Verbindungsbereich Reibungskräfte entstehen, die in Wärme umgewandelt ein Anschmelzen der beiden Elemente im Verbindungsbereich bewirken. Durch das Zusammendrücken mit einer vorgegebenen Kraft werden die beiden Elemente Schaft und Kopfteil im Verbindungsbereich zusammengeführt. Nach dem Beenden der Drehung und einer Abkühlung sind die beiden Teile im Verbindungsbereich metallurgisch verbunden.

In vorteilhafter Weise wird eines der beiden Elemente feststehend eingespannt, das heißt, das Element ist nicht drehbar. Dennoch kann dieses Element axial verschiebbar und somit auf das andere, drehende Element aufpreßbar sein.

Die erforderliche Druckkraft kann gemäß einem Vorschlag der Erfindung in Abhängigkeit von dem Weg festgelegt werden, so, daß so viel Kraft aufgebracht wird, bis beide Elemente eine vorgegebene Strecke aufeinander zu bewegt wurden.

In vorteilhafter Weise kann das Befestigungselement auch aus mehreren Teilen in Axialrichtung zusammengesetzt sein, so daß das beschriebene Verfahren mehrfach hintereinander angewandt wird.

Durch das Zusammenpressen ergibt sich im Bereich der Befestigungsstelle ein geringfügiger Randwulst, der gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung abgedreht wird. Da verfahrensgemäß ein vollflächiger Verbindungsbereich ausgebildet ist, in dem die beiden Teile metallurgisch miteinander verbunden sind, kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren, ein Abdrehen die effektive Verbindungsfläche praktisch nicht gefährden.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Befestigungselementen bereitgestellt, wobei es im wesentlichen nur darauf ankommt, daß das Befestigungselement sinnvollerweise in Einzelteilen herstellbar ist, welche sich entlang einer Achse zusammensetzen lassen, wobei die Verbindungsbereiche im wesentlichen plane Flächen darstellen. Die Teile können dann relativ zueinander in Umdrehung versetzt werden und im Bereich ihrer planen und im wesentlichen senkrecht zur Längsachse stehenden Verbindungsflächen einander berührend durch die entstehende Reibung angeschmolzen werden, so daß eine metallurgische Verbindung gebildet werden kann, nachdem die Teile in Axialrichtung zusammengedrückt und abgekühlt werden. Das Verfahren ermöglicht die Verwendung auch sehr hochwertiger Materialien oder grundsätzlich die Verwendung alternativer Materialien, die für den jeweiligen Zweck entsprechend geeignet sind. Somit lassen sich auch Werkstoffe verarbeiten und kombinieren, die für die Herstellung der jeweiligen Befestigungselemente für ein Schmiedeverfahren nicht geeignet wären.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich völlig neue Befestigungsmittel mit völlig neuen technologischen Eigenschaften herstellen. Daher wird mit der Erfindung auch die Aufgabe gelöst, wirtschaftlich herstellbare Befestigungselemente mit verbessern technologischen Eigenschaften anzugeben.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird ein Befestigungselement, insbesondere eine Schräube, vorgeschlagen, bestehend aus wenigstens zwei in Axialrichtung nebeneinander angeordneten Teilen, die im Bereich einer zur Längsmittelachse im wesentlichen senkrechten Fläche metallurgisch miteinander verbunden sind, wobei die metallurgische Verbindung durch Schmelzen infolge Reibung hergestellt ist.

Mit Vorteil wird vorgeschlagen, daß das Befestigungselement eine Schraube ist, wobei in vorteilhafter Weise der Kopf ein Hammerkopf sein kann. Der Schaft kann ein Gewindestift sein.

Im Bereich der Verbindungsstelle ist die Schraube zur Vermeidung eines Wulstes zylindrisch gedreht. Der Kopf der Hammerkopfschraube fluchtet gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung zumindest im Bereich einer Seitenkante mit der zylindrischen Außenkontur des Gewindestiftes.

Mit besonderem Vorteil wird durch die Erfindung eine Schraube angegeben, die aus hochwertigen Materialien wirtschaftlich und einfach herstellbar ist und dabei aus hochwertigen Materialien gebildet ist. Im Gegensatz zu gesenkgeschmiedeten Befestigungselementen kann die Außenkontur insgesamt auch komplex gebildet sein und hohen Toleranzanforderungen entsprechen.

Auch können andere Materialien als Metall, beispielsweise Kunststoffe nach der Erfindung verfahrensgemäß zur Herstellung neuer Befestigungselemente verwendet werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gewindestiftes;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kopfplatte in Seitenansicht und Draufsicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Verbindungsvorrichtung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der zu verbindenden Teile in einem ersten Verfahrensschritt;

Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 4 in einem anderen Verfahrensschritt und

Fig. 6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines fertiggestellten Befestigungselementes.

Zur Erläuterung des Verfahrens wird grob und allgemein die Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Befestigungselementes beschrieben. In Fig. 1 ist ein Gewindestift 1 gezeigt, der ein im wesentlichen zylindrisches Element mit einem Gewinde 3 ist, welches an einer Seite eine plane Stirnfläche hat, die im wesentlichen senkrecht zur Längsmittelachse des Gewindestiftes 1 angeordnet ist. Die Stirnfläche muß nicht grundsätzlich plan sein. Besonders vorteilhaft ist auch eine kegelige Ausbildung dieser Fläche sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Durch diese Maßnahme kann in besonders vorteilhafter Weise zum einen die Größe der Verbindungsfläche festgelegt werden, zum anderen auch die Materialmenge, die eine Wulst bildend austritt.

In Fig. 2 ist eine Kopfplatte 4 gezeigt, die, wie die Draufsicht zeigt, im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest zwei abgerundete Ecken hat. Die Platte kann ein Stanzteil sein oder ein Schmiedeteil.

Die beiden gezeigten Teile können beispielsweise auch aus Edelstahl gefertigt sein. Auch ist es möglich, beide Teile aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Gewindestift 1 und der Kopfplatte 4. Die Vorrichtung 7 umfaßt ein übliches Maschinenfundament und eine Einspannvorrichtung 8, in welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kopfplatte 4 eingespannt ist, derart, daß eine der Oberflächen der Kopfplatte frei liegt. Auf dem Maschinenfundament ist ein Drehfutter 9, welches mittels eines Motors 10 antreibbar ist, durch eine entsprechende Lagerung 11 auf dem Maschinenfundament in Richtung des Pfeiles 12 hin und her verfahrbar. Der im Drehfutter 9 eingespannte Gewindestift 1 ist somit, wie durch Pfeil 1 3 gezeigt, drehbar.

Fig. 4 zeigt eine Position, die die beiden Elemente beispielsweise zu Beginn des Verbindungsvorganges einnehmen. Das Drehfutter ist in axialer Richtung des Gewindestiftes so weit vorgefahren, daß die plane Fläche 2 des Gewindestiftes 1 auf der Oberfläche der Kopfplatte mit Berührung anliegt. Mittels des Motors 10 wird das im Drehfutter 9 eingespannte Werkstück, also der Gewindestift 1, in hohe Umdrehungen versetzt oder es dreht sich bereits. Durch die zwischen der Stirnfläche 2 des Gewindestiftes 1 und der Oberfläche der Kopfplatte 4 entstehende Reibung, die in Wärme umgewandelt wird, werden beide Elemente im Bereich der Berührungsfläche bis an den Schmelzpunkt heran erhitzt, woraufhin der Gewindestift 1 mit einer vorgegebenen Kraft nochmals in Richtung der Kopfplatte 4 vorgeschoben wird. Diese Kraft kann auch abhängig gemacht werden von einem Wegstück. Schließlich wird die Umdrehung des Gewindestiftes 1 gestoppt und bedarfsweise eine Kühlung im Verbindungsbereich herbeigeführt. Beide Elemente sind nun wie in Fig. 6 gezeigt miteinander zu einer Hammerkopfschraube verbunden. Der durch das Zusammenpressen an der Verbindungsstelle entstandene Wulst 15 kann durch Drehen entfernt werden, ohne daß die Verbindungsstelle dadurch geschwächt ist.

Die in Fig. 6 gezeigte Hammerkopfschraube kann nun in an sich bekannter Weise in Ankerschienen eingesetzt und durch Drehen in der Ankerschiene nun fixiert werden. Die Kopfplatte kann beispielsweise auch in den freiliegenden Oberflächen aufgerauht, verzahnt oder dergleichen sein, um eine entsprechend große Reibung zwischen der Kopfplattenoberfläche und einer Ankerschiene bewirken zu können.

Bezugszeichenliste

1 Gewindestift
2 Stirnfläche
3 Gewinde
4 Kopfplatte
5 Seitenkante
6 Ecke
7 Verbindungsvorrichtung
8 Spannfutter
9 Drehfutter
10 Motor
11 Lagerung
12 Bewegungspfeil
13 Bewegungspfeil
14 Berührungsstelle
15 Schmelzwulst
16 Hammerkopfschraube

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Befestigungselementen, insbesondere Schrauben mit einem im wesentlichen zylindrischen, zumindest teilweise ein Gewinde aufweisenden Schaft und einem daran angeordneten Kopfteil, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) eines der beiden Teile gegen Rotation fixiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile während des Verfahrensschritts c) miteinander in Kontakt gebracht werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Umdrehungszeit in Abhängigkeit vom Erreichen einer Schmelztemperatur aufgrund der entstehenden Reibung festgelegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt d) die Kraft in Abhängigkeit von einem Vorschubweg festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elemente nach dem Zusammendrücken abgekühlt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als wenigstens eines der beiden Elemente ein nach den Verfahrensschritten a) bis e) zusammengesetztes Element verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement nach dem Verbinden der beiden Elemente im Bereich der Verbindungsstelle zylindrisch gedreht wird.

9. Befestigungselement, hergestellt nach dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus wenigstens zwei in Axialrichtung nebeneinander angeordneten Teilen, die im Bereich einer zur Längsmittelachse im wesentlichen senkrechten Fläche metallurgisch miteinander verbunden sind, wobei die metallurgische Verbindung durch Schmelzen infolge Reibung hergestellt ist.

10. Befestigungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schraube ist.

11. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft ein Gewindestift ist.

12. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf ein Hammerkopf ist.

13. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es im Verbindungsbereich zylindrisch gedreht ist.

14. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammerkopf mit wenigstens einer Seitenkante mit der zylindrischen Außenkontur des Gewindestiftes fluchtet.