DE19732636A1 - Schraube mit selbstfurchendem Gewinde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine durch Kaltwalzen geformte Schraube mit selbst­ furchendem Gewinde, das vor dem Ende ihres Schaftes derart endet, daß das freie Schaftende eine Führung für das Eindrehen der Schraube in eine Bohrung bildet.

Derartige Schrauben, wie sie beispielsweise in der DE-PS 31 17 624 offen­ bart sind, werden in großem Umfang verwendet. Die bekannte Schraube besitzt ein konisch in einer Spitze auslaufendes Gewinde, wodurch das Eindrehen in ein Werkstück erleichtert werden soll. Beim Eindrehen ergibt sich nämlich ein Übergang von dem geringen Gewindedurchmesser zu dem vollen Gewindedurchmesser, wodurch die Schraube zunächst mit geringem Kraftaufwand eingedreht werden kann, wonach dann beim weiteren Eindrehen die volle Erweiterung des gefurchten Gewindes mit relativ geringem Dreh­ moment ermöglicht werden soll. Nachteilig ist bei dieser Schraubengestal­ tung, daß bei der Aufweitung des Gewindes längs des konischen Bereichs des Gewindes ein erheblicher Radialdruck auf das Werkstück ausgeübt wird, der nicht immer von dem betreffenden Werkstoff ohne weiteres aufgefangen werden kann. Es sind daher auch andere Gewindeformen bekannt geworden, die darin bestehen, das Gewindeende mit abnehmender Höhe des Gewinde­ ganges auslaufen zu lassen, wobei der Gewindescheitel schließlich den Außendurchmesser des Schaftes, der dem Gewindegrund entspricht, erreicht. Eine derartige Gestaltung ist in der DE-PS 40 03 374 veröffentlicht. Eine weitere Gestaltung einer Schraube mit selbstfurchendem Gewinde besteht gemäß der GB-PS 976 849 darin, daß in den Bereich des Gewindeendes mit gegenüber dem tragenden Gewindebereich reduzierte in Außendurchmesser Axialnuten eingearbeitet sind, die von dem Gewinde scharfkantig abgesetzte Zähne wie bei einem Gewindebohrer stehen lassen. Aufgrund dieser Gestal­ tung der Schraube ist diese in der Lage, unter Spanbildung sich selbst ein Gewinde mit reduziertem Außendurchmesser zu schneiden, das dann von dem tragenden Gewindebereich endgültig aufgeweitet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraube gemäß der ein­ gangs gegebenen Definition zu schaffen, die den Vorgang des Furchens des Gewindes unter Vermeidung von Spanbildung ausführt und das Gewinde in das Material des betreffenden Werkstücks so einformt, daß das Material von dem Gewinde der Schraube gewissermaßen zerteilt und zur Erzeugung einer Gewindefurche kontrolliert weggedrückt wird.

Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß das Gewindeende durch eine seinen Gewindegang abschneidende und schräg zum Querschnitt der Schraube gerichtete Endfläche mit einer Schneidkante und mit einer Grundlinie gebil­ det ist, die die zwischen der einen Gewindeflanke und dem Mantel des Schaftes bestehende Gewindefußkante fortsetzt, wobei die Grundlinie in einem von 90° erheblich abweichenden Winkel β zur Steigungsrichtung (Stei­ gungswinkel α) des Gewindes verläuft und die Schneidkante in den Gewin­ descheitel übergeht.

Beim Einführen des freien Schaftendes des Gewindes in die Bohrung eines Werkstücks drückt sich das führende Ende des Gewindeganges mit seiner Endfläche in das Material des Werkstücks, wobei die Endfläche aufgrund des von der Grundlinie eingehaltenen Winkels β und des hierdurch gegebe­ nen Abknickens der Schneidkante gegenüber dem Gewindescheitels das Material des Werkstücks aufschneidet, und zwar mit der in den Gewinde­ scheitel übergehenden Schneidkante. Infolgedessen kommt es zu einer Ver­ drängung des Materials, das dabei im wesentlichen nur auf der Seite der Endfläche seitlich weggedrückt wird, d. h. nur auf der Seite der einen Gewindeflanke, während auf der Seite der anderen Gewindeflanke eine solche Verdrängung praktisch nicht stattfindet. Mit dem Einschneiden des Gewindeganges erhält dessen an die Endfläche anschließender Bereich den notwendigen Freiraum für das weitere Eindrehen des Gewindes, wobei das Material des Werkstücks sich satt an die der Endfläche gegenüberliegende Flanke des Gewindeganges drückt. Je nach Anwendungsfall wirkt sich dies günstig auf die Ausreißkräfte aus. Dies geht im wesentlichen auch darauf zurück, daß durch das Aufteilen des Materials des Werkstücks das Material auf der Seite einer Gewindeflanke wegen dort verhinderter Materialverdrän­ gung in seiner Struktur und damit inneren Festigkeit praktisch vollständig erhalten bleibt. Die Endfläche wirkt dabei also mit ihrer Schneidkante wie eine Schneide.

Die Endfläche kann man vorteilhaft im wesentlichen als Dreieck gestalten, dessen zwischen seinen Basispunkten verlaufende Basis von der Grundlinie gebildet ist und dessen Scheitelpunkt mit dem Gewindescheitel zusammenfällt.

Die als Dreieck gestaltete Endfläche besitzt, wie oben dargelegt, eine Schräglage zum Querschnitt der Schraube. Diese Schräglage kann man unterschiedlich wählen, nämlich entweder so, daß der Scheitelpunkt des Dreiecks gegenüber der Grundlinie in Eindrehrichtung der Schraube nacheilt oder voreilt. In dem ersteren Falle ergibt sich eine größere Gestaltungs­ freiheit hinsichtlich der Endfläche, da die sich dabei gewissermaßen auf der Außenseite des letzten Gewindeganges erstreckt. Im Falle des Voreilens des Scheitelpunktes bildet die Endfläche gewissermaßen eine Art Hinterschneidung des Endes des Gewindes, die nicht beliebig tief gewählt werden kann.

Diese Endfläche wird zweckmäßig eben gestaltet. Es ist aber auch möglich, die Endfläche gewölbt, und zwar konvex oder konkav zu gestalten, wenn sich ergibt, daß sich hierdurch ein günstigeres Wegdrücken des Materials erzeugen läßt. Dabei kann die Wölbung auch ballig verlaufen.

Eine weiterhin mögliche Gestaltung der Endfläche besteht darin, diese in wendelartiger Gestaltung von der einen Gewindeflanke ausgehen zu lassen, und zwar derart, daß die Endfläche dann flach in den Mantel des Schaftes verläuft.

Um die Herstellung der Schraube zu erleichtern, wird der Endfläche zweck­ mäßig eine beträchtliche Länge gegeben, insbesondere wird die Endfläche über mindestens 1/4 eines Gewindeganges erstreckt. In diesem Falle ergibt sich auch eine entsprechend lange Schneidkante, wodurch das Aufschneiden des Materials erleichtert wird.

Für die Schräglage (Winkel β) der Endfläche in Bezug auf die Steigungs­ richtung des Gewindes gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man den Winkel β so wählen, daß er wesentlich kleiner als 90° ist (kleiner als 75°). In diesem Falle wird von der Endfläche ein in Richtung zum Schraubenende hin gelenkter Druck auf das Material des Werkstücks ausgeübt, daß heißt es findet eine Zusammendrängung des Materials auf der sogenannten Rückflanke statt, die der Lastflanke gegenüber liegt. Die Last­ flanke des Gewindes ist diejenige Flanke, die im Falle der Einwirkung von Ausreißkräften auf die Schraube diese Kräfte auffängt haben. Diese Ausreiß­ kräfte verlaufen axial vom Schraubenende zum Schraubenkopf und versuchen, die Schraube in dieser Richtung aus dem Werkstück auszureißen. Die Anhäufung von verdrängtem Material auf der Rückflanke, die gleichbedeu­ tend damit ist, daß das Material des Werkstücks auf der Seite der Last­ flanke praktisch unbeeinträchtigt durch das Eindrehen der Schraube bleibt, bietet insbesondere bei Eindrehen in Kunststoff den Ausreißkräften gegenüber mehr Widerstand als verformtes Material auf der Seite der Lastflanke, so daß sich bei dieser Ausrichtung der Endfläche, wie Versuche gezeigt haben, größere Ausreißkräfte ergeben als bei der umgekehrten Ausrichtung der Endfläche. Wird andererseits der Winkel β so gewählt, daß er wesentlich größer als 90° ist (größer als 105°), so drückt die Endfläche das auf sie auftreffende Material in Richtung vom Schraubenende weg, das heißt es findet eine Materialanhäufung an der Lastflanke statt.

Für die Gestaltung der Endfläche stehen verschiedene Herstellungsverfahren zur Verfügung, insbesondere spanlose oder spanabhebende Verformung.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Schraube in perspektivischer Sicht mit ebener End­ fläche;

Fig. 2 die Schraube ebenfalls in perspektivischer Sicht mit kon­ vex gewölbter Endfläche;

Fig. 3 die gleiche Schraube mit konkav gewölbter Endfläche;

Fig. 4 die Schraube mit geneigt zur Steigungsrichtung verlaufen­ der Grundlinie, wodurch die Endfläche so gerichtet ist, daß sie beim Eindrehen das Material in Richtung zum Schraubenende hin verdrängt;

Fig. 5 die gleiche Schraube, allerdings mit umgekehrt gerichteter Endfläche, die beim Eindrehen der Schraube das Material in Richtung vom Schraubenende weg verdrängt;

Fig. 6 die Schraube mit gewundener Endfläche;

Fig. 7 die Schraube mit relativ langer Endfläche;

Fig. 8 die Schraube mit voreilendem Scheitelpunkt.

Fig. 9 die Schraube mit abgebogener Endfläche

Fig. 10 eine Variante der Schraube gemäß Fig. 9.

Fig. 1 zeigt eine durch Kaltwalzen geformte Schraube 1 mit dem selbstfur­ chenden Gewinde 2, das sich über den Schaft 3 des Gewindes erstreckt und vor dem Ende 4 des Schaftes 3 endet. An der dem Ende 4 der Schraube l gegenüberliegenden Seite besitzt die Schraube 1 den Schraubenkopf 5.

Das Gewinde 2 wird hier durch einen einzigen durchgehenden Gewindegang gebildet, der im Bereich des Endes 4 des Schaftes 3 endet. Dieses Ende des Gewindes 2 wird durch die schräg zur Steigungsrichtung des Gewindes 2 verlaufende Endfläche 6 gebildet (siehe Fig. 4), die im wesentlichen dreieckförmige Gestalt besitzt. Die Endfläche 6 erstreckt sich zwischen den Basispunkten 7 und 8 (Grundlinie 33) auf den Mantel des Schaftes 3 und dem Scheitelpunkt 9, der mit dem Gewindescheitel 10 zusammenfällt. Die Anwendung der Endfläche 6 ist auch bei mehrgängigen Gewinden möglich.

Beim Eindrehen der Schraube 1 in eine Bohrung 11 eines Werkstücks 12 (siehe hierzu Fig. 2) trifft die Endfläche 6 (bzw. 15 in Fig. 2) auf das Material des Werkstücks 12 und drückt sich in dieses ein, wozu das Materi­ al eine entsprechende Nachgiebigkeit besitzen muß. Es kann sich dabei z. B. um Kunststoff, relativ weiches Metall oder dergleichen handeln. Die End­ fläche 6 trennt dabei mit ihrer zwischen den Punkten 7 und 9 verlaufenden Schneidkante 13 das Material des Werkstücks auf, das dabei auf Grund der hier gegebenen Schräglage der Endfläche 6 auf die Seite der Rückflanke 19 verdrängt wird, während sich das unverformte Material an die dem Schrau­ benkopf 5 zugewandte Lastflanke 14 des Gewindes 2 anlegt. Auf diese Weise furcht das mit der Endfläche 6 versehene Ende des Gewindes 2 in das Werkstück ein Muttergewinde, in das dann die der Endfläche 6 folgen­ den Teile des Gewindes 2 hineingleiten.

Die Endfläche 6 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als ebene Fläche ausgebildet, sie kann auch eine konvexe Wölbung (Endfläche 15 in Fig. 2) oder konkave Wölbung (Endfläche 16 in Fig. 3) aufweisen.

In den Fig. 4 und 5 sind gegensätzliche Wirkungen der Schraube erläu­ tert.

In Fig. 4 ist der Steigungswinkel α des Gewindes eingezeichnet. Die Endfläche 6 ist hier so gelegt, daß die Verbindungslinie der Basispunkte 7 und 8 (Grundlinie 33) einen Winkel β zur Steigungsrichtung der Schraube 18 bildet, der kleiner ist als 90°. Damit entspricht also die Darstellung in Fig. 4 den Gestaltungen der Schrauben gemäß der Fig. 1 bis 3. Diese Gestaltung hat, wie oben erläutert, zur Folge, daß beim Eindrehen der Schraube 18 die Endfläche 6 Material auf die Rückflanke 19 des Gewindes 2 drängt, die der Lastflanke 14 gegenüberliegt.

Bei der Schraube 20 gemäß Fig. 5 besitzt die Endfläche 6 eine andere Schräglage. Die Verbindungslinie der Basispunkte 7 und 8 (Grundlinie 33) der Endfläche 6 verläuft hier in einem Winkel β zur Steigungsrichtung der Schraube 20, der größer ist als 90°. Beim Eindrehen der Schraube 20 drückt die Endfläche 6 das Material auf die Seite der Lastflanke 14.

Die in der Fig. 6 dargestellte Schraube 22 mit dem Gewinde 2 und dem Schaft 3 endet, ähnlich wie die Schrauben gemäß den Fig. 1 bis 5, in einer Endfläche, die hier als wendelartige Fläche 23 gestaltet ist. Diese Endfläche 23 geht von der Gewindeflanke 24, die die Rückflanke des Gewindes 2 bildet, aus. Sie ist gebildet durch das flächige Abschneiden des Gewindes 2. Aufgrund dieses Abschneidens des Gewindes 2 bildet sich zwischen der Lastflanke 27 und der Endfläche 23 eine Schneidkante 28 aus, die in den Gewindescheitel 10 übergeht. Dieses Abschneiden beginnt an der Längskante 25, die sich über die Rückflanke 27 erstreckt. Im weiteren Verlauf geht die Endfläche 23 über eine ihr innewohnende Wendel in den Mantel des Schaftes 3 an der Stelle 26 über, wo sich bei gleichmäßigem Einlaufen der Endfläche 23 in den Mantel praktisch kein Absatz ergibt, so daß an der Stelle 26, die als Grundlinie der Endfläche 23 aufzufassen ist, auch keine Kante in die Fig. 6 eingezeichnet ist. Die die Endfläche 23 auf ihrer einen Seite begrenzende Grundlinie 26 verläuft vom Ende der Längskante 25 in Richtung zum Ende der Schneidkante 28.

In der Fig. 7 ist eine Schraube 31 dargestellt, die prinzipiell mit derjeni­ gen gemäß den Fig. 1 bis 4 übereinstimmt. Es handelt sich dabei um eine Schraube mit einer Schräglage der Endfläche 32, die darauf zurückzu­ führen ist, daß die Grundlinie 34 in einem Winkel zur Steigungsrichtung verläuft, der kleiner ist als 90°. Charakteristisch für die Schraube 31 gemäß Fig. 7 ist, daß sich die Endfläche 32 über eine relativ große Länge des betreffenden Gewindeganges erstreckt, nämlich über mehr als ein 1/4 eines vollen Gewindeganges. Damit ergibt sich eine relativ lange Schneidkante 35, die das Eindrehen der Schraube insbesondere in härteres Material erleichtert. Außerdem liefert diese Gestaltung den Vorteil, daß der Herstellungsvorgang der Schraube, nämlich das Kaltwalzen, vereinfacht wird.

Sämtliche vorstehend beschriebenen Schrauben gemäß den Fig. 1 bis 7 sind hinsichtlich der Neigung der Endfläche so gestaltet, daß dabei der Scheitelpunkt der Endfläche (Punkt 9 in Fig. 4) gegenüber der Grundlinie (Linie 33 in Fig. 4) nacheilt, und zwar bezogen auf die Eindrehrichtung der Schraube. Diese Gestaltung ermöglicht es unter anderem, wie vorstehend dargelegt, die Endfläche besonders lang auszubilden.

In Fig. 8 ist die Schraube 17 dargestellt, bei der die Schräglage der Endfläche so gewählt ist, daß der Scheitelpunkt 36 gegenüber der Grundlinie 37 (gestrichelt gezeichnet), voreilt. Das betreffende Ende des Gewindeganges bildet damit eine Art Hinterschneidung, bei der beim Eindrehen der Schrau­ be 17 in ein Bauteil zunächst der Scheitelpunkt 36 auf das Material des Bauteils trifft, womit auch die Schneidkante 38 wirksam wird. Diese Gestal­ tung der Schraube 17 hat zur Folge, daß beim Eindrehen der Schraube in das Material eines Werkstücks die in radialer Richtung wirkenden Kraftvek­ toren geringer sind als im Falle der Gestaltung der Schraube gemäß Fig. 1 bis 7. Wenn es also bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube wesentlich darauf ankommt, daß diese beim Eindrehen das betreffende Werkstück in Radialrichtung besonders wenig belastet, so ist die Gestaltung der Schraube gemäß Fig. 8 besonders vorteilhaft.

Die Schneidkante 41 verläuft nämlich gegenüber der Steigerung des Gewindes 2 derart, daß sie dabei einer Abbiegung folgt, die unter Ver­ kleinerung des Steigungswinkels des Gewindes 2 verläuft. Die Schneidkante 41 ist also gewissermaßen gegenüber der Richtung des Gewindescheitels 10 in Richtung zu einem nicht dargestellten Schraubenkopf innen abgeknickt. Neben der Schneidkante 41 sind Endfläche 42 und der Lastflankenauslauf 43 ausgebildet, in den die Lastflanke 14 übergeht. Bei dieser Ausführungsform der Schraube 39 ergibt sich ein Wegbringen des von der Schneidkante 41 verdrängten Materials in Richtung zur Rückflanke 19.

In Fig. 9 ist die Schraube 39 dargestellt, bei der für die Schneidkante 41 ein andersartiger Verlauf als bei den vorher beschriebenen Ausführungsbei­ spielen gewählt ist. Die Schneidkante 41 verläuft nämlich gegenüber der Steigung des Gewindes 2 derart, daß sie dabei einer Abbiegung folgt, die unter Verkleinerung des Steigungswinkels des Gewindes 2 verläuft. Die Schneidkante 41 ist also gewissermaßen gegenüber der Richtung des Gewin­ descheitels 10 in Richtung zu einem nicht dargestellten Schraubenkopf hin abgeknickt. Neben der Schneidkante 41 sind die Endfläche 42 und der Lastflankenauslauf 43 ausgebildet, in den die Lastflanke 14 übergeht. Bei dieser Ausführungsform der Schraube 39 ergibt sich ein Verdrängen des von der Schneidkante 41 verdrängten Materials in Richtung zur Rückflanke 19.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 9. Die Schraube 40 gemäß Fig. 10 zeigt das Gewinde 2, dessen Gewindescheitel 10 in die Schneidkante 44 übergeht, die hier im Gegensatz zu der Schraube 39 gemäß Fig. 9 eine derartige Abbiegung aufweist, daß die Schneidkante 44 unter Vergrößerung des Steigungswinkels des Gewindes 2 verläuft. Neben der Schneidkante 44 ist die Endfläche 45 und der Rückflankenauslauf 46 ausgebildet, in den die Rückflanke 19 übergeht. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 wird das von der Schneidkante 44 verdrängte Material in Richtung auf die Lastflanke 14 verdrängt.

Claims (13)

1. Durch Kaltwalzen geformte Schraube (1, 17, 18, 20, 22, 31, 39, 40) mit selbstfurchendem Gewinde (2), das vor dem Ende ihres Schaftes (3) derart endet, daß das freie Schaftende (4) eine Führung für das Ein­ drehen der Schraube (1, 17, 18, 20, 22, 31, 39, 40) in eine Bohrung (11) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeende durch eine seinen Gewindegang (2) abschneidende und schräg zum Querschnitt der Schraube (1, 17, 18, 20, 22, 31, 39, 40) gerichtete Endfläche (6, 15, 16, 23, 32, 42, 45) mit einer Schneidkante (13, 28, 35, 38, 41, 44) und mit einer Grundlinie (26, 33, 34, 37) gebildet ist, die die zwischen der einen Gewindeflanke (19, 24) und dem Mantel des Schaftes (3) bestehen­ de Gewindefußkante (30) fortsetzt, wobei die Grundlinie (26, 33, 34, 37) in einem von 90° wesentlich abweichenden Winkel β zur Steigungsrich­ tung (Steigungswinkel α) des Gewindes (2) verläuft und die Schneid­ kante (13, 28, 35, 38, 41, 44) in den Gewindescheitel (10) übergeht.

2. Schraube nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (6) im wesentlichen als Dreieck gestaltet ist, dessen zwischen seinen Basispunkten (7/8) verlaufende Basis von der Grundlinie (33) gebildet ist und dessen Scheitelpunkt (9) mit dem Gewindescheitel (10) zusam­ menfällt.

3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägla­ ge der Endfläche so gewählt ist, daß der Scheitelpunkt gegenüber der Grundlinie in Eindrehrichtung nacheilt (Fig. 1-7).

4. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägla­ ge der Endfläche so gewählt ist, daß der Scheitelpunkt gegenüber der Grundlinie in Eindrehrichtung voreilt (Fig. 8).

5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (6) eben ist.

6. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (15, 16) gewölbt ist.

7. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (23) in wendelartiger Gestaltung von der einen Gewindeflanke (24) ausgeht und flach in den Mantel des Schaftes (3) verläuft.

8. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (32) sich mindestens über 1/4 eines Gewindeganges erstreckt.

9. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinie (7,8) in einem Winkel β verläuft, der kleiner ist als 90° (Fig. 4).

10. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinie (7, 8) in einem Winkel β verläuft, der größer ist als 90° (Fig. 5).

11. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Endfläche (42, 45) derart ausgebildet ist, daß die von ihr gebildete Schneidkante (41, 44) gegenüber der Steigung des Gewindes (2) eine Abbiegung aufweist.

12. Schraube nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ biegung unter Verkleinerung des Steigungswinkels verläuft (Fig. 9).

13. Schraube nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ biegung unter Vergrößerung des Steigungswinkels verläuft (Fig. 10).