DE2354159A1

DE2354159A1 - Selbstextrudierende schraube

Info

Publication number: DE2354159A1
Application number: DE19732354159
Authority: DE
Inventors: Herman Gustave Muenchinger
Original assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Current assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-29
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3827331A; CH583860A5; SE397713B; IT994462B; NL7403486A; GB1377470A; ES420130A1; JPS4980455A; BE812334A; FR2205129A5; CA986756A

Description

EISENFOHR * SPEISER -^

. _ ;. Dipl-Inö DIETER K. SPEISER

B R EME N - - Db RER NAT HORST ZINNGREBE

UNS ZEICHEN R 129.

Anmelder-INH Research Engineering

Neuanmeldung . . ■

datum 26. Oktober 1973 .

Research Engineering & Manufacturing, Inc., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Massachusetts, 459 Mount Pleasant Street, New Bedford, Massachusetts 02742

(V. St. A.) ■'·■' . .

Selhstextrudierende Schraube

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Schrauben, die in einem Werkstück eine Führungsöffnurig extrudieren und vergrößern, die sodann von einem Gewinde formenden Abschnitt der Schraube mit Gewinde versehen wird.

In der US-Patentschrift 3 195 156 ist eine Art einer Gewinde formenden Schraube beschrieben, die ohne Spanbildung in Werkstückengewinde einsinkt. Allgemein gesehen umfassen die in der genannten Patentschrift beschriebenen Schrauben einen Schaft mit einem Gewinde, dessen Querschnitt die Gestalt eines Polygons mit gebogenen Seiten besitzt.. Das Gewinde ist durch eine ungerade Anzahl (normalerweise 3) mit gleichem Abstand zueinander angeordnete Vorwölbungen gekennzeichnet, deren Krümmungsradius wesentlich kleiner ist als der halbe Flankendurchmesser der Schraube, wobei

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die Vorwölbungen durch relativ breite, bogenförmige Seiten voneinander getrennt sind, deren Krümmungsradius wesentlich größer ist, als der halbe Flankendurchmesser der Schraube. Die Seiten gehen glatt und kontinuierlich, in die zwischen ihnen liegenden Vorwölbungen über. .Der.-,beschriebene Querschnitt in Form eines Polygons mit gebogenen Seiten, gilt für die Spitze, die Flanke und den Fuß des Gewindes.

Bei einer Schraube der beschriebenen Art ergibt ein Führungsloch, dessen Durchmesser etwa gleich dem Flankendurchmesser der Schraube ist, die beste Schraubverbindung zwischen Werkstück und. Schraube. Das Eintrittsende der Schraube muß hinreichend dünn sein, damit die Schraube- vor der Ausbildung des Gewindes leicht eingeführt werden kann. Dies erreicht man gewöhnlich, indem die Breite des Druckzapfens bei oder nahe bei dem Fuß- oder Innendurchmesser des Schraubengewindes liegt. An dieser Stelle ist hervorzuheben, daß der Rohling_r.aus dem die Schraube gewalzt wird,, am Druckzapfen und am gesamten Schaft oder an einem Teil desselben einen gebogen-polygonal begrenzten Querschnitt besitzt.

Wenn eine Bohrspitze am vorderen Ende vor dem mit Vorwölbungen ausgestatteten Gewinde formenden Abschnitt der Schraube vorhanden sein soll, könnte diese Bohrspitze mindestens theoretisch mit Vorwölbungen ausgestattet sein, wodurch ein Führungsloch brauchbarer Größe gebohrt werden könnte. Es hat sich jedoch.ergeben, daß eine gewölbte Bohrspitze insofern nicht zufriedenstellend ist, als die Vorwölbungen sich nicht richtig mit den Schneidrippen der Bohrspitze ausrichten, so daß sich keine konzentrische Ausrichtung für effektives Bohren erreichen läßt. Die Bohrspitze muß daher aus praktischen Gründen zylindrisch sein. Beim Vor-

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handensein einer zylindrischen Bohrspitze und eines mit. Vorwölbungen, ausgestatteten Druckzapfens an dem Rohling muß der maximale Durchmesser der Bohrspitze innerhalb des der Wölbform, einbeschriebenen Kreises liegen. Das ist sehr viel weniger als die Breite des DruckZapfens, die bei oder nahe bei dem Gewindefußdurchmesser liegt. Demzufolge kann die Bohrspitze kein Loch von einer solchen Größe bohren, die das direkte Formen eines Gewindes durch den Gewinde formenden Abschnitt der Schraube gestattet. Wenn an der Schraube zwischen der Bohrspitze und dem Gewinde formenden Abschnitt eine sich einsenkende Struktur vorgesehen ist, sollte diese Struktur so. beschaff en sein,. daß sie die Öffnung vergrößert, teilweise extrudiert und kalt verformt, ohne daß die Struktur dazu neigt, die ,Öffnung "aufzunehmen." oder mit Gewinde zu versehen. Außerdem sollte die sich einsenkende Struktur so gestaltet sein, daß sie sich.mit Schrauben verbinden läßt, die fest und nicht fest mit dem Werkstück verbunden sind. D.h., daß zwar die einzelne Schraube entweder für feste oder nicht für feste Verbindung ausgeführt sein kann, daß jedoch der sich einsenkende Abschnitt sich für die Verwendung, mit jeder der beiden Formen eignet.

Die Erfindung soll daher eine Schraube mit einem Gewindeteil, für die Formung eines Gewindes in einem Werkstück und mit einem vorderen Abschnitt schaffen, wobei der vordere Abschnitt eine Struktur besitzt, welche die Öffnung teilweise extrudiert und damit einen erweiterten, kalt bearbeiteten und vergrößerten Bereich .erzeugt_r der von dem Gewindeteil erfaßt und mit Gewinde versehen wird. ■ .

Die Struktur, welche die Öffnung des Werkstücks extrudiert und kalt bearbeitet, soll nicht dazu neigen, das,Werkstück" zu spänen oder mit Gewinde zu versehen.

Ferner soll mit der vorliegenden Erfindung eine Schraube geschaffen werden, die nach Bedarf in der Nähe der extrudierenden und kalt bearbeitenden Struktur eine Bohrspitze aufweist, so daß die Schraube selbst bohrend, selbst extrudierend und selbst gewindeformend ist.

Die angegebene Schraube soll insbesondere für das Formen von Innengewinde in relativ dünnen Werkstücken, z.B. Metallblechen, Plastik oder dergleichen geeignet sein. Ferner soll die Extrudier- und Kaltbearbeitungsstruktur der angegebenen Schraube konzentrisch mit der Schraubenachse sein, um eine Schraube zu erzeugen, die mit dem Werkstück fest verbunden bleibt, oder die Struktur soll exzentrisch zu der Schraubenachse liegen, um eine feste Verbindung zu verhüten.

Demzufolge umfaßt die Schraube einen Schaft mit einem Gewindeteil, der in der Öffnung eines Werkstucks ein Gewinde formen kann. Der vordere Abschnitt der Schraube ist mit spiralförmig angeordneten Rippen mit gerundetem Kamm versehen und extrudiert die öffnung des Werkstücks für das nachfolgende Gewindeformen durch den Gewindeteil . Der maximale radiale Abstand von der Mittelachse des Gewindeteils bis zum Rippenkamm des vorderen Abschnitts ist kleiner als der maximale radiale Abstand von der Achse bis zum Gewindekamm. Die schraubenförmige Anordnung der Rippen ist entgegengesetzt zu der schraubenförmigen Anordnung des Gewindes gerichtet, und der Steigungswinkel der Rippen ist wesentlich größer als der Steigungswinkel des Gewindes. Dementsprechend wird die Öffnung des Werkstückes extrudiert, ohne daß sie von den Rippen gespänt wird. Die Rippen versuchen im Gegenteil, das extrudierte Material vorwärts zu schieben, während die Schraube in dem Werkstück vordringt.

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Die t.schjmubßnför-mig _: angeordneten Rippen können mit der ■- <. Mittelachse der -Schraubekonzentrisch sein, in welchem - Falle die Schraube mit demWerkstück nach dem Gewinde- . ■ formen fe'st -verbunden bleibt. Andererseits können iäie Rippen exzentrisch zu der Schraubenachse angeordnet, sein ' und verringerte radiale Breite besitzen. Bei exzentrischen Rippen-mit kleinerem .maximalen Durchmesser findet weiterhin eine Extrusion der Öffnung im Werkstück, statt, während" zur gleichen Zeit die.im Durchmesser kleineren Rippen es gestatten., daß die Schraube nach Bedarf aus der. Öffnung des Werkstücks genommen wird.· ■ . ■.- .-. .

Der Gewindequerschnitt auf 'dem. Gewinde formenden Teil der· Schraube k-ann die oben beschriebene gebogene, mit Vor-¹ Wölbungen ausgestattete Gestalt mindestens in der Nähe«: des vorderen Teils besitzen/Die gebogen-polygonale Gestalt des Gewindequerschnitts kann sich wie im Fall der erwähnten US-Patentschrift 3 195 196 über die gesamte Länge des Gewindeteils der Schraube erstrecken. Andererseits kann die gebogen-polygonale Querschnittsform des Gewinde formenden Teils der Schraube in einen Befestigungsteil mit kreisförmigem Querschnitt von Gewindekamm, -flanke und -fuß übergehen, wie in der US-Patentschrift 3 681 beschrieben ist» :

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen.erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schraube;

Fig. 2 eine Vorderansicht derselben Schraube;

Fig. 3 eine Darstellung eines Teiles der Schraube gemäß Fig. 1 beim Vergrößern und Extrudieren einer Werkstücköffnungj

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Fig. ,4. ,eine Darstellung, der Schraube beim Formen "des Gewindes in der "Werkstücköffnung;

Fig. 5 eine Seitejiteilansicht einer weiteren Ausführungsform der Schraube in einem Werkstück;' " - " -" · -.·"'■ --■.:-"

Fig. 6 eine Seitenteilansicht einer weiteren Ausführungsform der Schraube in einem Workstuck;

■Ί .

Fig. 7 eine Seitenteilansicht einer anderen Ausführungsform einer Sehraube in einem-Werkstück;

Fig. 8 eine Seitenteilansicht des Rohlings für die Herstellung der Schraube gemäß Fig. 1 bis

3; und ■ ■ ' , .

Fig. 9 eine Vorderansicht des in Fig. 8 dargestellten Rohlings.-...-,

Die in den Zeichnungen dargestellte Schraube? 2 besitzt . .. einen Kopf 4 und einen Schaft 6. Der Schaft 6 weist einen Gewinde formenden.Teil 8 auf, der in einen Befestigungsteil 10 übergeht. Das Gewinde auf dem Gewinde formenden Teil und dem Befestigungsteil 8, 10 ist ein kontinuierliches Spiralgewinde 14 bekannter Art, das die Mittelachse 12 (Fig. 3) des Schaftes 6 umgibt.

Das Gewinde 14 kann der in der US-Patentschrift 3 195 156 gegebenen Beschreibung entsprechen. Der Querschnitt eines solchen Gewindes durch Gewindekamm, -flanke und -fuß ist von gebogenen Polygonen begrenzt. Die Gestalt des Quer- . Schnitts kann zum Beispiel durch drei in gleichem Abstand zueinander angeordnete Vorwölbungen 22, 24, 26 gekennzeichnet sein, deren Krümmungsradius wesentlich kleiner ist als der halbe Flankendurchmesser der Schraube, wobei die Vor-.Wölbungen durch relativ breite bogenförmige Seiten 16, 18, 20 getrennt sind, deren Krümmungsradius wesentlich.größer

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ist als der halbe Flankendurchmesser der Schraube. Die Seiten 16, 18, 20 gehen glatt und kontinuierlich in die dazwischen liegenden Vorwölbungen 22, 24, 26 über. Die mit Vorwölbungen versehene Gestalt des Querschnitts kann in dem Gewinde formenden Teil 8 und in dem Befestigungsteil 10 vorhanden sein. Nach Wunsch ,kann jedoch auch gemäß der US-Patentschrift 3 681 96 3 die Ausbildung der Wölbung· in dem Teil 8 fortschreitend bis auf Null in dem Befestigungsteil abnehmen, so daß die Querschnitte der Gewindekämme, -flanken und -fuße in dem Befestigungsteil kreisförmig sind. In jedem Fall nimmt jedoch die Gewindeaus·*- bildung' auf dem Gewinde formenden Teil 8 in der Höhe ab, vorzugsweise zunehmend in Richtung vom Kopf 4 zu dem Eintrittsende der Schraube. Anders ausgedrückt, nimmt der radiale Abstand zwischen der Achse 12 und den Vorwölbungen an dem Gewindekamm 28 fortschreitend zu in der Richtung auf den Schraubenkopf, um ein glattes Einsenken des Gewindes in die Öffnung 30 eine's Werkstücks 32 zu ermöglichen. .. - - ■;■

In der Nähe des vorderen Endes des Gewinde fprmenden Teiles 8 un.faßt :der Schaft einen vorderen Abschnitt 4 mit einer Reihe von spiralförmig angeordneten Keilen oder Rippen 6, die von spiralförmig angeordneten Vertiefungen oder Nuten 39 getrennt sind. Es ist hervorzuheben, daß die Rippen 3£j in einer Spirale verlaufen» die entgegengesetzt zu der Spiralrichtung des Gewindes 14 gerichtet ist. Außerdem ist%£ Steigungswinkel der Rippen wesentlich größer als der-Steigungswinkel des Gewindes, und der. Kamm 8 der Rippen ist gerundet oder glatt. Ferner kann der vordere Abschnitt 4 eine vor den Rippen 36 liegende Bohrspitze 40 bekannter Ausführung mit Nuten 42 umfassen. Die Bohrspitze ist auf die Achse 12 zentriert.

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Bei einer erfindur.gsgemäßen Schraube besitzt der maximale oder Außendurchmesser der Kippen ungefähr die Größe des Flankendurchmessers 35 der Schraube 14. Der Flankendurch-messer ist derjenige Durchmesser, bei welchem die Breite der Gewindenut gleich der halben Ganghöhe ist. Der Durchmesser der Bohrspitze ist ungefähr gleich dem Durchmesser am.Gewindefuß 37 des Gewindes 14; jedoch kann der Durchmesser der Bohrspitze etwas kleiner sein als der Durchmesser des Gewindefußes. Wenn daher die Bohrspitze 40 ein Führungsloch in das Werkstück bohrt, bewirkt fortgesetztes Drehen der Schraube und ausgeübter Axialdruck, daß die Rippen 36 die öffnung 30 vergrößert, kalt bearbeiten und extrudieren, wodurch ein axialer Flansch 44 gebildet wird, der auf eine axiale Verdickung des Werkstücks im Bereich der Öffnung 3O hinwirkt. Daher ist bei Ausbildung eines Gewindes 4 5 in dem Werkstück durch den Gewinde formenden Teil 8 das resultierende Schraubenengagement zwischen der Schraube und dem Werkstück erheblich größer, als wenn kein extrudierter Flansch 44 gebildet worden wäre.

Es ist wichtig, daß der Spiralsinn der Rippen 36 entgegengesetzt zu dem Gewinde verläuft. Dieses Merkmal bewirkt, daß die Rippen das Material des Werkstückes vorwärtsschieben und dadurch den Extrusionseffekt stärken. Die .Neigung der Rippenkämme, das Werkstück "aufzunehmen" und ein Gewinde zu bilden, wird im wesentlichen verhindert.

Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Rohling 50, aus. dem das Schraubengewinde 14 und die Rippen 36 gewalzt werden. Der Rohling besitzt einen Schaft 32' von gebogen-polygonalem Querschnitt. Ein Abschnitt 54 des Rohlings ist vom Kopf weg konisch abgeschrägt, und dieser Bereich entspricht dem Abschnitt 8 der fertigen Schraube. Auf dem zylindri-

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sehen vorderen Abschnitt 56 wird die Bohrspitze angefertigt und werden die Rippen 36 gewalzt. Der maximale Durehmesser des vorderen Abschnitts 56 des Rohlings ist der Durchmesser des größten Kreises 58 (Fig. 9) der dem mit Vorwölbungen versehenen'Querschnitt einbeschrieben wird. Gemäß Fig. .9 berührt dieser Kreis nahezu die langen Bogenseiten 60, 60, 60 des mit Wölbungen versehenen Abschnittes 54. Die Verwendung eines Rohlings mit einem gewölbten Abschnitt 54 hat daher eine Begrenzung der Böhrspitzenabmessungen zur Folge, verglichen mit den praktischen Möglichkeiten bei einem Rohling, der im Abschnitt 5'4 zylindrisch gestaltet ist. Dement sprechend ist der Durchmesser der Bohrs£»itzen nahezu gleich oder geringer als der Gewindefußdurchmesser, abhängig von der Größe der Wölbung, Die Rippen 36 bilder, jedoch ein Loch passender Größe in dem Werkstück,

Fig.. 5 zeigt die Darstellung einer ähnlichen, aber modifizierten Schraube 2 a, bei welcher jedoch die Bohrspitze 40 fehlt. Statt dess-en ist getrennt in das Werkstück ein Führungsloch mit dem Durchmesser des Gewindefußes gebohrt. Die Rippen 36 sowie der Vorgang des Gewindeformens unterscheiden, sich nicht von der oben gegebenen Beschreibung,

Die in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Schrauben 2 und 2 a Siitgen nach dem Formen des Gewindes fest in dem Werkstück, Da.s liegt daran, daß der minimale oder G.ewinöespitzenäureh'*-- messer 66 (Fig. 4) des Gewind.es iw Werkstück kleiner ist als der Spitzendurchirtessex der Rippen, Die fest sitzende Verbindung kann erwünscht sein oder nicht, Um das Festsitzen ■ zu. vermeiden, können die Rippen gegenüber dem Gewinde 14 exzentrisch angeordnet sein, wie bei derv Schraube 2 b in Fig.. 6. Dort ist die Achse 6 2 der Rippen 36 b exzentrisch gegenüber der Mittelachse 12, während die Bohrspitze 40 mit der Achse 12 zentriert ist. Außerdem ist der maximale

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Durchmesser (über die Spitzen 38, 38 b gemessen) der Rippen 36 b kleiner als bei den Rippen 36. Dieser Durchmesser sollte mindestens geringfügig kleiner sein als der genannte minirrale Durchmesser des in dem Werkstück zu formenden Gewindes. Der extrudierende Durchmesser der Rippen 36 b ist jeccch gleich dem doppelten radialen Abstand von der Achse 12 zu den äußersten oder am meisten exzentrischen Spitzen 38 b auf den Rippen 36 b. Dieser extrudierende Durchmesser kann ungefähr gleich dem Flankendurchmesser des Gewindes gewählt werden.

Beim Zurückholen der Schraube aus dem Werkstück kann die Schraube gelöst werden, bis die Rippen 36 b die Öffnung 30 erreichen. Dann stehen die Rippen in loser Berührung mit dem Werkstück, so daß die Schrauben aus dem Werkstück herausgebracht werden kann.

Fig. 7 zeigt eine weitere abgeänderte Schraube 2 c, welche sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen dadurch unterscheidet, daß aie Rippen 36 c zum Eintrittsende der Schraube hin fortschreitend im Durchmesser abnehmen. Die Rippen 36 c besitzen daher ein konisches Profil (angedeutet durch die gestrichelte Gerade 69), was insbesondere bei dem Extrudieren dünner Werkstücke nützlich ist. Das konische Profil kann natürlich mit exzentrischen oder mit konzentrischen Rippen auf der Schraube ausgeführt v/erden. Nach Bedarf kann ferner die Bohrspitze 40 in jedem der Fälle vorhanden sein oder nicht.

Insgesamt wurde eine selbstextrudierende Schraube mit einem Schaft beschrieben, der einen vorderen Abschnitt und einen Gewinde formenden Abschnitt umfaßt. Der Gewinde formende Abschnitt kann einen von mehreren gebogenen Seiten begrenz-

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ten Querschnitt besitzen. Ein vorderer Abschnitt ist dem Gewinde formenden Abschnitt benachbart und ist mit Rippen versehen, die spiralförmig und entgegengesetzt zu dem Spiralsinn des Gewinde·formenden Abschnitts verlaufen und die ein Führungsloch in einem Werkstück vergrößern, extrudieren und kalt verformen. Die Rippen können in Bezug auf die Achse des Schaftes exzentrisch oder konzentrisch angeordnet sein, abhängig davon, ob die" Schraube in dem Werkstück festsitzen soll oder.nicht. Der vordexe

Abschnitt kann ferner eine Bohrspitze zur Herstellung des Führungsloches umfassen.

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Claims

Ansprüche

I.J Schraube mit einem Gewindeabschnitt für die Formung eines Gewindes in einein Werkstück sowie mit einer Achse und einem vor dem Gewinde liegenden vorderen Abschnitt mit spiralförmig verlaufenden, von Vertiefungen getrennten Rippen, uip. in den. Werkstück ein Loch zu formen, dessen Durchmesser kleiner ist als der maximale Außendurchmesser des Gewindes in dem Gewindeabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vordrücken eines Werkstück-Randbereiches (44) uir- das Loch (30) die Spiraienordnung der Rippen (36, 36 b, 36 c) entgegengesetzt gerichtet ist wie die Spiralanordnung des Gev;i r.clea U 4 ) des Gewi ndeabschni tts .
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ι daß die Mittelachse (6 2) der spiralförmig angeordneten Rippen (38 b) exzentrisch zu der Achse (12) des Gewindes (14) ist und daß der radiale Abstand von der Mittelachse. zu der Spitze der Rippen kleiner ist als der zu erwartende kleinste Radius des in dem Werkstück geformten Gewindes.
3. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (36 c) in Richtung auf das Eintrittsende der Schraube konisch verlaufen.
4. Schraube nach'Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch eine Bohrspitze (40) für die Ausbildung einer öffnung in dem Werkstück, wobei die Bohrspitze einen maximalen Radius besitzt, der kleiner ist als der maximale radiale Abstand der Achse (12) von den Spitzen der Rippen.
5. Schraube nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mit der Achse (12) konzentrische Bohrspitze.

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