DE2461546A1

DE2461546A1 - Gewindeformende schraube

Info

Publication number: DE2461546A1
Application number: DE19742461546
Authority: DE
Inventors: Paul Roland Lathom
Original assignee: ROCKFORD HEADED PRODUCTS Inc
Current assignee: ROCKFORD HEADED PRODUCTS Inc
Priority date: 1974-01-03
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1975-07-17
Also published as: FR2257038A1; FR2257038B1; CA1013976A; SE7416253L; JPS584207B2; US3935785A; SE392752B; GB1427311A; AU7671874A; JPS5097763A

Description

PATENTANWALT

6 Fra.... . . .si .ι 70

tehneckenhoisir. 1/ -1 ei. Yüd 79

23, Dezember 1974

Rockford Headed Products, Inc., 1928 Twelfth Street,Rockford, Illinois, U,S.A.

Gewindeformende Schraube

Die Erfindung betrifft eine gewindeformende Schraube, die ein Innengewinde in eine Bohrung eines Werkstückes furcht.

Es ist beispielsweise aus den US-PS 2 352 982 und 3 195 156 bekannt, gewindefcrinende Schrauben zu verwenden, die einen polygonalen Querschnitt über die gesamte Länge des mit Außengewinde versehenen Schaftes haben, so daß die Gewindegänge am Umfang in gegenseitigem Abstand angeordnete abgerundete Kanten und dazwischenliegende Seiten aufweisen, die radial relativ zu den Kanten zurückgesetzt sind, so daß die Kanten ein Innengewinde in eine Bohrung eines Werkstücks durch einen Furchvorgang formen, im Gegensatz zu einem Sehneidvorgang* Die mehreckige Querschnittsform der Schraube mit zwischen den Ecken liegenden, radial zurückgesetzten Seiten schafft Platz für das Werkstückmaterial, das sowohl in Umfangsrichtung als auch axial während, des Purchens der Innengewindegänge in das Werkstück fließen kann; die dazwischenliegenden, radial zurückgesetzten Seiten verringern die Flächenbereiche der Reibberührung zwischen den Schraubengewindegängen und dem Werkstück, so daß allgemein das für das Einschrauben der Schraube in das Werkstück erforderliche Drehmoment verringert wird, Wenn derartige bekannte Schrauben

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in eine Bohrung in einem verhältnismäßig dünnen Materialstreifen geschraubt werden, erreicht das Drehmoment ein Maximum, nach dem die Schraube soweit das Werkstück eingeschraubt ist, daß sie im wesentlichen das Gewinde in der Bohrung vollständig geformt hat; dann fällt das Drehmoment etwas ab» Das für das weitere Einschrauben der Schraube in die Bohrung erforderliche Drehmoment bleibt jedoch verhältnismäßig hoch. Es gibt Anwendungs-fälle, v/o es erwüscht ist, eine Schraube zu verwenden, die ein sehr, niedriges Drehmoment für das weitere Einschrauben aufweist? es ist erwünscht, daß dieses niedrige Drehmoment für das weitere Einschrauben bei der ersten oder zweiten Umdrehung nach dem maximalen Drehmoment oder möglichst nahe nach der Spitze der Schraube erreicht wird. Ein typisches Beispiel für eine derartige Anwendung ist eine elektrische Anschlußschraube, Die elektrische Anschlußschraube muß eine gewindeformende Schraube sein mit niedrigem Drehmoment für das weitere Einschrauben; sie darf keine Späne erzeugen, weil die Anwesenheit von metallischen Spänen auf die meisten elektrischen Geräte von nachteiligem Einfluß wäre. Auirdem ist ein niedriges Drehmoment für das weitere Einschrauben erwünscht, so daß das begrenzte für das Anziehen der Schraube zur Verfügung stehende Drehmoment vorteilhafterweise ausgenutzt werden kann, um eine erhöhte Klemmkraft zu erzeugen, statt nur einen Widerstand beim Einschrauben der Schraube in das Werkstück zu überwinden.

Wenn die bekannten Schrauben in eine lange. Bohrung oder eine Sackbohrung, beispielsweise in einem Gußteil, eingeschraubt werden, steigt das Drehmoment zuerst schnell an, wenn die Schraube die ersten Gewindegänge am Bohrungsanfang furcht; das Drehmoment steigt dann weiter an, weil das Eintrittsende der Schraube weiterhin ein Gewinde in die Bohrung furcht, während der

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Schaftabschnitt der Schraube eine immer mehr zunehmende Anzahl von Gewindegängen in Reibberührung mit den Innengewindegängen hat, die durch das Eintrittsende der Schraube gefurcht wurden. Der weitere Anstieg des Drehmoments ist unerwünscht, nicht nur beim Einschrauben der Schrauben von Hand, sondern auch bei der Verwendung von durch Kupplungen gesteuerten Kraftschraubern. Diese Kraftschrauber müssen ausreichend hoch eingestellt werden, um das maximale Drehmoment der Schraube zu überwinden, jedoch ausreichend niedrig, um einen Bruch der Schraube oder ein Abstreifen des Gewindes zu verhindern, Es ist deshalb erwünscht, das für das vollständige Einschrauben der Schraube in das Werkstück erforderliche maximale Drehmoment so niedrig und gleichförmig wie möglich zu halten, um die Notwendigkeit einer kritischen Einstellung der Kupplungen an den Kraftsehraubern zu verhindern.

Wenn die gewindeformende Schraube in eine Werkstückbohrung eingeschraubt wird, wird der Kopfabschnitt des Außengewindes der Schraubenkanten in das Werkstückmaterial gedrückt und bildet Rillen, die die Fußabschnitte des dünnen Gewindes des Werkstücks bilden; gleichzeitig wird das Werkstückmaterial in die Wurzelabschnitte der Gewinderillen der Schraube gedrückt, um die Kopfabschnitte des Innengewindes des Werkstücks zu bilden· Die mehrkantige gewindeformende Schraube bewirkt eine dauernde Verformung des Werkstücks während des Purchens des Gewindes; Werkstücke aus Metall oder Plastik sind elastisch innerhalb der durch die Materialeigenschaften des Werkstückes gegebenen Grenzen; das Werkstüokmaterial neigt innerhalb dieser Elastizitätsgrenzen dazu, sich zurückzuverformen oder in gewissem Maße in seinen Aus gangs zustand zurückzukehren, wenn die formende Druckkraft

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nachläßt· Nachfolgend wird aufgeführt, daß dadurch theoretisch etwas unterschiedliche Wirkungen auf den Kopfabschnitt des Innengewindes des Werkstücks ausgeübt werden. Der Fußabschnitt des Innengewindes, der dadurch geformt wird, daß das Werkstückmaterial radial und axial nach außen aus der Bohrung in dem Werkstück gedruckt wird, neigt dazu, in seine Ausgangslage zurückzukehren und den Wurzelabschnitt der Innengewinderille in dem Werkstück radial und axial um einen kleinen Betrag zusammenziehen, wenn die das Gewinde formende Druckkraft nachläßt. Der Kopfabschnitt des Innengewindes jedoch, der durch Verlagerung des Werkstückmaterials radial und axial nach innen zur Werkstückbohrung geformt wurde, neigt dazu, in geringem Maße nach außen zurückzukehren, wenn die gewindeformende Kraft nachläßt. Diese beschriebene Neigung des Wurzelabschnitts der Innengewinderillen des Werkstücks, sich radial und axial zusammenzuziehen, bewirkt eine Reibberührung mit hoher Normalkraft zwischen dem Werkstück- und den Kopfabschnitten der Schraubengewindegänge bei den bekannten mehrkantigen gewindeformenden Schrauben; dadurch wird das zum Einschrauben der Schraube in ein Werkstück erforderliche Drehmoment erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine mehrkantige gewindeformende Schraube zu schaffen, bei der die Reibberührung zwischen dem Werkstück und den Kopfabschnitten der Schraubengewindegänge mindestens wesentlich verringert sind, ohne daß die Passung zwischen den Innengewindegängen des Werkstücks und den Fußabschnitten der Schraubengewindegänge nachteilig beeinflußt wird·

Die Erfindung betrifft eine gewindeformende Schraube, die ein Innengewinde in eine Bohrung eines Werkstücks furcht, mit einem

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Schaft mit einem kegelförmigen Eintritts-Endabschnitt und einem länglichen geraden Schaftabschnitt, die in dieser Reihenfolge vom freien Ende des Schafts aus beginnend angeordnet sind, und mit einem Schraubenkopf am anderen Ende des Schaftes, mit einem kontinuierlichen gewalzten Außengewinde auf dem Schaft mit einer Anzahl von Sehaftgewindegängen auf dem Schaftabschnitt und mindestens einem Eintrittsgewindegang am Eintritts-Endabschnitt des Schaftes, wobei der Schaft einen polygonalen Querschnitt hat Und die Gewindegänge des gewendelten Gewindes jeweils eine ungerade Anzahl von in gleichmäßigem Abstand am Umfang verteilten abgerundeten Kanten und dazwischenliegenden Seiten aufweist, wobei der Kernradius, der !Flankenradius und der Spitzenradius der Gewindegänge entlang dem Umfang des Schaftes von einem Maximalwert an den abgerundeten Schraubenkanteti zu einem MLnimalwert an den Seiten sich ändern.

Die zugrundeliegende Aufgabe wird'dadurch gelöst,daß zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem geraden Schaftabschnitt ein Kalibrierabschnitt mit mindestens einem Kalibriergewindegang angeordnet, ist, daß die Schaftgewindegänge und der Kalibriergewindegang eine konstante Steigung längs des Schaftes haben sowie gleichförmige, maximale Wurzelradien und Plankenradien an den Schraubenkanten und gleichförmige..minimale Kernradien und Plankenradien an den Seiten sowie den gleichen vorgegebenen Planr kanwinkel zwischen den Planken der Gewindegänge innerhalb des Plankenradius, daß die Schaftgewindegänge außerhalb des Plankenradrus einen gleichförmigen maximalen Spitzenradius an den Schraubenkanten haben und einen Plankenwinkel zwischen den Planken der Gewindegänge, der ebenso groß ist wie der genannte Plankenwinkel

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zwischen den Flanken der Schaftgewindegänge innerhalb des Flankenradius, daß der Kalibriergewindegang in einem Bereich ausserhalb des Flankenradius einen Flankenwinkel zwischen den Gewindeflanken aufweist, der etwas größer ist als der genannte Flankenwinkel zwischen den Flanken innerhalb der Flankenradien sowie einen maximalen Spitzenradius an den Schraubenkanten, der etwas größer ist als der maximale Spitzradius der Schaftgewindegänge₅ um mindestens teilweise die radiale und axiale Zusammenziehung der Fußabschnitte der Innengewindegänge auszugleichen, die in das Werkstück gefurcht v/erden, wenn der Kalibriergewindegang hindurchgeht, wobei die Eintrittsgewindegänge maximale Spitzenradien haben, die in der Richtung von dem Kalibriergewindegang zum freien Ende des Schaftes immer mehr abnehmen»

Die erfindungsgemäße gewindeformende Schraube erfordert nur ein geringes Drehmoment am Anfang des Einschraubens in eine Werkstückbohrung; sie hat ein verhältnismäßig- niedriges Drehmoment für das weitere Einschrauben in eine kurze Bohrung in einer dünnen Platte; beim Einschrauben in eine lange Bohrung oder eine Sackbohrung von im wesentlichen gleichförmigen Abmessungen ist das Drehmoment niedrig und im wesentlichen gleichförmig und ungefähr gleich dem Anfangsdrehmoment; die Haltekraft im Werkstück ist hoch; es ist einfach, den Einschraubvorgang in eine Bohrung zu beginnen; ohne daß eine hohe" axiale Anfangskraft erforderlich ist; das glockenförmige Aufweiten der Bohrung durch das Abstreifen von Gewindegängen des Werkstücks am Anfang des Einschraubens wird verringert; die Schraube kann wirtschaftlich und zuverlässig hergestellt werden.

Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung der Schraube, wobei ein Schaft mit polygonalem Querschnitt spitzen-

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los zwischen profilierten Gewindewalzwerkzeugen gewalzt wird, die einen Anschnitt mit einer oder mehreren Gewinderillen aufweisen, die nur außerhalb der !Plankenlinie so abgewandelt sind, daß die Tiefe vergrößert und der Flankenwinkel verkleinert wird,

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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schraube_f

Fig. 2 eine Stirnansicht entsprechend der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig, 3 einen vereinfachten Schnitt durch den Schaft der Schraube, wobei man die Form der Gewindespitzen und der Gewindewurzel sowie den Verlauf der Flankenlinie (strichpunktierte Linie) in einer Ebene quer , zur Schraubenachse erkennt,

Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch den Kalibrierabschnitt der Schraube, wobei man ebenfalls die Form . der Gewindewurzel, der Flankenlinie und der Gewindespitze kennt,

Fig. 5 einen vergrößerten Längsschnitt durch das in das Werkstück eintretende Ende, den Kalibrierschraubengang und einen Teil des Schraubenschaftes in größerem Maßstab als Fig. 1,

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Fig. 6 einen Teillängsschnitt durch den Anfangsteil der in ein Werkstück eingeschraubten Schraube,

Fig. 7 einen Teillängsschnitt im größeren Maßstab als Fig. 6, wobei man den Kalibriergewindegang und einen Teil der Eintrittsgewindegänge und der Schaftgewindegänge erkennt,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Rohlings mit polygonaler Querschnittsform, wie er zur Herstellung dererfindungsgemäßen Schraube verwendet wird,

Fig. 9 eine Stirnansicht des Rohlings nach Fig. 8,

Fig. 10 eine vereinfachte Darstellung des Walzens des Rohlings,

Fig. 11 eine Teildraufsicht auf eines der Gewindewalzwerkzeuges, das zum Formen des Rohlings verwendet wird, und

Fig. 12 eine Stirnansicht des Gewindewalzwerkzeuges nach Fig. 11.

Die erfindungsgemäße Schraube, die sich ihr Gegengewinde durch Furchen selbst formt, hat einen polygonalen Querschnitt; die üblichen Begriffe Flankendurchmesser, Außendurchmesser und Kerndurchmesser, die zur Beschreibung der Gewinde von Schrauben mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden, treffen für das Gewinde einer Schraube mit polygonalem Querschnitt nicht genau zu, da sich die Querabmessungen der Schraube entlang dem

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Umfang verändern. Daher werden im vorliegenden Fall die wie folgt definierten Begriffe verwendet:

Flankenradius: Bei einem geraden, nicht verjüngten Gewinde ist der Flankenradius der radiale Abstand zwischen der Längsachse der Schraube und der Oberfläche des koaxialen Flankenzylinders, der durch das Gewindeprofil an den Stellen gelegt wird, an denen die Breite der Gewinderille gleich der halben Gewindesteigung ist. Bei einem kegeligen Gewinde* ist der Flankenradius an einer bestimmten Stelle des Gewindes der radiale Abstand zwischen der Längsachse der Schraube und einem Kegel, dessen Oberfläche durch das Gewindeprofil an den Stellen gelegt ist, an denen die Breite der Gewinderille gleich der halben Steigung ist.

Kernradius: Der radiale Abstand zwischen der Längsachse der Schraube und der Wurzel des Gewindes an dieser Stelle.

Spitzenradius (Außenradius): Der radiale Abstand zwischen der Längsachse der Schraube und den Spitzen des Gewindes der Schraube an dieser Stelle.

Steigung: Der parallel zur Achse des Gewindes zwischen einander entsprechenden Punkten auf den Flanken benachbarter Gewindegänge in derselben axialen Ebene und auf derselben Seite der Achse gemessene Abstand.

Flankenwinkel: Der Winkel zwischen den Gewindeflanken, gemessen in einer axialen Ebene.

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In den Figuren ist eine gewindeformende Schraube gemäß der Erfindung dargestellt, die einen länglichen Schaft 10 aufweist mit einem Schraubenkopf 11 an einem Ende. Der Schaft 10 hat einen kegelförmigen, zur Einführung in das Werkstück bestimmten Eintrittsendabschnitt a, einen Kalibrierabschnitt b und einen länglichen geraden Schaftabschnitt £, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, beginnend am freien Ende des Schaftes. Der Schaft hat einen kontinuierliches gewalztes Außengewinde, das mehrere Schaftgewindegänge 12(C auf dem geraden Schaftabschnitt, mindestens einen Kalibriergewindegang 12b auf dem Kalibrierabschnitt und einen oder mehrere Eintrittsgewindegänge 12a auf dem kegelförmigen Eintrittsendabschnitt aufweist. Der Schaft hat einen polygonalen Querschnitt mit einer ungeraden Anzahl von abgerundeten Ecken bzw. Kanten und Seiten; vorzugsweise hat der Schaft einen abgerundet fünfeckigen Querschnitt, wie er in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Die Gewindegänge des gewendelten Gewindes haben jeweils eine ungerade Anzahl vom in Abständen auf dem Umfang verteilten abgerundeten Kanten L und dazwischenliegenden Seiten S_-, wobei der Kernradius, Flankenradius und Spitzenradius der Gewindegänge sich entlang dem Umfang des Schaftes ändern von einem maximalen . Kernradius IJR, einem maximalen Flankenradius LP und einem maximalen Spitzenradius LC an den abgerundeten Kanten L zu einem minimalen Kernradius SR, einem minimalen Flankenradius SP bzw¹, einem minimalen Spitzenradius SC an den Seiten S.

Wie am besten aus Fig. 3 zu erkennen ist, sind der maximale Kernradius LR, der maximale Flankenradius LP und der maximale Spitzenradius LC an den abgerundeten Schraubenkanten größer als

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der minimale Kernradius SR_x der minimale Flankenradius SP und der minimale Spitzenradius SC an den Seiten, so daß die Seiten der Schraube radial zurückgesetzte Abschnitte zwischen den abgerundeten Schraubenkanten L darstellen. Außerdem ist der Krümmungsradius des Gewindes an den abgerundeten Schraubenkanten L an jeder Stelle von der Gewindewurzel bis zur Gewindespitze geringer als der radiale Abstand dieses Punktes von der Längsachse X der Schraube; der Krümmungsradius des Gewindes steigt bis zu einem Maximum an den Mitten der Seiten S an, wo der Krümmungsradius an joder Stelle von der Gewindewurzel bis zur Gewindespitze größer ist als der radiale Abstand dieses Punktes von der Längsachse X der Schraube»

Das gewendelte Gewinde ist mit konstanter Steigung (Ganghöhe) längs der Schaftabschnitte ausgeführt, so daß die Schaftgewindegänge 12c_, der Kai ibriergewinde gang 12b und die Eintrittsgewindegänge 12a die selbe Steigung entlang dem Schaft haben. Die Schaftgewindegänge 12c, sind vorzugsweise als herkömmliches Gewindeprofil ausgeführt;'beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein V-Profil gewählt; es versteht sich, daß auch abgewandelte V-Frofil mit flachen oder abgerundeten Spitzen und flachen oder abgerundeten Wurzeln gewählt werden können. Die Schaftgewindegänge 12£ bilden ein gerades Gewinde, wobei jeder Schaftgewindegang den gleichen maximalen Kernradius LR, den gleichen maximalen Flankenradius LP und den gleichen Spitzenradius LC an den abgerundeten Scliraubenkanten hat, und wobei jeder Schaftgewindegang ebenso den gleichen minimalen Kernradius SR, den gleichen minimalen Flankenradius SP und den gleichen minimalen Spitzenradius SC an den Seiten hat; alle Flankengewindegänge haben den selben Flankenwinkel Fa zwischen den

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Flanken der Gewindegänge, wobei dieser Flankenwinkel innerhalb und außerhalb des Flankenradius gleich ist. Zu einem später noch näher erläuterten Zweck sind der oder die Kalibriergewindegänge 12b innerhalb des Flankenradius mit den selben Abmessungen und der selben Form ausgeführt, wie die Schaftgewindegänge 12£ innerhalb des Flankenradius; außerhalb des Flankenradius ist der Kalibriergewindegang jedoch mit einem etwa größerem maximalen Spitzenradius und einem etwas kleineren Flankenwinkel Fa^f' zwischen den Flanken des Kalibriergewindegangs. Mit anderen Worten, der maximale Kernradius LR¹ und der maximale Flankenradius Lj?¹ des Kalibriergewindegangs sind die gleichen wie der maximale Kernradius LR bzw. der maximale Flankenradius LP der Schaftgewindegänge, und entsprechend sind der minimale Kernradius SR¹ und der minimale Flankenradius SP' an den Seiten des Kalibriergewindegangs ebenso groß wie der minimale Kernradius SR bzw«, der minimale Flankenradius SP der Schaftgewindegange; der Flankenwinkel Fa¹ zwischen den Flanken des Kalibriergewindeganges innerhalb des Flankenradius ist ebenso groß wie der Flankenwinkel zwischen den Flanken der Schaftgewindegänge. Der Kalibriergewindegang hat jedoch maximale und minimale Spitzenradien LC¹ bzw. SC', die jeweils etwas größer sind als die maximalen und minimalen Spitzenradien der Schaftgewindegänge; der Flankenwinkel Fa¹· zwischen den Flanken des Kalibriergewindegang-es in einem Bereich außerhalb des Flankenradius ist etwas kleiner als der Flankenwinkel Fa¹ innerhalb des Flankenradius des Kalibriergewindegangs und ebenso etwas geringer als der Flankenwinkel Fa der Schaftgewindegänge, Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Spitzen des Kalibriergewindegangs und der Schaftgewindegänge an den abgerundeten Schraubenkanten vollständig ausgeführt öder ausgefüllt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Gewindeprofil der Schaftgewindegänge einen Flankenwinkel Fa von ungefähr

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und der Kalibriergewindegang hat dementsprechend denselben Flankenwinkel von 60° in dem Bereich des Kalibriergewindegangs innerhalb des Flankenradius. Außerhalb des Flankenradius hat der Kalibriergewindegang 12b jedoch einen Flankenwinkel, der etwas geringer ist als 60°, beispielsweise ungefähr 56°, und einen maximalen Spitzenradius LC¹ an den abgerundeten Schraubenkanten, der etwas größer ist, beispielsweise um 0,025 mm (0,001"), als der maximale Spitzenradius LC an den abgerundeten Schraubenkanten der Schaftgewindegänge 12£.

Der Eintrittsabschnitt a der Schraube ist mindestens an den Spitzen der Gewindegänge so stark kegelförmig ausgebildet, daß er klein genug ist, in eine Bohrung H in einem Werkstück ¥ einzutreten, in der ein Gewinde geformt werden soll. Der Radius der Werkstückbohrung ist etwas größer als der maximale Flankenradius LR der Schraube, so daß Platz vorhanden ist für das Werkstückmaterial, das nach innen in die der Fußhöhe entsprechenden Abschnitte der Gewindegänge der Schraube fließt; die Spitzen der Gewindegänge 12a des Eintrittsabschnitts verlaufen kegelförmig nach innen zu einem Radius der geringer ist als der Radius der Werkstückbohrung H. Die Eintrittsgewindegänge 12a sind vorzugsweise mit Spitzen ausgeführt, die mindestens, so scharf sind wie die Spitzen der Schaftgewindegänge; die Spitzenradien und Flankenradien der Eintrittsgewindegänge verringern sich immer mehr in einer Richtung von dem Kalibriergewindegang 12b zur Spitze der Schraube hin. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kernradius der

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Eintrittsgewindegänge konstant und im -wesentlichen gleich dem Kernradius des Kalibriergewindegangs und der Schaftgewindegänge. Es versteht sich jedoch, daß der Kernradius der Eintrittsgewindegänge in der Richtung von dem Kalibriergewindegang zur Spitze der Schraube auch abnehmen kann. Wie beschrieben, haben die Eintrittsgewindegänge die gleiche Steigung bzw. Ganghöhe .längs der Schraube wie die Schaftgewindegänge, und der Flankenwinkel zwischen den Flanken der Eintrittsgewindegänge ist vorzugsweise derselbe wie der Flankenwinkel zwischen den Flanken der Schaftgewindegänge» Der Eintrittsabschnitt hat ebenfalls einen polygonalen Querschnitt, so daß die Eintrittsgev;indegänge 12a am Umfang in Abständen angeordnete abgerundete Ecken und dazwischenliegende bogenförmige Seiten haben, wobei die maximalen Spitzenradien und die maximalen Flankenradien an den abgerundeten Schraubenkanten der Eintrittsgewindegänge in einer Richtung zur Spitze der Schraube immer mehr abnehmen, und wobei die minimalen Spitzenradien und minimalen Flankenradien an den Seiten der Eintrittsgewindegänge 12a ebenfalls immer mehr abnehmen und an jedem Querschnitt entlang der Schraube kleiner sind, als die entsprechenden radialen Abmessungen der abgerundeten Schraubenkanten.

Die Figuren 6 und 7 sind Teilschnitte und zeigen die erfindungsgemäße Schraube 10, die in die Bohrung H des Werkstücks W eingeschraubt wird und das Gewinde formt. Wie beschrieben, hat die Bohrung H in dem Werkstück einen Radius, der etwas größer ist als der maximale Flankenradius LP der Schraube, und die Spitzen der Eintrittsgewindegänge 12a verlaufen kegelförmig nach innen bis zu einem maximalen Spitzen-

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radius, der nicht größer ist als der Radius der Bohrung, so daß mindestens ein Teil des ersten Eintrittsgewindegangs in die noch nicht mit Gewinde versehene Bohrung eingeführt werden kann, um die Schraube am Anfang zu führen. Wenn die Schraube in der noch nicht mit Gewinde versehenen Bohrung gedreht wird, werden die der Kopfhöhe (außerhalb des Flankenradius liegenden) Abschnitte der Eintrittsgewindegänge 12a nach außen in das Material des Werkstücks W gedrückt und formen Rillen in dem Werkstück, die die Fußabschnitte des Innengewindes in dem Werkstück bilden? gleichzeitig wird das Werkstückmaterial nach innen zu den Wurzelabschnitten der Gewinderillen der Schraube gedrückt und bildet die Kopfabschnitte des Innengewindes des Werkstücks. Da der Flankenradius und der Spitzenradius der Eintrittsgev/indegänge 12a in Richtung zum Kalibriergewindegang immer mehr zunehmen, werden die abgerundeten Schraubenkanten der Eintrittsgewindegänge zunehmen tiefer in das Material des Werkstücks eingedrückt und drücken eine größere Materialmenge nach innen zu den Wurzel der Gewinderillen in der Schraube, wie in Fig. 6 gezeigt.

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Die mit abgerundeten Kanten versehene, gewindeformende Schraube' "bewirkt eine dauernde Verformung des Werkstücks während des Furchens der Innengewindegänge; Werkstücke aus Metall oder Kunststoff sind innerhalb der durch die Materialeigenschaften gegebenen Grenzen elastisch und das Material des Werkstücks neigt dazu, innerhalb der Elastizitätsgrenzen, sich wieder zurückzuverformen, d.h. in geringem Maße wieder in Richtung auf seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, wenn der formende Druck aufhört. Wie nachfolgend ausgeführt, sind theoretisch die dadurch bedingten Auswirkungen auf die Kopf- und lußabschnitte der Innengewindegänge des Werkstücke etwas unterschiedlich. Die lußabschnitte des Werkstückgewindes, die dadurch geformt werden, daß das Material des Werkstücks radial und axial nach außen aus der Werkstückbohrung gedruckt wir<3, neigen dazu, sich . zu'rückzu-bewegen und. radial und axial den Ymrzelabschnitt der Innengewinderillen im Werkstück etwas zu verkleinern, wenn der das gewindeformende Druck nachläßt. Die Kopf abschnitte Innengewindegänge· "werden jedoch durch Verlagerung des. Werkstückmaterials radial und axial nach innen zur Werkstückbohrung geformt; der nach innen gerichtete Fluss des Werkstüekmaterials wird durch Berührung mit den Planken der Schraubengewindegänge begrenzt. Daher neigen die Kopfabschnitte des. Innengewindes des Werkstücks dazu, etwas nach außen zurückzukehren, wenn die das gewindeformende Druckkraft nachläßt, was zu einem niedrigeren Druck oder sogar einem kleinen Spalt zwischen den Fußabsdanitten der Schaftgewindegänge und den Kopfabschnitten der Innengewindegänge des Werkstücks führt,

Der Kopfabschnitt des Kalibriergewindegangs 12b ist relativ zu dem Kopfabschnitt der Schaftgewindegänge 12_c vergrößert, um mindestens teilweise einen Ausgleich für die Zusammenziehung der Wurzelabschnitte der Innengewinderillen in dem Werkstück zu Schaffen, sodaß der Kopfabschnitt der Schaftgewindegänge mit

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einem verhältnismäßig geringen Druck belastet wird oder daß sogar ein kleiner Spalt gegenüber den Wurzelabschnitten der Innengewinderillen des Werkstücks auftritt. Der Fußabschnitt des Kalibriergewindegangs ist jedoch ebenso ausgeführt wie der Fußabschnitt der Schaftgewindegänge, so daß der Kalibriergewindegang die Passung zwischen den Innengewindegängen des Werkstücke und den Fußabschnitten der Schaftgewindegänge nicht nachteilig beeinflußt. Der Betrag der radialen und axialen Zusammenziehung dex* Wurzelabschnitte der Innengewindegänge ändert sich in Abhängigkeit von den Elastizitätsgrenzen des Werkstückmaterials. Bei verhältnismäßig v/eichen Metallen, wie Messing und Aluminium, hat sich gezeigt, daß eine wesentliche Verringerung des erforderlichen Drehmoments dadurch erreicht wird, daß die Kopfabschnitte der Kalibriergewindegänge mit einem maximalen Spitzenradius LO' auegeführt werden, der in der Größenordnung von 0,025 mm (0,001 Zoll) größer ist als der maximale Spitzenradius LO dor Schaftgewindegänge, und mit einem Flankenwinkel Fa'^f zwischen den Flanken außerhalb des Flankenradius, der um mehrere Grade kleiner ist, beispielsweise um 4 > als der Flankenwinkel Fä zwischen den Flanken der Kopfabschnitte der Schaftgewindegänge,, Der vergrößerte Kopfabschnitt des Kalibriergewindesgangs formt Innengewinderillen in das Werkstück, die zunächst einen Wurzelradius und einen Flankenwinkel an der Wuzel haben, der dem Spitzenradius und dem Flankenwinkel am Kopfabschnitt der abgerundeten Schraubenkanten entspricht,, Wenn Jedoch die abgerundeten Kanten des Kalibriergewindegangs aus der Innengewinderille austreten, ziehen sich die Wurzelabschnitte der Innengewinderillen radial und axial zusammen. TJm diese Zusammenziehung schematisch darzustellen, ist in Fig. 7 das Wurzelprofil der Innengewinderillen, wie es in dem Werkstück zunächst durch den Kalibriergewindegang geformt wird, in gestrichelten Linien dargestellt, die über den Schaftgewindegängen liegen, Wenn sich dann die Schaftgewindegänge in die vorher

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durch den Kalibriergewindegang geformten Innengewindegänge^ewegen,kommt es zu einer Passung ohne Druck oder sogar zur Bildung eines kleinen Spalts zwischen dem Kopfabschnitt der Schaftgewindegänge und dem Pußabschnitt der Innengewindegänge des Werkstücks, bedingt durch die Vergrößerung des Kopfabschnitts des Kalibriergewindegangs; in ähnlicher Weise entsteht eine Passung ohne Druck zwischen dem Fußabschnitt der Schaftgewindegänge und dem Kopfabschnitt der Innengewindegänge des Werkstücks. Wenn die Schraube in eine kurze Bohrung in einer Platte oder einem Streifen eingeschraubt wird, fällt das Drehmoment auf ein·, niedriges Moment für das weitere Einschrauben ab, nachdem der Kalibriergewindegang die Platte oder den Streifen passiert hat.. Wenn die Schraube aus der mit Gewinde versehenen Bohrung herausgeschraubt wird, kommt es umgekehrt durch den Kalibriergewindegang zu einem zusätzlichen Reibwiderstand gegen das Herausschrauben der Schraube, wenn der Kalibrier gewinde gang wieder in die mit Gewinde versehene Bohrung eindringt.

Die erfindungsgemäße Schraube wird durch Walzen eines polygonalen Rohlings mit einem Schaft 10¹ und einem Kopf 11' zwischen Gewindewalzwerzeugen D1 und D2 hergestellt (]?ig.1O). Der Rohling hat vorzugsweise einen geraden Schaft, der einen gleichförmigen Querschnitt über seine gesamte Länge hat und eine ungerade Anzahl von abgerundeten Kanten L^! und dazwischenliegenden Seiten S¹ aufweist. Der Rohling kann eine bogenförmig abgerundete mehreckige Querschnittsform von gleicher Breite über die gesamte Länge aufweisen, wie beispielsweise' in der TJS-PS 3 195 156 beschrieben; vorzugsweise ist der Rohling aber mit abgeflachten Seiten S¹ zwischen den in gleichmäßigen Abständen am Umfang angeordneten Kanten L¹ versehen, so daß die Breite des Rohlings

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über einen Winkel von 360° nicht gleichförmig ist.

Die Eintrittsgewindegänge, der Kalibriergewindegang und die Schaftgewindegänge werden auf den polygonalen Rohling zwischen profilierten Gewindewalzwerkzeugen D1 und D2 gewalzt, die gerade, das G-ewind©formende Werkzeugflächen D1a aufweisen, die den Hauptabschnitt des Schafts berühren, schräge, das kegelige Gewinde formende Werkzeugflächen D1b, die den Eintrittsabschriitt des Schaftes berühren, und mindestens eine Gewinderille D1c, die an der Verbindungsstelle zwischen der geraden und der schrägen Gewindeformfläche des Werkzeugs angeordnet' ist, und deren Wurzelabschnitt außerhalb der Plankenlinie mindestens in dem Bereich des Werkzeugs, wo das Gewinde zu seiner endgültigen Form fertiggewalzt wird, nachgeschliffen oder nachgefräst ist, so daß die Gewinderille eine größere Tiefe und einen kleineren Plankenwinkel hat als die Gewinderillen in den geraden, das Gewinde formenden Werkzeugflächen, Wie mit gestrichelten Linien in Pig. 11 schematisch angedeutet, ist der Wurzelabschnitt der Gewiiiderille D1c am Auslaßabschnitt der Werkzeuge außerhalb der Plankenlinie bis zu einem Abstand vom Auslaßende der Werkzeuge nachgeschliffen, der mindestens gleich und vorzugsweise etwas größer ist als die Länge auf den Werkzeugen, die einer vollständigen Umdrehung der Schraube entsprechen. Die Hut D1c ist außerhalb ihrer Plankenlinie auf eine Tiefe und einen Plankenwinkel nachgeschliffen, die so sind, daß der vorher beschriebene größere Kopfabschnitt des Kalibriergewindegangs der Schraube erzeugt wird. Das Walzen des kegelförmigen Gewindes auf einen Rohling mit einem geraden Schaft unterstützt noch das Ausfüllen der Gewinderille D1c des Werkzeugs, die den Kalibriergewindegang formt» Beim Walzen der Schraube sind die Werkzeuge so eingestellt, daß die Spitzen an den abgerundeten Schraubenkanten des Kalibriergewindesgangs vollständig geformt werden und daß vorzugsweise auch die Spitzen an den abgerundeten Schraubenkanten der Schaft-

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gewindegänge vollständig geformt werden. Der oder die Gewindegänge der Schraube, der schließlich zu dem größeren Kalibriergewindegang geformt wird, tritt aus einer Gewinderille in dem Werkzeug mehrfach aus und in eine "benachbarte Rille ein, während das Gewinde auf den Schaft gewalzt wird. Andere Gewinderillenabschnitte an der Verbindungsstelle der das gerade Gewinde formenden Werkzeugflachen und der das kegelförmige Gewinde formende Werkzeugflächen in Plächenbereichen der Werkzeugflächen vor der Werkzeugfläche, wo das Gewinde· zu seiner endgültigen Form gewalzt wird, können nachgeschliffen oder nachgefräst weal en, wie mit den gestrichelten Linien DCl·' und DCI'¹ in Fig. 11 gezeigt ist, und zwar ähnlich wie im Zus_ammenhang mit der Rille 3)01 beschrieben wurde, um die Bildung des größeren Kopfabschnittes des Kalibriergewindeganges zu unterstützen.

Es wurde eine gewindeformende Schraube beschrieben mit polygonalem Querschnitt, die mehrere Gewindegänge auf einem geraden Schaftabschnitt und mindestens einen Kalibriergewindegang zwischen dem Schaftabschnitt und dem kegelförmigen, in das Werkstück einzuführenden Endabsehnitt der Schraube aufweist. Der Kalibriergewindegang hat innerhalb des Plankenradius den gleichen Querschnitt und den gleichen Plankenwinkel wie die Gewindegänge auf dem Kraftabschnitt; in einem Bereich außerhalb des Flankenradius hat der Kalibriergewindegang einen Plankenwinkel, der etwas kleiist als der Plankenwinkel der Gewindegänge auf dem Schaftabsclmitt und Spitzenradien an den Schraubenkanten, die größer sind als die Spitzenradien an den Schraubenkanten der Schaftgewindegänge, um die Zusammenziehung der Pußabsehnitte der Innengewindegänge auszugleichen, die in das Werkstück geformt oder gefurcht wurden. Es wurde ein Verfahren zur Herstellung der Schraube beschrieben, bei dem die Gewindegänge in den geraden Rohling mit polygonalem

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Querschnitt gewalzt werden, wobei profilierte Gewindewalzwerkzeuge verwendet werden zum Walzen eines kegelförmigen Gewindes auf den Eintrittsabschnitt der Schraube und mit einem oder mehreren Gewinderillen an den Werkzeugen, die in dem Bereich nahe dem Auslaßende der Werkzeuge so abgeändert sind, daß sie einen Kalibriergewindegang auf der Schraube zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem Hauptschaftabschnitt formen..

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Claims

- 23 Patentansprüche

Gewindeformende Schraube, die ein Innengewinde in eine Bohrung eines Werkstücks furcht, mit einem Schaft mit einem kegelförmigen Eintritts-Endabschnitt und einem länglichen geraden Schaftabschnitt, die in dieser Reihenfolge vom freien Ende des Schafts aus beginnend angeordnet sind, und mit einem Schraubenkopf am anderen Ende des Schaftes, mit einem kontinuierlichen gewalzten Außengewinde auf dem Schaft mit einer Anzahl von Schaftgewindegängen auf dem Schaftabschnitt und mindestens einem Eintrittsgewindegang am Eintritts-Endabschnitt des Schaftes, wobei der Schaft einen polygonalen Querschnitt hat und die Gewindegänge des gewendelten Gewindes jeweils eine ungerade Anzahl von in gleichmäßigem Abstand am Umfang vertsilten abgerundeten Kanten und dazwischenliegenden Seiten aufweist, wobei der Kernradius, der Plankenradius und der Spitzenradius der Gewindegänge entlang dem Umfang des Schaftes von einem Maximalwert an den abgerundeten Schraubenkanten zu einem Minimalwert an den Seiten sich ändern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem geraden Schaftabschnitt ein Kalibrierabschnitt (b) mit mindestens einem Kalibriergewindegang (12b) angeordnet ist, daß die Schaftgewindegänge (12c) und der Kalibriergewindegang (12b) eine konstante Steigung längs des Schaftes (10) haben sowie gleichförmige maximale Wurzelradien (LR .) und Plankenradien (LP..) an den Schraubenkanten (L) und gleichförmige minimale Kernradien (Sr .) und Plankenradien (S p) an den Seiten (S) sowie den gleichen vorgegebenen Flankenwinkel (P a bzw, Pa^f ') zwischen den Planken der Gewindegänge innerhalb des Plankenradius (L.P bzw, S P), daß die Schaftgewindegänge (12c) außerhalb des Plankenradius (L P , S P) einen gleichförmigen maximalen Spitzenradius (L 0) an den Schraubenkanten (L). haben und einen Plankenwinkel (P a) zwischen den Planken der Gewinde-

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gänge, der ebenso groß ist wie der genannte Flankenwinkel (P a) zwischen den Planken der Schaftgewindegänge (12c) innerhalb des Plankenradius (I P bzw. S P), daß der Kalibriergewindegang (12b) in einem Bereich außerhalb des Plankenradius (L P¹ bzw. S P) einen Plankenwinkel (P a^!l) zwischen den Gewindeflanken aufweist, der etwas größer ist als der genannte Plankenwinkel (P a bzw* P a¹) zwischen den Plank&n innerhalb der Plankenradien sowie einen maximalen Spitzenradius (L C) an den SchrauTs nkanten (L), der etwas größer ist als der maximale Spitzenradius (L C) der Schaftgewindegänge (12c), um mindestens teilweise.die radiale und axiale Zusammenziehung der Pußabsehnitte der Inriengewindegänge auszugleichen, die in das Werkstück (W) gefurcht werden, wenn der Kalibriergewindegang (12b) hindurchgeht, wobei die Eintrittsgewindegänge (12a) maximale Spitzenradien (L C) haben, die in der Kichtung von dem Kalibriergewindegang (12b) zum freien Ende des Schaftes (10) immer mehr abnehmen.
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plankenwinkel (P a'·) zwischen den Gewindeflanken des Kalibriergewindegangs (12b) außerhalb der Plankenradien (LP¹)» (S P¹) mindestens einige. G-rad kleiner ist als der Plankenwinkel (P a) zwischen den Planken der Sehaftgewindegänge (12c).
3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenradius (L C) des Kalibriergewindegangs (12b) ungefähr 0,025 mm (0,001 Zoll) größer ist als; der maximale Spitzenradius (L 0) der Sehaftgewindegänge (12c).
4· Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundeten Schraubenkanten (L) des Kalibriergewindegangs (12b) und der Sehaftgewindegänge (12c) vollständig ausgeführte bzw. ausgefüllte Spitzen haben.

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5. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsgewindegänge (12a) an den abgerundeten Schraubenkanten (L) einen maximalen 3?lankenradius (L P) und an den Seiten (S) einen minimalen llankenradius (S P), die in der Richtung von dem Kalibriergewindegang (12b) zu dem^reien Ende des Schaftes (TO) immer mehr abnehmen.
6.Schraube nach Anspruch 5, dadurch gekenszeichnet, daß die Eintrittsgewindegänge (12a) einen maximalen Kernradius (L R) an den abgerundeten Schraubenkanten (L) und einen minimalen Kernradius (S R) an den Seiten (S) haben, die im wesentlichen gleich dem jeweiligen maximalen und minimalen Kernradius (L R bzw* S R) der Schaftgewindegänge (12c) sind.

7« Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (10) einen abgerundet fünfeckigen Querschnitt hat und daß das gewendelte G-ewinde fünf abgerundete Kanten (L) und fünf dazwischenliegende Seiten (S) hat.

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