DE2917811C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gewindeformende Schraube mit einem Schaft, der in eine Bohrung innerhalb eines Werkstückes einsetzbar ist, welcher Schaft drei hin­ tereinander liegende, Gewinde aufweisende Abschnitte aufweist, und zwar einen kegelförmigen Einsetzab­ schnitt, einen sich an den Einsetzabschnitt kontinu­ ierlich anschließenden kegelförmigen Zwischenab­ schnitt und einen sich an den Zwischenabschnitt an­ schließenden Halteabschnitt mit im wesentlichen gleichbleibendem Durchmesser, wobei der Kegelwinkel des verhältnismäßig kurzen Zwischenabschnittes kleiner ist als der des Einsetzabschnittes. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Gewinderollbacke zur Herstellung einer solchen Schraube.

Eine gewindeformende Schraube dieser Art ist bereits aus der DE-OS 29 O7 360 bekannt, die gegenüber dieser Anmeldung jedoch nicht vorveröffentlicht ist.

Aus der US-PS 30 50 755 ist ein Verfahren zum Formen eines Gewindes mittels eines Gewindebohrers bekannt, der einen Gewindeformabschnitt aufweist, dessen Quer­ schnitt vieleckig mit abgerundeten Höckern und Tälern ausgebildet ist. Diese vieleckige Ausbildung ist er­ forderlich, um beim Gewindebohren das Material ver­ drängen zu können, ohne daß es zu Blockierungen kommt. Dieser Gewindebohrer weist jedoch keinen Halte­ abschnitt, wie er bei einer gewindeformenden Schraube erforderlich ist, auf, weil ja der Gewindebohrer nicht in dem angefertigten Gewinde verbleibt, sondern wieder herausgeschraubt wird. Bei einer gewindeformen­ den Schraube dagegen ist es wichtig, daß in dem Halte­ abschnitt ein sicherer, fester Sitz gewährleistet ist. Bei dem Gewindebohrer verläuft der Übergang zwischen einem Zwischenabschnitt und einem Endabschnitt konti­ nuierlich, so daß sich beim Eindrehen des Zwischenab­ schnittes bereits progressiv steigende Eindreh- und Einpreßkräfte ergeben. Ein Aufbau einer gewindeformen­ den Schraube wie bei dem Bohrer nach der US-PS 30 50 755 ist also nicht sinnvoll.

Schließlich ist aus der DE-OS 27 06 246 eine gewinde­ formende Schraube bekannt, die einen Halteabschnitt sowie einen mit einem Eintrittswinkel versehenen Ein­ dringabschnitt aufweist, um eine solche Schraube leichter in entsprechende Bohrungen von Werkstücken einsetzen zu können. Der Übergang vom Anfang des Ein­ dringabschnittes, einem Einführabschnitt, zum Halte­ abschnitt erfolgt in einem stetig ansteigenden Über­ gangsabschnitt, in dem die eigentliche Gewindebildung stattfindet. Um eine gleichmäßige Gewindebildung zu ermöglichen, muß die Schraube in genau axialer Rich­ tung mit einem verhältnismäßig starken Einpreßdruck eingedrückt werden, damit die frisch gebildeten Ge­ windegänge nicht ausreißen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, eine gewindeformende Schraube der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die beim Eindrehen in die Bohrung eines Werkstückes nur geringe axiale Einpreßkräfte erfordert und nicht zum Kippen neigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zwischenabschnitt als eine gewindeformende Kegelstufe mit rotationssymmetrischem Profil ausge­ bildet ist und eine Länge von weniger als die drei­ fache Gewindesteigung hat, und daß sich der Halteab­ schnitt an den Zwischenabschnitt unter Bildung eines sprungartigen Übergangs anschließt, derart, daß der Gewindeformvorgang in dem Zwischenabschnitt beginnt und zu einer axialen Einpreßkraft führt, mittels der der Gewindeformvorgang im Anfangsbereich des Halteab­ schnittes abgeschlossen wird.

Eine geeignete Gewinderollbacke zur Herstellung einer solchen gewindeformenden Schraube ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von Rippen und Rillen eingeformt sind, um den Einsetz- und den Zwi­ schenabschnitt der Schraube zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine seitliche Teilansicht einer Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Schraube;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Teilansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht, die die Rollbacken zeigt, die verwendet werden, um die erfindungsgemäßen Schrau­ ben aus Schraubenrohlingen zu rollen;

Fig. 5 einen Querschnitt eines Teils der Fig. 4; und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Rollbackens.

In den Fig. 1 und 2 ist eine gewindeformende Schrau­ be 2 dargestellt, die einen Schaft 3 mit einem Bereich 4 enthält, der das Einführende der Schraube darstellt, mit dem die Schraube in eine Bohrung 6 eines Werk­ stücks 8 eingeführt wird. Der Bereich 4 besitzt eine Spitze 10 und ein schraubenförmiges Gewinde 12, wobei die Außenkante des Gewindes 12 in Richtung der Spitze 10 abnimmt. Der Bereich 12 des Schraubengewindes be­ sitzt einen ersten Abschnitt (Einsetzabschnitt) 14, einen zweiten Ab­ schnitt (Zwischenabschnitt) 16, dessen axiale Länge etwa dem zwei- bis drei­ fachen Wert der Gewindesteigung entspricht, und einen dritten Abschnitt (Haltabschnitt) 18. Der erste Abschnitt 14 liegt zwischen der Spitze 10 und dem zweiten Abschnitt 16, und der zweite Abschnitt 16 liegt zwischen dem ersten Abschnitt 12 und dem dritten Abschnitt 18.

Der erste Abschnitt 14 besitzt eine kegelförmige Ab­ nahme der Außenkante bis zur Spitze 10 hin, die durch die gestrichelte Linie 20 dargestellt ist. Die Linie 20 schneidet die Längsachse 22 der Schraube 2 und schließt einen Winkel von etwa 20° bis 30° ein. Dies ist für eine Schraube mit einer Bohrerspitze typisch. Wenn der relativ große Kegelwinkel von etwa 20° bis 30° sowohl über den ersten Abschnitt 14 als auch über den zweiten Abschnitt 16 vorhanden wäre, so wäre ein relativ großer Enddruck in Richtung des Pfeils 26 er­ forderlich, um die Gewindeerzeugung innerhalb der Bohrung 6 des Werkstücks zu beginnen.

Um die obengenannte Schwierigkeit zu vermeiden, ist die Kegelsteigung im zweiten Abschnitt 16 wesentlich kleiner als die Kegelsteigung im ersten Abschnitt 14. Die Wirkung dieser verringerten Kegelsteigung besteht darin, Erleichterung beim Beginn der Gewindeerzeugung innerhalb des Werkstücks 8 dadurch zu schaffen, daß die Gewindeerzeugung im zweiten Abschnitt 16 einsetzt, nachdem die Schraube in die Bohrung 6 des Werkstücks eingeführt wurde. Die Kegelsteigung der Außenkante des Gewindes im zweiten Abschnitt 16 ist derart gewählt, daß ein Eintrittswinkel E von etwa 5° bis 8° vorhanden ist. Der Eintrittswinkel von 5° bis 8° ist in Fig. 1 unter Bezugnahme auf die Querschnittlinie des Schnitts durch die Bohrung des Werkstücks dargestellt; die Linie der Kegelsteigung 28 des Gewindes des zweiten Abschnitts 16 schneidet die Achse 22, um den Winkel E zu bilden.

Es ist erfindungsgemäß wünschenswert, eine ausgeglichene Wirkung zwischen der radialen Verdrängung des Werkstückmaterials während der Gewindeerzeugung und der axialen Bewegung der Schraube in das Werkstück zu verwirklichen. Diese axiale Bewegung oder Vorschubbewegung wird durch den Steigungswinkel H des Gewindes gesteuert. Der Steigungswinkel H ist normalerweise konstant im dritten Abschnitt 18, er kann jedoch mit in den aufeinanderfolgenden Gewindegängen des Gewindes vom zweiten Abschnitt 16 vorwärts, im Bereich des ersten Abschnitts 14 bis zur Spitze 10 hin zunehmen. Die Erfindung betrifft jedoch den Steigungswinkel H des Gewindes am Eingriffspunkt des Gewindes in die Bohrung 6 des Werkstücks und das Verhältnis dieses Winkels zum Eintrittswinkel E, d. h. zur Kegelsteigung des Außendurchmessers des beginnenden Gewindes im Abschnitt 16. Es hat sich gezeigt, daß der Eintritts­ winkel E nicht größer als etwa das Dreifache des Steigungswinkels H des Gewindes im zweiten Abschnitt 16 sein soll.

Der dritte Abschnitt 18 ist derjenige Abschnitt, in dem die Gewindeerzeugung abgeschlossen ist, und wo die Schraube mit dem in der Bohrung 6 des Werkstücks erzeugten Gewinde in einem Halteeingriff steht. Zwischen dem dritten Abschnitt 18 und dem zweiten Abschnitt 16 wird eine Konusstufe vorgesehen, die durch die Querschnittsmaße oder die Stufe S 1 gekennzeichnet ist. Diese Stufe S 1 besitzt bevorzugt un­ gefähr den 0,25fachen Wert der Flankenhöhe (Abstand von der Außenkante bis zum Kerndurchmesser) des Gewindes im benachbarten Teil des dritten Abschnitts. Da der zweite Abschnitt 16 sich in axialer Richtung etwa über eine Strecke erstreckt, die gleich dem Zwei- bis Dreifachen der Gewindesteigung ist, beträgt die Endstufe S 2 der Konusstufe etwa das 0,5fache der Gewindetiefe (Abstand von Außenkante zu Kerndurchmesser des Gewindes) im dritten Abschnitt 18. Die genannten Verhältnisse der Konusstufe be­ wirken, daß die Gewindeerzeugung beim Start mit einem relativ kleinen Enddruck möglich ist. Die Schraube 2 besitzt ferner eine geeignete Gewinde­ kontur, damit sich das Gewinde in die Bohrung des Werkstücks einzieht. So besitzt z. B. das Gewinde 12 im ersten, im zweiten und im dritten Abschnitt einen mit Ausbuchtungen oder Höckern versehenen Querschnitt, vgl. Fig. 2. Dieser Querschnitt soll nicht nur den Querschnitt der Außenkante des Gewindes darstellen, sondern auch den Querschnitt des Schraubenkerns und den Querschnitt mit Flankendurchmesser. Dieser Querschnitt ist durch die Höcker 30, 30, 30 gekenn­ zeichnet, die die Einziehwirkung des Gewindes be­ treffen. Zwischen den Höckern oder Ausbuchtungen 30, 30, 30, und mit diesen verschmolzen sind gekrümmte Seiten 32, 32, 32, deren Krümmungsradius größer ist als der Krümmungsradius der entsprechenden Höcker 30, 30, 30. Die entsprechenden Bogen und Höcker sind alle um die Mittenachse 22 symmetrisch angeord­ net. Die Breite des in Fig. 2 dargestellten Quer­ schnitts, wobei jeweils ein Strahl durch die Achse 22 genommen ist, ist über den gesamten Winkelbereich von 360° gleichförmig. Es sei bemerkt, daß der in Fig. 2 dargestellte Querschnitt nur bei den Gewin­ de-Einzugsteilen der Schraube 2 vorhanden sein muß. Der Gewindebereich der Schraube 2, der ein Werkteil mit dem Werkstück zusammenhält, braucht nicht den ausgebuchteten Querschnitt gemäß Fig. 2 besitzen, er kann vielmehr einen Kreisquerschnitt oder einen Querschnitt mit einem geringen Maß an Ausbuchtung aufweisen, um die Greifwirkung der Schraube zu er­ höhen. Die Erfindung ist insbesondere nicht auf die in Fig. 2 dargestellte Gewinde-Einzugs- oder Ein­ griffsform beschränkt, und die Schraube kann andere Ausbuchtungsformen oder andere Ausbildungen des Gewinde-Eingriffbereichs des zweiten Abschnitts 16 und/oder des dritten Abschnitts 18 besitzen.

Die Erfindung ist ebenfalls bei einer stumpf endenden Schraube 2 a des in Fig. 3 dargestellten Typs einsetz­ bar, wobei Teile, die Teilen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schrauben entsprechen, mit dem­ selben Bezugszeichen und einem Suffix "a" bezeichnet sind. Die Schraube 2 a, die ebenfalls einen ausge­ buchteten Querschnitt besitzen kann, besitzt einen Schaft 3 a mit drei Abschnitten 14 a, 16 a und 18 a, wo­ bei der Abschnitt 16 a die Konusstufe darstellt, innerhalb der die Gewindeerzeugung innerhalb der Bohrung 6 a des Werkstücks 8 a begonnen wird. In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Außenkante-Kegelsteigung 20 a und der Achse 22 a etwa 12°. Der Eintrittswinkel E von etwa 5° bis 7° ermöglicht den Eintritt der Schraube in ein Führungsloch 6 a mit minimalem Durch­ messer (Flankendurchmesser). Der genaue Eintritts­ winkel kann innerhalb des Näherungsbereichs, der durch den dreifachen Wert des Gewinde-Steigungswinkels ge­ geben ist, je nach der Länge des Eintrittskonus und der Größe der Anfangsstufe S 1 und der Zunahme der gewünschten Gewindetiefe abhängig gewählt werden.

Die Fig. 4, 5 und zeigen zusammenwirkende Roll­ backen 40, 41 zur Herstellung der mit einer Bohrer­ spitze versehenen Schraube nach Fig. 1. Die Roll­ backen 40, 41 sind relativ zueinander in entgegen­ gesetzten Richtungen bewegbar, um ein Gewinde auf einen Schraubenrohling 42 aufzuformen, vgl. die Pfeile 43-43. Bei der dargestellten Schraube mit Bohrerspitze wird das Gewinde auf den Endabschnitt 42 a des Rohlings aufgeformt, während der Rohling sich zwischen den Rollbacken bewegt. Gemäß herkömmlicher Praxis sind die Rollbacken mit Abschrägungen oder Rampen versehen, die Messerkanten 45 besitzen, so daß während des Rollschmiedens des Gewindes die Spitze 10 geformt und überschüssiges Material abge­ schnitten wird.

Die Rollbacke 41 ist in den Fig. 5 und 6 in Ein­ zelheiten gezeigt, wobei Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch das hintere Ende 44 der Rollbacke 41 darstellt, während Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des hinteren Endes 44 zeigt. Die Rollbacke 40 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie die Rollbacke 41.

Die Rollbacke 41 besitzt eine erste Gruppe von Rippen 46 mit dazwischenliegenden Rillen 48, wobei die ersten Rillen im wesentlichen eine gleichförmige Tiefe besitzen. Die Tiefe d beträgt ungefähr 0,65 P, wobei P die Gewindesteigung darstellt. Eine erste Gruppe von Rippen und Rillen 46, 48, schmieden den Abschnitt 18 der Schraube nach Fig. 1.

Die Rollbacke 41 besitzt ferner eine zweite Gruppe von Rippen 50 mit dazwischenliegenden Rillen 52. Der Steigungswinkel ist mit H eingetragen. Die Rippen 50 sind beschnitten, und die Rillen 52 besitzen eine veränderliche Tiefe, die Tiefe nimmt in Richtung auf die Rollbackenrampe 53 ab. Die Abnahme der Tiefe der Rillen 52 ändert sich in Abhängigkeit von den Ab­ messungen S 1, S 2, die zuvor erwähnt sind. S 1 stellt eine Stufe mit ungefähr 0,16 P dar, S 2 stellt dagegen eine Stufe dar, die ungefähr 0,32 P beträgt. In Fig. 5 bedeutet dies, daß die Tiefe der Rillen 52 von ungefähr der halben Tiefe der Rillen 48 (Größe d/2) bis etwa ¾ der Tiefe der Rillen 48 (Größe d/4) variiert. Innerhalb dieser zweiten Gruppe von Rippen und Rillen 50, 52 wird die Konusstufe mit einer Länge von etwa 2 bis 3 Steigungen auf der Schraube erzeugt, die dem Ab­ schnitt 16 der Fig. 1 entspricht.

Die Rollbacke 41 besitzt ferner eine dritte Gruppe von Rippen 54 und dazwischenliegende Rillen 56, die den Abschnitt 14 des Gewindes rollen. Die Rillen 56 besitzen, wie dargestellt, eine variierende Tiefe. Eine erste imaginäre Ebene wird von den Basispunkten der ersten Rillen 48 gebildet, und diese Ebene ist durch die Linie 58 gekennzeichnet. Eine zweite ima­ ginäre Ebene wird durch die Basispunkte der Rillen 52 gebildet und ist durch Linie 60 gekennzeichnet. Die Linie 61 verläuft parallel zur Linie 58; die durch die Basispunkte der Rillen 48 erzeugte Ebene und die durch die Basispunkte der Rillen 52 er­ zeugte Ebene legen einen Winkel E fest, der gleich dem Eintrittswinkel zwischen 5° und 8° ist.

Die Basispunkte der Rillen 56 legen eine imaginäre Ebene fest, die durch die Linie 62 dargestellt wird. Diese Ebene schneidet die durch die Linie 61 fest­ gelegte Ebene unter Bildung eines Winkels R, der gleich dem Rampenwinkel von 20° bis 30° ist. Der Rampenteil der Rollbacke schmiedet somit den Abschnitt 14 (Fig. 1), wobei die Außenkante-Kegelsteigung des Gewindes einen Winkel von etwa 20° bis 30° mit der Schraubenachse 22 einschließt.

Die Erfindung wurde anhand eines herkömmlichen 60°- Gewindeprofils beschrieben. Die erfindungsgemäßen Prinzipien lassen sich jedoch bei anderen Schrauben­ profile anwenden.

Claims (12)

1. Gewindeformende Schraube mit einem Schaft, der in eine Bohrung innerhalb eines Werkstückes ein­ setzbar ist, welcher Schaft drei hintereinander liegende, Gewinde aufweisende Abschnitte aufweist, und zwar
einen kegelförmigen Einsetzabschnitt,­ einen sich an den Einsetzabschnitt kontinuierlich anschließenden kegelförmigen Zwischenabschnitt und einen sich an den Zwischenabschnitt anschließenden Halteabschnitt mit im wesentlichen gleichbleibendem Durchmesser,
wobei der Kegelwinkel des verhältnismäßig kurzen Zwischenabschnittes kleiner ist als der des Ein­ setzabschnittes,
dadurch gekennzeichnet daß der Zwischenabschnitt (16, 16 a) als eine gewindeformende Kegelstufe mit ro­ tationssymmetrischem Profil ausgebildet ist und eine Länge von weniger als die dreifache Gewindesteigung hat, und daß sich der Halteabschnitt (18, 18 a) an den Zwischenabschnitt (16, 16 a) unter Bildung eines sprungartigen Überganges anschließt, derart, daß der Gewindeformvorgang in dem Zwischenabschnitt (16, 16 a) beginnt und zu einer axialen Einpreßkraft führt, mittels der der Gewindeformvorgang im Anfangsbereich des Halteabschnittes (18, 18 a) abgeschlossen wird.

2. Gewindeformende Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Zwi­ schenabschnitts (16, 16 a) gleich der doppelten bis dreifachen Gewindesteigung (P) ist.

3. Gewindeformende Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (E) des Einsetzabschnittes (14) nicht größer als der drei­ fache Wert des Steigungswinkels (H) des Gewindes des Zwischenabschnitts (16, 16 a) ist.

4. Gewindeformende Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabschnitt (16, 16 a) eine von Außenkante zum Gewindekern reichen­ de Gewindetiefe besitzt, die kleiner als die des be­ nachbarten Teils des Halteabschnitts (18, 18 a) ist.

5. Gewindeformende Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (E) des Zwischenabschnittes (16, 16 a) 5° bis 8° und der Kegel­ winkel des Einsetzabschnittes (14) 20° bis 30° be­ trägt.

6. Gewindeformende Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindetiefe im Zwi­ schenabschnitt (16) im Vergleich zum Halteabschnitt (18) um etwa 0,16 der Gewindesteigung (P) abnimmt, und daß die Gewindetiefe im Einsetzabschnitt im Ver­ gleich zur Gewindetiefe des Halteabschnitts um etwa 0,32 der Gewindesteigung abnimmt.

7. Gewindeformende Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (10) spitz zu­ läuft und daß die Zahl der Gewindegänge im Einsetz­ abschnitt (14) größer als die Zahl der Gewindegänge im Zwischenabschnitt (16) ist.

8. Gewindeformende Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (10 a) stumpf ausgebildet ist.

9. Gewinderollbacke zur Herstellung einer Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von Rippen (46, 50) und Rillen (48, 52) eingeformt sind, um den Einsetz- und den Zwischenabschnitt der Schraube zu erzeugen.

10. Gewinderollbacke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe aus Rippen und Rillen, die den Zwischenabschnitt der Schraube erzeu­ gen, zwei bis drei Rillen (50) besitzen.

11. Gewinderollbacke nach Anspruch 9 oder 10, zur Erzeugung eines Schraubengewindes auf einem Schrauben­ rohling, wobei die Gewinderollbacke eine erste Gruppe von Rippen und Rillen gleichförmiger Tiefe und eine zweite Gruppe von Rippen und Rillen variierender Tiefe besitzt, deren Tiefen kleiner als die Tiefen der Rillen der ersten Gruppe ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Ebene (58), die durch die Basispunkte der ersten Rillen gebildet wird, eine zweite Ebene (60) schneidet, die durch die Basispunkte der zweiten Rillen gebildet wird und ein erster Winkel (E) festgelegt wird, daß eine dritte Gruppe von Rippen und Rillen mit mindestens einer Rippe (54) und einer Rille (56) vorgesehen ist, daß die Basis der Rille (56) und die Basis der nächst­ liegenden Rillen der zweiten Rippen-/Rillengruppe eine dritte Ebene (62) festlegen, die einen zweiten Winkel (R) mit der ersten Ebene einschließt, und daß der zweite Winkel (R) wesentlich größer als der erste Winkel (E) ist.

12. Gewinderollbacke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (E) im Bereich von 5° bis 8° liegt, und daß der zweite Win­ kel (R) zwischen 20° und 30° liegt.