DE3000165A1

DE3000165A1 - Verfahren zur herstellung einer gewindeschneidschraube und nach dem verfahren hergestellte gewindeschneidschraube

Info

Publication number: DE3000165A1
Application number: DE19803000165
Authority: DE
Inventors: Ramon Allan Berg; Lowell Lars Bjorklund; Henry Anton Sygnator
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1979-01-08
Filing date: 1980-01-04
Publication date: 1980-07-17
Also published as: CA1125149A; BR8000056A; ATA6280A; IT1130187B; US4295351A; SE8000136L; JPS5594743A; BE881033A; ES487534A0; GB2040762B; AR221746A1; GB2040762A; AT368729B; ES8104023A1; IT8019052A0; NL8000110A

Description

ILLINOIS TOOL WORKS INC.

Verfahren zur Herstellung einer Gewindeschneidschraube und nach dem Verfahren hergestellte Gewindeschneidschraube

Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf das Herstellen von selbstschneidenden, mit einem Gewinde versehenen Befestigungselementen und insbesondere auf das Herstellen solcher Befestigungselemente aus korrosionsfreiem Stahl.

Ein Typ rostfreien Stahls, nämlich der der amerikanischen 300er Reihe (deutsche Normenreihe der Werkstoffnummern 4310 bis 4828) , ist für viele Jahre das primär benutzte Material für die Herstellung hoch korrosionsbeständiger Vorrichtungen

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wie solcher Gewindeschneidelemente gewesen. Solch ein Material, das als 18-8 rostfreier Stahl bezeichnet wird, entsprechend den Prozentzahlen an chrom- und nickelartigen Bestandteilen, ist austenitisch und ohne Hitze behandelbar. Somit sind diese Materialien auf solche Anwendungen beschränkt worden, bei denen keine hohen Härtegrade verlangt wurden. Bei Gewindeschneidschrauben ist jedoch ersichtlich, daß solche hohen Härtegrade notwendig sind und typischerweise ein Härtebereich von 45 bis 5OR notwendig ist, um Gewinde in einen Kohlenstoffstahl einschneiden oder einformen zu können.

Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um einem rostfreien Stahl die Härte zu geben, die notwendig ist, um beim Gewindeschneiden adäquat zu funktionieren. Typisch bei solchen Versuchen ist die Benutzung eines rostfreien Stahls der amerikanischen 400er Reihe, der meistens 12% Chrom enthält. Ein solches Material wird hitzebehandelt und abgeschreckt, um Beanspruchungen zu entlasten und dann wieder auf eine mäßige Temperatur erhitzt. Hierdurch wird ein Befestigungselement hergestellt, welches durchgehend gehärtet ist in einem Härtebereich, der ausreicht für das Schneiden, wobei jedoch eine Tendenz zum Sprödewerden auftritt. Da der Chromgehalt auf 12% begrenzt ist, sind solche Materialien jedoch nicht so korrosionsbeständxg wie 18-8 Material der amerikanischen 300er Serie»

Andere Versuche, ein rostfreies Material mit höherem Chromgehalt hitzebehandelbar zu machen, bringen die Benutzung von beschleunigenden Härtemitteln wie Titan oder Columbium bei der chemischen Zusammensetzung des Stahls mit sich mit nach- · folgenden Alterungshärtungsschritten. Diese Techniken neigen jedoch dazu, das wirksame Chrom zu erschöpfen und sind meistens Kompromißlösungen.

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Korrosionsbeständiger Stahl, der 18% Chrom und 18% eines nickelartigen Materials enthält, ist erhältlich und es hat sich erwiesen, daß er hart genug ist, um in vielen Schneidumgebungen zu funktionieren. Bei diesem Material ist es jedoch schwierig, auf kaltem Wege einen Kopf auszuformen und ein Gewinde zu rollen, da es hart ist, so daß bei beiden dieser Operationen die Lebenszeit der benutzten Werkzeuge sehr kurz ist.

Es sind auch andere Versuche für eine komplexe Behandlung des Stahls durch Erhitzen oder durch Hinzufügen von Komponenten wie Aluminium und genauen Mengen von Chrom, Nickel und Kohlenstoff unternommen worden. All dieses ist zu teuer und zu schwierig, um es bei einer Massenproduktion von Befestigungselementen anzuwenden, und stellt ebenfalls nur eine Kompromißlösung dar.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von mit Gewindegängen versehenen Befestigungselementen zu schaffen, die in einer Schneidumgebung arbeiten können und aus 18-8 korrosionsbeständigem Stahlmaterial der amerikanischen 300er Serie gefertigt sind. Eine weitere Aufgabe ist dabei, diese Befestigungselemente aus austenitischem Stahlmaterial zu fertigen, das keine extensive oder komplexe Hitzebehandlung oder Härtungsschritte benötigt. Dabei soll zugleich bei der Herstellung aus dem austenitischem Material keine Rücksicht genommen zu werden brauchen auf spezielle komplexe chemische Zusammensetzungen zwecks Herstellung eines Materials, welches hitzebehandelbar und härtbar ist nach Herstellung des Befestigungselementes. Ein weiteres Ziel ist dabei, daß das Verfahren mittels einer üblichen Gewinderolloperation mit nur geringen Modifikationen herstellbar ist.

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Diese Ziele werden erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens und eines danach hergestellten Befestigungselementes gemäß den Patentansprüchen erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht danach also grundsätzlich darin, daß ein mit einem Kopf versehener Rohling aus austenitischem 18-8 rostfreiem Stahl der amerikanischen 300er Serie vor dem Gewinderollen abgekühlt wird, so daß der Rohling in abgekühltem Zustand mit einem Gewinde versehen wird. Dabei ist vorgesehen, daß die Abkühlung erheblich unter die Umgebungstemperatur erfolgt, wobei es sich gezeigt hat, daß eine Abkühltemperatur von-40°C bis-129°C geeignet ist, gute Befestigungselemente zu erzeugen.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens wurden Produkte erhalten, die an den Gewindespitzen und Gewindefüßen eine Härte von 45-50 R_c haben, wobei die Härte des Kerns im allgemeinen 30 R beträgt.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schneidschraube,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt durch die Schraube gem. Fig. 2, wobei die durch die Erfindung erreichten unterschiedlichen Härtegrade angegeben

sind,

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Fig. 4 eine Draufsicht auf eine alternative Ausbildungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung gem. Fig. 4_r

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 4,

Fig. 7 einen Längsschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 4 und

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Teil einer alternativen Ausgestaltungsform der Vorrichtung gem. Fig. 4.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein mit Gewindegängen versehenes Befestigungselement geschaffen, das geeignet ist, in KohlenstoffStahlmaterial Gewindegänge einzuschneiden oder einzuformen. Insbesondere wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Befestigungselementes aus austenitischem, korrosionsfreiem Stahlmaterial der amerikanischen 300er Serie beschrieben, welches bislang aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit gern für mit Gewindegängen versehene Befestigungselemente gebraucht worden wäre, wenn es nicht unwirksam gewesen wäre zur Verwendung als Schneidschraube.

Korrosionsfreier Stahl der amerikanischen 300er Serie, welches typischerweise eine 18-8 Zusammensetzung hat und die folgende chemische Zusammensetzung aufweist, ist im Rahmen der Erfindung mit beachtlichem Ergebnis verwendet worden:

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17-18,5% Chrom, 7,75-8,25% Nickel, 0,06-10% Kohlenstoff, 2,0% Mangan, 1,0% Silicium und ungefähr 0,045% Phosphor und 0,030% Schwefel.

Material mit dieser Art der chemischen Zusammensetzung in Drahtform wird zuerst in einer üblichen kalten Anköpftechnik mit einem Kopf versehen, um so einen Schraubenrohling zu erzeugen. Nach dem Anköpfen wird der Rohling wesentlich unter die Umgebungstemperatur abgekühlt, und es hat sich gezeigt, daß auf Temperaturen von -40⁰C bis -129⁰C abkühlte Rohlinge ausreichend zur Durchführung der Erfindung sind. Die Rohlinge werden in ihrem abgekühlten Zustand in eine übliche Gewinderollvorrichtung eingespeist, so daß auf ihnen Gewinde ausgebildet werden, während sie noch im abgekühlten Zustand sind. Es wird angenommen, daß das aggressive Kaltbearbeiten des austenitischen Materials der amerikanischen 300er Serie durch das Gewinderollen, während eine beachtliche Abkühlung aufrechterhalten wird, die austenitische in eine martensitische Struktur zumindest in den Gewindespitzen- und Gewindefußbereichen der so geformten Schraube umgewandelt wird, wodurch ein Härtegrad in diesen Gebieten erzeugt wird, der für das Schneiden ausreicht.

Nach dem Gewinderollen werden die Rohlinge dann in üblicher Weise gehandhabt. Durch die Erfindung werden somit Selbstschneidschrauben erzeugt aus einem bislang unhärtbaren aber hoch korrosionsbeständigen Material, wobei Verfahren und Anlagen benutzt werden, die zu hohen Produktionsraten führen. Beispielsweise können die bei der Erfindung benutzten Gewinderollapparate und -techniken ein mit Gewindegängen versehenes Befestigungselement je nach der besonderen Geschwindigkeit der Gewinderollmaschine mit einem Ausstoß von 40 bis 400 Stück pro Minute erzeugen.

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In den Fig. 2 und 3 ist ein typisches nach der Erfindung hergestelltes Befestigungselement gezeigt. Es versteht sich, daß das dort gezeigte Befestigungselement die Erfindung nicht auf eine besondere Art von Befestigungselementen beschränkt, sondern lediglich repräsentativ ist für die Ausbildung eines Befestigungselementes, das nach der Erfindung hergestellt werden kann.

Die Schraube 10 kann typischerweise eine solche mit einem Kopf 12 und einem Schaft 14 sein, der im Abstand zueinander angeordnete, auf ihm ausgebildete Gewindegänge 16 aufweist und in der bevorzugten Ausbildung eine konische, Gewindegänge aufweisende Spitze 18 besitzt.

Anhand der Fig. 3 wird gezeigt, daß das Verfahren des Abkühlens eines aus austenitischem, rostfreiem Stahl der amerikanischen 300er Serie bestehenden Rohlings in der Weise, daß das Gewinderollen auf einem wesentlich abgekühlten Rohling erfolgt, Härtegrade erzeugt, die bislang mit einem 18-8 rostfreien Stahl nicht erhältlich waren. Beispielsweise lagen die Gewindespitzen und Gewindefüße der Schraubengänge bei mehreren Mustern in einem Härtebereich von 45-50R , wobei die Flanken der Gewindegänge eine Härte von ungefähr 4OR und der Kern des Schaftes selbst eine grundsätzlich geringere Härte von ungefähr 3OR aufwiesen. Die Schraube 10 hat somit die notwendige Härte am Fuß und an der Spitze des Gewindeganges, um ein Umrollen des Gewindeganges zu vermeiden, wobei jedoch die Schraube eine gewisse Dehnbarkeit aufweist. Durch das Verfahren wird ein Befestigungselement geschaffen, welches nicht durchgehend gehärtet und deshalb nicht spröde ist und somit hohen Zug- und Scherbelastungen widerstehen kann. Es sei erwähnt, daß die aus Fig. 3 ablesbaren Härten lediglich illustrativ sind für die erreichbaren Härtegrade und nicht die

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Erfindung auf diese Härtegrade beschränken sollen.

Es hat sich bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gezeigt, daß ein gewisser Zusammenhang zwischen dem Magnetismus der fertigen Schraube und deren Härte ergibt, und es wird angenommen, daß dieses von der Umformung der austenitisehen in eine martensitische Struktur während des Gewinderollen im abgekühlten Zustand herrührt.

Anhand der Fig. 1 wird jetzt eine Art der Ausführung der Erfindung gezeigt, bei der eine weitgehend übliche Gewinderoll- und Zuführanlage verwendet wird. Eine übliche Gewinderollmaschine 20 mit einer festen Form 22 und einer beweglichen Form 24 und einer integralen Zuführungsschiene 26, die zu dem Mundstück der hin- und herbeweglichen Form führt, ist mit einem Schüttelbehälter 28 für die Rohlinge versehen. Der Schüttelbehälter umfaßt in üblicher Weise eine spiralige Zuführspur 30, um eine Rohlingsreihe von der Zuführung in dem Behälter zu der Zuführschiene 26 zu schaffen. Wie üblich ist eine Hemmeinrichtung 32 am untersten Ende der geneigten Zuführschiene vorgesehen, damit zuverlässig jeder aufeinanderfolgende Rohling in die Gewinderollformen eingeführt wird.

Eine Technik zum Abkühlen der Rohlinge vor dem Gewinderollen besteht in der Steuerung der Temperatur mittels des Schüttelbehälters 28 durch Verwendung einer Isolierwand 34 rund um diesen Behälter herum. Die Rohlinge werden darin gekühlt durch Einbringen eines Kühlmittels, wie beispielsweise von Trockeneis 36, in den Schüttelbehälter 28. Es hat sich gezeigt, daß ein isolierter Zuführbehälter, der Trockeneis und die Rohlinge aus rostfreiem Stahl der amerikanischen 300er Serie enthält, ausreicht, um die Umgebung innerhalb des Behälters auf mindestens 73°C abzukühlen.

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Die so abgekühlten Rohlinge werden dann wie üblich von dem Schüttelbehälter dem oberen Ende der Zuführungsschiene zugeführt und gelangen durch Schwerkraft mittels der geneigten Zuführungsschiene 26 in die Aufnahmeöffnung der Gewinderollformen. Es hat sich gezeigt, daß die Temperatur der Rohlinge im Bereich der Hemmeinrichtung 32 im Bereich von ungefähr-=40°C liegt, wenn die Rohlinge mittels dieser Technik abgekühlt werden.

Es versteht sich, daß viele alternative Arten zur Durchführung der Erfindung und zur Abkühlung der Rohlinge und deren Zuführung verwendet werden können und innerhalb des breiten Rahmens dieser Erfindung liegen.

Wie beispielsweise in den Fig. 4 und 5 gezeigt, kann ein isolierter Tunnel 40 verwendet werden, der die Zuführungsschiene 26 umgibt. Die anderen Elemente der Gewinderollmaschine 20 sind im wesentlichen die gleichen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, wobei jedoch der Schüttelbehälter 2 8 nicht gekühlt wird und nicht isoliert ist.

Der Tunnel 40 umgibt einen wesentlichen Teil der Zuführungsschiene 26 und isoliert diese gegen die Umgebungstemperatur. In einer solchen isolierten Umgebung ist direkt angrenzend an die Öffnung der Gewinderollformen 22 und 24 eine Quelle für flüssiges Kühlmittel vorgesehen, durch die die Rohlinge 38 und die Zuführungsschiene 26 besprüht werden. Es hat sich gezeigt, daß ein Einsprühen der Rohlinge 38 in dem Tunnel 40 mit einem mit einer Reihe von getrennten Öffnungen 44 versehenen Zuführungsrohr 42 die Umgebung innerhalb des Tunnels ausreichend abkühlt auf einen Temperaturbereich von über -129°C. Das Zuführungsrohr 42 ist mit einer Kühlmittelquelle verbunden, welches vorzugsweise aus flüssigem Stickstoff

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besteht. Ein Kühlmitteltank 46 und eine notwendige Zuführleitung 48 sind im Bereich der Gewinderollmaschine untergebracht. Das Zuführungsrohr 42 kann gemäß den Fig. 6 und 7 in Längsrichtung innerhalb des Tunnels neben der Zuführungsschiene angeordnet sein, so daß eine oder mehrere Öffnungen 44 als Düsen dienen, durch die der Innenbereich des Tunnels und insbesondere die Rohlinge besprüht werden. Diese abgeschlossene Umgebung, die die sehr niedrigen Temperaturen in dem Tunnel aufrechterhält, hat sich als zuverlässig erwiesen, um abgekühlte Rohlinge zu erhalten, bei denen die Umformung von der austenitischen in eine martensitische Struktur während des Kaltbearbeitens beim Gewinderollen erreicht wird.

Es ist ersichtlich, daß bei Benutzung des grundlegenden Konzeptes der Vorrichtung einschließlich des isolierenden Tunnels gemäß den Fig. 4 und 5 eine Reihe von Techniken in bezug auf den Tunnel angewandt werden kann. Beispielsweise zeigt Fig. 8 eine Reihe von Düsen 50, die mit einer äußeren Sammelleitung 52 verbunden sind, wobei die Düsen die Wände des Tunnels in Abständen längs dessen Längsrichtung durchragen.Wie bei der Ausbildung gemäß den Fig. 4-7 ist die Sammelleitung mit einem Kühlmittelreservoir verbunden, das beispielsweise flüssigen Stickstoff enthalten kann.

Die beschriebenen Vorrichtungen reichen aus, um eine Selbstschneideschraube aus einem 18-8 rostfreien Stahl der amerikanischen 300er Serie in einer Art und Weise zu erzeugen, wie sie bisher nicht möglich war. Bei dem Verfahren kann somit eine ein wenig standatisierte chemische Zusammensetzung des rostfreien Materials der amerikanischen 300er Serie verwendet werden, das vorteilhafte hoch korrosionsbeständige Eigenschaften besitzt und ein relativ leichtes Anköpfen und Bearbeiten und das Erreichen einer hohen Härte an den Gewinde-

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spitzen und Gewindefüßen der Gewindegänge von Selbstschneidschrauben gestattet. Das aus der vorausgehenden Beschreibung ersichtliche Verfahren und die entsprechende Vorrichtung können in relativ üblichen Anlagen zur Erzeugung von mit Gewindegängen versehenen Produkten verwendet werden, ohne daß ein extensives Vorbereiten der Rohlinge oder ein Behandeln der fertigen Schraube notwendig ist, so daß hohe Produktionsraten erreicht werden können. Während die Gründe für die mit der Erfindung erreichten einmaligen Ergebnisse nicht völlig klar sind, wird jedoch angenommen, daß die hohe Härte bei einem bislang nicht härtbaren rostfreien Stahlmaterial erreicht wird durch eine Kombination von Bearbeitungsverhärtung und dem Wechsel von einer austenitischen in eine martensitische Struktur, die sich aus dem aggressiven Bearbeiten des Rohlings beim Gewinderollen im abgekühlten Zustand des Rohlinges ergibt.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung einer Gewindeschneidschraube, dadurch gekenn ζ e i chne t, daß ein mit einem Kopf (12) versehener Rohling (38) aus korrosionsfreiem Stahl der amerikanischen 300er Reihe (deutsche Normenreihe der Werkstoffnummern 4310-4828) geformt wird, daß zumindest der Schaftbereich des so geformten austenitischen Rohlings (38) auf eine wesentlich unter der Umgebungstemperatur liegende Temperatur abgekühlt wird und daß der Rohling in seinem abgekühlten Zustand zwischen Gewinderollformen (22,24) mit Gewindegängen versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohlinge (38) auf mindestens -40⁰C abgekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohlinge (38) aus einem Material bestehen, das grundsätzlich 16-19% Chrom und 6-8,5% Nickel enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohlinge (38) vor dem Einspeisen in die Gewinderolloperation in einem Zuführbehälter (28) abgekühlt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohlinge (38) vor dem Gewinderollen auf eine Temperatur von -73°C bis -130⁰C abgekühlt werden.

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6. Gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5 hergestellte Gewindeschneidschraube aus austenitischem, korrosionsfreiem Stahl der amerikanischen 300er Serie, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 17-18,5% Chrom, 7,25-8,25% Nickel, 0,06-10% Kohlenstoff, 2,0% Mangan und 1,0% Silicium besteht und daß als Ergebnis der teilweisen Umwandlung von der austenitischen in eine martensitische Struktur während des Gewinderollens bei abgesenkten Temperaturen die Härte der Gewindespitzen und Gewindefüße der Gewindegangabschnitte 45-50 R^ beträgt und der Kern grundsätzlich eine minimale Härte von 30 R_r aufweist.

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