DE3247565C2

DE3247565C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Steigung des Gewindes an Schraubenschäften aus Stahl beim Härten

Info

Publication number: DE3247565C2
Application number: DE3247565A
Authority: DE
Inventors: Fumikazu Iwata Shizuoka Goto; Morihisa Hamamatsu Shizuoka Yoshioka
Original assignee: NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1981-12-29
Filing date: 1982-12-22
Publication date: 1986-08-21
Also published as: DE3247565A1; IT1149183B; US4459164A; GB2112421A; FR2518909B1; GB2112421B; JPH0135226B2; FR2518909A1; IT8249743A0; JPS58118363A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen der aufgrund von Wärmebehandlung entstehenden axialen Verformung von Schraubenschäften, wobei beim Härtungsverfahren eines Schraubenschaftes (4) dieser gedreht wird, so daß eine permanente Drillverformung entsprechend dem bei der Härtung des Schaftes entstandenen Steigungsfehlers entsteht und dieser Steigungsfehler korrigiert werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtungen zum Aufrechterhalten der Steigung des Gewindes an Schraubenschäften aus Stahl beim Härten.

Ausgangspunkt der Erfindung sind Spezialschrauben, wie sie in Meßvorrichtungen oder Hochpräzisionswerkzeugmaschinen angewendet werden. Wenn nun diese Spezialschrauben einer Härtebehandlung unterworfen werden, können sich Steigungsfehler in den Gewindegängen während des Härteverfahrens ergeben. Bislang war es sehr schwierig und kostenaufwendig, diese Steigungsfehler so zu korrigieren, daß das Endprodukt, d. h. die fertige Spezialschraube, der erforderlichen Genauigkeit entsprach.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche auf einfache Weise trotz Härteverfahrens der Gewindegänge eine Spezialschraube den an sie gestellten Genauigkeitserfordernissen entspricht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während der Härtung der Schraubenschaft um einen Torsionswinkel verformt wird, dessen Betrag vorab für die jeweilige Stahlzusammensetzung und die angewendeten Wärmebehandlungsparameter ermittelt wurde. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß der während der Härtebehandlung entstehende Fehler durch Verdrehen des Schraubenschaftes kompensiert wird, so daß die fertige Spezialschraube trotz der Härtebehandlung die erforderliche Genauigkeit aufweist. Da diese Korrektur während des Härtens erfolgt, wird die Produktivität nicht verringert.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine stationäre Antriebsspannvorrichtung, eine bewegliche Bremsspannvorrichtung, durch eine Antriebsvorrichtung, eine Bremsvorrichtung, durch einen Drehmomentenanzeiger sowie durch einen Rechner.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 und 3 zu korrigierende Schraubenschäfte, wobei an beiden Seiten der Mittellinie der Zustand vor und

nach der Verformung gezeigt ist;

Fig.2 und 4 Endansichten der Schraubenschäfte nach F i g. 1 und 3;

F i g. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.6 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Korrigieren durch vorheriges Aufbringen eines Moments auf den Schraubenschaft, wobei ein Drehwinkel entsprechend eines Soll-Korrekturausmaßes erzeugt wird.

F i g. 1 und 3 zeigen den Zustand eines Schraubenschaftes 4 vor und nach der Wärmebehandlung. Genauer gesagt: Sie zeigen, daß der wirksame Gewindebereich 3 des Schaftes 4 eine axiale Expansion bzw. Kontraktion Δ\, A₂ erzeugt, was vom thermischen Verlauf (Abschreckung) während des Härtens abhängt, wodurch die Bezugslärge Lo des effektiven Gewindebereiches auf Li, L2 geändert wird. Das heißt, es ist durch Au ^2 ein ansteigender Sieigungsfehler erzeugt worden. Au A2 wird nachstehend als Verformungsausmaß bezeichnet.

Erfindungsgemäß wird im Laufe der Erhitzung des Schraubenschaftes 4 auf eine erhöhte Temperatur für die Härtung, seiner Aussetzung dieser Temperatur und seiner Abkühlung das an einer Meßstelle A], A2 angeschlossene Schaftende 1 befestigt, so daß eine Verdrehung des Schaftes verhindert werden kann; danach wird das an einer Meßlehre Ci, C2 angeschlossene Schaftende 2 gedreht. Daraufhin wird im effektiven Gewindebereich 3 entlang des Urnfanges einer zur Achse des Schraubenschaftes 4 senkrechten Ebene eine gleichmäßige plastische Verformung erzielt, so daß einzelne Steigungsfehler des effektiven Gewindebereiches 3 einheit-Hch korrigiert werden können. Der ansteigende Sieigungsfehler des effektiven Gewindebereiches 3 kann leicht und genau korrigiert werden, indem das Schaftende einen Drehwinkel erhält, welcher die plastische Verformung der Stelle Q, C₂ zu einer Stelle CV, C₂ entlang des Umfanges einer zur Achse des Schaftes senkrechten Ebene bewirkt, d.h. um einen Drehwinkel <9i, Θ2 entsprechend A\, A₂, wie in F i g. 2 und 4 dargestellt.
Fig.5 zeigt eine Hochfrequenzhärtevorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird. Dabei wird der Schraubenschaft 4 an seinen Enden 5 und 6 von einer Antriebsspannvorrichtung 7 und einer Bremsspannvorrichtung 8 getragen, wobei die Antriebsspannvorrichtung 7 mit verringerter Geschwindigkeit durch einen Getriebemotor 9 angetrieben wird.

Eine Kupplung 10 und eine Drehmomentanzeige 11 sind zwischen der Ausgangswelle des Getriebemotors 9 und der Spannvorrichtung 7 angeordnet. Eine Bremsvorrichtung 12 für die Bremsung der Drehbewegung der Spannvorrichtung 8 weist einen Bremsmotor für die Änderung des Bremsdrehmoments gemäß dem erzeugten Stromwert auf, so daß das Schraubdrehmoment im Schraubenschaft 4 eingestellt werden kann.
Ferner sind Lagervorrichtungen 13 und 14 für die Spannvorrichtungen 7 und 8 vorgesehen.

Der Getriebemotor 9 und die Lagervorrichtung 13 sind an dem Grundrahmen 15 der Härtevorrichtung befestigt, während die Lagervorrichtung 14 und die Bremsvorrichtung 12 von einem (nicht dargestellten) Schlitten auf dem Rahmen 15 getragen werden, welcher gemäß der Expansion bzw. Kontraktion des Schraubenschaftes 4 axial verschiebbar ist.
Wenn darüber hinaus die Spannvorrichtung 8 urn den

Schraubenschaft 4 befestigt und axial verschiebbar ist, können das Lager 14 und die Bremse 12 an dem Rahmen 15 befestigt sein.

Eine Meßvorrichtung 16 für die MikroVerschiebung ist an geeigneter Stelle an dem Rahmen 15 angeordnet, berührt das Ende des Schaftes 4 direkt oder indirekt durch die Bremse 12 und dient der Messung des Expansions- bzw. Kontraktionsausmaßes des Schaftes 4. Es kann sich dabei um eine Meßuhr oder einen Differentialtransformator handeln.

Vom unte.-en Bereich einer in axialer Richtung des Schraubenschaftes 4 verschiebbar angeordneten Hochfrequenzheizvorrichtung 17 ragen eine Hochfrequenzheizspule 18, welche den Gewindebereich 4a des durch die Spannvorrichtungen 7 und 8 getragenen Schraubenschaftes 4 umgibt und eine daneben angeordnete ringförmige Sprühvorrichtung 19 weg.

Eine Schlittenführung 20 ist für die am Rahmen 21 befestigte Hochfrequenzheizvorrichtung 17 vorgesehen. Eine Vorschubspindel 22 ist mit der Hochfrequenzheizvorrichtung 17 verbunden; ein Antriebsmotor 23 dient dem Antrieb der Vorschubspindel über miteinander kämmende Zahnräder 24 und 25; eine zwischen dem Antriebsmotor 23 und dem Zahnrad 24 angeordnete Vorrichtung 26 zur stufenlosen Geschwindigkeitsänderung ermöglicht die Einstellung der Vorschubspindel der Hochfrequenzheizvorrichtung 17 auf jeden gewünschten Wert.

Ein Detektor 28 mißt die Temperatur des Schraubenschaftes 4 kurz vor dem Erhitzen und sofort nach dem Passieren der ringförmigen Sprühvorrichtung.

Bei der Korrektur der Verformungsgrade Δ\, Δ2 auf der Grundlage des im Hinblick auf Schraubenschäfte unterschiedlichen Stahls und unterschiedlicher Größe bestimmten Schraubdrehmoments gibt es zwei Möglichkeiten:

Den Fall I, bei dem das Soll-Korrekturausmaß durch Experimente, die unter den gleichen Wärmebehandlungsbedingungen unter Verwendung von Schraubenschäften gleichen Stahls und gleicher Größe durchgeführt worden sind, vorab gefunden wird. Dabei erzeugt ein Schraubdrehmoment Γ einen entsprechenden Torsionswinkel Θ\, 02 und wird auf den Schraubenschaft übertragen.

Im Fall II wird die Expansion bzw. Kontraktion des Schraubenschaftes 4 augenblicklich angezeigt. Hier erfolgen während des Härtens das Erhitzen und Abkühlen des Gewindebereir:hes nacheinander und die Expansion und Kontraktion werden wiederholt, d.h. das Aufbringen des Torsionsdrehmoments erfolgt in dem Zustand, wo die thermische Expansion, die thermische Kontraktion, die Übertragungsexpansion und -kontraktion ihren normalen Zustand erreicht haben (z. B. bei jeder Behandlungszeiteinheit bzw. Steigungseinheit).

Das Drehmoment T, welches aus dieser Menge berechnet worden ist, wird sofort und jedes Mal an den Schaft 4 abgegeben, wodurch augenblicklich die notwendige Rückführung für die Korrektur erfolgt.

(1): Fig.6 beschreibt den Korrekturvorgang, der in dem Fall durchzuführen ist, wenn der Schraubenschaft 4 vorab das den Torsionswinkel 6Ί, 02 entsprechend des Soll-Korrekturausmaßes erzeugende Antriebsdrehmoment Terhält

In diesem Fall wird in vorbereitenden Experimenten, während die sich gegenüberliegenden Enden 5, 6 des Schraubenschaftes 4 durch die Brems- und Antriebsspannvorrichtungen 8, 7 gehalten werden, der Schaft 4 kontinuierlich entlang seiner Länge vom Schäftende 5 bis zum Schaftende 6 ohne Belastung durch das Antriebsmoment Tgehärtet. Genauer gesagt: Die Oberflächenhärtung erfolgt, während die Hochfrequenzheizvorrichtung i7 axial am Schraubenschaft 4 entlangläuft, ohne ein Schraubdrehmoment T abzugeben, indem nache^:nander der Gewindebereich 4a durch die Hochfrequenzspule 18 auf eine erhöhte Temperatur gebracht und dann ein Kühlmittel, wie z. B. Kühlwasser, durch die Sprühvorrichtung 19 gesprüht wird.

Währenddessen bewegen sich die Spannvorrichtung 8 und die Bremsvorrichtung 12 in axialer Richtung gemäß der Expansion bzw. Kontraktion des Schaftes 4. Zusätzlich wird das Schaftende 6 in axialer Richtung bewegt, sofern die Spannvorrichtung 8 den Schraubenschaft 4 während seiner Axialbewegung greifen kann.

Danach wird das Verformungsausmaß Δ\, A₁ im Hinblick auf die Bezugslänge Lq des Schaftes 4 auf der Basis der Verschiebung der Bremse 16 gemessen, die nach vollendeter Härtung erstellt worden ist.

Die Verformungsmenge pro Steigung ö wird auf der Basis der gemessenen Verformungsmenge Δ\, Δ2 berechnet. Der Drehantrieb (d. h. das Schraubmoment T) zur Korrektur der Verformungsmenge pro Steigung δ wird bestimmt und in einem Rechner 27 gespeichert, welcher den Getriebemotor 9 und die Bremse 12 unter der vorstehend bestimmten Drehantriebsbedingung antreibt und es wird eine Hochfrequenzhärtung durchgeführt, während der Schraubenschaft 4 während der Massenproduktion mit dem Schraubdrehmoment 7*belastet wird.

Ferner wird das tatsächliche an den Schraubenschaft 4 während der Massenproduktion angelegte Schraubdrehmoment Γ durch die Drehmomentanzeige 11 gemessen. Der Rechner 27 zieht einen Vergleich zwischen diesem Drehmoment Γ und dem Drehantriebsmoment T, welches durch den Drehantriebszustand eingestellt worden ist, und führt das Rechenergebnis zur Bremsvorrichtung 12 zurück, so daß die Bremskraft eingestellt werden kann, um die Belastung des Schraubenschaftes 4 mit dem Drehantriebsmoment Tsicherzustellen.

(II): Nachstehend die Beschreibung des Korrekturvorganges im normalen Zustand der wandernden Härtung, wo die Erhitzung und die Abkühlung des Gewindebereiches 4a gleichzeitig durchgeführt wird. Jedes Mal, wenn das Verformungsausmaß des Schraubenschaftes angezeigt wird (d. h. bei jeder Behandlungszeit bzw. Steigungseinheit), wird das korrigierende Antriebsmoment T sofort zum Schaft zurückgeleitet. Im normalen Zustand expandiert der Schraubenschaft 4 teilweise dort, wo er durch die Hochfrequenzspule 18 erhitzt worden ist und zieht sich teilweise zusammen, wo er durch das Kühlwasser aus der ringförmigen Sprühvorrichtung 19 gekühlt worden ist.

Zur gleichen Zeit, in der der momentan passierende Gewindebereich 4a gehärtet wird, wird das Ausmaß der Verformung des Gewindebereiches 4a, welches pro Behandlungszeiteinheit bzw. Steigungseinheit erzeugt worden ist, durch die Meßvorrichtung 16 für die Mikroverschiebung gemessen; die latente Wärme im Schraubenschaft wird unmittelbar nach Passieren der Sprühvorrichtung durch den Detektor 28 gemessen.

Das Verformungsausmaß wird somit in den Raumtemperaturwert umgewandelt. Derumgewandelte Wert wird zurückgeführt, wodurch eine Korrektur im später zu härtenden Bereich des Gewindes sofort und jedes Mal erfolgt.

Während vorstehende Ausführungsform den ansteigenden Steigungsfehler während der Härtung auf Null

	•	*	32 47 565 5 bringen soll, wenn der ansteigende während des Ausglü hens erzeugte Steigungsfehler quantitativ erfaßt wer den kann, kann dieser auf einen Steigungsfehler korri giert werden, wobei dieses Ausmaß berücksichtigt wird. 5	10	ν .,-.....·... .,i(„,.,.i . Um« . , . 'f:- '„ »'*
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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufrechterhalten der Steigung des Gewindes an Schraubenschäften aus Stahl beim Härten, dadurch gekennzeichnet, daß während der Härtung der Schraubenschaft um einen Torsionswinkel verformt wird, dessen Betrag vorab für die jeweilige Stahlzusammensetzung und die angewendeten Wärmebehandlungsparameter ermittelt wurde.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine stationäre Antriebsspannvorrichtung (7) und eine bewegliche Bremsspannvorrichtung (8), durch eine Antriebsvorrichtung (9), eine Bremsvorrichtung (12), durch einen Drehmomentanzeiger (16) unt? durch einen Rechner (27).