DE3404118C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen von Muttern, insbesondere Schweiß-, Niet- oder Stanzmuttern, an einer Tafel, einem Blech od. dgl., bei dem auf die der Tafel abgewandte Stirnseite der Mutter eine Anpreßkraft ausgeübt wird und die angebrachten Muttern je nach Einsatzzweck normale oder selbstsichernde Gewindeeigenschaften haben sollen und bei dem zum Erzeugen der selbstsichernden Gewindeeigenschaften ein Randbereich der Gewindebohrung an der der Anpreßkraft ausgesetzten Stirnseite der Mutter unter der Wirkung der Anpreßkraft, das Gewinde verengend, nach innen verformt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie die Muttern selbst.

Zu den im vorliegenden Zusammenhang angesprochenen Muttern gehören insbesondere Niet- und Stanzmuttern, aber auch Schweißmuttern. Ein Beispiel für sowohl eine Niet- als auch Stanzmutter wird in der DE-PS 12 53 521 dargestellt und beschrieben; diese Mutter wird auch als "UP"-Mutter (Universal Pierce Nut) bezeichnet. Ein weiteres Beispiel für eine im Rahmen der Erfindung zu verwendende Stanzmutter ist die sogenannte "HS"-Mutter (Hi Stress Pierce Nut). Schließlich gehören hierzu auch noch die sogenannte "TM"-Mutter (Thick metal Nut) sowie die "BUP"-Mutter, die eine Variante der "UP"-Mutter darstellt.

Lösbare Schraubenverbindungen müssen häufig neben den Betriebslasten auch noch Kräfte aus Vibrationen in einer oder mehreren Achsen aufnehmen. Diese Kräfte wirken sich infolge Passungsrost entweder verkeilend auf die verbindenden Gewindeteile aus, oder aber sie erzeugen, bedingt durch die Vibrationsmassenkräfte, ein Losdrehmoment, welches ein Lösen der Gewindeteile der Mutter und/oder der Schraube zur Folge hat.

Die Gefahr eines Losdrehens der ineinander bzw. miteinander verschraubten Teile besteht insbesondere bei Rotationsmomenten aus wechselnden Verbindungslasten und mehrachsigen Schwingungsbewegungen. Sehr häufig tritt das bei dünnwandigen, mittels Schraube und Mutter verbundenen Bauelementen auf, da sich hier wechselnde Betriebslasten und Schwingungen zu besonders ungünstigen Losdrehmomenten entwickeln. Gewindeverbindungen, die sich selbständig und unbeabsichtigt lösen, stellen neben allen anderen schädlichen Auswirkungen hauptsächlich ein erhöhtes Schadens- und Unfallrisiko dar, weil beispielsweise bei stationär angeordneten Maschinen, wie Waschmaschinen, durch Lösen von Verbindungselementen Schaden durch Undichtigkeit entstehen kann.

Damit ein selbständiges Lösen der miteinander verschraubten Teile erschwert oder gar unmöglich wird, sind kraftschlüssige Sicherungen bekannt, die durch die nach dem Festziehen der Verbindungselemente wirkende Reaktionskraft der verbundenen Teile ein durch das vorhandene Reibmoment zwischen den Gewindeteilen der Schraube und der Mutter selbst bzw. zwischen einem der Gewindeteile und einem der verbundenen Teile hervorgerufenes Lösen ausschließen (vgl. DE-OS 30 11 957). Kraftschlüssige Gewindesicherungen bieten beim gleichmäßigen Einhalten der Montagebedingungen einen guten Schutz. Nachteilig ist jedoch, daß sie im Anlieferungszustand nicht mehr lehrenhaltig sind, was sich einschränkend auf die Belastbarkeit auswirkt, die beispielsweise beim Wareneingang immer kontrolliert wird.

Aus der GB-PS 7 06 987 ist es bekannt, die beim Anbringen von Muttern an einem Blech ohnehin erforderliche Anpreßkraft für eine Gewindeverformung des Mutterngewindes zu benutzen, um diesem erst beim Anbringen selbstsichernde Eigenschaften zu geben. Dabei wird eine Mutter verwendet, die einen zur Gewindebohrung der Mutter symmetrischen Ansatz aufweist, der mindestens mit einem Gewindegang versehen ist und der durch die Anpreßkraft, das Gewinde verengend, nach innen verformt wird. Das Anbringen der Muttern kann so vorgenommen werden, daß die angebrachten Muttern je nach Einsatzzweck normale oder aber selbstsichernde Gewindeeigenschaften haben. Dies wird durch wahlweise Verwendung von Muttern ohne Ansatz bzw. Muttern mit Ansatz erreicht, die mit der gleichen Vorrichtung angebracht werden.

Abgesehen davon, daß im bekannten Falle die selbstsichernden Muttern nicht mit der gleichen Wirkung wiederverwendbar sind, ist es erforderlich, für die jeweiligen Einsatzzwecke verschiedene Sorten von Muttern zur Verfügung zu haben bzw. auf Lager zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Anbringen von Muttern an einer Tafel, einem Blech od. dgl. und eine Mutter selbst vorzuschlagen, bei denen nur eine Sorte Muttern wahlweise sichernd oder nicht sichernd, je nach gewünschter Eigenschaft, zum Einsatz gelangt.

Ausgehend von dem aus der GB-PS 7 06 987 bekannten Gedanken, den beim Anbringen einer Mutter benötigten Befestigungsschritt für eine Gewindeverformung des Mutterngewindes zu nutzen, wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für beide Einsatzzwecke die gleichen Muttern mit normalen Gewindeeigenschaften verwendet werden und die Anpreßkraft beim Anbringen wahlweise so in die jeweilige Mutter eingeleitet wird, daß keine Verformung des stirnseitigen Randbereichs der Gewindebohrung erfolgt, wenn die angebrachte Mutter normale Gewindeeigenschaften haben soll, bzw. daß zum Erzeugen der selbstsichernden Gewindeeigenschaften in diesem Randbereich eine kontrollierte Materialverdrängung quer zur Gewindebohrung hervorgerufen wird, durch welche die äußeren Gewindegänge wenigstens in Teilbereichen ihres Umfanges und am stärksten nahe der Stirnseite der Mutter zur Mittelachse der Gewindebohrung hin verformt werden.

Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß je nach Einsatzzweck die Mutter ihre normalen Gewindeeigenschaften behält oder daß die zum Befestigen der Mutter benötigte Anpreßkraft zusätzlich für eine gezielte Deformation in genau vorherbestimmten Mutternbereichen genutzt wird, wodurch die eingebaute Mutter dann im entsprechenden Gewindebereich eine Formgebung erhält, die eine selbstsichernde Aufnahme einer Schraube bewirkt, d. h. beim Einschrauben der Schrauben ein beispielsweise um ¹/₆ höheres Anschraubmoment für die erfindungsgemäß gesicherte Gewindeverbindung erzeugt werden muß als bei einer nichtgesicherten Gewindeverbindung.

Durch die Erfindung wird ausschließlich eine Sorte Muttern benötigt und somit eine aufwendige Lagerhaltung unterschiedlicher Mutternsorten mit den aufwendigeren Rüstzeiten vermieden, die beim Stand der Technik zur Vorbereitung und zum Zusammenbau der Verbindungen erforderlich sind. Außerdem besitzen bei der Erfindung die gegebenenfalls verformten Gewindegänge noch elastische Eigenschaften, da die Querverformung zwar mit plastischer Verformung erfolgt, die sich jedoch dann elastisch verhält, so daß die Muttern als selbstsichernde Muttern wiederverwendbar sind.

Vorzugsweise wird die Anpreßkraft durch einen Stößel aufgebracht bzw. auf die Mutter übertragen, der dann die zumindest einen Teil der Preßfläche bildende Schulternfläche der Mutter erst nach beendeter Bildung des selbstsichernden Abschnittes des Gewindes durch die Materialverdrängung berührt. Dadurch wird sichergestellt, daß die eigentliche Befestigung der Mutter erst beginnt, wenn die gewünschte Verformung des selbstsichernden Abschnitts beendet worden ist, da erst dann die Anpreßkraft über die Schulterfläche derart auf den Befestigungsteil der Mutter übertragen wird, daß in der gewünschten Weise gestanzt, vernietet bzw. verschweißt wird. Dabei ist die Materialart der Mutter nicht ohne Bedeutung, so daß in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Ausmaß der Materialverdrängung, d. h. hier also der Beginn der Verformung im Verhältnis zum endgültigen Berühren der Schulterfläche durch den Stößel in Abhängigkeit vom Werkstoff der Mutter gewählt wird. Der Weg des Stößels von seiner ersten Berührung mit der Mutter bis zu seinem Berühren ihrer Schulterfläche stellt dabei die maßgebliche Verformungsstrecke dar, die der Stößel zurücklegt. Da das Mutternmaterial einerseits gewisse Federeigenschaften besitzt, andererseits aber auch unterschiedlich widerstandsfähig ist, ergibt sich für diese Verformungsstrecke des Stößels für verschiedene Materialarten eine unterschiedliche Länge, die durch geeignete Formgebung des Stößels sowie der diesem zugekehrten Mutternbereiche einzustellen ist.

Die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung anzubringenden Muttern weisen daher vorzugsweise, wie aus der GB-PS 7 06 987 bekannt, einen Befestigungsteil und einen in Richtung der Mutternachse daran anschließenden Grundkörper auf, der auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Mutter gemeinsam mit Schulterflächen eine Preßfläche bildet, die teilweise kraftumlenkend ausgebildet ist. Die erfindungsgemäß zu verwendende Mutter hat somit ein Profil, das einerseits bei entsprechender Ausbildung des Stößels dessen Einwirkung auf bestimmte Bereiche des Gewindes zum Zwecke der Verformung zuläßt, bevor der Stößel die zum Befestigen der Mutter erforderlichen Kräfte über die Schulterfläche einleitet, andererseits bei planebener Ausbildung der Stößelpreßfläche erlaubt, erfindungsgemäß die gleichen Muttern zu befestigen, ohne selbstsichernde Eigenschaften zu erhalten. Dies bedeutet für die Praxis die schon erwähnte enorme Vereinfachung, daß nunmehr nur noch eine Mutternart erforderlich ist, die sich sowohl für eine selbstsichernde Befestigung als auch eine nicht sichernde Befestigung eignet, was nicht nur die Lagerhaltung vereinfacht sondern auch die Flexibilität im gezielten Einsatz erhöht. Bei der bekannten Mutter (GB-PS 7 06 987) besteht die teilweise kraftumlenkende Ausbildung der Preßfläche aus einem Ansatz an der der Anpreßkraft ausgesetzten Stirnseite, der sich symmetrisch zur Gewindebohrung und von dieser durchdrungen mit schräger Außenfläche über die Schulterfläche der Mutter erhebt, mindestens einen Gewindegang aufnimmt und unter der Wirkung der Anpreßkraft nach innen verformbar ist.

Nach der Erfindung weist der Ansatz eine in der Draufsicht im wesentlichen rechteckige Grundform mit konstantem Trapezquerschnitt auf. Bei einer rechteckigen Mutter reicht dieser Ansatz vorzugsweise quer über die gesamte Breite, und die schrägen Außenflächen verlaufen unter einem Winkel von ungefähr 10° bis 30° zur Vertikalen; er muß größer sein als der Selbsthemmungs- oder Reibungswinkel. Der so erreichte Mutternquerschnitt ermöglicht nicht nur ein leichteres Zuführen der Mutter, da sich der Ansatz als Zuführungshilfe für einen Formschluß durch eine Bereitstellungsvorrichtung eignet, sondern er bietet besondere Formflächen an, mit denen sich die von außen einwirkende Anpreßkraft zum Beeinflussen der Form zumindest der obersten Gewindegänge gut aufteilen läßt. Eine in das verformte Gewinde eingeschraubte Schraube verbleibt ohne weitere Zusatzteile in einer gesicherten Lage.

Eine solche Mutter weist also durch ihre besondere Ausbildung an der dem Blech abgekehrten Seite eine Form auf, die unter der Wirkung des druckbeaufschlagten Stößels bzw. der beim Schweißen mittels der Elektrode erreichten Werkstoffaufweichung oder auch der beim Nieten aufzubringenden Kraft eine Formänderung erfährt, welche sich als Gewindesicherung auswirkt. Diese Formänderung läßt sich je nach Art und Weise des möglichen Befestigungsvorganges wählen, ohne daß zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich sind. Es wirkt in allen Fällen eine ausreichende Anpreßkraft auf die Stirnseite der Mutter ein, die der Anlagefläche der Mutter am Blechmaterial gegenüberliegt, also auf die beidseits des trapezförmigen Ansatzes vorhandenen Oberseiten der Schulterflächen der Mutter. Die von diesen Schulterflächen aufzunehmenden Preßkräfte erzeugen Flächendrücke, die bei dicken Blechen an den zulässigen Grenzwerten des Mutternwerkstoffes liegen.

Die beim Aufbringen der Anpreßkraft durch die aufgeteilten Wirkkomponenten hervorgerufene Materialverdrängung innerhalb des Sicherungsabschnittes der Mutter ergibt eine Gewindeform, deren aus der Einschraubrichtung gesehener Flankendurchmesser in den letzten zwei Gewindegängen kegelmantelförmig nach innen läuft. Die erreichten Maße sind kleiner als die zulässigen Kleinstmaße der für die Gewindeverbindung vorgesehenen Schraube. Die Gewindegänge selbst sind als solche jedoch nicht verformt; sie erhalten vielmehr in der Radialebene eine Wellenform mit Federeffekt, d. h. sie richten sich beim Einschrauben der Schraube in Übereinstimmung mit dem übrigen Gewinde aus und stellen sich dann allerdings beim Herausschrauben der Schraube wieder in die nach innen geneigte Position zurück.

Andererseits läßt, wie bereits erwähnt, der Mutternquerschnitt das Anbringen an einem Blech auch ohne Gewindeverformung zu; in diesem Fall wird die zum Befestigen benötigte Anpreßkraft ausschließlich über die ebene obere Fläche des Trapezansatzes eingeleitet. Die Anpreßkraft geht dann senkrecht in den Mutternkörper; seitliche Wirkkomponenten dieser Kraft entstehen dabei nicht.

Bei einer im Grundaufbau aus der US-PS 20 26 757 bekannten Vorrichtung zum Anbringen einer derartigen Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere einem Blech, die einen druckbeaufschlagten Stößel und eine gegenüberliegend unterhalb des Bleches angeordnete Matrize aufweist, besitzt der Stößel an seiner Preßfläche eine Ausnehmung mit einer zur Mutter negativen Kontur. Erfindungsgemäß ist diese Stößelausnehmung im Querschnitt trapezförmig, und ihre schrägen Seitenwände sind von zwei Formschrägen mit nach innen vorstehenden Bereichen gebildet. Die Formschrägen weisen vorzugsweise zusätzliche Formhöcker auf. Es bietet sich auch eine Stößelausnehmung mit gegenüber der Höhe des Ansatzes größerer Tiefe an. Auf jeden Fall muß dabei durch die Kontur bzw. Form der über den Ansatz der Mutter greifenden Stößelausnehmung gewährleistet sein, daß die Anpreßkraft beim Kontakt der gegenüberliegenden, korrespondierenden Flächen verformend auf das Gewinde der Mutter einwirkt, beispielsweise durch zur Vertikalen unterschiedliche Winkel der Formschrägen der Stößelausnehmung und der schrägen Außenflächen des Ansatzes.

Ein in eine derartig mit einem Blech verbundene Mutter eingeschraubte Schraube erhält ohne weitere Sicherungsmaßnahmen einen selbstsicheren Sitz in dem teilweise verformten Gewinde der Mutter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete Stanzmutter vor dem Befestigen, positioniert in axialer Übereinstimmung mit einer Matrize auf einem Blech;

Fig. 2 eine Phase des Befestigungsvorganges mit einem Setzwerkzeug im unteren Totpunkt und der tief in das Blech eingeformten Stanzmutter nach Fig. 1;

Fig. 3 die befestigte Stanzmutter im einbaufertigen Bauteil aus Blechmaterial;

Fig. 4 eine unter Verwendung des Bauteils gemäß Fig. 3 hergestellte Schraubverbindung mit Sicherungseffekt;

Fig. 5 eine Einzelheit der Schraubverbindung gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Mutter;

Fig. 7 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung von Mutter und Stößel vor deren gegenseitiger Berührung; und

Fig. 8 die Erfindung am Beispiel einer Schweißmutter.

Die Erfindung wird zunächst am Beispiel einer Stanzmutter gemäß DE-PS 12 53 521 näher erläutert. Die mit 1 bezeichnete Mutter besitzt eine untere, sich an das zu verbindende Blech 2 anlegende, ebene Bodenfläche 3 mit einem sich daran anschließenden hinterschnittenen Befestigungsabschnitt 4 mit Nuten 11, der in Mutternschultern 5 mit senkrecht zur Mutterachse verlaufenden Anlageflächen 10 übergeht. Die vieleckige, vorzugsweise rechteckige Mutter 1 der Breite B weist eine axial durch den Mutternkörper hindurchgehende Gewindebohrung 6 mit einem Gewinde 7 auf und erhält an der dem Blech 2 abgekehrten Seite der Mutterschultern 5 einen um das Maß der Höhe H erhabenen Ansatz 8, der als im Querschnitt trapezförmiger Vorsprung mit schrägen Außenflächen 9 ausgebildet ist, die an der Oberseite der Mutternschultern 5 in gleichgroße freie Schulterflächen 12 übergehen. Der Ansatz 8 liegt mit seinen schrägen Außenflächen 9 symmetrisch zur Gewindebohrung 6. Das Kleinstmaß der Breite am oberen Ende des Ansatzes 8 errechnet sich vorzugsweise in etwa aus dem Gewindeaußendurchmesser plus 1,5 × Gewindesteigung; z. B. beträgt dieses Maß für eine Mutter 1 mit einem Gewinde M 6 = 6 mm plus 1,5 × 1,0 mm = 7,5 mm. Die Höhe H des Ansatzes 8 beträgt vorzugsweise 1 bis 1,2 × Gewindesteigung, z. B. für M 6 mit einer Gewindesteigung von 1 mm maximal 1,2 mm.

Vor dem Befestigen liegt die Mutter 1 positioniert in axialer Übereinstimmung mit einer Matrize 13 auf dem Blech 2. Von oberhalb greift ein Stößel 14 mit einer dem im Querschnitt trapezförmigen Ansatz 8 der Mutter 1 angepaßten Stößelausnehmung 15 entsprechender Tiefe T über die Mutter 1 und legt sich mit seinen Formschrägen 16 und daran angebrachten zusätzlichen Formhöckern 17 gegen die gegenüberliegenden schrägen Außenflächen 9 der Mutter 1. Die Tiefe T der Formschrägen 16 des Stößels 14 ist größer als die Höhe H der schrägen Außenfläche 9 des Ansatzes 8. Damit wirkt die Haupteinpreßkraft im unteren Totpunkt des Werkzeuges über die freien Enden des Stößels 14 auf die freien Schulterflächen 12 der Mutter 1. Der Luftspalt zwischen dem Stößel 14 und der freien Stirnfläche des Ansatzes 8 ist auch vorhanden, wenn das Werkzeug durch den unteren Totpunkt läuft.

Dieser Sachverhalt geht besonders gut aus Fig. 7 hervor, in der zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis für die Maßnahmen nach der Erfindung der Zustand vor dem Befestigen der Mutter 1 an einer Tafel im Detail mit Winkel- und Abmessungsangaben sowie mit den Ausgangsmaßnahmen des Sicherungsabschnittes der Mutter 1 und den dazugehörenden des Stößels 14 dargestellt ist. Aus dem dortigen Schnitt A-A wird außerdem ersichtlich, wie gegebenenfalls die Formhöcker 17 aussehen und wie sie angeordnet werden können. Die schraffierte Darstellung im linken Teil des formgebenden Abschnittes des Stößels 14 soll verdeutlichen, daß der Winkel α₁ um zweimal Δα₁ erweitert werden kann, wenn es das Fließverhalten des Mutternwerkstoffes erforderlich macht. Die Winkelsumme aus α₁ und zweimal Δα₁ wird so begrenzt, daß der Schnittpunkt S₁ der Winkelschenkel mit der Stößelpreßfläche senkrecht über dem Schnittpunkt S₂ der schrägen Außenfläche 9 mit der Schulterfläche 12 liegt.

Die Formhöcker 17 gemäß dem Schnitt A-A sind zur Herstellung der Sicherungseigenschaften des Gewindes 7 nicht in jedem Fall erforderlich, sondern nur bei Werkstoffen mit guten Fließeigenschaften. Der größere Anteil der gewindesichernden Eigenschaften wird durch eine schiebende Verformung zur Mutternachse hin durch die entsprechenden Formschrägen 16 des Stößels 14 erreicht.

Wichtig ist, daß die Preßfläche des Stößels 14 zum Zwecke der Mutternbefestigung auf die Schulterflächen 12 der Mutter 1 wirkt. Dazu trägt auch bei, wie deutlich aus Fig. 7 und Fig. 1 hervorgeht, daß der von den schrägen Außenflächen 9 des Ansatzes 8 eingeschlossene Winkel α₂ kleiner ist als der von den Formschrägen 16 der Stößelausnehmung 15 gebildete Winkel α₁. Außerdem ist die Tiefe h₁ der Stößelausnehmung 15 größer als die Höhe h₂ des Ansatzes 8. Aus den erwähnten, erfindungsgemäß unterschiedlich vorgesehenen Winkelschrägen und Abmessungen für den Ansatz 8 und die Stößelausnehmung 15 ergeben sich die gewünschten Maßänderungen in den letzten zwei Gewindegängen der Mutter 1 (siehe auch Fig. 5), die den gewünschten Sicherungseffekt gewährleisten.

In die Ausgangslage vor dem Befestigen ist die Mutter 1 durch bekannte und geeignete, dem erfindungsgemäßen Ansatz 8 angepaßte Sortier- und Fördereinheiten dem ebenfalls entsprechend angepaßten Werkzeug, d. h. Stößel 14 zugeführt worden. Auf jeden Fall ist gewährleistet, daß die Mutter 1 axial genau über der Matrize 13 steht und der Stanz- bzw. Nietabschnitt sich mit dem Durchbruch 18 der Matrize 13 deckt. Zwischen Mutter 1 und Matrize 13 befindet sich das an der Mutter 1 zu befestigende Blech 2.

Durch die Schließbewegung des Werkzeuges löst der Stößel 14 die Mutter 1 aus der Halteposition und treibt sie vertikal auf die Oberfläche des Bleches 2 zu. Unter dem Einfluß der Anpreßkraft F _st des Stößels 14 trennt sich infolge des mit dem Durchbruch 18 der Matrize 13 übereinstimmenden Stanzvierkantes der Mutter 1 ein Butzen 19 aus dem Blech 2 heraus (vgl. Fig. 2). Der Stanzvierkant entspricht der rechteckigen Bodenfläche 3 und dem sich daran anschließenden Befestigungsabschnitt 4 der Mutter 1. Beim Eintreiben der Mutter 1 in das Blech 2 haben die Formschrägen 16 des Stößels 14 über ihre Formhöcker 17 Kontakt mit den schrägen Außenflächen 9 des Ansatzes 8 der Mutter 1. Daraus leitet sich eine Aufteilung der Anpreßkraft F _st des Stößels 14 in die gemäß Fig. 1 angegebenen Aktionskräfte F _stN sowie F _stQ ab. Diese verursachen im weiteren Verlaufe des Befestigens am Ansatz 8 der Mutter 1 eine Formänderung der Gewindemaße/Gewindeform.

Die Endphase des Befestigungsvorganges ist in Fig. 2 dargestellt. Der Stößel 14 durchläuft den unteren Totpunkt und hat infolge der Kraftwirkung die Mutter 1 so tief in das Blech 2 eingeformt, daß die Anlageflächen 10 der Mutternschultern 5 formschlüssig auf dem Blech 2 aufliegen. Es wird ersichtlich, daß der Stößel 14 nicht nur über die Formschrägen 16 bzw. Formhöcker 17, sondern auch über die den oberen Schulterflächen 12 entsprechenden Preßflächen an der Mutter 1 anliegt. Matrizenhöcker 22 haben dabei das Blech 2 so verformt, daß ein entsprechendes Volumen des Blechmaterials in die Nuten 11 des hinterschnittenen Befestigungsabschnittes 4 der Mutter 1 eingedrungen ist.

Bedingt dadurch, daß der Stößel 14 der negativen Kontur der Mutter 1 an deren den Ansatz 8 aufweisenden Oberseite bis auf die Formhöcker 17 entspricht, lassen sich über die Preß- und Formfläche des Stößels 14 Teile der schrägen Außenflächen 9 des Ansatzes 8 so verformen, daß die Formhöcker 17 in den Ansatz 8 der Mutter 1 eindringen und die gewünschte Formänderung an den oberen beiden Gewindegängen erzielen. Diese Verformung ist bei jeder im Blech 2 eingestanzten Mutter 1 gleichen Typs gleich groß. Es ergibt sich eine außerordentlich hohe Umformkonstanz, die einen immer gleichen und ausreichenden Gewindesicherungseffekt sicherstellt. Es kommt nämlich im Verlaufe des Befestigens beim Durchgang durch den unteren, genau definierten Totpunkt des Stößels 14 zu einem vorbestimmbaren Formschluß zwischen Mutter 1 und Stößel 14.

Die Wahl entsprechender Formkanten und Winkel schließt ein Hängenbleiben des Stößels 14 an der Oberseite der Mutter 1 aus.

Eine auf diese Weise erreichte Befestigung zwischen der Mutter 1 und dem Blech 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Mutter 1 besitzt im Bereich des Ansatzes 8 eine veränderte Gewindeform. Der als FL _{s 0} und K _{s 0} angegebene Flanken- bzw. Kerndurchmesser entspricht dem Normalzustand des Gewindes 7, während der mit FL _{s 1} und K _{s 1} angegebene Flanken- bzw. Kerndurchmesser das Maß bzw. die Abweichung der veränderten Gewindeform verdeutlicht. Flanken- und Kerndurchmesser FL _{s 1} bzw. K _{s 1} liegen auf einem Kegelmantelsegment, wobei der Kegelwinkel ϕ° spitz in Einschraubrichtung zur Mittelachse 23 des Gewindes 7 ausläuft. Das bei der Formänderung verdrängte Material der Mutter 1 ist mit 24 gekennzeichnet.

Das Gewinde 7 einer solchen Mutter 1 ist im Anlieferungszustand lehrenhaltig, und es wird der Sicherungseffekt erst während des Verbindens mit dem Blech 2 erzielt. Dem Verarbeiter bietet sich somit die Möglichkeit, Bauteile mit Muttern 1 zu bestücken, die eine Gewindesicherung haben sollen, und Muttern 1, die eine Gewindesicherung nicht benötigen, durch einfachen Austausch des Stößels 14 anzubringen, ohne eine andere Mutter zu verwenden.

Bei einem später erfolgenden Zusammenbau des Bauteiles, das die Mutter 1 trägt, mit einem oder mehreren Teilen, welche mit Durchgangslöchern zur Aufnahme einer Schraube 25 versehen sind, werden gemäß Fig. 4 beim Eindringen der Schraube 25 in das Gewinde 7 der Mutter 1 die nach innen geneigten Bereiche der oberen Gewindegänge wieder zurückgetrieben. Dabei kommt es zu einem sehr intensiven Reibkontakt zwischen den Gewindegängen der Schraube 25 und der Mutter 1. Infolge der Elastizität des Muttern- und Schraubenwerkstoffes wirkt sich ein hoher Radialdruck auf die Gewindeflanken aus. Dieser Radialdruck stellt über den spezifischen Reibbeiwert µ eine ausgezeichnete Losdrehsicherung dar, die noch dadurch verstärkt wird, daß der Gewindeausgang an der Oberseite der hier als Ausführungsbeispiel angegebenen Stanzmutter keine Ansenkung besitzt. Das scharf auslaufende Gewindeende erzeugt dabei einen Verkeileffekt, der formschlüssig zusätzlich gegen ein mögliches Losdrehen wirkt. Eine auf diese Weise hergestellte Schraubverbindung (Fig. 4), beispielsweise mit einem Bauteil 26 zwischen der Mutter 1 mit dem Blech 2 und einer dem Schraubenkopf 27 der Schraube 25 vorgeschalteten Unterlegscheibe 28 gewährleistet somit ohne weitere Hilfsmaßnahme bzw. Zusatzteil den gewünschten Sicherungseffekt. Die in Fig. 5 dargestellte Einzelheit läßt deutlich das beidseitige Umfassen der Schraubengewindeflanken durch die Muttergewindeflanken in den beiden oberen Gewindegängen erkennen. Hierdurch wird ein Reibschluß erzeugt, der jeder Losdrehtendenz entgegenwirkt. Die beidseitige Anlage wird dadurch erreicht, daß durch das Eindrehen der Schraube 25 der zum Zwecke der Selbstsicherung verformte Gewindebereich der Mutter 1 wieder nach außen gedrückt wird.

In Fig. 8 wird schließlich eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung dargestellt, nämlich die Montagesituation, wie sie sich beim Anschweißen einer Schweißmutter 36 an eine Tafel 37 ergibt. Dabei wird eine Schweißelektrode 31 wie im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel quasi als auf- und abwärts bewegbarer, mit der Kraft F beaufschlagter Stößel ebenfalls mit einer Ausnehmung 32 versehen, deren Formschrägen 33 im selben Verhältnis gegenüber den schrägen Außenflächen 34 eines Ansatzes 35 der Schweißmutter 36 gestaltet und diesen zugeordnet sind, wie im zuvor beschriebenen Beispiel. Der wesentliche Unterschied besteht hier darin, daß die Schweißmutter 36 an ihrer dem Werkstück, an dem sie befestigt werden soll, im vorliegenden Fall der Tafel 37, zugekehrten Seite mit Schweißwarzen 38 versehen ist, die vorzugsweise als in sich geschlossener Schweißrand ausgebildet werden.

Das Gegenwerkzeug, also die Matrize, ist als feststehender Amboß eine zweite Schweißelektrode 39, die hohl ausgebildet ist, so daß sie Kühlmittel 41 aufnehmen kann, das über eine Leitung 42 zu- und über eine Leitung 43 abgeführt wird, und zwar vorzugsweise kontinuierlich, um eine gleichmäßige Kühlung zu erzielen.

Die bewegliche, die Stößelfunktion ausübende Schweißelektrode 31 darf bei dieser Ausführungsform nicht mit Formhöckern, sondern lediglich mit den Formschrägen 33 ausgerüstet werden, da im Moment der Berührung zwischen der Schweißmutter 36 und der Schweißelektrode 31 im Bereich der Formhöcker an der Schweißelektrode 31 eine derart starke Erwärmung aufträte, daß es zum Schmelzen von Teilen der Schweißmutter 36 sowie auch Bereichen der Schweißelektrode 31 käme. Im Falle der Herstellung einer selbstsichernden Schweißmutterverbindung verformt sich nur durch die Wirkung der ohnehin entstehenden Erwärmung der Schweißmutter 36 der Sicherungsabschnitt nach innen zur Gewindemittelachse hin in den durch die Ausbildung der Schrägen vorherbestimmbaren Grenzen. Selbstverständlich ist im Fall einer Schweißmutter 36 das Werkstück, d. h. im vorliegenden Fall die Tafel 37, koaxial zum Gewindedurchgang für den Schraubendurchtritt vorgelocht (s. Fig. 8, Bezugsziffer 44).

Die erfindungsgemäße Gewindesicherung erfolgt somit durch die Wirkung der sogenannten Spannmomente, die sich aus der Klemmwirkung infolge verformter Gewindegänge ergibt. Die verformten Gewindegänge werden durch den eingeschraubten Schraubenbolzen zurückverformt, wobei ein erheblich höherer Reibungsfaktor zwischen den Gewindegängen von Mutter und Schraube wirksam wird als bei normalem Durchgang. Das Elastizitätsverhalten des Mutternwerkstoffes bestimmt dabei die verbleibende Klemmkraft, die das vorerwähnte Spannmoment erzeugt.

Das Rückdrehmoment einer gesicherten Schraubenverbindung, auch als Prüfmoment bezeichnet, soll im Normalfall ca. 16% über dem Anziehdrehmoment einer nichtgesicherten Schraubverbindung liegen. Bei der erfindungsgemäß gesicherten Gewindeverbindung wird bereits ein um ¹/₆ höheres Anschraubmoment erreicht, als bei einer nichtgesicherten Gewindeverbindung.

Claims (13)

1. Verfahren zum Anbringen von Muttern, insbesondere Schweiß-, Niet- oder Stanzmuttern, an einer Tafel, einem Blech od. dgl., bei dem auf die der Tafel abgewandte Stirnseite der Mutter eine Anpreßkraft ausgeübt wird und die angebrachten Muttern je nach Einsatzzweck normale oder selbstsichernde Gewindeeigenschaften haben sollen und bei dem zum Erzeugen der selbstsichernden Gewindeeigenschaften ein Randbereich der Gewindebohrung an der der Anpreßkraft ausgesetzten Stirnseite der Mutter unter der Wirkung der Anpreßkraft, das Gewinde verengend, nach innen verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Einsatzzwecke die gleichen Muttern (1) mit normalen Gewindeeigenschaften verwendet werden und die Anpreßkraft (f _st ) beim Anbringen wahlweise so in die jeweilige Mutter (1) eingeleitet wird, daß keine Verformung des stirnseitigen Randbereichs der Gewindebohrung (6) erfolgt, wenn die angebrachte Mutter (1) normale Gewindeeigenschaften haben soll, bzw. daß zum Erzeugen der selbstsichernden Gewindeeigenschaften in diesem Randbereich eine kontrollierte Materialverdrängung (24) quer zur Gewindebohrung (6) hervorgerufen wird, durch welche die äußeren Gewindegänge wenigstens in Teilbereichen ihres Umfangs und am stärksten nahe der Stirnseite der Mutter (1) zur Mittelachse (23) der Gewindebohrung (6) hin verformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Materialverdrängung (24) abhängig vom Werkstoff der Muttern (1) festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Muttern (1) gleicher Gewindegröße die Materialverdrängung (24) unabhängig vom Werkstoff der Muttern (1) gleich groß gewählt wird.

4. Mutter zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Ansatz an der der Anpreßkraft ausgesetzten Stirnseite, der sich symmetrisch zur Gewindebohrung und von dieser durchdrungen mit schräger Außenfläche über eine Schulterfläche der Mutter erhebt, mindestens einen Gewindegang aufnimmt und unter der Wirkung der Anpreßkraft nach innen verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (8) eine in der Draufsicht im wesentlichen rechteckige Grundform mit konstantem Trapezquerschnitt aufweist.

5. Mutter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei rechteckiger Grundform der Mutter (1) der Ansatz (8) über deren ganze Breite (B) reicht.

6. Mutter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der schrägen Außenflächen (9) des Ansatzes (8) gegenüber der Mittelachse (23) der Gewindebohrung (6) etwa 10° bis 30° beträgt.

7. Mutter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Stanzmutter ausgebildet ist.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Mutter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit einem druckbeaufschlagten Stößel, dessen Preßfläche mit einer der stirnseitigen Kontur der Mutter angepaßten Stößelausnehmung versehen ist, und mit einer dem Stößel gegenüber auf der anderen Seite der Tafel angeordneten Matrize, dadurch gekennzeichnet, daß die Stößelausnehmung (15) im Querschnitt trapezförmig ist und ihre schrägen Wände von zwei Formschrägen (16) gebildet sind, welche zum Erzeugen der selbstsichernden Gewindeeigenschaften nach innen vorstehende, in den Ansatz (8) der Mutter (1) eindringende Bereiche aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschrägen (16) mit Formhöckern (17) versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschrägen (16) einen anderen Neigungswinkel als die schrägen Außenflächen (9) des Ansatzes (8) der Mutter (1) haben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von den beiden Formschrägen (16) eingeschlossene Winkel (a₁) stumpfer als der von den beiden schrägen Außenflächen (9) des Ansatzes (8) eingeschlossene Winkel (α₂) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Weite (a₁) der Stößelausnehmung (15) kleiner oder gleich der größten Breite (a₂) des Ansatzes (8) der Mutter (1) ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T, h₁) der Stößelausnehmung (15) größer als die Höhe (H, h₂) des Ansatzes (8) der Mutter (1) ist.