DE3626627C2 - Befestiger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bohrenden und gewindebildenden Befestiger gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, wobei der Befestiger mit Hilfe eines Paares von Gesenken hergestellt wird.

Verschiedene Gewinde aufweisende Befestiger der selbstbohrenden und ein Gewinde ausbildenden Art sind bekannt, von denen einige insbeson­ dere mittels eines Walzvorganges hergestellt werden, während andere durch ein Schmieden bzw. Warmverformen hergestellt werden, wobei ein Paar angepaßter Preßwerkzeuge bzw. Gesenke verwendet wird. Ein typisches Beispiel eines derartigen Befestigers, der vorzugsweise mit Hilfe eines Warmverformungsverfahrens hergestellt ist, ist in der US-PS 3 395 603 beschrieben. Darin ist eine bohrende und gewindeformende Schraube mit einem mit einem Gewinde versehenen Schaft und einem Führungs­ ende offenbart, dessen Hauptachse leicht ballig und dessen Nebenachse zur Bohrspitze hin ganz leicht zunehmend ist. Die Spannut wird durch ebene Flächenabschnitte gebildet, so daß die Spannut nicht kantenfrei ist. Sowohl die Haupt- als auch die Nebenachse zeigen keine Pro­ gression von der Bohrspitze in Richtung des der Bohrspitze gegenüber­ liegenden Endes des Führungsendes.

Derartige Befestiger haben einen breiten Anwendungsbereich gefunden, da sie einfach zu verwenden sind, wobei kein Verbohren der Konstruk­ tion erforderlich ist, an welcher er angeordnet werden soll. Befestiger dieser Art sind auch mittels Massenproduktionsverfahren leicht herstell­ bar. Die zur Herstellung erforderlichen Gesenke verschleißen jedoch relativ schnell.

In der GB 13 16 857 ist eine selbstbohrende Schraube mit einem Kopf, mit einem mit Gewinde versehenen Schaft und einem zylindrischen und daran sich anschließenden abgestuften kegelförmigen Bereich mit zwei gegenüberliegenden Spannuten beschrieben, an die sich gegenüberliegende Bereiche anschließen, die außen durch ebene Flächen und zwei Über­ gangskanten gebildet werden. Die Stege zwischen den Spannuten weisen im wesentlichen keine bogenförmigen Flächen auf. Die kegelförmi­ gen Formen des Führungsendes sind für beide Achsen verwirklicht.

Neuerdings besteht eine Nachfrage nach selbstbohrenden Befestigern, die aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, nichtrostendem Stahl oder metal­ lischen Legierungen herzustellen sind, welche eine solche Härte aufwei­ sen, die diejenige bei normaler Anforderung übersteigt. In einigen Fällen wurde gefunden, daß die für die Herstellung einer Bohrerspitze an diesen Befestigern verwendeten Gesenke einem vorzeitigen Bruch oder Verschleiß unterliegen, wenn diese härteren Materialien eingesetzt wer­ den. Es wird angenommen, daß die den normalen Spitzenschmiedematri­ zen zugeordneten Spannungen das härtere Material des gestauchten Rohlings einschließen, der während des Spitzenschmiedevorganges be­ arbeitet wird, wobei dann der Einschluß des Rohmaterials und sein anschließendes Fließen übermäßige Spannungen in dem Gesenk erzeugen, so daß in manchen Fällen ein vorzeitiger Gesenkbruch verursacht wird.

In dem weiteren Anwendungsbereich von selbstbohrenden und Gewinde formenden Befestigern bestand ebenfalls eine Forderung, die Bohrzeit des Befestigers herabzusetzen. Während bestehende Spitzenausbildungen, welche zwei Nuten enthalten, eine zufriedenstellende Bohrzeit bei den meisten Anwendungen schaffen, wurde gefunden, daß sie keinen aus­ reichenden Spielraum für den Spanabfluß aufweisen, um ausgebohrtes Material aus dem sich ergebenden Loch zu entfernen und somit die Bohrzeit herabzusetzen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn mehr­ schichtige Anordnungen ähnlicher oder nicht ähnlicher Materialien zu bearbeiten sind. Ein solches Versagen, bei welchem ausgebohrtes Material nicht entfernt wird, kann ein Binden bzw. Haften zwischen der Spitze und der Oberfläche des gebohrten Loches verursachen, woraus sich eine übermäßige Wärmeerzeugung und hieraus resultierende langsamere Bohr­ zeiten ergeben.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, einen bohrenden und gewindebildenden Befestiger mit einer solchen Geometrie im Bereich seines Führungsendes anzugeben, mit der durch eine gleichmäßige und kontinuierliche Spanausbildung und -abführung eine höhere Schnittge­ schwindigkeit erzielbar ist, wobei der Befestiger mittels Spitzenformgesen­ ke hoher Lebensdauer hergestellt wird.

Dieses Ziel wird mit einem bohrenden und gewindebildenden Befestiger mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 erreicht.

Ein weiteres Ziel ist ein bohrender und gewindebildender Befestiger, bei welchem ein größerer Spielraum zum Austreten von Bohrspänen in dem sich ergebenden gebohrten Loch während des Bohrvorganges geschaffen wird.

Danach wird ein bohrender und gewindebildender Befestiger geschaffen, der einen mit Gewinde versehenen Schaft und ein Führungsende auf­ weist, wobei das Führungsende eine große und eine kleine Querachse aufweist, die sich in der Längsachse des Befestigers schneiden. Ein Paar Nuten, die sich longitudinal über das Führungsende erstrecken, dienen dazu, ein Paar Schneidflächen zu bilden, welche im Querschnitt die Hauptachse bestimmen. Ein Paar Stege, die mit der Längsachse des Schaftes konzentrisch sind, sind je von einer bogenförmigen Fläche gebildet, die sich auswärts erstreckt, um die kleine Achse in ihrem radialen Ausmaß in jedem Querschnitt des Führungsendes festzulegen. Eine im wesentlichen keilförmige Schneidspitze ist an dem Endabschnitt des Führungsendes ausgebildet. Die kleine Achse nimmt zu, begin­ nend neben der Schneidspitze bis zu einem von der Schneidspitze ent­ fernten Punkt, um somit einen winkligen Abschnitt des Führungsendes zu bilden, dessen longitudinale Außenfläche mit der Längsachse des Befesti­ gers jeweils einen Winkel bildet.

Im engeren Sinn sind die Schneidflächen über einen größeren Abschnitt des eckigen bzw. winkelförmigen Abschnittes des Führungsendes im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet.

Ein Paar angepaßter Matrizen bzw. Gesenke ist ebenfalls vorgesehen, um die obige Struktur in einem Schmiedeverfahren zu formen, wobei die Innenfläche der Gesenke im wesentlichen mit der oben erläuterten Kon­ figuration übereinstimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Abschnittes eines bohrenden und gewinde­ bildenden Befestigers;

Fig. 2 den Befestigerabschnitt nach Fig. 1, um 90° gedreht;

Fig. 3 eine Endansicht des Befestigers nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 3, wobei Ein­ zelheiten der äußeren Umfangsausbildung des Befestigers nach Fig. 1 bis 3 in diesem Abschnitt gezeigt sind;

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V in Fig. 3;

Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie VI-VI in Fig. 3;

Fig. 7 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 2, wobei der gesamte Befestiger nach Fig. 1 bis 3 während des Bohrvorganges gezeigt ist;

Fig. 8 eine Teilansicht des Befestigers nach Fig. 7, welcher während des Bohrvorganges um 90° gedreht ist;

Fig. 9 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform des Befestigers nach Fig. 7 und 8; und

Fig. 10 perspektivisch ein Gesenk, welches zu dem Gesenksatz gehört, um den Befestiger nach Fig. 1 bis 9 herzustellen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf Fig. 1 bis 3 ist ein bohrender und gewindebildender Befestiger 10 mit einem Schaft 12 gezeigt, welcher ein durchgehendes Gewinde 14 und ein Führungsende 16 trägt. Der Befestiger 10 ist im wesentlichen um die Längsachse des Schaftes 12 symmetrisch und weist eine große Querachse X-X und eine kleine Querachse Y-Y auf, die sich in der Längsachse schneiden. Ein Paar Nuten 18 und 20 ist in dem Führungsende 16 ausgebildet; diese Nuten erstrecken sich longitudinal über die Länge des Führungsendes, um ein Paar Schneidflächen 22, 24 zu bilden, die sich längs der Haupt­ achse X erstrecken.

Jede Schneidfläche 22 und 24 bestimmt eine Schneidkante 26, 28, die im allgemeinen die Länge der Hauptachse X des Befestigers in jedem Quer­ schnittsbereich bestimmt und im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Befestigers läuft und in einem winkligen Abschnitt 30, 32 endet. Jeder der als Schneidkante ausgebildeten winkligen Abschnitte 30 und 32 endet in einer keilartigen Schneidspitze 34. Die Schneidspitze ist zum anfänglichen Eintreten in die Metalloberfläche vorgesehen, um eine Führung für die Schneidkanten 30, 32, 26 und 28 zu schaffen.

Ein Paar bogenförmiger Flächen 36 und 38 erstreckt sich längs der Länge des Führungsendes 16, wobei die Flächen 36, 38 jeweils in einer winkelförmigen Fläche 40 bzw. 42 enden, die sich zu der Längsachse des Befestigers erstrecken, um an die Schneidspitze 34 anzugrenzen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 bis 6 sei hervorgehoben, daß, wenn der Querschnitt des Führungsendes 16 von der Schneidspitze 34 zu dem mit Gewinde versehenen Schaft 12 fortschreitet, die Hauptachse X im we­ sentlichen konstant bleibt, während die kleinere Achse Y zunimmt und sich der Länge der Hauptachse X nähert, jedoch über die Länge des Führungsendes 16 kleiner bleibt.

Der Konus des Führungsendes 16 erstreckt sich von der minimalen Abmessung M nach Fig. 2 und 3 zu einer maximalen Abmessung W, die etwas geringer als die Abmessung der X-Achse in diesem Punkt ist. Die minimale Abmessung M liegt im Bereich von 20 bis 50% der Abmessung W, und der Konus erstreckt sich im allgemeinen über eine Länge L, welche in dem Bereich zwischen 75 und 95% des Führungs­ endes 16 liegt.

In jedem der Abschnitte nach Fig. 4 bis 6 ist erkennbar, daß jede der bogenförmigen Oberflächen 36, 38 mit einer Schneidfläche 22 oder 24 über eine konkave Fläche 44, 46 verbunden ist, wobei die konkave Oberfläche den Boden der Nuten 18 oder 20 über die Länge des Füh­ rungsendes 16 bildet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 ist ein Befestiger 10 derart gezeigt, wie er unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 beschrieben ist, wobei ein Sechskantkopf 50 zum Antreiben des Befestigers vorgesehen ist. Der Befestiger 10 ist in seiner Bohrposition gezeigt, die er in dem Werkstück W fortgesetzt hat, um eine Öffnung H zu bilden, und zwar durch Rota­ tion während des noch nicht vollständigen Bohrvorganges. Wenn der Befestiger 10 sich zu der in Fig. 7 gezeigten Position dreht, ist ein wesentlicher Raum zwischen dem Befestiger und der Öffnung H für das Material geschaffen, das sich in die Nuten 18 und 20 bewegt und danach während des Bohrvorganges aus der Öffnung entfernt werden muß. Das Bohren selbst erfolgt unter Einwirkung der Schneidkanten 26, 28 und 30, 32 des Befestigers 10, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich dem Befestiger nach Fig. 1 bis 8 gezeigt. Der Befestiger 10a nach Fig. 9 ist mit einem Gewinde 14a versehen, das sich abwärts auf dem Füh­ rungsende 16a erstreckt, wobei der Befestiger ansonsten gemäß Fig. 1 bis 8 ausgebildet ist.

In Fig. 10 ist ein Gesenk 48 gezeigt, das so konstruiert ist, daß der Befestiger nach Fig. 1 bis 9 mittels eines Preß- bzw. Schmiedeverfahrens ausgebildet werden kann. Das Gesenk 48 ist ein Gesenkteil eines Paares oder eines Satzes von Gesenken, die ähnlich konstruiert sind und dann, wenn sie unter großem Druck zusammengepreßt werden, das Führungs­ ende 16 des Befestigers 10 formen können.

Mit dem oben erläuterten Befestiger ist die gestellte Aufgabe gelöst, da sich die ergebende Form der Spitzenpreßgesenke, die ver­ wendet werden, um den elliptischen Querschnitt zu bilden, das über­ schüssige gestauchte Rohmaterial drückt, um natürlicher und leichter aus der Spitzengesenkkontur zu fließen, so daß die sich ergebenden Spreng­ spannungen herabgesetzt werden, welche das Kompaktieren von Material während des Verformungsvorganges begleiten. Auch sind durch Ausbilden der Schneidflächen 22 und 24 dergestalt, daß sie die bogenförmigen Flächen 36 und 38 der Stege an den konkaven Flächen 44 und 46 treffen, in der Gesenkstruktur keine scharfen Ränder mehr vorhanden, die zu einem Ausfall führen könnten. Das ellipsenförmige Reduzieren des Querschnittsbereiches gestattet ebenfalls eine größere Materialdicke in den Gesenken an dem Punkt größten Druckes, welches das Gesenk verstärkt und somit die Gefahr eines Bruches reduziert.

Wie aus Fig. 7 und 8 erkennbar ist, erreicht die neue Ausbildung nahe­ zu 360° Raum für das Entfernen von Spänen und Material. Da die Endpunkte der Hauptachse X, des elliptischen Querschnitts und die Schneidkante der Spitze die einzigen Punkte sind, die mit dem zu bohrenden Material in Kontakt sind, ist die Möglichkeit reduziert, daß sich gebohrtes Material mit der Bohrspitze verbindet bzw. an dieser anhaftet und sich daraus ein langsameres Bohren ergibt.

Der Befestiger 10 schafft demzufolge eine Verbesserung über bekannte geschmiedete bohrende und gewindebildende Befestiger. Seine Ausbildung ist vorteilhaft bei solchen Anwendungsbereichen, bei welchen Stähle hohen Kohlenstoffgehaltes und nichtrostender Stahl für die Herstellung derartiger Befestiger verwendet werden.

Claims (7)

1. Bohrender und gewindebildender Befestiger (10) mit einem mit Gewinde (14) versehenen Schaft (12) und einem Führungsende (16), welches im Querschnitt eine große (X) und eine kleine Querachse (Y) aufweist, die sich in der Längsachse des Befestigers (10) schneiden, wobei ein Paar Nuten (18, 20) vorgesehen ist, die sich longitudinal über die Länge des Führungsendes (16) erstrecken, um ein Paar Schneidkanten (26, 28) zu bilden, welche die große Achse (X) begren­ zen, ein Paar Stege konzentrisch mit der Längsachse des Schaftes vorgesehen ist, die jeweils von einer bogenförmigen Oberfläche (36, 38) gebildet sind, und eine im wesentlichen keilförmig ausgebildete Schneidspitze (34) an dem Endabschnitt des Führungsendes (16) vorgesehen ist, wobei jede sich auswärts erstreckende bogenförmige Oberfläche (36, 38) die kleine Achse (Y) in ihrem radialen Ausmaß in jedem Querschnittsbereich des Führungsendes (16) festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) jede bogenförmige Oberfläche (36, 38) über jeweils eine konkave Flä­ che (44, 46) in eine Schneidfläche (22, 24) übergeht, ohne dabei scharfe Ränder zu schaffen, wobei die konkave Fläche jeweils der Boden der jeweiligen Nut (18, 20) über die Länge des Führungsendes (16) ist;
• b) die kleine Achse (Y) zunimmt, begin­ nend neben der Schneidspitze in Richtung auf die der Schneid­ spitze abgewandte Seite des Führungsendes (16), um so einen winkelförmigen Abschnitt des Führungsendes (16) zu schaffen, dessen longitudinale Außenfläche jeweils einen Winkel mit der Längsachse des Befestigers (10) bildet; und
• c) die große Achse (X) über die Länge des Führungsendes (16) im wesentlichen konstant bleibt.

2. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidflächen (26, 28) über einen größeren Abschnitt des winkligen Abschnittes des Führungsendes (16) im wesentlichen parallel zuein­ ander angeordnet sind.

3. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg von einer konvexen bogenförmigen Fläche (36, 38) gebildet ist, die sich von dem äußeren Rand einer der Schneidkanten (26, 28) zu einer konkaven Fläche (44, 46) ähnlichen Durchmessers erstreckt, welche zwischen dem Steg und dem Innenrand der anderen Schneid­ fläche ausgebildet ist und die beiden miteinander verbindet.

4. Befestiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg von einer konvexen bogenförmigen Oberfläche (36, 38) gebildet ist, die sich von dem äußeren Rand einer der Schneidflächen (22, 24) zu einer konkaven Oberfläche (44, 46) kleineren Durchmessers erstreckt, welche zwischen dem Steg und dem Innenrand der ande­ ren Schneidfläche ausgebildet ist und die beiden miteinander ver­ bindet.

5. Befestiger nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Abmessung der kleinen Achse (Y) in dem Bereich von 20- 50% der maximalen Abmessung dieser kleinen Achse (Y) liegt.

6. Befestiger nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des winkligen Abschnittes des Führungsendes (16) in dem Bereich zwischen 75-95% des Führungsendes liegt.

7. Befestiger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Achse (Y) in linearer Progression zunimmt.