DE3929332A1 - Selbstformende schraube - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstformende Schraube mit einem zylindrischen Schaftabschnitt, einem daran angrenzenden Konus­ abschnitt und einem auf Schaft- und Konusabschnitt aufgebrachten Gewindegang.

Es sind bereits Schrauben, Selbstbohrschrauben, Gewindebohrer usw. bekanntgeworden, die aufgrund bestimmter Gewindeformen, Gewinde­ kerbungen, Gewindesteigungen und Schmiermittelbeschichtungen ver­ ringerte Einschraubmomente aufweisen. Dieser Effekt ist besonders bei dicken bzw. harten Werkstoffen erwünscht, z.B. bei durch Ver­ zinken korrosionsgeschützter Schrauben. Die bekannten Maßnahmen sind jedoch auch in Verbindung miteinander in bestimmten Anwen­ dungsfällen nicht ausreichend, so daß es teilweise zum Torsions­ bruch der Schraubteile kommt.

Aus der DE-PS 31 17 624 ist bereits eine gattungsgemäße Universalschraube bekanntgeworden, bei der der Gewindegang in einem an eine Schraubenspitze anschließenden Anfangs­ abschnitt bei gleichbleibender Höhe über mehrere Windungen einen kleineren Scheitelwinkel als im darauffolgenden Schaftabschnitt aufweist. Im Anfangsabschnitt kann der Scheitelwinkel 20° bis 30° betragen, wogegen er im Schaft­ abschnitt etwa 40° bis 60° hat. Infolgedessen ist das Ein­ schraubmoment für den Anfangsabschnitt und den sich daran anschließenden Schaftabschnitt der Schraube nicht beson­ ders hoch. Jedoch weist es insbesondere für den Anfangs­ abschnitt immer noch verbesserungswürdige Werte auf, weil die Gewindegangtiefe in Anfangsabschnitt und Hauptgewinde­ gang übereinstimmt, obwohl der Anfangsabschnitt die wesent­ liche Verformung für das Erzeugen eines Muttergewindes bewirkt. Der veränderliche Scheitel- oder Flankenwinkel kann die erwünschte Herabsetzung des Einschraubmomentes für den Anfangsabschnitt nicht bewirken.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, das Einschraubmoment für eine selbstformende Schraube weiter zu vermindern.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß der Konusabschnitt der gattungsgemäßen Schraube mehrere gleichmäßig über den Schraubenumfang verteilt angeordnete, erste Konusabschnittsteile mit einem ersten Konuswinkel und mehrere zwischen den ersten Konusabschnittsteilen an­ geordnete, zweite Konusabschnittsteile mit einem zweiten Konuswinkel hat, der kleiner als der erste Konuswinkel ist.

Eine erfindungsgemäße Schraube hat also nahe ihrer Schrau­ benspitze erste und zweite Konusabschnittsteile mit ver­ schiedenen Konuswinkeln, die über den Schraubenumfang gesehen abwechselnd angeordnet sind. Die zweiten Konus­ abschnittsteile mit dem kleineren Konuswinkel stehen radial weiter hervor als die ersten Konusabschnittsteile, so daß der Gewindegang im Konusabschnitt überwiegend auf den zweiten Konusabschnittsteilen ausgebildet ist. Dagegen nimmt die Gewindeprofilierung mit zunehmendem Abstand von der Verbindungsstelle von Schaft- und Konusabschnitt auf den ersten Konusabschnittsteilen stärker als auf den zwei­ ten Konusabschnittsteilen ab, weil die ersten Konusab­ schnittsteile eine geringere Radialausdehnung haben. Der Gewindegang ist demzufolge im Konusabschnitt über den Schraubenumfang gesehen auf den zweiten Konusabschnitts­ teilen stärker und den ersten Konusabschnittsteilen schwächer und teilweise überhaupt nicht ausgebildet. Dies bedingt ein erheblich verringertes Einschraubmoment der Schraube, wenn der Konusabschnitt in eine Vorbohrung ein­ geschraubt wird und überwiegend Gewindegangabschnitte an den zweiten Konusabschnittsteilen greifen. Der Gewinde­ gang im Konusabschnitt bildet somit ein Formgewinde, wel­ ches die Gewindenut im Werkstück allmählich formt. Auf dem Schaftabschnitt bildet der Gewindegang ein Traggewinde, welches die Schraube in der voll ausgeprägten Gewindenut hält.

Der Gewindegang der erfindungsgemäßen Schraube kann bei­ spielsweise durch Gewindewalzen erzeugt werden. Zur Ferti­ gungsvereinfachung kann der Gewindegang einen unveränder­ lichen Flankenwinkel und eine konstante Ganghöhe aufweisen. Dabei kann er verschiedene Geometrien haben, die jedoch nur im Schaftabschnitt voll ausgeprägt sein müssen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Scheitel des Gewindeganges im Konusabschnitt eine zur Schraubenspitze hin verjüngte Konusteilfläche, deren Konus­ winkel größer als der Konuswinkel der zweiten Konusab­ schnittsteile ist. Somit nimmt die Ganghöhe des Gewinde­ ganges auf dem Konusabschnitt zur Schraubenspitze hin ab, so daß besonders niedrige Einschraubmomente erzielt werden. Mit zunehmender Einformung der Gewindenut in das Werkstück beim Eindrehen der Schraube nimmt die Ganghöhe des ein­ greifenden Gewindegangteiles allmählich zu, so daß ein etwa konstantes Eindrehmoment erreicht wird, bis das Trag­ gewinde des Schaftabschnittes greift. Durch Gewindewalzen kann der Gewindegang gemäß der Weiterbildung auf einfache Weise erzeugt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung hat die Schraube jeweils zwei erste und zweite Konusabschnittsteile, wodurch eine einfache Herstellung gesichert ist. Bei einer praktisch bevorzugten Ausgestaltung sind die zweiten Konusabschnitts­ teile insgesamt über etwa 40% des Schraubenumfanges er­ streckt, wobei sich eine erhebliche Minderung des Ein­ schraubmomentes bei günstiger Gewindeschneidwirkung ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die ersten Konus­ abschnittsteile auf der vom Schaftabschnitt abgewandten Seite mit einem Stiftabschnitt verbunden, auf dessen zylin­ drischem Umfangsmantel die zweiten Konusabschnittsteile auslaufen, wobei angrenzend an die Schraubenspitze ein vollzylindrischer Einführstiftabschnitt ausgebildet ist. Der Einführstiftabschnitt zentriert die Schraube beim Ein­ setzen in eine durch einen Bohrer oder eine schrauben­ eigene Bohrspitze gebildete Vorbohrung, so daß eine gut zentrierte und voll ausgeprägte Gewindenut in das Werk­ stück geschnitten wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat der Ge­ windegang auf dem Konusabschnitt einen Flankenwinkel, der geringer ist als ein Flankenwinkel des Gewindeganges auf dem Schaftabschnitt. Der Gewindegang auf dem Konusabschnitt bildet somit ein Formgewinde, welches die Gewindenut ledig­ lich vorformt. Ihre endgültige Form erhält die Gewindenut, wenn der Schaftabschnitt in die Bohrung eingedreht wird, weil dann der vergrößerte Flankenwinkel einen weiteren Materialfluß bewirkt. Somit wird die Formung der Gewinde­ nut auf einen größeren Bereich des Gewindeganges erstreckt, so daß sich eine weitere Verminderung des Einschraubmo­ mentes ergibt. Dabei kann der Flankenwinkel des Gewinde­ ganges im Verbindungsbereich von Konusabschnitt und Schaftabschnitt wechseln, so daß der Schaftabschnitt voll mit einem Traggewinde belegt ist.

Eine weitere Verminderung des Einschraubmomentes ergibt sich jedoch, wenn der Gewindegang auf dem Schaftabschnitt angrenzend an den Konusabschnitt ein Fließgewinde mit einem Flankenwinkel hat, der geringer ist als ein Flanken­ winkel eines an das Fließgewinde grenzenden Traggewindes.

Hierbei wird die Gewindenut des Werkstückes von dem Form­ gewinde auf dem Konusabschnitt vorgeformt, wird die vorgeformte Nut von dem anschließenden Fließgewinde geringfügig weiterverformt und schließlich die endgültige Nutform beim Eingreifen des Traggewindes und dem hiermit verbundenen Wechsel im Flankenwinkel erreicht. Die Aus­ dehnung der Gewindeformung über einen noch größeren Ab­ schnitt des Gewindeganges vermindert das Eindrehmoment weiter, wobei Fließgewinde und Traggewinde in beinahe gleichem Maße eine Kraftübertragung zwischen Gewindenut und Gewindegang beteiligt sind und die Schraube gegen Herausreißen sichern.

Bei einer praktischen Ausgestaltung hat das Formgewinde im Konusabschnitt bzw. das Fließgewinde im Schaftabschnitt einen Flankenwinkel im Bereich von 30° bis 45°, vorzugs­ weise einen Flankenwinkel von 40° und das Traggewinde im Schaftabschnitt einen Flankenwinkel von etwa 60°. Die Flankenwinkel von Formgewinde und Fließgewinde können übereinstimmen, können aber auch im angegebenen Bereich differieren, z.B. Grenzwerte des Bereiches besetzen.

Wenn der Gewindegang am Gewindescheitel bzw. Gewindegrund abgerundet ist, wird ein besserer Materialfluß beim Formen der Gewindenut erzielt und neben einer Reduzierung des Ge­ windeformmomentes eine Reibschweißung zwischen Schraube und Werkstück während des Formungsvorganges reduziert bzw. vermieden.

Schließlich kann der Gewindegang eine konstante Ganghöhe haben, wodurch die Schraubenherstellung vereinfacht ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, die eine erfindungsgemäß aus­ gebildete Schraube in schematischer Darstellung zeigt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schraube mit Formgewinde, Fließgewinde und Traggewinde in Vorderansicht;

Fig. 2 einen Rohling für dieselbe Schraube ebenfalls in Vorderansicht;

Fig. 3 denselben Rohling in der Seitenansicht.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schraube hat einen linsen­ förmigen Schraubenkopf 1 mit einer Ausnehmung 2 zum form­ schlüssigen Einsetzen eines Eindrehwerkzeuges. Der Schrau­ benkopf 2 ist mit einem Schaftabschnitt 3 verbunden, an dem wiederum ein Konusabschnitt 4 angrenzt, der in einen Stiftabschnitt 5 ausläuft. An einer Schraubenspitze geht der Stiftabschnitt 5 in einen Einführstiftabschnitt 6 über.

Konusabschnitt 4 und Schaftabschnitt 3 tragen einen Gewin­ degang 7, welcher auf dem Konusabschnitt 4 ein Formgewinde mit der Längsausdehnung y bildet und auf dem Schaftab­ schnitt in ein Fließgewinde von der Ausdehnung z und ein Traggewinde von der Ausdehnung x zerfällt. Im Ausführungs­ beispiel hat der Gewindegang im Schaftabschnitt 3 ein dreiecksförmiges Profil. Im Konusabschnitt 4 bildet der Scheitel des Gewindeganges 7 eine Konusteilfläche 8, deren Konuswinkel den Konuswinkel des Konusabschnittes 4 über­ steigt, so daß die Ganghöhe des Gewindeganges auf dem Konusabschnitt 4 zur Schraubenspitze hin abnimmt.

Der Flankenwinkel α1 des Gewindeganges 7 beträgt auf dem Konusabschnitt 4 und im Bereich des Fließgewindes auf dem Schaftabschnitt 3 etwa 40°. Im Bereich des Traggewindes auf dem Schaftabschnitt 3 hat der Gewindegang 7 einen Flankenwinkel α2 von etwa 60°.

Zum Eindrehen der Schraube wird zunächst der Einführstift­ abschnitt 6 in eine Vorbohrung des Werkstückes eingesetzt.

Beim Eindrehen greift der Gewindegang 7 zunächst mit einer geringen Ganghöhe ein, wobei mit dem Verformungsfortschritt der Gewindenut auch die Ganghöhe im Konusabschnitt 4 an­ steigt. Nachdem das Formgewinde auf dem Konusabschnitt 4 vollständig eingedreht ist, bewirkt das Eindrehen des Fließgewindes auf dem Schaftabschnitt 3 ein gleichmäßiges Fließen des Werkstoffes um die vorgeformte Gewindenut herum, wodurch Spannungen im Werkstück abgebaut werden. Schließlich erhält die Gewindenut mit dem Eingriff des Traggewindes und dem damit verbundenen Wechsel des Flanken­ winkels von 40° auf 60° ihre endgültige Form.

Vor dem Erzeugen des Gewindeganges 7 wird ein Schrauben­ rohling 9 gemäß den Fig. 2 und 3 hergestellt. An dem Schraubenrohling sind bereits der Schraubenkopf 1 und der Einführstiftabschnitt 6 endgültig ausgeprägt. Ein vorbe­ reiteter Schaftabschnitt 3′ hat einen Durchmesser, der den des fertigen Schaftabschnittes 3 etwas übersteigt, weil beim Walzen des Gewindeganges 7 Material verdrängt wird. Gleiches gilt für den vorgeformten Konusabschnitt 4′ und 4′′, wobei 4′ erste Konusabschnittsteile und 4′′ zweite Konusabschnittsteile bezeichnet, die über den Schrauben­ umfang abwechselnd und gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Konusabschnittsteile 4′ und 4′′ beginnen am Ver­ bindungsquerschnitt von Schaftabschnitt 3′ und Konusab­ schnitt 4′, 4′′ und haben eine verschiedene Längenausdeh­ nung, weil sie verschiedene Konuswinkel aufweisen. Die ersten Konusabschnittsteile 4′ grenzen an den Stiftab­ schnitt 5 an, auf dessen zylindrischem Umfangsmangel die zweiten Konusabschnittsteile 4′′ auslaufen.

Beim Gewindewalzen mittels zylindrischer Walzwerkzeuge auf den Schraubenrohling 9 entsteht unmittelbar ein Gewinde­ gang 7 mit den in der Fig. 1 dargestellten Merkmalen.

Eine erfindungsgemäße Schraube erzeugt eine gut durchgebil­ dete Gewindenut, in die auch eine handelsübliche Schraube mit einem dem Traggewinde entsprechenden durchgehenden Normalgewinde, beispielsweise einem metrischen Gewinde, eindrehbar ist.

Claims (10)

1. Selbstformende Schraube mit einem zylindrischen Schaft­ abschnitt (3), einem daran angrenzenden Konusabschnitt (4) und einem auf Schaft- und Konusabschnitt aufge­ brachten Gewindegang (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Konusabschnitt (7) mehrere gleichmäßig über den Schraubenumfang verteilt angeordnete, erste Konusab­ schnittsteile (4′) mit einem ersten Konuswinkel und mehrere zwischen den ersten Konusabschnittsteilen ange­ ordnete, zweite Konusabschnittsteile (4′′) mit einem zweiten Konuswinkel hat, der kleiner als der erste Konuswinkel ist.

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitel des Gewindeganges (7) im Konusabschnitt (4) eine zur Schraubenspitze hin verjüngte Konusteil­ fläche (8) bildet, deren Konuswinkel größer als der Konuswinkel der zweiten Konusabschnittsteile (4′) ist.

3. Schraube nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils zwei erste und zweite Konus­ abschnittsteile (4′, 4′′) vorgesehen sind.

4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Konusabschnittsteile (4′′) insgesamt über etwa 40° des Schraubenumfanges erstreckt sind.

5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Konusabschnittsteile (4′) auf der vom Schaftabschnitt (3) abgewandten Seite mit einem Stiftabschnitt (5) verbunden sind, auf dessen zylindrischem Umfangsmantel die zweiten Konusabschnitts­ teile (4′′) auslaufen, wobei angrenzend an die Schrau­ benspitze ein vollzylindrischer Einführstiftabschnitt (6) ausgebildet ist.

6. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gewindegang auf dem Konusabschnitt (4) einen Flankenwinkel (α1) hat, der geringer ist als ein Flankenwinkel (α2) des Gewindeganges auf dem Schaftabschnitt (3).

7. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) auf dem Schaft­ abschnitt (3) angrenzend an den Konusabschnitt (4) ein Fließgewinde mit einem Flankenwinkel (α1) hat, der geringer ist als ein Flankenwinkel (α2) eines an das Fließgewinde grenzenden Traggewindes.

8. Schraube nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) im Konusabschnitt (4) bzw. das Fließgewinde des Gewindeganges im Schaft­ abschnitt (3) einen Flankenwinkel (α1) im Bereich von 30° bis 45°, vorzugsweise einen Flankenwinkel von 40° hat und daß das Traggewinde des Gewindeganges einen Flankenwinkel (α2) von etwa 60° hat.

9. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) am Gewindescheitel bzw. Gewindegrund abgerundet ist.

10. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gewindegang (7) eine konstante Ganghöhe hat.