DE4243608A1 - Werkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, insbesondere Drehmo­ mentübertragungswerkzeug, bevorzugt Schraubendreher oder Schraubendrehereinsatz, mit einem Schaft und einem Ab­ triebsbereich gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Werkzeuge.

Ein gattungsgemäßer Schraubendrehereinsatz ist beispiels­ weise aus der europäischen Patentanmeldung 0 336 136 bekannt. Bei dem dort offenbarten Schraubendrehereinsatz ist im Schaftbereich eine tordierbare Zone vorgesehen. Dieser tordierbare Zwischenabschnitt stellt ein ela­ stisch nachgiebiges Element mit entsprechendem Rückstell­ vermögen nach Überwindung der Belastungsspitze dar. Er erträgt größere Momente, und zwar auch bei wiederholter Belastung. Der Zwischenabschnitt wirkt als Dämpfer, so daß Drehmomentspitzen nicht direkt proportional am Schraubendreherspitzen-Abschnitt wirksam werden. Insbe­ sondere, wenn mit derartigen Schraubendrehereinsätzen Schrauben in Metallgewinde maschinell eingeschraubt werden sollen, entstehen beim Anschlag erhebliche Drehmo­ mentspitzen, da die Drehzahl des Antriebsmotors in kürze­ ster Zeit auf Null absinken muß. Diese Zeitspanne wird durch die Elastizität des Torsionsabschnitts verlängert, so daß die Drehmomentbelastung insgesamt verringert wird. Hinsichtlich der weiteren Vorteile eines derarti­ gen Torsionsabschnitts wird auch auf die DE 38 07 972 verwiesen. Bei den dort offenbarten Schraubendreherein­ sätzen wird die Torsionszone bei einem Werkzeug mit einheitlichen Werkstoffeigenschaften durch eine speziel­ le geometrische Ausbildung dieses Schaftbereichs ausge­ bildet. Im wesentlichen geschieht dies durch eine Quer­ schnittsschwächung in diesem Bereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Werkzeug eine Torsionszone ohne den Nachteil einer Schwächung auszubilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebe­ ne Erfindung und das im Anspruch 9-12 angegebene Herstel­ lungsverfahren.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Zufolge der Erfindung ist ein Werkzeug gegeben, bei dem die unterschiedliche Tordierbarkeit von Spitze und Schaftabschnitt nicht unbedingt durch die Formgebung des Werkzeuges erreicht wird, sondern vielmehr durch unter­ schiedliche spezifische Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem das Werkzeug gefertigt ist. Während der Abtriebs­ bereich, welcher bei einem Schraubendrehereinsatz aus der Schraubendreherspitze besteht, aus einem Material gefertigt ist, welches eine hohe Torsions-Federkonstante aufweist, ist der tordierbare Schaftabschnitt aus einem Material gefertigt, das eine geringere Torsions-Federkon­ stante aufweist. Hierdurch ist eine unerwünschte Tor­ dierbarkeit des Abtriebsbereichs vermieden, jedoch wird die erwünschte Tordierbarkeit (Elastizität) des Schaftab­ schnitts erzielt. Einer bevorzugten Weiterbildung zufol­ ge weist der Schaftabschnitt ein Material geringerer Härte auf als der Abtriebsbereich. Durch diese Maßnahme werden unterschiedliche Federkennlinien der beiden Berei­ che erzielt. Bevorzugt ist die Härte des Schaftabschnit­ tes um etwa ein Viertel geringer als die Härte des Ab­ triebsbereiches. Dabei ist bevorzugt der Schaftabschnitt unmittelbar dem Abtriebsbereich benachbart. Das heißt, der Spitze bei einem Schraubendrehereinsatz schließt sich unmittelbar ein tordierbarer Schaftabschnitt an, welcher dann beispielsweise in einen Antriebsbereich übergehen kann, welcher im Querschnitt polygon gestaltet ist und auch wiederum aus einem härteren Material beste­ hen kann. Der Schaftabschnitt, der die geringere Torsi­ ons-Federkonstante aufweist, kann durch nachträgliches Anlassen (Erwärmen) eines vorgehärteten Werkzeuges ausge­ bildet werden. Das Werkzeug ist dann materialeinheitlich herstellbar.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausbildung des Werkzeugs besteht das Werkzeug aus zwei verschiedenen Sintermate­ rialien, bevorzugt Stählen, wobei der Abtriebsbereich aus einem härteren Material und der Schaftabschnitt aus einem weicheren Material besteht. Das weichere Material des Schaftabschnitts kann sich dabei auch noch in den Abtriebsbereich fortsetzen und dort einen Kernbereich ausbilden, der von einem härteren sintermaterial gewis­ sermaßen ummantelt ist. Diese Ummantelung bildet dabei die Arbeitsspitze des Werkzeuges aus. Durch diese Maßnah­ me ist ein kontinuierlicher Übergang der Torsions-Stei­ figkeit vom Schaftabschnitt zum Abtriebsbereich gegeben. Die beiden Sintermaterialien können sich dabei durch ihre Korngröße oder durch ihre Materialzusammensetzung unterscheiden. Wesentlich ist aber, daß sie im versinter­ ten Zustand, also beim fertigen Werkzeug Zonen mit unter­ schiedlicher Federkennlinie ausbilden.

Gemäß dem Herstellungsverfahren ist vorgesehen, daß beim vorgehärteten Werkzeug zumindestens ein Schaftbereich des Schaftes auf eine Temperatur angelassen wird, bei der eine Erweichung des Werkstoffs, der bevorzugt aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht, stattfindet. Dabei wird der Abtriebsbereich gekühlt, um dessen Materi­ aleigenschaften zu erhalten. Das Anlassen geschieht dabei derart, daß der erhitzte Schaftabschnitt eine blaue Färbung bekommt. Durch dieses Anlassen wird der Schaftabschnitt bevorzugt bis in den Kernbereich erwärmt und erhält dann durchgehend ein anderes Materialgefüge mit einer geringeren Federkennlinie. Wegen des beim Anlassen entstehenden Temperaturgradienten zum gekühlten Bereich wird ein kontinuierlicher Federkennlinien-Über­ gang erreicht. Wegen des Wärmeeindringens von der Ober­ fläche her, ist die erreichte Temperatur im Kernbereich geringer sein als die Temperatur an der Oberfläche, was hinsichtlich eines kontinuierlichen Härteübergangs als vorteilhaft gesehen wird. Die Erwärmung geschieht bevor­ zugt durch eine induktive Erhitzung. Dabei wird das Werkzeug mit dem zu erwärmenden Schaftabschnitt in eine Induktionsspule gehalten. Bevorzugt werden die sich beidseitig dem Schaftabschnitt anschließenden Werkzeugbe­ reiche durch eine Flüssigkeitbeaufschlagung gekühlt, so daß lediglich der Zwischenabschnitt die erwünschte Mate­ rialaufweichung erfährt. Die Flüssigkeitsbeaufschlagung kann dabei jeweils aus einer Wasserdusche bestehen.

Das Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Werkzeu­ ges sieht vor, daß zunächst ein den Schaft ausbildender Rohling aus weicherem sintermaterial vorgeformt wird, dem dann der Abtriebsbereich aus härterem Material aufge­ formt wird. Dieser aus zwei Komponenten bestehende Roh­ ling wird dann zu Verfestigung in bekannter Weise mit Wärme beaufschlagt. Der Rohling kann dabei spritzgegos­ sen sein und aus globularem Sintermaterial mit einer Korngröße von 10-15 µm bestehen. Als Bindemittel kann dem Metallpulver ein Kunststoff zugesetzt sein. Beim Spritzgießen kann das aus der Kunststofftechnik bekannt Verfahren angewendet werden. Während des Sinterprozesse, der Erwärmung des Werkstückes in einem Ofen auf die erforderliche Sintertemperatur von beispielsweise 1.200° Celsius, entweicht das Bindemittel dem Rohling. Durch zusätzliche Druckbeaufschlagung findet eine Verdichtung des Werkstückes statt, eventuell auch eine Schrumpfung.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung anhand der Fig. 1-4 erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Maschinenschraubendrehereinsatz gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 den Härteverlauf in einem Werkzeug nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Werkzeuges nach Fig. 1 im Fertigungsverfahren, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Werkzeug der zwei­ ten Ausführungsform.

Die in den Fig. 1-4 dargestellten Werkzeuge sind Schraubendrehereinsätze nach DIN-Norm. Sie weisen ein Antriebsende auf, welches im Querschnitt sechskantig ausgebildet ist und einen Schaftabschnitt, welcher im Querschnitt rund ausgebildet ist und eine im Querschnitt kreuzförmige Arbeitsspitze, welche zum Eingriff in eine Kreuzschlitzschraube geeignet ist. Hinsichtlich der näheren Ausgestaltungsmerkmale der Ausführungsbeispiele insbesondere wie die Dimensionierung der einzelnen Berei­ che ausgebildet sein kann, wird auf die europäische Patentanmeldung 0 336 136 verwiesen. Das Material des erfindungsgemäßen Werkzeuges hat in seiner Erstreck­ ungsrichtung (Achse) einen inhomogenen Federkennlinien­ verlauf.

Beim ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) besteht das Werkzeug aus einem materialeinheitlich gefertigten und gehärteten Stahlkörper, dessen Schaftbereich 4 nachträg­ lich durch Wärmebeaufschlagung in seiner Härte geändert worden ist. Abtriebsbereich 2 und Antriebsbereich 3 sind dagegen nicht in ihrer Härte geändert worden. Der Härte­ verlauf des in Fig. 1 dargestellten Schraubendreherein­ satzes 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Dort ist insbesonde­ re ersichtlich, daß der Abtriebsbereich I, der von der im Querschnitt kreuzförmigen Einsteckspitze 2 ausgebil­ det ist, eine höhere Härte aufweist als der Schaftab­ schnitt II, der von dem im wesentlichen zylinderförmigen Schaft 4 ausgebildet wird. Der Durchmesser des Schaftes 4 ist beim Ausführungsbeispiel geringer als die größte Querschnittserstreckung der kreuzförmigen Abtriebsspitze 2. Der Antriebsbereich 111, der von einem im Querschnitt sechskantigen Zylinder 3 ausgebildet wird, dessen Durch­ messer größer ist als der Schaft 4, weist die Härte des Abtriebsbereichs I auf, die höher ist als die Härte des Schaftabschnitts II.

Der Härteübergang des Abtriebsbereiches I in den Schaft­ abschnitt II sowie der Härteübergang vom Antriebsab­ schnitt III in den Schaftabschnitt II erfolgt nicht sprunghaft sondern kontinuierlich.

In Fig. 3 ist schematisch das Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes der ersten Ausführungs­ form dargestellt. Um das Werkstoffgefüge des Schaftab­ schnittes II derart zu verändern, daß seine Federkennli­ nie kleiner wird, wird dieser Schaftabschnitt II durch Wärme beaufschlagt. Hierzu wird der Schaftabschnitt 4 in eine Induktionsspule 5 eingeführt, welche sodann mit Strom beaufschlagt wird. Durch die Wirbelstrombildung im Schaft 4 wird dort Wärme erzeugt, die die Gefügeverände­ rung bewirkt. Die Wärmebeaufschlagung erfolgt bevorzugt so lange, bis die Oberfläche des Schaftes 4 eine blaue Farbe angenommen hat. Damit sich das Materialgefüge der Abtriebsspitze 2 und des Antriebsbereiches 3 nicht än­ dert, wird die Spitze 2 und der Sechskantabschnitt 3 mit einer Kühlflüssigkeit K beaufschlagt. Dies kann im Wege einer duschen-ähnlichen Wasserbeaufschlagung geschehen.

Nach einer derartigen Behandlung des Werkezuges weist die Arbeitsspitze 2 eine Rockwellhärte von 63 HRC auf und der Schaft 4 eine Rockwellhärte von 45 HRC. Wegen der mit der Materialhärte verknüpften physikalischen Eigenschaft der Federkonstanten läßt sich der Schaft nach dieser Behandlung stärker tordieren als die Spitze 2 bzw. der Sechskantabschnitt 3.

Der in Fig. 4 dargestellte Schraubendrehereinsatz be­ steht aus einer im Querschnitt kreuzförmigen Spitze 12, die den Abtriebsbereich I ausbildet, und einem im wesent­ lichen zylinderförmig gestalteten Schaft 14, der den Schaftabschnitt II ausbildet sowie einem Sechskantab­ schnitt, der den Antriebsbereich 111 ausbildet. Der Schaft 14 weist dabei einen geringeren Durchmesser auf als der maximale Durchmesser des Sechskantabschnittes 13 und der Arbeitsspitze 12 des Schraubendrehereinsatzes 11. Der Schraubendrehereinsatz 11 besteht im wesentli­ chen aus einem aus einem weicheren Sintermaterial W bestehenden Kern und einem die Arbeitsspitze 12 ausbil­ denden Mantel aus härterem Sintermaterial H.

Sechskantbereich 13 und Schaft 14 sind bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel aus dem weicheren Sintermaterial W, besit­ zen demnach eine geringere Torsionsfederkonstante als die Spitze 12. Zur Erzielung eines kontinuierlichen Härteüberganges (Federkonstantenüberganges) ist der Kernbereich 15 der Arbeitsspitze 12 aus weicherem Sinter­ material W ausgebildet. Die eigentliche Arbeitsspitze selbst ist dagegen aus härterem Sintermaterial H ausge­ bildet, das sich mantelartig über den Kern erstreckt.

Zur Herstellung eines derartigen Schraubendrehereinsat­ zes 11 wird zunächst ein den Sechskantabschnitt 13 und den Schaft 14 sowie den Kern 15 ausbildender Rohling aus weichem Sintermaterial W vorgepreßt (spritzgegossen). Diesem Rohling wird sodann die aus härterem Sintermateri­ al H bestehende Spitze 12 aufgeformt (spritzgegossen), die im wesentlichen einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist. Dieser aus zwei Komponenten bestehende Rohling wird sodann in bekannter Weise durch Wärmebeaufschlagung verfestigt. Die unterschiedlichen Sintermaterialien W und H können sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihrer Korngröße unterscheiden. Bevorzugt wird eine Korn­ größe von 10-15 Mikrometer für den härteren Bereich gewählt. Zusätzlich zu metallischen Bestandteilen kann das Sinterpulver auch noch Kunststoffbestandteile als Bindemittel aufweisen. Beim fertigen Schraubendreherein­ satz weist der Schaft 14 eine stärkere Tordierbarkeit auf als die kreuzformige Arbeitsspitze 12. Die Härte der Arbeitsspitze 12 kann dabei im Bereich zwischen 60 und 63 HRC liegen und die Härte des Schaftes 14 etwa 50 HRC betragen.

Zur Formgebung kann ein Verfahren nach der deutschen Patentschrift 39 07 022 gewählt werden.

Ein Metallpulver-Spritzgußverfahren eignet sich zur pulvermetallogischen Herstellung von Kleinteilen. Das Verfahren leitet sich aus dem bekannten Kunststoffsprit­ zen ab, wobei dem Kunststoff 50-70 Volumenprozent Metall­ pulver zugemischt werden. Die dabei entstehende fließfä­ hige Masse wir dazu zugenannten Grünlingen verpreßt. Vor dem eigentlichen Metallpulver-Spritzguß wird das Metall­ pulver mit einem Binder, der Kunststoffbestandteile enthält, in einem bestimmten Volumenverhältnis von bei­ spielsweise 70 : 30 bei reduziertem Inertgasdruck und ca. 150-180° Celsius miteinander vermischt. Das Volumenver­ hältnis wird dabei über die Korngröße bestimmt. In der Spritzgießmaschine wird die Masse bei 150-200 und bei einem Druck von 150 bar langsam in eine Form gespritzt. Dabei können die unterschiedlichen Komponenten entweder gleichzeitig (Mehrkomponentenspritzguß) oder nacheinan­ der in verschiedenen Formen oder gleichen Formen ver­ spritzt werden. Der Binder kann in zwei Stufen entfernt werden. In einem ersten Schritt können die Grünlinge in ein Lösungsmittel getaucht werden, wobei ein Teil des Binders entfernt wird, so daß eine schwammartige offene Porosität entsteht, welche das ganze Bauteil durchzieht. Im Sinterofen kann dann die zweite Bindemittelentfernung zusammen mit dem eigentlichen Sinterprozeß stattfinden. Die Entbindungsphase liegt bevorzugt in der Phase, in welcher der Ofen hoch geheizt wird. Dabei kann im Ofen ein erhöhter Druck aus einem Gemisch von Argon und Was­ serstoff eingestellt sein. Gleichzeitig mit der Entbin­ dung beginnen die Pulverteilchen miteinander zu versin­ tern. Dies geschieht etwa bei einer Temperatur von 800° Celsius. Dann liegt bereits ein mechanisch stabiler Sinterkörper vor. Der Ofen wird dann auf die Sintertempe­ ratur von ungefähr 1.200° Celsius erhöht und der Ofen wird evakuiert. Wenn die die anfänglich offene Porosität vollständig geschlossen hat, kann der Druck im Ofen auf bis zu 100 bar erhöht werden, um eine vollständige Ver­ dichtung des Bauteils zu erzielen. Als Pulvermaterial sind globulare Partikel von 10-15 µm Korngröße vorgese­ hen. Die chemische Zusammensetzung (Legierung) wird entsprechend der vorgesehenen Härte (Federkennlinie) des Werkstoffs ausgewählt. Beim Spritzgießen der Grünlinge kann eine Form mit einer Vielzahl von Formnestern Verwen­ dung finden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen.

Claims (12)

1. Werkzeug, insbesondere Drehmomentübertragungswerk­ zeug, bevorzugt Schraubendreher oder Schraubendreherein­ satz, mit einem Schaft und einem Arbeitsbereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (4, 14) zumindest einen Schaftabschnitt (II) aufweist mit einer geringeren Torsi­ ons-Federkonstanten als der Arbeitsbereich (I).

2. Werkzeug nach oder insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftabschnitt (II) eine geringere Härte aufweist als der Arbeitsbereich (I).

3. Werkzeug nach oder insbesondere nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Härte des Schaftabschnittes (II) etwa um ein Viertel geringer ist als die Härte des Arbeitsbe­ reichs (I).

4. Werkzeug nach oder insbesondere nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schaftabschnitt (II) unmittelbar dem Ar­ beitsbereich (I) benachbart ist.

5. Werkzeug nach oder insbesondere nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Werkstoffhärte des dem Arbeitsbereich (I) materialeinheitlich angeformten Schaftabschnitts (II) durch nachträgliches Anlassen des gehärteten Werkzeugs (1) abgesenkt wird.

6. Werkzeug nach oder insbesondere nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß sich dem Schaftabschnitt (II) ein Antriebsbe­ reich (III) mit einer höheren Torsions-Federkonstanten anschließt.

7. Werkzeug insbesondere nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Abtriebsbereich (I) und Schaftab­ schnitt (II) aus zwei verschiedenen Sintermaterialien bevorzugt Sinterstählen bestehen, wobei der Abtriebsbe­ reich aus einem härteren Material (H) und der Schaftab­ schnitt (II) aus einem weicheren Material (W) bestehen.

8. Werkzeug, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtriebsbereich (I) im Übergangsbe­ reich zum Schaftabschnitt (II) im Kernbereich (15) ein Sintermaterial geringerer Härte (W) ausweist.

9. Herstellungsverfahren für ein Werkzeug nach oder insbesondere nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim vorgehärteten Werkzeug zumindest­ ens ein Schaftabschnitt (II) des Schaftes (4) auf eine Temperatur angelassen wird, bei der eine Erweichung des Werkstoffes, bevorzugt Stahl, stattfindet, während der Arbeitsbereich (II) gekühlt wird.

10. Verfahren insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung induktiv erfolgt.

11. Verfahren insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich (I) und der An­ triebsbereich (III), die den Schaftabschnitt (II) zwi­ schen sich aufnehmen, durch Flüssigkeitsbeaufschlagung gekühlt werden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges insbeson­ dere nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus weichem Sintermaterial (W) vorgeformten Schaft (14) ein Arbeitsbereich (12) aus härterem Sinter­ material (H) angeformt wird und dieser aus zwei Komponen­ ten bestehende Rohling zur Verfestigung temperaturbeauf­ schlagt wird.