DE60211920T2

DE60211920T2 - Selbstschneidende schraube, verfahren und werkzeuge zum herstellen derselben sowie verfahren zum verbinden von dünnen werkstücken

Info

Publication number: DE60211920T2
Application number: DE60211920T
Authority: DE
Inventors: Alan 04630 Garrucha PRITCHARD; Dennis O. Lake Worth BOYER
Original assignee: Conti Fasteners AG
Current assignee: Conti Fasteners AG
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2022-08-10
Also published as: CA2446242C; DE60211920D1; SG125144A1; CA2446242A1; CN1306174C; US6494656B1; EP1425514B1; JP2005502835A; ATE328210T1; US6712708B2; US20030049095A1; KR20040039350A; JP4480395B2; ES2269752T3; KR100959296B1; CN1527908A; EP1425514A1; WO2003023239A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft selbstschneidende Schrauben und insbesondere selbstschneidende Schrauben, Rohlinge für selbstschneidende Schrauben und Verfahren zum Formen selbstschneidender Schrauben unter Verwendung geeigneter Walzgesenke.
Eine solche selbstschneidende Schraube und Verfahren zur Herstellung derselben sind im Dokument GB-A-1 022 355 angegeben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Fachmann ist sich bewusst, dass herkömmliche selbstschneidende Schraubenprodukte, wenn sie für den Zusammenbau dünner Blechkomponenten verwendet werden, im Einsatz eine begrenzte Zuverlässigkeit haben, die mit der Notwendigkeit zusammenhängt, das Schraubenanziehmoment auf relativ niedrigen Werten zu halten. Diese erforderliche Einschränkung des Anziehmoments ist notwendig, um das Potential des Ankers, während des Zusammenbaus abzureißen und dadurch ein Durchdrehen der Schraube zu bewirken, zu minimieren. Das Ankermaterial ist der Teil der verbundenen Baugruppe, der von der Unterseite des Schraubenkopfes am weitesten entfernt ist. Abreißen und Durchdrehen verursachen einen Verlust der Zusammenbauklemmlast und die daraus folgende Verschlechterung des Zusammenbaus.
1 zeigt einen weit verbreitet auftretenden Nachteil einer selbstschneidenden Schraube 102, die ein herkömmliches Gewinde hat und zum Verbinden dünner Blechkomponenten 104 und 106 zu einer verbundenen Baugruppe verwendet wird. Die Schraube hat einen herkömmlichen kreisrunden Querschnitt.
Wenn das Schraubenankermaterial 106 (auch als "Mutternelement" bezeichnet), bei dem es sich um das Material handelt, das vom Schraubenkopf am weitesten entfernt ist, eine Breite 108 hat, die gleich oder kleiner als die axiale Teilung 110 der Schraube ist (hierin allgemein als "dünnes" Werkstück definiert), lenkt die führende Flanke 112 der Windung oder des Gewindes das Ankermaterial 106 typischerweise so aus, dass das Material dem Raum zwischen benachbarten Windungen, Schnecken oder Gewindegängen folgt. Diese Art von Ankermaterial und Zusammenbau ergibt möglicherweise nicht die effektivste Klemmlast. Außerdem ergibt sich ein unzureichender Passkontakt des Gewindes.
Um bestimmte Nachteile des Konzepts mit eingängigem Gewinde bei der Verbindung dünner Materialien zu überwinden, wird erst seit kurzem eine Schraube mit wahrem kreisrundem Querschnitt, die ein mehrgängiges Gewinde hat, das um einen gestauchten Rohling erzeugt wird, verwendet. Die Verwendung eines mehrgängigen Gewindes hat die Tendenz, das Ankermaterial besser zu greifen, wodurch verhindert wird, dass das Ankermaterial zwischen Gewindegängen haftet, indem ein stärker verteilter Eingriff mehrerer Stellen am Umfang der Führungsbohrung des Ankermaterials bereitgestellt wird.
Jedoch ist selbst die Verwendung mehrgängiger Gewinde allein keine umfassende Lösung. So zeigt 2 einen weiter bestehenden Nachteil herkömmlicher Schrauben zum Verbinden dünner Werkstücke, die entweder ein- oder mehrgängige Gewinde haben (entweder mit kreisrundem oder nicht kreisrundem Querschnitt). Die beispielhafte Schraube 200 hält einen parallelen Kerndurchmesser 202 so nah wie möglich an der Unterseite 204 des Schraubenkopfes 206. Diese Ausführung kann eine Verminderung der Leistungsfähigkeit der Baugruppe bewirken. Herstellungsbedingte Einschränkungen erzeugen im Allgemeinen eine Unterfüllung der Schraubengewindespitzen neben der Unterseite 204 des Schraubenkopfes 206, wodurch ein nicht spezifizierter und nicht kontrollierbarer umgekehrter Gewindekonus 208 entsteht. Deshalb haben die Gewindespitzen, die näher am Schraubeneintrittspunkt liegen, einen größeren Durchmesser als die Gewindespitzen, die näher am Kopf liegen. Der umgekehrte Gewindekonus 208 hat den Nachteil, dass ein Spalt 210 zwischen den inneren und äußeren in Eingriff stehenden Gewindegängen der Baugruppe entsteht. Dieser Spalt 210 hat den Effekt, dass der Passkontakt des Gewindes im entscheidenden Bereich der verbundenen Struktur verringert wird und zu einem Bruch der Baugruppe bei einem niedrigeren als dem erwarteten aufgebrachten Anziehmoment führt.
Die Verwendung einer Schraube mit kreisförmigem Querschnitt (wie oben beschrieben) ist bisher bevorzugt worden. Obwohl bestimmte Vorteile bei der Gewindebildung durch die Verwendung einer Schraube mit nicht kreisförmigem Querschnitt erzielt werden können, gilt es im Allgemeinen als nachteilig für die Baugruppe, einen nicht kreisförmigen Querschnitt zu verwenden, wie z. B. eine handelsübliche profilgewalzte, selbstschneidende, mehrhöckerige Schraube. Bei solchen nicht kreisförmigen Querschnitten wird davon ausgegangen, dass ihnen die nötige Festigkeit fehlt, um dem aufgebrachten Anziehmoment beim Zusammenbau standzuhalten.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, eine selbstschneidende Schraube und ein zugehöriges Verfahren zum Formen einer solchen Schrauben bereitzustellen, wobei ein nicht kreisförmiger Rohling verwendet wird, um eine im Wesentlichen mehrhöckerige Schraube mit vorteilhaften Gewindeformungseigenschaften und ein gewünschtes mehr gängiges Gewinde zu erzeugen. Diese Schraube sollte jedoch trotzdem eine gute Widerstandsfähigkeit gegen schwingungsbedingtes Lockern haben, wenn sich das Material zwischen den Höckern entspannt, obwohl in der "Verbindungsklemmzone" der zusammengefügten Baugruppe ein allgemein nicht kreisförmiger Querschnitt verwendet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung überwindet die Nachteile im Stand der Technik, indem sie ein Verfahren zur Herstellung einer selbstschneidenden Schraube aus einem gestauchten Rohling bereitstellt, das in einer mehrhöckerigen selbstschneidenden Schraube zum Verbinden dünner Werkstücke resultiert, die wünschenswerte Gewindeformungseigenschaften an der konischen Spitze und den Körperabschnitten sowie einen verbesserten Widerstand gegen schwingungsbedingtes Lockern in der Nähe des Kopfes aufweist. Die aus dem Rohling und dem Verfahren resultierende Schraube enthält einen sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt zwischen dem Schraubenkopf und dem Körperabschnitt, dessen Querschnitt sich von nahezu kreisrund im Bereich neben der Unterseite des Kopfes bis zu einem maximalen unrunden (oder höckerigen) Querschnitt an der Verbindung des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts und des Schraubenkörpers ändert. Diese Form in Kombination mit einem Außendurchmesser des Gewindeprofils, der vom Körperabschnitt bis einschließlich des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts im Wesentlichen konstant bleibt, sowie eine Form mit mehreren spiralförmigen Windungen (Gewinde) stellen eine sichere Halterung der Schraube in einem dünnen Ankermaterial sicher, wobei das Ankermaterial um den Gewindegrundabschnitt in axialer Richtung nach vorne und hinten gepresst wird.
Bei einer Ausführungsform wird der gestauchte Rohling gebildet, indem ein Draht oder eine Stange mit allgemein kreisförmigem oder höckerigem Querschnitt in einen Hohlraum eines Stößelgesenks gepresst wird. Wenn der Draht oder die Stange in den Gesenkhohlraum gepresst wird, wird er bzw. sie plastisch zum gewünschten fertigen Rohling mit vier Abschnitten verformt: dem Kopf, dem konischen Eintrittsabschnitt, dem Körperabschnitt und dem sich verjüngenden Abschnitt. Der Gesenkhohlraum hat einen entsprechenden Querschnitt, so dass der Körperabschnitt und der konische Eintrittsspitzenabschnitt des fertigen Rohlings mit einem mehrhöckerigen Querschnitt ausgebildet werden, während der sich verjüngende Abschnitt neben dem Kopf einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat.
Zum Bilden der höckerigen Gewindeschraube wird der fertige Rohling zwischen seitlich beweglichen Walzgesenken gehalten, die einen ausreichenden Druck ausüben, um die Oberfläche des Rohlings plastisch zu verformen. Die Gesenke werden in gleichem Ab stand gehalten, wodurch aufgrund des höckerigen Querschnitts des Rohlings eine oszillierende Abwälzbewegung des Rohlings verursacht wird, wenn sich eines der Gesenke relativ zum anderen seitlich bewegt. Dieser Profilwalzprozess im Bereich des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts erzeugt ein Gewindemuster, bei dem ein in etwa konstanter Außendurchmesser bezüglich des Körperabschnitts eingehalten wird, wobei aber der Innen-(Grund-)durchmesser (Täler zwischen den Gewindegängen) kontinuierlich nach außen zum Kopf konisch zunimmt. Außerdem wird der konische Gewindegrundabschnitt auf diese Weise bereitgestellt, wobei die gewünschte maximale Unrundheit in der Nähe des Körperabschnitts und ein nahezu kreisförmiger Querschnitt neben der Unterseite des Kopfes erzielt werden. Diese Änderung der Unrundheit entlang dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt resultiert aus dem verringerten Formdruck im Bereich mit größerem Durchmesser in der Nähe des Kopfes.
Eine gemäß dieser Erfindung geformte Schraube stellt einen neuartigen sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt neben dem Kopf bereit, der einen sich ändernden Querschnitt hat, wodurch ein mechanischer Widerstand gegen schwingungsbedingtes Lockern oder andere externe Kräfte erzeugt wird, wenn sich das von der Schraube verbundene Material zwischen den Höckern entspannt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obige und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die in den Zeichnungen veranschaulicht ist; es zeigen:
1 (bereits beschrieben) einen partiellen Seitenschnitt eines Beispiels für die Auslenkung des Ankermaterials bei Verwendung eines herkömmlichen eingängigen Schraubengewindes einer Schraube;
2 (bereits beschrieben) einen partiellen Seitenschnitt, der die Erzeugung eines umgekehrten Gewindekonus zeigt, der mit Fertigungseinschränkungen in Zusammenhang steht, mit einem parallelen Schraubengewindekerndurchmesser über die volle Länge der Schraube;
3 eine Seitenansicht einer selbstschneidenden Schraube mit einem beispielhaften sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt für einen verbesserten Widerstand gegen Vibration und eine verbesserte Haltefestigkeit in dünnen Materialien;
4 einen partiellen Seitenschnitt, der die Bildung eines gestauchten Rohlings gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
5 eine Seitenansicht eines gestauchten Rohlings, der gemäß der Ausführungsform von 4 zur Bildung des Rohlings geformt ist;
6 eine Schnittansicht des konischen Punktabschnitts des gestauchten Rohlings entlang der Linie 6-6 in 5;
7 eine Schnittansicht des Körperabschnitts des gestauchten Rohlings entlang der Linie 7-7 in 5;
8 eine Schnittansicht des sich verjüngenden Abschnitts des gestauchten Rohlings entlang der Linie 8-8 in 5;
9 eine partielle Seitenschnittansicht der resultierenden geformten Schraube aus dem gestauchten Rohling von 5, die zwischen Gewindeformgesenken gehalten wird, gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung;
10 einen Querschnitt des gestauchten Rohlings in Formgesenken an verschiedenen Punkten entlang dem Abwälzweg, der allgemein entlang dem Körperabschnitt in der Nähe der Linie 11-11 in 9 gelegt ist;
11 eine Schnittansicht des Körperabschnitts der geformten Schraube, der aus dem Profilwalzprozess resultiert, entlang der Linie 11-11 in 9;
12 eine Schnittansicht des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts der geformten Schraube an einer Stelle neben dem Körperabschnitt entlang der Linie 12-12 in 9;
13 eine Schnittansicht des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts der geformten Schraube an einer Stelle neben dem Kopf entlang der Linie 13-13 in 9;
14 einen partiellen Seitenschnitt einer fertig bearbeiteten Schraube, die gemäß 9 geformt ist und ein Paar dünne Metallbleche verbindet; und
15 eine Schnittansicht der Spannungsverteilungen, die durch die Schraube im Ankermaterial erzeugt werden, entlang der Linie 15-15 in 14.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Allgemeine Grundlagen
Zur weiteren Erläuterung des Hintergrundes zeigt 3 eine beispielhafte Schraube 300, mit der allgemein bestimmte Nachteile in Zusammenhang mit dem umgekehrten Gewindekonus neben dem Kopf vermieden werden und die deshalb die Haltefestigkeit und den Widerstand gegen vibrationsbedingtes Lockern erhöht. Kurz gesagt, die Schraube 300 enthält einen Kopf 302, einen sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt 304 (der sich in Richtung entlang des Körpers zum Kopf 302 radial konisch erweitert), einen mittleren Körperabschnitt 306, einen konischen Eintrittsabschnitt 308 und eine beispielhafte Eintrittsspitze 310 (wie eine selbstbohrende Spitze).
Entlang des Außenumfangs des Körpers der Schraube 300 ist eine Mehrzahl kontinuierlicher spiralförmiger Windungen, Schnecken oder Gewindegänge 312 angeordnet. Das Schraubengewinde (spiralförmige Windungen) hat einen Außendurchmesser D. Bei einer Ausführungsform kann die Größe von D im Bereich von 1,6 bis 10 mm liegen. Dieser und andere hierin angegebenen Bereiche sind jedoch nur beispielhaft für eine typische Anwendung der Schraube gemäß dieser Erfindung. Die hierin beschriebenen Grundlagen können auf Schrauben und entsprechende Materialien jedes Typs und/oder jeder Größe angewendet werden.
Bei einer Ausführungsform gibt es zwei getrennte kontinuierliche spiralförmige Windungen, Schnecken oder Gewindegänge (auch als "mehrgängiges Gewinde" bezeichnet), die entlang dem Körper 306 so angeordnet sind, dass die Schraube ein zweigängiger Gewindetyp ist, aber es ist ausdrücklich erwogen, dass auch eine andere Anzahl getrennter Gewinde verwendet werden könnte. Bei dieser Ausführungsform ist die Verwendung einer Mehrzahl Gewinde dazu vorgesehen, eine Verformung des Ankerblechs weiter zu unterbinden. Es ist zu beachten, dass der Begriff "Gewinde" wie hierin verwendet, entweder die gesamte kontinuierliche Ausformung oder Ausformungen spiralförmiger Windungen entlang des zylindrischen Schaftes oder Körpers oder das individuelle Profil aus Gewindespitze und Gewindegrund bei einem Querschnitt einer Schraube betreffen kann. Der Zusammenhang, in dem der Begriff verwendet wird, sollte es dem Leser erleichtern, zwischen den beiden Bedeutungen des allgemeinen Begriffs zu unterscheiden.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der erfindungsgemäße sich verjüngende Gewindegrundabschnitt 304 der Schraube, der in axialer Richtung zwischen dem Kopf 302 und dem Körper 306 der Schraube liegt, eine axiale Länge W, die mindestens dem Zweifachen und vorzugsweise nicht mehr als ca. dem 3,5-Fachen der axialen Teilung P entspricht. Der sich verjüngende Gewindegrundabschnitt 304 hat einen maximalen Durchmesser R neben dem Kopf 302, der sich nach unten zu einem Durchmesser verkleinert, der gleich ist dem Gewindegrunddurchmesser B. Der Winkel ϕ ist der eingeschlossene Winkel, den der Gewindegrundabschnitt 304 relativ zum Körper 306 bildet. Der Winkel ϕ sollte zwischen ca. 6° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 10° betragen.
Die Gewindegänge 312 sind auf dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt 304 so angeordnet, dass der Außendurchmesser D der Schraube und der Gewindegänge entlang dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt 304 und dem Körper 306 der Schraube etwa gleich groß ist. Obwohl manchmal vorzugsweise alle Gewindegänge zwischen dem Kopf (einschließlich des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts) und der Zone der Eintrittsspitze in etwa den gleichen Außendurchmesser haben, ist es durchaus möglich, dass alternative Ausführungsformen einen anderen Gewindedurchmesser und ein anderes Gewindeprofil in einer Zone, die der Eintrittsspitze näher und dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt entfernter liegt, verwenden, um dadurch bestimmte günstige Effekte in Zusammenhang mit bestimmten Werkstückdicken und Materialien zu erzielen. Demgemäß sollen die Gewindegänge etwa den gleichen Durchmesser im sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt und einem Teil des Schraubenkörpers unmittelbar neben dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt haben (der vom sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt aus erstreckende Teil, der mindestens einer Strecke gleich dem Vierfachen der Gewindeteilung in Richtung der Eintrittsspitze entspricht).
II. Bildung des höckerigen Rohlings
Die oben beschriebenen Grundlagen (z. B. sich verjüngender Gewindegrundabschnitt und mehrgängiges Gewinde) können allgemein bei einer Schraube angewendet werden, die einen mehrhöckerigen gewindeschneidenden Querschnitt hat. Ein solcher mehrhöckeriger Querschnitt besteht im Allgemeinen aus einer ungeraden Anzahl Höckern (z. B. 3, 5, 7 usw.), die einen unrunden (nicht kreisförmigen) Umfang definieren. Wenn eine höckerige Schraube in eine geeignet dimensionierte Führungsbohrung eingebracht wird, verformen die Höcker das Material plastisch, so dass profilgewalzte Gewindegänge erzeugt werden. Die Gewindegänge behalten nach ihrer Ausformung ein gewisses Maß an Rückfederung, wodurch sie einen Haltedruck auf die Schraube ausüben, durch den schwingungsbedingtes Lockern in vorteilhafter Weise verringert wird. Ein Beispiel eines mehrhöckerigen Querschnitts mit drei solchen Höckern ist die Trilobular^TM-Reihe selbstschneidender Schrauben, die von Research Engineering and Manufacturing Inc., Middleton, RI, und Conti Fasteners AG, Schweiz entwickelt und vertrieben wird.
Die Bildung eines kaltgestauchten Rohlings, aus dem schließlich die fertig bearbeitete Schraube gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung hergestellt wird, ist in 4 allgemein dargestellt. Dieser Rohling ist typischerweise ein Rohling mit dreihöckerigem Querschnitt, obwohl die Verwendung einer anderen Anzahl Höcker ausdrücklich möglich ist. Ein hartes Stößelgesenk 402 mit einem formgebenden Gesenkhohlraum 404 ist darge stellt. Der Formgebungsprozess beginnt typischerweise, nachdem ein abgelängtes Stück eines Drahtes oder einer Stange mit vorgegebener Größe, das einen allgemein kreisförmigen oder höckerigen Querschnitt hat, in den Gesenkhohlraum gelegt wird. Häufig werden drei oder mehr Gesenkhohlräume in einer Straße verwendet, die verschiedenen Stufen der Formgebung entsprechen, wobei der Rohling nacheinander von einem Gesenkhohlraum zum nächsten bewegt wird. Im dargestellten Beispiel ist das letzte formgebende Gesenk 402 dargestellt. Der Gesenkhohlraum 404 ist ein so dimensionierter Hohlraum, dass er der gewünschten fertig bearbeiteten Form des Rohlings entspricht. Der Gesenkhohlraum 404 hat Seitenwände hinreichender Dicke und Härte, um sicherzustellen, dass keine Verformung des Gesenkhohlraums stattfindet, wenn ein unfertiger Rohling eingebracht wird, um darin zum gewünschten fertig bearbeiteten Rohling 405 plastisch verformt zu werden wie dargestellt. Der Querschnitt des Gesenkhohlraums 404 (nicht dargestellt) definiert natürlich den gewünschten Querschnitt des Rohlings – mit entweder kreisförmigem oder höckerigem Umfang – wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die Ausformung des fertigen Rohlings 405 im Gesenkhohlraum 404 erfolgt häufig durch mehrere Schläge mittels eines Stößels oder Stempels 406. Der beispielhafte Stempel 406 wird typischerweise von einem leistungsstarken mechanischen Aktor (nicht dargestellt) angetrieben, der unter hohem Druck (siehe Pfeil 408) auf den Rohling schlägt, um sowohl den Kopf des Rohlings als auch die fertige innere Rohlingsform gleichzeitig zu formen. Analog zu den aufeinander folgenden Gesenkhohlräumen können mehrere verschieden geformte Stempel während der Formung des Rohlings 405 verwendet werden, wobei sich die Form jedes Stempels der Form des fertigen Rohlingkopfes 410 immer weiter nähert. Bei diesem Beispiel enthält der Kopf 410 des Rohlings eine Kreuzschlitzausformung 412 (als freigelegter Querschnitt dargestellt). Diese Schlüsselführungsausformung kann jedoch jede gewünschte Form haben und kann alternativ (z. B.) einen vertieften Standard-Kreuzschlitz, eine sechshöckerige Schlüsselführungsvertiefung, eine Sechskantvertiefung sein. Der Rohling kann auch mit jeder beliebigen äußeren oder inneren Schlüsselführungskopfform versehen werden oder jedes andere System enthalten, bei dem über ein geeignetes System ein Anziehmoment auf die Schraube übertragen werden kann. Es ist zu beachten, dass ein beweglicher Auswerferstift 414 als Anschlag für die Spitze des Rohlings und zum Auswerfen des fertigen Rohlings (siehe Pfeil 416) in einen Kanal oder ein anderes Transportmittel (nicht dargestellt), das zu einem Gewindeformgesenk (wird nachstehend beschrieben) verwendet werden kann.
Der Gesenkhohlraum 404 erzeugt mindestens vier verschieden geformte Rohlingabschnitte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 werden nunmehr diese Abschnitte des fertigen kaltgestauchten Rohlings 405 detaillierter dargestellt und beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthalten die Abschnitte einen konischen Spitzen-(oder "Eintritts"-)abschnitt 502, einen Körperabschnitt 504 und einen sich verjüngenden Abschnitt 506 neben dem Kopf 410 sowie den Kopf selbst.
Die allgemeinen Querschnitte am konischen Spitzenabschnitt 502, am Körperabschnitt 504 und am sich verjüngenden Abschnitt 506 werden in den 6, 7 bzw. 8 beschrieben. Im Allgemeinen definiert der Schraubenrohling eine sich kontinuierlich konisch erweiternde Form von der Spitze 510 zum Kopf 410. Die dreihöckerige Querschnittsform, die den beispielhaften Rohling kennzeichnet, ist in den Schnittansichten der 6 und 7 deutlicher dargestellt (siehe Höcker 602 bzw. 702). Die Höcker 602, 702 sind um die Achse 512 zentriert und liegen innerhalb entsprechender koaxialer Kreise 606 und 706 (gestrichelt dargestellt). Die "Tal"-Zonen zwischen den Höckern 602, 702 sind mit einem Unrundheitsabstand K1 bzw. K2 beabstandet. Wie hierin später beschrieben wird, ist der Wert K umso größer, je größer die "Unrundheit". Dies kann auch als das Maß der "Höckerigkeit" gemäß den Lehren dieser Erfindung bezeichnet werden.
Analog zeigt 8 einen Querschnitt, der etwa durch den axialen Mittelpunkt des sich verjüngenden Abschnitts 506 gelegt ist. Dieser um die Achse 512 zentrierte Querschnitt ist im Wesentlichen kreisförmig und repräsentiert das kreisförmige Profil entlang diesem Abschnitt. Wie auch aus 5 ersichtlich ist, erweitert sich der Abschnitt 506 konisch nach außen vom Körperabschnitt 504 zur Unterseite 514 des Kopfes 410. Das Ausmaß der konischen Erweiterung ist im Allgemeinen nicht kleiner als die doppelte axiale Teilung des ausgeformten Schraubengewindes (siehe Teilung AP in 14) und vorzugsweise in axialer Richtung nicht größer als ein Wert WB, der dem 3,5-Fachen der axialen Teilung (AP) des geformten Gewindes entspricht.
III. Gewindeformung
Die 9 und 10 zeigen allgemein ausführlich die Formung von Gewindegängen am Rohling 405, um die fertige Gewindeschraube (hierin mit 902 gekennzeichnet) zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform wird die Schraube 902 von ebenen Walzgesenken 908 und 910 entlang dem Schaft des Rohlings unmittelbar unterhalb des Kopfes 410 gehalten. Diese Gesenke bringen einen hinreichenden Druck auf (Pfeile 912), um eine plastische Verformung (und einen Materialfluss) der Rohlingoberfläche in jedem der drei Abschnitte (502, 504 und 506) zu bewirken, wenn eine der Gesenkplatten 908 relativ zur anderen Gesenkplatte 910 seitlich bewegt wird (Pfeil 1002). Während der Bewegung der Gesenkplatte wird der Abstand zwischen den Gesenkplatten konstant gehalten, wie durch die abstandsgleiche Mittellinie 1004 zwischen den einander gegenüberliegenden Formoberflächen der Gesenke gezeigt ist. Da die Gesenke einen Rohling mit exzentrischem Querschnitt halten, bewirkt die Bewegung des Gesenks 908 eine oszillierende Abwälzdrehung (Pfeile 1006) des Rohlings. Speziell die Mittelachse 512 des (der) sich abwälzenden Rohlings (Schraube) beschreibt einen Weg 1008, der abwechselnd oberhalb und unterhalb der Mittellinie 1004 verläuft. Da jedoch der Abstand zwischen den Gesenken konstant ist, würde eine Messung des Querschnitts mittels eines ebenen Mikrometerambosses eher konstante Abmessungen um den gesamten Umfang der fertigen Gewindeschraube ergeben.
Wie insbesondere aus 9 ersichtlich ist, sind die Gesenke 908 und 910 im Bereich des konisch geformten Gewindegrundabschnitts 906 mit einem charakteristischen nach auswärts geformten Konus 920 versehen. Dieser auswärts gerichtete Konus, der auf den sich verjüngenden Abschnitt des Rohlings wirkt, erzeugt ein resultierendes Gewindemuster mit Gewindeprofilspitzen, die einen relativ konstanten Außendurchmesser (gestrichelte Linie 914) relativ zu den Gewindespitzen im Körperabschnitt 904 einhalten, aber der Innendurchmesser (Täler jedes Gewindeprofils), wie mit der gestrichelten Linie 916 angedeutet, weist einen charakteristischen kontinuierlich nach auswärts geformten Konus zum Kopf 410 auf. Der kontinuierliche Konus wird zu einem großen Teil durch die Wirkung der beweglichen Gesenke 908, 910 auf den sich abwälzenden Rohling erzeugt. Außerdem bewirkt der Materialfluss des Rohlings auf Basis der Gesenkformen ein einheitlicheres Aussehen, wie in 9 dargestellt ist (und in der nachstehend beschriebenen 14). Diese nach außen gerichtete konische Form steht in direktem Gegensatz zum unerwünschten Unterfüllen in der Nähe des Kopfes, das typischerweise im Stand der Technik auftritt.
Nunmehr sei auf die Querschnitte der gewalzten Schraube 902 verwiesen, die detaillierter in den 11 bis 13 dargestellt sind. Wie aus 11 ersichtlich ist, hat der Körperabschnitt 904 den größten Wert K3 der Unrundheit zwischen den Höckern 1102 und den dazwischen liegenden "Tälern".
Der Querschnitt von 12, der einen Teil des nunmehr mit Gewinde versehenen sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts 906 neben dem Körper 904 detailliert darstellt, zeigt einen verringerten Wert K4 der Unrundheit zwischen den Höckern 1202 (aber immer noch ein erheblicher Wert der Unrundheit). Es versteht sich allgemein, dass das Walzgesenk einen proportional zur Erweiterung des Konus verringerten Druck aufbringt (je näher der Konus der Unterseite 514 des Kopfes kommt). Demzufolge weist der Querschnitt von 13, relativ nah an der Unterseite des Kopfes, einen relativ kleinen Wert K5 der Unrundheit auf. Dieser kleine (minimale) unrunde Querschnitt soll im Rahmen dieser Beschreibung als "nahezu kreisförmiger Querschnitt" bezeichnet werden. Bei manchen Ausführungsformen kann der nahezu kreisförmige Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig sein. Der Begriff ist also dahingehend zu verstehen, dass er auch eine solche Alternative einschließt.
Die oben beschriebene oszillierende Abwälzbewegung des Rohlings neigt natürlich unter dem Einfluss der Walzgesenke dazu, die endgültige Ausformung des konischen kreisförmigen Querschnitts neben der Unterseite des Kopfes zu beeinflussen. Es dürfte ebenfalls selbstverständlich sein, dass die hierin verwendete Kombination aus Rohling und Gewindeformgesenk in einer Schraube resultiert, die die vorteilhaften gewindeformenden Eigenschaften einer mehrhöckerigen Schrauben mit einem erhöhten Widerstand gegen schwingungsbedingtes Lockern in Zusammenhang mit einer Schraube mit einem kreisförmigen Querschnitt in der Verbindungsklemmzone hat. Dieser nahezu kreisförmige Querschnitt wird zum Teil als Ergebnis des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts erzeugt, der den Formdruck in dieser Zone vorteilhaft reduziert.
IV. Verbundene Baugruppe
Wie in 14 detailliert dargestellt ist, verbindet die fertige gewalzte Schraube 902 eine Baugruppe bestehend aus einem ersten dünnen Werkstück 1402 und einem zweiten Werkstück 1404 als Ankermaterial. Der Kopf 410 drückt fest gegen das erste Werkstück 1402. Wie dargestellt sind zwei oder mehr getrennte spiralförmige Windungen, Schnecken oder Gewindegänge 1406, 1408 auf der Schraube 902 ausgeformt worden. Diese sind durch diametral gegenüberliegende Gewindeprofile 1406, 1408 dargestellt, die sich in der gleichen axialen Position entlang dem Schraubenschaft befinden. Wie oben erwähnt, hat die fertige Schraube eine beliebige höckerige Querschnittsfläche (3, 5, 9, 11 usw. Höcker). Es ist zu beachten, dass der sich verjüngende Gewindegrundabschnitt 906 mit dem Ankermaterial in Eingriff steht und das Ankermaterial 1404 nach vorne und hinten extrudiert (siehe Extrusionspunkt 1405), wodurch ein zusätzlicher Gewindeeingriff zwischen dem Ankermaterial 1404 und den Gewindegängen 1406 etc. bereitgestellt wird. Die Extrusion tritt zum Teil deshalb auf, weil die Täler der Gewindegänge am sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt nach außen in Richtung des Kopfes konisch weiter werden, während die Spitzen der Gewindegänge weitgehend den gleichen Durchmesser einhalten wie diejenigen zumindest des benachbarten Abschnitts des Körperabschnitts (und in der Nähe des Kopfes der Querschnitt nahezu kreisförmig wird). Wenn also die Schraube in ein dünnes Ankermaterial 1404 eingesetzt und angezogen wird, wird das Material zunehmend stark gegen die Täler des sich verjüngenden Gewindegrundes gepresst, bis zu dem Punkt, in dem es axial nach hinten und vorne fließt wie dargestellt.
Es sei nochmals gesagt, dass die Verwendung von zwei oder mehr gegenüberliegenden Windungen oder Gewindegängen bedeutet, dass mehrere Punkte entlang einem gegebenen Querschnitt des Ankermaterials gesichert werden. Diese Sicherung wird im Bereich des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts erzielt, der sich zwischen dem nahezu kreisförmigen Querschnitt und dem stärker unrunden Querschnitt erstreckt, wodurch der Widerstand gegen Lockern aufgrund von Vibration oder anderen externen Kräften erhöht wird. Bei der fertigen Schrauben definieren die Gewindegänge 1406, 1408 etc. eine axiale Teilung AP, die der Abstand zwischen den Gewindespitzen benachbarter Gewindegänge ist. Wie oben anhand von 5 erläutert, entspricht die Länge des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts WB gemäß einer Ausführungsform mindestens dem Doppelten der axialen Teilung AP. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel entspricht die Länge des sich verjüngenden Gewindegrundabschnitts WB höchstens dem 3,5-Fachen der axialen Teilung AP.
Die Wirkungen der Kraftverteilung über einen Querschnitt des Ankermaterials 1404 sind in 15 detaillierter dargestellt. Der sich verjüngende Gewindegrundabschnitt 906 der Schraube sitzt so im Ankermaterial 1404, dass ein Spannungsmuster erzeugt wird, das durch die Reihe der Spannungslinien 1501 kategorisiert ist, die eine Spannungsgradientenkonzentration in der Nähe jedes der Höcker 1502 zeigen. Es ist zu beachten, dass bei diesem Beispiel drei Höcker 1502 dargestellt sind.
Die sich abwechselnden Zonen mit entspanntem Material und mit Spannungskonzentration erhöhen den mechanischen Widerstand des Befestigungselements gegen Lockern im Material aufgrund von Vibration oder anderen externen Kräften.
Vorstehend wurde eine detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung gegeben. Verschiedene Modifikationen und Erweiterungen können vorgenommen werden. So kann z. B. die Ausführung des selbstschneidenden Gewindes variiert und ein alternatives Gewindeformprofil in einer alternativen Ausführungsform vorgesehen werden. Gleichermaßen kann die Anzahl kontinuierlicher spiralförmiger Windungen oder Gewindegänge und dgl. in einem weiten Bereich variiert werden. Ferner können die Materialien und die Härte der Schraube sowie das Material des darunter liegenden Ankerblechs variiert werden. Dementsprechend werden die Schraubenmaterialien ggf. so behandelt, dass sie dem aufgebrachten Anziehmoment beim Eingriff mit angegebenen Ankermaterialien eines vorgegebenen Typs (ohne Abreißen) standhalten. Derartige Behandlungen können Einsatzhärten und/oder Induktionshärten enthalten. Diese Beschreibung ist folglich nur als beispielhaft zu verstehen.

Claims

Gewindeschraube (300) zum Verbinden dünner Werkstücke (1402, 1404) mit einer definierten Mittelachse (512) und einem Kopf (302), aufweisend: einen Körperabschnitt (306), der einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert; einen konischen Spitzenabschnitt (310), der einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert; einen Gewindegrundabschnitt (304), der sich zwischen dem Kopf (302) und dem Körperabschnitt (306) befindet, wobei der Gewindegrundabschnitt (304) einen sich ändernden Querschnitt definiert, wobei sich der sich ändernde Querschnitt von einem nahezu kreisrunden Querschnitt neben dem Kopf (302) bis zu einem mehrhöckerigen Querschnitt neben dem höckerigen Körper erstreckt; und ein Gewinde (312) mit einem Soll-Gewindeprofil, das entlang dem Schraubenkörper (306) und entlang dem Gewindegrundabschnitt (304) so ausgeführt ist, dass ein konstanter radialer Abstand von der Drehachse (512) bis zur Gewindespitze jedes der Gewindegänge sowohl entlang dem Gewindegrundabschnitt (304) als auch zumindest einem Teil des Körperabschnitts (306) neben dem Gewindegrundabschnitt (304) eingehalten ist, wobei sich der Gewindegrundabschnitt (304) verjüngt.
Gewindeschraube (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl Gewindegänge (312) mit einem Soll-Gewindeprofil entlang dem Gewindegrundabschnitt (304), dem Körperabschnitt (306) und dem konischen Spitzenabschnitt (502) vorgesehen ist.
Gewindeschraube (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Teilung (P) durch den Abstand zwischen den Spitzen benachbarter Gewindegänge (312), gemessen entlang der Drehachse (512) definiert ist, und der Gewindegrundabschnitt (304) eine axiale Länge hat, die mindestens dem Zweifachen der axialen Teilung (P) entspricht.
Gewindeschraube (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Teilung (P) durch den Abstand zwischen den Spitzen benachbarter Gewindegänge (312), gemessen entlang der Drehachse (512) definiert ist, und der Gewindegrundabschnitt (304) eine axiale Länge hat, die nicht größer ist als das 3,5-Fache der axialen Teilung (P).
Verfahren zum Verbinden mindestens eines ersten dünnen Werkstücks (1402) und eines zweiten dünnen Werkstücks (1404) unter Verwendung einer Gewindeschraube (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Drehen der Schraube (300), während ein Druck entlang der Drehachse (512) in Richtung des ersten Werkstücks (1402) und des zweiten Werkstücks (1404) aufgebracht wird; und Bereitstellen eines Widerstandes gegen Lockern durch externe Kräfte, wenn sich das erste dünne Werkstück (1402) im mehrhöckerigen Querschnitt, der vom sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt (304) definiert ist, entspannt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeschraube (300) eine Reihe innerer Gewindegänge (1406) entlang dem Schraubenkörper (304) bildet.
Verfahren zur Herstellung von Gewindeschrauben (300), die in einem der Ansprüche 1 bis 4 definiert sind, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Einlegen eine Rohlings (405) mit Kopf und einem höckerigen Körperabschnitt zwischen ein Paar Gesenke (908, 910), von denen ein jedes jeweils eine Gruppe linearer Rillen und einen sich verjüngenden Bereich an einer Seite hat, der so ausgeführt ist, dass er sich neben einem Kopf (410) des Rohlings (405) mit Kopf befindet; b) Beaufschlagen des Rohlings (405) mit Kopf mit Druckkräften durch das Gesenkpaar (908, 910); c) geradliniges Bewegen eines der Gesenke (908), wodurch der Rohling (405) mit Kopf veranlasst wird, sich zwischen dem Gesenkpaar (908, 910) entlang einer Mittelachse (512) des Rohlings (405) abzuwälzen, wodurch ein oszillierender Weg bezüglich einer Mittellinie (1004) durch den Abstand zwischen den Gesenken (908, 910) definiert wird, wobei die Gesenke (908, 910) eine Gruppe Gewindegänge (312) auf dem Körperabschnitt (306) und einen Gewindeabschnitt auf dem Gewindegrund (304) des sich verjüngenden Abschnitts (506) ausbilden, indem der Rohling (405) mit Kopf plastisch verformt wird; und bei dem der Gewindegrundabschnitt (304) mit Gewindegängen versehen wird, die im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser haben wie der Außendurchmesser (D) der Gewindegänge (312) auf dem Körperabschnitt (306).
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Schraubenrohlings (405) mit Kopf, aufweisend einen sich verjüngenden Abschnitt neben dem Kopf (410), wobei der sich verjüngende Abschnitt (506) einen annähernd kreisförmigen Querschnitt entlang seiner axialen Länge definiert; einen Körperabschnitt (504), der sich vom Gewindegrundabschnitt (506) aus erstreckt und einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert; und einen konischen Spitzenabschnitt (502), der sich vom Körperabschnitt (504) aus erstreckt und einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsschritt (c) die Ausbildung mindestens zweier diskreter Gewindegänge (312) auf dem Rohling (405) mit Kopf beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner das Ausformen eines veränderlichen Querschnitts entlang dem Gewindegrundabschnitt (506) des Rohlings (405) mit Kopf aufweisend, wobei der sich ändernde Querschnitt von einem nahezu kreisrunden Querschnitt neben dem Kopf (410) bis zu einem Querschnitt maximaler Höckerigkeit neben dem Körper (504) erstreckt.
Stößelgesenk (406) zum Ausformen eines Schraubenrohlings (405) mit Kopf, aufweisend: einen formgebenden Gesenkhohlraum (404) zur Aufnahme eines im Wesentlichen geradlinigen Rohlings, wobei der formgebende Gesenkhohlraum (404) einen durch eine Achse (426) gelegten Querschnitt und Wände (402) hat, um zu formen: I. einen sich verjüngenden Abschnitt (506), der einen kreisrunden Querschnitt neben einem Kopf (410) des Rohlings (405) definiert und sich von diesem weg zum Körperabschnitt (504) erstreckt; II. einen Körperabschnitt (504), der einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert; und III. einen konischen Spitzenabschnitt (502), der sich vom Körperabschnitt (504) aus erstreckt und einen mehrhöckerigen Querschnitt definiert.
Walzgesenke-Paar (908, 910) zum Formen von Gewindegängen (312) auf einem mehrhöckerigen Schraubenrohling gemäß Anspruch 11, aufweisend: ein erstes Gesenk (908) mit einer oder mehreren linearen Rillen zum Walzformen der Gewindegänge (312), wobei das erste Gesenk (908) einen zu einem Ende des ersten Gesenks (908) nach außen gerichteten Konus hat und der nach außen gerichtete Konus so geformt ist, dass Walzformen eines Gewindes in einem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt des Schraubenrohlings (405) neben dem Schraubenkopf (302) möglich ist; und ein zweites Gesenk (910), das zum ersten Gesenk (908) weist, wobei das erste Gesenk (908) bezüglich des zweiten Gesenks (910) bei einem konstanten Abstand zwischen ihnen beweglich ist, das zweite Gesenk (910) eine oder mehrere geradlinige Rillen zum Walzformen von Gewindegängen hat, das zweite Gesenk (910) einen zu einem Ende des zweiten Gesenks (910) nach außen gerichteten Konus hat und der nach außen gerichtete Konus so geformt ist, dass Walzformen eines Gewindes in einem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt des Schraubenrohlings (405) möglich ist.
Walzgesenke-Paar (908, 910) nach Anspruch 12, wobei das erste Gesenk (908) und das zweite Gesenk (910) so ausgeformt sind, dass sie eine Mehrzahl diskreter Gewindegänge (312) auf dem Schraubenrohling (405) formen.
Walzgesenke-Paar (908, 910) nach Anspruch 13, wobei der nach außen gerichtete Konus des ersten Gesenks (908) und der nach außen gerichtete Konus des zweiten Gesenks (910) jeweils so ausgeführt sind, dass sie Gewindegänge (312) auf dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt (506) formen, die einen radialen Abstand an den jeweiligen Spitzen haben, der etwa gleich ist dem radialen Abstand (D) an Spitzen zumindest eines benachbarten Teils des Körperabschnitts (306) des Schraubenrohlings, und Täler an den Gewindegängen zwischen Spitzen einen kontinuierlichen radial nach außen zunehmenden Konus in axialer Richtung vom Körperabschnitt (306) zum Kopf (410) definieren.
Walzgesenke-Paar (908, 910) nach Anspruch 14, wobei der nach außen gerichtete Konus des ersten Gesenks (908) und der nach außen gerichtete Konus des zweiten Gesenks (910) jeweils so ausgeführt sind, dass sie Gewindegänge (312) auf dem sich verjüngenden Gewindegrundabschnitt (304) formen, die sich von einem nahezu kreisrunden Abschnitt in Richtung des Kopfes (410) zur maximalen Höckerigkeit neben dem Körperabschnitt (306) ändern.