DE69921664T2

DE69921664T2 - Befestigungsmittel mit lobulärem schaftquerschnitt und senkrecht zum gewinde verlaufenden schneidkanten

Info

Publication number: DE69921664T2
Application number: DE69921664T
Authority: DE
Inventors: J. Barry HUGHES
Original assignee: SEMBLEX CORP ELMHURST; Semblex Corp
Current assignee: SEMBLEX CORP ELMHURST; Semblex Corp
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: MXPA01001797A; US5921735A; JP2002523691A; EP1105654A1; TW417010B; AU5555099A; CA2339790A1; KR20010072715A; EP1105654B1; DE69921664D1; BR9913100A; WO2000011358A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Konstruktion eines gewindeschneidenden Befestigungsmittels und ein Verfahren zur Ausbildung von Gewinden in einem Werkstück. Das erfindungsgemäße gewindebildende Befestigungsmittel erzeugt eine Vorbohrung in einem Werkstück, wenn das Befestigungsmittel in die Bohrung eingeführt wird. Die Bohrung in dem Werkstück wird durch das Befestigungsmittel kaltverformt. Bei dem Kaltverformungsvorgang deformiert das Befestigungsmittel das Material des Werkstücks und erzeugt daher in großem Maße Reibung, die durch die den Befestigungsmittel zugeführte Antriebskraft überwunden werden muss.
Um die bei der Verwendung eines gewindeschneidenden Befestigungsmittels erforderliche Antriebskraft zu reduzieren, wurde eine tribulare Konstruktion entwickelt, bei der Befestigungsmittel mit einem Gangquerschnitt dreikantiger, gebogener Form vorgesehen sind. Ein solcher Querschnitt schließt abwechselnd hohe und niedrige Bereiche auf dem Gangscheitel des Befestigungsmittels entlang der Gangoberfläche ein. Ursprünglich war diese Form über der gesamten Länge des Befestigungsmittels ausgeformt. Dies führte zu einer Verminderung des erforderlichen Antriebsdrehmoments, da die Gewindeformung lediglich durch die hohen Bereiche des Befestigungsmittelgewindes ausgeführt wurde, wodurch die Reibung stark vermindert wurde, die durch eine Anordnung mit voll in Eingriff stehender kreisförmiger Gewindeanordnung hervorgerufen wurde. Ein reduzierter Gewindeeingriff besteht jedoch immer noch, wenn das Befestigungsmittel voll im Eingriff steht und daher wird die Haltekraft des Befestigungsmittels gemindert. Obwohl Befestigungsmittel dieser Art gute Gewindeformungsqualitäten bei vernünftigen Antriebsdrehmomenten aufwiesen, fehlte ihnen eine gute Haltefähigkeit für ein Standardzylindergewinde. Es besteht ein inherenter Konflikt bei der Konstruktion von Befestigungsmitteln dieser Art zwischen dem gewünschten geringen Antriebsdrehmoment bei der Gewindebildung und dem gewünschten hohen Oberflächenkontakt bzw. der Haltekraft des Zylindergewindes.
Ein frühes Befestigungsmittel mit lobularer Konstruktion ist in dem für Phipard, Jr. erteilten US Patent Nr. 3 246 556 gezeigt, welches ein Befestigungsmittel beschreibt mit einem Haltebereich 8 mit kreisförmigem Querschnitt auf der Spitze des Befestigungsmittels und einem gewindebildenden Bereich abgeschrägten lobularen Querschnitt, der sich über die restliche Länge des Befestigungsmittels erstreckt.
In dem Muenchinger erteilten US Patent Nr. 3 681 963 wird eine tribulare Konstruktion eingeführt, mit einem Querschnitt, der mehrere gebogene Seiten aufweist. Der Schaft des Befestigungsmittels nach diesem Patent ist in Bereiche entlang seiner Länge aufgeteilt, nämlich einem kreisrunden Bereich und einem abgeschrägten Bereich. Die tribulare Form ist dem abgeschrägten Bereich vorbehalten und es ist dieser Bereich, der das Gewinde in dem Werkstück formt, während der kreisrunde oder zylinderförmige Bereich den vollen Oberflächenkontakt und die Haltekraft eines Standardbefestigungsmittels erzeugt. Typischerweise hat der gewindeschneidende bzw. abgeschrägte Bereich eine kurze Länge von zwischen 2 bis 3 Ganghöhen des Gewindes. Das heißt, die gesamte Gewindebildungsarbeit erfolgt über diese Höhe.
Ein Problem bei einer solchen Mehrbereichsanordnung besteht darin, dass es schwer ist, voll ausgeformte geschnittene Gewinde auf dem Befestigungsmittel in der Übergangszone zwischen dem tribularen Querschnitt und dem Bereich mit kreisförmigem Querschnitt herzu stellen. Dieses Problem wurde weder in dem '556 noch in dem '963 Patent klar erkannt. Der Querschnittsbereich des Befestigungsmittels in dem Übergangsbereich ermöglicht keine symmetrische Anwendung von Kraft durch den Gewindeschneider und dies verhindert die Ausbildung voll geschnittener Gewinde auf dem Befestigungsmittel, selbst am Scheitelpunkt in dem Gewindebildungsbereich. Dies ist kritisch, da es die Befestigungsmittelgewinde in diesem Bereich sind, die das Ausbilden des Gewindes in dem Werkstück bis zu ihrem vollständigen Durchmesser beenden.
Ausbilden von Gewinden auf einem mehrbereichigen Rohling mit unterschiedlichen Durchmessern, z.B. in dem Haltebereich und dem Pilotbereich, erzeugt ein Unterschied in dem Drehabstand für jeden Bereich, da die Gewinde auf dem Rohling in dem Walzwerkzeug gebildet werden. In dem Bereich mit geringerem Durchmesser tendiert der Rohling dazu sich schneller zu bewegen. Dies erzeugt eine Kraft auf dem Rohling, die dazu führt, dass Material über die Scheitellinie des Befestigungsmittels überlappt und führt zu einem schlecht geformten Gewinde. Da im Fall eines tribularen Querschnitts die Dicke über dem Rohling die gleiche bleibt, wird dieses Problem nicht behoben. Es ist ein Zweck dieser Erfindung hier Abhilfe zu schaffen und während des Walzprozesses ein Gleiten zu ermöglichen, was es erlaubt, Gewinde in den Schneider und Haltebereichen zu erzeugen ohne schädliche Überlappungen auf dem Gewindeflanken.
Ein weiteres Problem der mehrbereichigen Befestigungsmittel nach dem Stand der Technik liegt darin, dass die Gewindebilderarbeit über einen relativ kurzen abgeschrägten Gewindebereich von zwei oder drei Ganghöhen erfolgen muss. In diesem Fall muss die ganze Arbeit durch nur sechs bis neun Nocken des Befestigungsmittels bewerkstelligt werden, wodurch das Drehmoment steigt, welches notwendig ist, um die Arbeit durchzuführen und erhöht die Last auf die schlecht geformten Gewinde dieses Bereichs des Befestigungsmittels. In der Praxis hatte sich gezeigt, dass Anwender dieser Befestigungsmittel dazu neigen, größere Vorlöcher zu benutzen, um das sonst hohe Eindrehdrehmoment zu umgehen. Dies reduziert den Eingriff der Gewinde des Befestigungsmittels im Werkstück auf ein Maximum von 70 bis 75 % des theoretischen Maximums.
Eine jüngere tribulare Befestigungsmittelkonstruktion ist in dem für Fulmer erteilten US Patent Nr. 5 242 253 beschrieben. Diese Konstruktion fügt einen dritten Ausrichtungsbereich am Einführungsende des Befestigungsmittels hinzu. Außerdem haben die Nocken der Gewinde eine hintere Kante, die dem gewindeschneidenden Bogen der Nocken folgt, die zu einer gesteigerten Reibungsentlastung führt. Da die Nocken auf einer Spirale angeordnet sind, die quer zu der Gewindespirale verläuft, wird ein gesteigertes Haltemuster über den axial ausgerichteten Nocken nach dem Stand der Technik erzeugt, da das Material des Werkstücks dazu neigt, das Gewinde hinter der Hinterkante aufzufüllen. Es wurde gemäß dem '253 Patent versucht, Gewinde mit voll ausgeformter Scheitellinie in dem tribularen Bereich auszuformen, indem ein Rohling verwendet wurde, der über seine gesamte Länge zylinderförmig und nicht abgeschrägt ist. Dies erzeugt ähnliche Probleme bei den Befestigungsmitteln mit mehreren Nocken, die Nocken in dem Übergangsbereich nur schlecht ausgeformt sind aufgrund des runden Körpers, der das Walzen dominiert und es ermöglicht Druck auf die Bereiche mit geändertem Querschnitt auszuüben.
Die Konfiguration nach dem '253 Patent führt ebenfalls zu Problemen der Eichung der Befestigungsmittel. Beim Messen des Gangdurchmessers des Befestigungsmittels werden Walzen verwendet, die das Befestigungsmittel an drei Stellen auf der Peripherie des Befestigungsmittels berühren. Wenn die Eichwalzen die Oberflächen, die radial ausgerichtet sind, nicht berühren können, kann ein falsches Ablesen auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Befestigungsmittel anzugeben, bei dem die Haltekraft maximiert ist, wohingegen die Reibungseffekte bei dem gewindeschneidenden Prozess minimiert sind, und bei dem das Eichen des fertiggestellten Befestigungsmittels vereinfacht ist. Der Stress beim Gewindeschneiden des Befestigungsmittels ist sorgfältig balanciert mit seiner Stärke und die Gewindeschneidegrenzen des Werkstücks, um häufige Installationsprobleme zu vermeiden, während gleichzeitig ein größerer Eingriff der Befestigungsmittelgewinde in dem Werkstück gewährleistet wird, wodurch die Lasttragefähigkeit des eingeführten Befestigungsmittels erhöht wird. Die gesamte Form des Befestigungsmittels ist konstruiert, um die Herstellung zu erleichtern, während ein voll geschnittenes Gewinde über der gesamten Länge des Befestigungsmittels sichergestellt ist, sowie vollständige Arbeitsnocken, insbesondere in dem Übergangsbereich zwischen dem Kreisquerschnitt des Haltebereichs und dem lobularen Querschnitt des gewindeschneidenden Bereichs.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Befestigungsmittel nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 13. Ein Befestigungsmittel wird konstruiert mit vier Gewindebereichen über der Länge des Befestigungsmittels, vom Kopf bis zur Spitze, nämlich einer zylindrischen Haltezone, einer Übergangsgewinde schneidenden Zone, einer abgeschrägte Gewindeschneidezone und einer Ausrichtungszone. Der Gangquerschnitt des Gewindes ändert sich in jeder Zone.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist an der Spitze in dem Ausrichtungsbereich der Ganghöhenquerschnitt im Durchmesser gegenüber dem Haltebereich reduziert und besteht aus einem im Wesentlichen gebogenen lobularen gradlinigen Querschnittsbereich mit konstanten Dimensionen über den Ausrichtungsbereich. Der abgeschrägte gewindebildende Bereich ist benachbart dem Ausrichtungsbereich und der gebogene, geradlinige lobulare Querschnitt hat eine graduell ansteigende Weite, um sich auf den größeren Gewindedurchmesser des Haltebereichs aufzuweiten. Der Haltebereich hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit Ausnahme von Rippen, die in Spiralmustern über die Länge des Haltebereichs geformt sind. Die Spiralmuster der Rippen bilden ein Winkel von 90 ° mit dem Gewinde des Haltebereichs.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Übergangsgewindeschneidebereich einen überlappenden Bereich auf, indem der rectilobulare Querschnitt des abgeschrägten Gewindeschneidebereichs in den mit Rippen versehenden Querschnitt des Haltebereichs übergeht, um den Rippen zu ermöglichen, ihre Gewindescheidefunktion zu vervollständigen. Das kombinierte Gewindescheiden der abgeschrägten Gewindeschneidebereiche und der Übergangsgewindeschneidebereiche erstreckt sich über mehr als acht Ganghöhen. Mit vier Nocken pro Ganghöhe aufgrund des geradlinigen Querschnitts wird der Hauptanteil der Gewindeschneidearbeit über mindestens zwanzig Nocken verteilt. Dies reduziert die aufzuwendende maximale Kraft, um die Gewinde zu schneiden. Die geradlinigen Ganghöhenquerschnitte der abgeschrägten und Ausrichtungsbereiche ermöglichen es, symmetrische Kräfte auf dem Befestigungsmittelrohling auszuüben, wenn die Gewinde des Befestigungsmittels gewalzt werden. Dies führt zu einer vollständigeren Gewinde tiefe in dem Befestigungsmittel, als dies in Übergangsbereichen nach dem Stand der Technik möglich war.
Beschreibung der Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:
1a eine Seitenansicht des Befestigungsmittels nach der Erfindung;
1b eine Endansicht des Befestigungsmittels nach der Erfindung;
1c einen Querschnitt durch den Haltebereich des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung;
2 eine vergrößerte Ganghöhenquerschnittsansicht der rectilobularen Form des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung;
3 eine Seitenansicht des gewindeschneidenden Bereichs des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung;
4 ein Diagramm, welches die Verteilung der Arbeit in den gewindeschneidenden Bereichen des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung darstellt;
5 eine Darstellung der Undulationsform der Lobulationen des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung in der abgeschrägten Gewindeschneidezone; und
6 eine Endansicht des Gewindeschneidebereichs, die so geschnitten ist, um eine volle Ganghöhe des Gewindes des Befestigungsmittels nach dieser Erfindung zu zeigen; und
7 einen Querschnitt durch das Werkstück mit einem teilweise ausgeformten Pilotloch.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Das erfindungsgemäße Befestigungsmittel ist ein Gewindeschneiden des Befestigungsmittels 1 zur Einführung in ein Pilotloch 17 in einem Werkstück 18, wie in 7 gezeigt ist. Das Befestigungsmittel wird gedreht, um passende Gewinde in dem Loch durch Kaltverformung zu bilden. Während dieser Verformung wird Material, wie als gestrichelter Bereich 21 in 7 gezeigt, an der Peripherie des Lochs 17 verschoben und bewegt, um das Gewinde in dem Werkstück zu bilden. Der Kaltverformungsprozess ist Reibungsintensiv und erfordert ein signifikantes Einfügungsdrehmoment, welches kontrolliert werden muss, um ein Brechen des Befestigungsmittels oder ein Abscheren des Gewindes im Werkstück zu vermeiden, was beides ein Installationsfehler darstellt.
Das erfindungsgemäße Befestigungsmittel ist in 1 gezeigt und weist einen Kopf 2 auf und einen Schaft 3, der sich von dem Kopf herunter bis zum unteren Ende bzw. zur Spitze 10 erstreckt. Der Schaft 3 des Befestigungsmittels 1 ist in vier getrennte Bereiche zwischen dem Kopf 2 und der Spitze 10 unterteilt, nämlich dem Haltebereich 4, dem Übergangsgewinde formenden Bereich 5, dem abgeschrägten gewindeformenden Bereich 6, und dem Pilot oder Ausrichtungsbereich 7. Jeder dieser Bereiche 4 bis 7 hat einen unterschiedlichen Ganghöhenquerschnitt, wie im Folgenden beschrieben wird.
Der Haltebereich 4 besteht aus einem zylindrischen Teil des Befestigungsmittels 1 mit Gewindegängen 8. Die Gewindegänge 8 im Bereich 4 haben einen konstanten Radius von der Achse 11 des Schaftes 3 aus gemessen und verlaufen spiralförmigen mit einem Helixwinkel 9 auf dem Schaft in üblicher Weise herunter. Die Gewindegänge 8 sind voll gezahnt, um einen maximalen Haltereingriff mit den Gewindegängen zu bilden, die in dem Pilotloch 17 des Werkstückes 18 ausgeformt sind. Vorzugsweise ist ein leicht gerippter Querschnitt in dem Haltebereich 4, wie in 1c gezeigt, vorgesehen. Rippen 25 sind auf dem Schaft 3 in dem Haltebereich 4 vorgesehen und erstrecken sich durch den Übergangsgewinde schneidenden Bereich 5 und in den abgeschrägten gewindeschneidenden Bereich 6. Die Rippen 25 besorgen das finale Materialverschieben in dem Übergangsgewinde scheidenden Bereich 5 und dienen dazu, das Einführdrehmoment zu reduzieren, welches nötig ist, um die Gewindebildung zu vervollständigen. Die Rippen 25 sind in einer langen Spirale angeordnet, die ein Winkel 22 mit den Gewindegängen 8 von ungefähr 90 ° bilden (siehe auch 1a). Es wurde gefunden, dass ein Rippenwinkel 22 von 80 bis 110 °, ein gutes Gewindeoberflächenfinish während der finalen Gewindeformung im Bereich 5 bewirkt und ein genaues Eichen erlaubt.
Der Pilotbereich 7 besteht aus einem Abschnitt des Befestigungsmittels 1 an dessen Spitze 10, mit einem rectilobularen Gewindegangquerschnitt konstanter Abmessungen in dem ganzen Bereich. In diesem Bereich hat das Befestigungsmittel 1 ein Teilbereich 23 mit kontinuierlichen Gewindegängen 8, die sich spiralförmig mit einem Helixwinkel 9 nach unten erstrecken. Die Gewindegänge 8 innerhalb der Bereiche 6 und 7 sind mit einem gebogenen rectilobularen Profil ausgestattet, wie in den 2 und 6 gezeigt. Wie in 1b gezeigt, ist die Breite W₁ des Befestigungsmittels 1 in dem Bereich 7 leicht gegenüber der Breite W₂ des Befestigungsmittels 1 in dem Bereich 4 reduziert. Dies ermöglicht die Einführung des Ausrichtungsbereichs in den Pilotbereich, um somit ein sauberes Einfügen zu gewährleisten. Die vier Nocken des Ganghöhenprofils helfen bei der Ausrichtung des Befestigungsmittels in dem Pilotloch, ohne mit der Achse 11 zu verkanten, was zu einer sauberen Einfügung einer einzelnen Nockenhinterkante führt, welches den Gewindebildungsprozess initiert.
Um den Ganghöhendurchmesser des Haltebereichs 4 zu prüfen, wird eine Reihe von Eichwalzen an der Peripherie des Befestigungsmittels 1 in dem Bereich 4 positioniert. Bei dieser Konfiguration können die Eichwalzen mit den Rippen 25 ausgerichtet sein aufgrund der Wahl eines Helixwinkels zwischen 80 und 110 °. Es wird beobachtet, dass ein spiralförmig verteilter vorstehender Rippenquerschnitt mit einem spitzen Helixwinkel, wie z.B. in dem US Patent Nr. 5 242 253 gezeigt, mit dem Eingriff der Eichwalzen interferiert. Die Walzen werden sich nicht mit den Rippen ausrichten, sondern werden teilweise auf den Rippen und teilweise außerhalb der Rippen positioniert sein, wodurch sie in das Gewinde mit variierenden Ganghöhendurchmessern eingreifen. Die derzeit verwendete Eichvorrichtung kann nicht diese Ungleichmäßigkeit kompensieren und liefert somit ungenaue Messwerte. Das kontrollierte Dreirippendesign des Haltebereichs 4 nach der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem erfolgreich.
Der abgeschrägte Gewindebildungsbereich 6 besteht aus einem abgeschrägten Teil des Befestigungsmittels 1 mit Übergängen zwischen einer Breite, die etwas geringer ist als die Breite W₂ der Gewindegänge 8 in dem Bereich 4 und geringer als die reduzierte Breite W₁ der Gewindegänge 8 in dem Bereich 7. Die Gewinde verlaufen weiter durch den Bereich 6 in den Bereich 7 und, wie in den 2 und 6 gezeigt, haben sie ein rectilobulares Profil. Dieses einzigartige Profil besteht im Wesentlichen aus gekrümmten Segmenten A und B, die ineinander übergehen, um eine kontinuierliche Krümmung, wie in
6 gezeigt, zu bilden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind vier Nocken mit geringerem Krümmungsradius (Bezugszeichen 19) durch vier gekrümmte Segmente 20 mit etwas größerem Krümmungsradius verbunden. 5 zeigt in graphischer Form die Wellenform der Gewindeprofilkrümmung in dem Bereich 6 durch die Darstellung des Abstands des Gewindeumfangs von der Achse 11. Da der Bereich 6 abgeschrägt ist, steigen die radialen Breiten 13, 14, 15 und 16 leicht an, wie in den 5 und 6 gezeigt ist. Die Lücke 12 bewirkt die Entlastung durch dieses lobulare Profil und stellt die Differenz zwischen dem Abstand x von der Achse am Bezugszeichen 19 der Nocke A und dem Abstand y von der Achse bei dem Bezugszeichen 20 des gebogenen Segments B des Profils dar. Im Betrieb sind der Radius der Krümmungen der gebogenen Segmente A und B so konstruiert, dass nur die Nocke A die Gewindegänge formt.
Eine Übergangsgewindeform der Zone 5 ist in dem Bereich des Befestigungsmittels 1 zwischen dem abgeschrägten Gewinde formenden Bereich 6 und der zylinderförmigen Haltezone 4 konstruiert. Wie oben beschrieben, ist der Bereich 4 mit einer Reihe von Rippen 25 ausgerüstet. In der bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich diese Rippen auf dem Schaft 3 des Befestigungsmittels 1 durch den Bereich 5 und teilweise in den Bereich 6 nach unten. Der Querschnitt des Bereichs 5 ist zylinderförmig aber leicht abgeschrägt, um den Unterschied in den Abmessungen der Bereiche 4 und 6 auszugleichen. Das Ergebnis ist, dass, obwohl der meiste Teil der Verformungsarbeit in dem Bereich 6 getätigt wird, die Gewindegänge in dem Pilotloch 17 in dem Übergangsgewinde formenden Bereich 5 vervollständigt sind, wodurch im Wesentlichen ein Gewinde voller Tiefe in dem Pilotloch 17 ausgebildet wird. Dies ist graphisch in 4 dargestellt.
Um die Gewindebildungsleistung des Befestigungsmittels zu maximieren, sind die durch die Gewindebildungskurven A geformten Nocken so designt, dass der Krümmungsradius der Bögen A soweit wie möglich reduziert ist, um konsistent mit der Bildung einer weichen Gesamtkrümmungskontur zu bleiben. Die Form des rectilobularen Profils ist so gewählt, dass sie die Krümmung dieser Kontur maximiert. Dies wird erreicht durch Vergrößern des Krümmungsradius des Bogens B.
Der vierseitige Ganghöhenquerschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hilft, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ermöglicht es, die Vorzüge des Mehrbereichsbefestigungsmittels zu realisieren, nämlich das Eindrehdrehmoment zu reduzieren, ohne die Haltekräfte des Befestigungsmittels zu beeinträchtigen. Dies wird erreicht durch die erhöhte Anzahl von Gewindeformungsnocken, die zur Verfügung stehen, und durch Erweiterung der Gewindeformungsfunktion des Befestigungsmittels über eine erhöhte Anzahl von Ganghöhen. Wie in den 3 und 4 gezeigt, wurde es als vorteilhaft gefunden, den abgeschrägten Gewindebildungsbereich 6 in den Bereich von vier bis acht Ganghöhen zu erstrecken, wobei der Übergangsgewindebildungsbereich 5 in dem Bereich zwischen drei bis vier Ganghöhen liegt. Dies erzeugt eine Gesamtgewindebildungsstrecke zwischen acht bis zwölf Ganghöhen. Durch Aufspreizen der zu tuenden Arbeit über einen größeren Gewindeabstand wird das momentane Drehmoment, welches an jedem Punkt erforderlich ist, reduziert.
Der tribulare Querschnitt des Rohlings nach dem Stand der Technik tendiert dazu, abwechselnde Unterschnittbereiche zu bilden. Dies wird erzeugt durch die irreguläre Unterschneidung diverser Ganghöhenquerschnitte. Diese Unterschnittbereiche verhindern symmetrischen Eingriff der flachen Befestigungsmittelrollwalzen an diesen Schnittstellen der Haltebereiche und der abgeschrägten Bereiche, was es schwierig macht, voll gezahnte Gewindegänge in diesen Bereichen des Rohlings auszubilden. Die Verwendung gradliniger Profile, wie in den 2 und 6 gezeigt, liefert ausgeglichene Unterschnitte und vermeidet dieses Problem, wodurch es erleichtert wird, vollständigere Gewindetiefen zu erzeugen.
Bei der Gewindeformung wird das vierbereichige Gewindebefestigungsmittel 1 in ein vorgebohrtes Pilotloch 17 eingeführt im Kontakt mit vier symmetrisch konstruierten Nocken des Befestigungsmittels 1. Wenn das Befestigungsmittel in das Pilotloch 17 vorgetrieben wird, beginnen die ausgedehnten Nocken des abgeschrägten Gewindeformungsbereichs 6 Gewinde zu bilden, indem sie Material 21, wie in 7 gezeigt, verschieben. Durch Vortreiben des Befestigungsmittels 1 über mindestens vier Ganghöhen wird das Gewinde fast vollständig in dem Pilotloch 17 ausgeformt. Durch eine nur leichte Abschrägung in dem Übergangsgewindeformungsbereich 5 und durch Erstrecken der Rippen 25 durch diesen Bereich werden die Rippen zu Gewindeformungsmitteln, nachdem der rectilobulare Querschnitt in den gerippten Zylinderquerschnitt der verbleibenden Bereiche übergeht. Um den Gewindebildungsprozess zu vervollständigen, wird das Befestigungsmittel weiter über mindestens drei Ganghöhen vorangetrieben, um den Rippen 25 zu ermöglichen, die zuvor geformten Gewindegänge zu formen und zu polieren. Dieser Finishingschritt ermöglicht die Bildung von Gewindegängen, die konform mit Muttergewindespezifikationen sind. Dies ermöglicht die Verwendung von Maschinenbefestigungsmitteln anstatt der Gewindeformungsbefestigungsmittel nach der Erfindung. Der letzte Schritt des Verfahrens ist in 7 dargestellt durch den Vergleich des Gewindeprofils 24, welches mit den rectilobularen Gewinden des Bereichs 6 geformt ist, mit dem Gewindeprofil 26, welches durch das gerippte Profil des Bereichs 5 geformt ist. Dies illustriert eine Diffe renz d in der Gewindetiefe, die durch aufeinander folgende Bereiche 6 und 5 geformt wurde. Der Abstand d entspricht der Höhe der Rippen 25.
Auf diese Weise wird ein Befestigungsmittel angegeben, welches konstruiert ist, um konkurrierende Designziele auszubalancieren, um ein Selbstgewinde scheidendes Befestigungsmittel anzugeben, welches in der Lage ist, ein voll ausgeformtes Gewinde in einem Werkstück auszuformen, ohne ein Einführungsdrehmoment zu benötigen, welches zum Bruch des Befestigungsmittels führen könnte oder zum Abscheren der Gewindegänge. Zusätzlich wird eine erhöhte Haltekraft erreicht.

Claims

Befestigungsmittel (1) zur Ausbildung von Gewinden in einem Loch (17) in einem Werkstück (18), wobei das Befestigungsmittel einen Kopf (2) an seinem oberen Ende, einen sich von dem Kopf (2) nach unten erstreckenden Schaft (3) aufweist, wobei der Schaft (3) in einem unteren Ende (10) endet und kontinuierliche Gewinde (8) mit einem ersten Helixwinkel ausgeformt sind, und wobei der Schaft aufweist: einen oberen Bereich (4), der sich von dem Kopf (2) nach unten erstreckt und Gewindegänge aufweist, die einen Kreisquerschnitt mit im Wesentlichen konstanten Durchmessern aufweisen; einen unteren Bereich (7), der sich von dem unteren Ende (10) nach oben erstreckt und Gewindegänge aufweist, wobei die Gewindegänge des unteren Bereichs einen gebogenen lobularen Querschnitt konstanter Weite aufweisen, wobei die Weite (W1) kleiner ist als der Durchmesser (D2) des oberen Bereichs (4); gekennzeichnet durch einen ersten Zwischenbereich (6) mit Gewindegängen und so konstruiert, dass er den unteren Bereich (7) berührt und sich von diesem aus nach oben erstreckt, wobei die Gewindegänge dieses ersten Zwischenbereichs einen gebogenen lobularen Querschnitt aufweisen, der sich graduell ausge hend von einer Weite (W1) des unteren Bereichs (7) aufweitet bis etwas weniger als der Durchmesser (W2) des oberen Bereichs (4), wobei die Gewindegänge so konstruiert sind, dass sie ein erstes Schneiden eines Gewindes in dem Loch bewirken; und einen zweiten Zwischenbereich (5), der so konstruiert ist, dass er den ersten Zwischenbereich (6) mit dem oberen Bereich (4) berührt und Gewindegänge aufweist, die einen Kreisquerschnitt aufweisen, dessen Durchmesser sich von etwas weniger als dem Durchmesser (W2) des oberen Bereichs bis gleich dem Durchmesser des oberen Bereichs aufweitet, wobei diese Gewindegänge konstruiert sind, um ein zweites Ausformen eines Gewindes in dem Loch zu bewirken.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, wobei der obere Bereich (4) mit einer Mehrzahl spiralig beabstandeter Rippen (25) konstruiert ist, wobei die Rippen (25) entlang des oberen Bereichs in einer Spirale angeordnet sind, die sich quer zu dem ersten Helixwinkel erstreckt, wobei die Rippen lokal den im Wesentlichen konstanten Durchmesser des Kreisquerschnitts aufweiten.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Zwischenbereiche (6, 5) sich wenigstens über sieben Gewindegänge des Gewindes erstrecken.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, wobei sich der erste Zwischenbereich über mindestens vier Gewindegänge des Gewindes erstreckt.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, wobei der zweite Zwischenbereich (5) sich über mindestens 3 Gewindegänge des Gewindes erstreckt.
Befestigungsmittel nach Anspruch 1, wobei der gebogene lobulare Querschnitt des unteren Bereichs und des ersten Zwischenbereichs (7, 6) mindestens 4 spiralig beabstandete gekrümmte Bögen aufweist, die einen ersten Krümmungsradius aufweisen benachbart zu gebogenen Verbindungssegmenten, die einen unterschiedlichen Krümmungsradius aufweisen, wobei die relativen Radien der Krümmung der Bögen und die verbindenden Bogensegmente Eingriff des Gewindes nur an den gekrümmten Bögen bieten.
Befestigungsmittel nach Anspruch 2, wobei die Rippen im oberen Bereich (4) sich auf dem Schaft (3) durch den zweiten Zwischenbereich (5) und teilweise in den ersten Zwischenbereichen (6) erstrecken.
Befestigungsmittel nach Anspruch 2, wobei die Rippen des oberen Bereichs (4) sich durch die zweiten Zwischenzone (5) auf dem Schaft (3) und teilweise in die erste Zwischenzone (6) erstrecken, wobei die auf einer Spirale positionierten Rip pen einen zweiten Helixwinkel aufweisen, der um 80-110° größer ist als der erste Helixwinkel.
Befestigungsmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der obere Bereich ferner mit einer Mehrzahl von spiralförmig beabstandeten Rippen versehen ist, die in dem oberen Bereich entlang einer Spirale positioniert sind, die sich quer zu den Gewindegängen erstreckt, wobei die Rippen lokal den im Wesentlichen konstanten Durchmesser des Kreisquerschnitts aufweiten.
Befestigungsmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rippen des oberen Bereichs auf dem Querschnitt vorgesehene Mittel zur Reibungsreduzierung während des Eindringens aufweisen, wobei der gebogene lobulare Querschnitt des unteren Bereichs ein ausgeglichenes Eingriffsprofil aufweist, um ein Verkanten des Befestigungsmittels in dem Loch zu verhindern und wobei die Gewindegänge des ersten Zwischenbereichs einen gebogenen lobularen Ganghöhenquerschnitt aufweisen, ähnlich dem des unteren Bereichs, welcher graduell in seiner Größe von der Weite des unteren Bereichs anwächst bis etwas weniger als der Durchmesser des oberen Bereichs, und wobei die Reibungsverminderung des oberen Bereichs sich nach unten erstreckt in den zweiten Zwischenbereich, um eine Endbearbeitung des Gewindes in dem Loch zu bewirken.
Befestigungsmittel nach Anspruch 9, wobei die Rippen des oberen Bereichs (4) sich auf dem Schaft nach unten durch den zweiten Zwischenbereich (5) und teilweise in den ersten Zwischenbereich (6) erstrecken und wobei die auf einer Spirale angeordneten Rippen einen zweiten Helixwinkel aufweisen, der 80-110° größer als der erste Helixwinkel ist.
Befestigungsmittel nach Anspruch 10, wobei der gebogene lobulare Ganghöhenquerschnitt des unteren und des ersten Zwischenbereichs (7, 6) so konstruiert ist, dass er wenigstens vier gewindebildende Nocken aufweist.
Verfahren zum Formen eines Gewindes in einem vorgebohrten Loch (70) in einem Werkstück (18) unter Verwendung eines Befestigungsmittels, welches einen Kopf (2) an seinem oberen Ende, einen Schaft (3), der sich von dem Kopf (2) nach unten erstreckt, aufweist, wobei der Schaft mit einem unteren Ende (10) endet und kontinuierliche Gewindegänge (8) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellen eines Befestigungsmittels (1) mit vier Bereichen (4-7), die sich von dem unteren Ende des Schaftes zum oberen Ende des Schaftes erstrecken, mit einem unteren Bereich (7) mit einem Gewinde mit einem lobularen Ganghöhenquerschnitt konstanter Weite, wobei der Ganghöhenquerschnitt des Befestigungsmittelsgewindes mindestens vier Nocken aufweist, die gleichmäßig um den Querschnitt verteilt sind, eine erste Zwischenzone (6) mit einem Gewindegang mit einem abgeschrägten lobularen Ganghöhenquerschnitt mit mindestens vier Nocken, mit einem zweiten Zwischenbereich (5) mit einem Gewinde, welches einen abgeschrägten Kreisquerschnitt mit Rippen (25) aufweist, und mit einem oberen Bereich (4) mit einem Gewinde mit einem Kreisganghöhenquerschnitt im Wesentlichen konstanten Durchmessers mit Rippen, wobei die Rippen (25) des oberen und zweiten Zwischenbereichs (4, 5) lokal den im wesentlichen konstanten oder abgeschrägten Durchmesser der Kreisganghöhenquerschnitte erweitern; Einfügen des Befestigungsmittels (1) in das Loch durch Einfügen des gleichmäßigen Ganghöhenquerschnitts des Befestigungsmittelgewindes des unteren Bereichs (7), Vortreiben des Befestigungsmittelsgewindes um eine Gewindeformung in dem Loch (17) zu beginnen durch Einführen der Nocken des Befestigungsmittelgewindes des ersten Zwischenbereichs (6); Fortführen des Gewindebildens durch Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes innerhalb des Lochs (17) um mindestens vier Ganghöhen, welche den ersten Zwischenbereich (6) einschließen; Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes um die Endbehandlung der Gewindebildung in dem Loch zu beginnen durch Einführen der Rippen des Befestigungsmittelgewindes in den zweiten Zwischenbereich (5); Fortführung der Gewindebildung durch Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes innerhalb des Lochs über mindestens drei Ganghöhen des Gewindes einschließlich des zweiten Zwischenbereichs (5); und Abschließen der Installation des Befestigungsmittels (1) in dem Loch (17) durch Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes innerhalb des Lochs (17), um den Querschnitt des Befestigungsmittelgewindes mit zylindrischen Rippen im oberen Bereich (4) des Befestigers mit den vollständig ausgeformten Gewindegängen in dem Loch in Eingriff zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Weiterführens des Gewindebildens durch Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes innerhalb des Lochs (17) durch den ersten Zwischenbereich (6) umfasst, dass das Befestigungsmittelgewinde über einen Bereich zwischen 4-8 Ganghöhen des Befestigungsmittelgewindes vorangetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Fortführens des Gewindebildens durch Vorantreiben des Befestigungsmittelgewindes innerhalb des Lochs (17) über den zweiten Zwischenbereich (5) umfasst, das Befestigungsmittelgewinde durch einen Bereich zwischen 3-4 Ganghöhen des Befestigungsmittelgewindes voranzutreiben.