DE704899C - Verfahren zur Herstellung von Gewinden - Google Patents

Description

Bei den gebräuchlichen. Schraubenverbindungen sind die aufeinanderfolgenden Gewindegänge ungleich stark belastet. Der weitaus größte Teil der Schraubenbelastung wirkt auf den ersten tragenden Gang auf der Kraftangriffsseite. Zu der von der gesamten Schraubenbelastung herrührenden Zugspannung, die infolge der Kerbwirkung des Gewindegrundes ein Mehrfaches der Nennspan-

_t0 nung beträgt,' treten in dem Gewindegrund der entsprechenden Gewindegänge des Bolzens und der Mutter noch beträchtliche Biege- und Scherspannungen. Eine Entlastung der ersten Gewindegänge und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Schraubenlast auf alle Gewindegänge vermindern die örtliche zusätzliche Spannungserhöhung und steigern die Haltbarkeit bei wechselnder Belastung.

Um diesen Zustand zu erreichen, sind bisher folgende Wege beschriften worden:

1. Die Tragmutter erhielt federnde Gewindegänge, deren Durchbiegung eine gleichmäßige Belastung der Gewindegänge ergeben sollte.

2. Die tragenden Mutter- und gegebenenfalls auch Bolzenquerschnitte wurden mehr oder weniger vollkommen der Forderung einer gleichmäßigen Belastung der Gewindegänge unter gleichgearteter Dehnung von Bolzen und tragendem Mutterteil angepaßt.

3. Mutter und Bolzen normaler Gestaltung sollten eine derart verschieden große Steigung erhalten, daß die beim Zusammenschrauben entstehende Vorspannung im Gewinde eine Entlastung mindestens des ersten tragenden Gewindeganges ergab.

In letzterem Fall wechselt die jeweils erforderliche Steigung eines Grundgewindes in Abhängigkeit von der Belastung, von dem Elastizitätsmodul der zusammenarbeitenden Werkstoffe, von der Stärke des das Muttergewinde tragenden Teils. Es werden also zahlreiche Abarten eines Grundgewindes erforderlich. Für jede dieser Abarten das bei dem bekannten Herstellungsverfahren erforderliche Werkzeug oder die erforderlichen Einrichtungen zu beschaffen, ist wirtschaftlich unmöglich und auch zu zeitraubend. Dazu kommt, daß nur höchste Herstellungsgenauigkeit der Werkzeuge und Einrichtungen die geringen Steigungsunterschiede genau erzielen lassen würde. Steigungsfehler, herrührend von den Werkzeugen oder Einrichtungen, würden diese Werkzeuge und Einrichtungen unverwendbar machen. Das gilt allgemein für die Werkzeuge und Einrichtungen, die bei den bekannten Herstellungsverfahren von Gewinden benötigt werden und ist ein unangenehmer Nachteil der bekannten Verfahren.

Man hat bereits versucht Bolzengewinde veränderlicher Steigung mittels üblicher Herstellung des Gewindes zu schaffen, indem man das in einer bekannten Weise erzeugte Gewinde nachträglich in seiner Steigung ändert. Das geschieht durch eine abgestufte Veränderung der Steigung der einzelnen Gewindegänge bei genügend hoher, die Festigkeit der einzelnen jeweils zu ändernden Gewindegänge herabsetzender Erwärmung unter Ausübung eines axialen Druckes. Dieses stufenweise verschieden starke Stauchen der einzelnen Querschnitte wird in seinem Ausmaß von der Temperaturhöhe, der Temperaturverteilung in den benachbarten Ouerschnitten, von der Wärmedehnung, dem für den vorliegenden Werkstoff erforderlichen Druck entscheidend beeinflußt. Dabei ist nicht zu erwarten, daß die Gewindeform unverändert bleibt, daß die Verformung gleichmäßig von einem zum anderen Gewindegang übergeht und die gewünschte Veränderung der Steigung gleichmäßig wiederholbar ausfällt; handelt es sich doch oft nur um Abweichungen von ¹Z₁₀₀₀ mm. Dieses Verfahren ist- daher nicht genügend einfach und nicht hinreichend sicher in seinen Ergebnissen, für vergütete Werkstoffe liegen die Verformungstemperaturen zu hoch. Dazu tritt, daß man das Ergebnis nicht auf einfache Weise prüfen kann.

Die Erfindung gibt demgegenüber einen praktisch brauchbaren neuen Weg an, der die Verwendung ' der vorhandenen Werkzeuge und Einrichtungen eines Grundgewindes zur Erzeugung davon abweichender Gewindesteigungen gestattet, auf dem man dem - Einzelfall angepaßte Steigungen des Gewindes billig und sicher erzeugen kann.

Nach der Erfindung werden die Werkzeuge und Einrichtungen eines Grundgewindes bestimmter Steigung zur Herstellung von Gewinden mit davon abweichenden Steigungen dadurch verwendbar gemacht, daß der mit Gewinde zu versehende Teil während der Formgebung oder ihres Schlußteils einer wieder zurückkehrenden Dehnung unterworfen wird, die im unbelasteten Zustand des Gewindes den gewünschten Steigungsunterschied gegenüber der Steigung zur' Zeit der Herstellung ergibt. Durch Änderung der wieder zurückkehrenden Dehnung (kurz Vordehnung genannt) lassen sich also in einfachster Art die gewünschten Abweichungen der Steigung von der Steigung der verwendeten Werkzeuge und Einrichtungen erzielen. Man kann auch die Werkzeuge und Einrichtungen, die zur Herstellung und Prüfung von nach den bekannten Verfahren hergestellten Gewinden benötigt werden, benutzen. Die Gewindeform ist dabei in allen Fällen genau. Werkzeuge und Einrichtungen mit geringen Steigungsfehlern \verden bei dem neuen Verfahren verwendbar, da man durch die Vordehnung den Steigungsfehler ausgleichen kann.

Zur Erzeugung von Gewinden, die nur bei Belastung zusammenpassen, unterwirft man den mit Gewinde,zu versehenden Teil einer Vordehnung, die der Dehnungsart bei Belastung entspricht. Anzustreben ist eine Größe und Verteilung der Vordehnung, die bei einer bestimmten Betriebsbelastung eine gewünschte bzw. gleichmäßige Verteilung der Belastung auf die tragenden Gewindegänge ergeben. Diese Betriebsbelastung wird im allgemeinen die größte Betriebsbelastung sein. Ob man nur den einen oder beide Gewindeteile einer Gewindekupplungsstelle, wie angegeben, dehnt, hängt von den verschiedenen Umständen ab, beispielsweise von der Größe der im Betrieb auftretenden Dehnungen. Werden beide Gewindeteile bei der Gewindeherstellung vorgedehnt, so entfällt auf jeden Teil nur ein Bruchteil der Gesamtvordehnung.

Die Vordehnung kann während der Gewindeherstellung geändert werden, d. h. es kann auch eine veränderliche Steigung entsprechend der im Betrieb gewünschten Lastverteilung auf die Gewindegänge oder der Steigung des Gegengewindes erzeugt werden. Besonders einfach gestaltet sich diese Maßnahme, wenn nur der letzte Teil der Formgebung des Gewindes unter Vordehnung er^- folgt. Drückt man hierbei die Gewindegänge in die gewünschte Form und Steigung mittels i»o der für ein Grundgewinde bestimmter Stei-. gung verwendbaren Werkzeuge und

tungen, so hat man als zusätzliche Vorteile die Erzeugung von Druckvorspannungen in den unter Kerbwirkung stehenden äußeren Fasern und den geringeren Verformungswiderstand infolge der Vorspannung.

Schneidet man in einen im Betrieb zügig belasteten Bolzen das Bolzengewinde ein oder walzt oder drückt man es unter zügiger Vordehnung mit normaler Steigung, so ist

to im unbelasteten Zustand die Steigung des Bolzengewindes kleiner. Beim Zusammenschrauben mit dem Muttergewinde von normaler Steigung wird der Gewindeteil des Bolzens wie durch eine Betriebsbelastung gedehnt.

Stellt man das Bolzengewinde des gleichen Bolzens unter drückender \^rordehnung her, so wird die Steigung im unbelasteten Bolzengewinde größer als normal. Beim Zusammenschrauben mit der Mutter normaler Steigung wird die Steigung im Bolzengewinde kleiner, die Steigung im Muttergewinde größer werden müssen. Das hätte bei zügiger Betriebsbelastung des Bolzens eine verschärfte Be- lastung der ersten tragenden Gewindegänge von Bolzen und Mutter zur Folge, ist also ungünstig. Daher wird man die letztere Ausführung bei drückender Beanspruchung des Bolzens verwenden.

Beim Muttergewinde wirkt eine drückende Vordehnung wie eine zügige Vordehnung des zugehörigen Bolzengewindes, Durch den beim Drücken mit einem Stempel geeigneten Außendurchmesser entstehenden Belastungskegel, beispielsweise einem Stempel, dessen Außendurchmesser kleiner als die Gegenauflagefiäche des gedrückten Gewindeteils ist, wird bei der Mutter, besonders der Stiftschraubenmutter, das Zusammendrücken der von dem Druckstempel entfernteren Mutterteile geringer. Man erhält dadurch bereits bei gleichbleibender Drucklast eine veränderliche, der Bolzendehnung angepaßte Steigung in den aufeinanderfolgenden Gewindegängen der Mutter. Abb. 1 zeigt den Belastungskegel in einer normalen Mutter bei Verwendung eines Druckstempels, dessen Durchmesser kleiner als die Schlüsselweite ist.

Außer durch eine äußere Belastung kann man die Vordehnung durch verschieden hohe Temperaturen in Bolzen und Mutter bei der Gewindeherstellung erzeugen. Dieser Weg ist insbesondere bei Flachgewinde gut durchführbar. Die erforderlichen Temperaturunterschiede sind gering, da beispielsweise. bei einem Werkstoff mit E = 2 000 000 kg/cm² und a — ι,τ ein Temperaturunterschied von 45° C einer Dehnung bei σ₂ = 1000 kg/cm² gleichwertig ist.

. Werden nach dem neuen Verfahren die Gewinde einer Gewindekupplungsstelle mit im unbelasteten Zustand verschiedener Steigung hergestellt, so entsteht beim Zusammenschrauben der Gewinde eine Vorspannung zwischen den gekuppelten Gewinden. Ergibt diese Vorspannung eine Vorspannung im Bolzengewinde im Sinne der Betriebsbelastung, so werden bei Betriebsbelastung die ersten tragenden Gewindegänge entlastet. Da bei einer Betriebsbelastung, die diese Verspannung aufhebt, die Belastungszunahme im Bolzen nur gleich der Betriebslast abzüglich der Vorspannung ist, wird die wechselnde Belastung bis zur Höhe der Vorspannung in eine ruhende Belastung umgewandelt. Das ist bei geeigneter Steigung von Bolzen- und Muttergewinde ein weiterer wertvoller Vorteil, der den Vorteil der gleichmäßigen Verteilung der Belastung auf die tragenden Gewindegänge ergänzt und sichert. Diese Ergänzung ist wesentlich, weil eine rechnerisch ermittelte gleichmäßige Gewindebelastung praktisch bereits durch sehr kleine Ungenauigkeiten in der Steigung, beispielsweise Vergrößerungen der Bolzensteigung um nur ^α/ιοοο^mm und darunter je Ganghöhe, gründlich verändert werden kann. Eine Ungenauigkeit der Steigung kann nunmehr bereits durch eine Vordehnung gleicher Größe und geeigneter Richtung voll beseitigt, der Belastungsanteil der ersten tragenden Gewindegänge entsprechend herabgesetzt werden.

Die Verspannung der gekuppelten Gewinde ergibt einen verbesserten Festsitz zwischen Mutter und Bolzen bei Fortfall der Vorspannung im Bolzen, sofern die Gewindeformen im Verspannungszustand der gekuppelten Gewinde zueinander passen. Das ist bei den gemäß Erfindung hergestellten Gewinden weitgehend der Fall. '00

Die Verspannung der gekuppelten Gewinde ungleicher Steigung ist am stärksten im unbelasteten Zustand. Sie nimmt ab mit wachsender Belastung bis auf Null. Die Gesamtbelastung ist daher im Gebiet vorhandener Vorspannung um die jeweilige Restvorspannung größer als die Gesamtbelastung der gekuppelten Gewinde gleicher Steigung; mit Aufhören der Verspannung sind beide Gewindearten gleich hoch belastet. Da das Anzugsmoment bei gleicher Reibung mit der Belastung steigt, so wird also bei den gekuppelten Gewinden ungleicher Steigung das Anzugsmoment bei Belastungsbeginn größer sein als bei den gekuppelten Gewinden gleieher Steigung, um bei der Vorspannung Null praktisch gleich groß zu werden. Demnach braucht auch die größte Verdrehbeanspruchung des Bolzens bei ungleicher Steigung nicht größer zu sein als bei üblichen Schraubenverbindungen. Das nach Erfindung hergestellte Gewinde paßt sieh im Gegenteil in-

folge seiner Herstellung in Form und Steigung seinem Gegengewinde besser an, als es bei in üblicher Weise hergestelltem Gewinde bei hohen Belastungen der Fall sein kann. Die wirklich tragende Fläche wird bei der höchsten Belastung bei dem neuen Gewinde größer sein; es kann die Belastung höher werden, ehe das Fressen im Gewinde oder die plastische Verformung des Gewindes beginnt.

Das größere Anzugsmoment bei unbelasteten gekuppelten Gewinden ungleicher Steigung läßt in diesem Zustande beim Anziehen nicht eindeutig erkennen, ob die Gewinde in bezug auf Gewindedurchmesser und Flankenwinkel zueinander passen. Daher ist es von besonderem Wert, daß die bei dem neuen Verfahren verwendeten Werkzeuge und Einrichtungen bei der üblichen bekannten Heran stellung von Gewinden geprüft werden können. Passen die dabei hergestellten Gewinde zueinander, so müssen die unter Vordehnung hergestellten Gewinde bei Belastung auch zusammenpassen. Man kann in dieser Art in der laufenden Fertigung jederzeit Stichproben machen.

Es ist auch vorteilhaft, die zu verschraubenden Gewinde, mindestens auf einem Teil der Schraublänge, möglichst weich zu halten. Dieses erreicht man beispielsweise in bekannter Weise durch zu schwache Herstellung des Querschnittes der Gewindegänge oder durch konisches Hohlbohren des Gewindeendes des Bolzens, das auch die Lastverteilung auf die Gewindegänge günstig beeinflußt, oder durch Ringkragen an dem Teil, der das Muttergewinde trägt.

Da Halsmuttern erhöhten Raumbedarf auf der Auflageseite besitzen, desgleichen Ringmuttern, wenn ihre Auflagefläche genügend groß sein soll, so kann man abweichend von dem Bekannten die Halsmutter bzw. die Ringmutter umgekehrt verwenden, d. h. das verschwächte Ende oben liegend. Diese An-Ordnung ist bei gekuppelten normalen Gewinden falsch, da sie die Lastverteilung auf die Gewindegänge ungünstig beeinflußt. Bei Gewinde mit Steigungsunterschieden wirkt sie günstig. Sie erleichtert die Vordehnung bei der Formgebung und die Verspannung, insbesondere bei Ungenauigkeiten der Gewinde, und verbessert den Festsitz.

Die günstigste Lösung ergibt eine Tragmutter mit oberem und unterem Ringkragen, beispielsweise nach Abb. 2.

Bei Belastung eines verspannten Gewindes kommt infolge der Längung des verspannten Gewindeteils des Bolzens nach Überwindung der Vorspannung zuerst der unterste Gang zum Tragen, und zweitens bei gegebenem Steigungsunterschfed desto früher, je mehr Gewindegänge über ihm verspannt waren. Sieht man einen oberen und einen unteren Ringkragen vor, so kann man bei geeignet gewählter Dehnung des unteren Ringkragens erreichen, daß die Aufhebung der Verspannung bei höherer Belastung erfolgt und zuerst oder gleichzeitig ein mittlerer Gewindegang im kragenlosen Teil der Mutter zum Tragen kommt, den untersten Gewindegang entlastet. Da gleichzeitig die Vorspannung im oberen Kragenteil bis zum Aufliegen eines mittleren Gewindegangs im kragenlosen Teil ansteigt, bei weitersteigender Belastung nur wenig zunimmt, verteilt sich die Gesamtbelastung auf die Gewindegänge in dem oberen und unteren und dem kragenlosen Gewindeteil. Es ergibt also die Mutter mit Doppelkragen eine gut federnde Verspannung. Je nach gewählter Vordehnung ist ein verschieden großer Steigungsunterschied in den beiden Kragenteilen erzielbar, ferner kann der Kragenquerschnitt verschieden groß sein. Damit sind die Vorspannung und die Lastverteilung den Anforderungen weitgehend in einfacher Art anpaßbar. Die Vorteile sind schon bei geringer Kragenhöhe erreichbar. Eine größere Mutterhöhe als normal ist daher nicht unbedingt erforderlich, gegebenenfalls setzt man z. B. den oberen Kragen oder bei Vorhandensein von Unterlegscheiben den unteren Kragen der normalen Mutterhöhe zu.

Die Erfindung ergibt insgesamt ohne die Notwendigkeit einer Verteuerung der Werkzeuge und Vorrichtungen über das übliche Maß eine Steigerung der Tragfähigkeit bzw. Genauigkeit der gekuppelten Gewinde.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gewinden mit von den zur Gewindeformung verwendeten Werkzeugen und Vorrichtungen abweichender Steigung, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung mindestens eines der zu kuppelnden Gewinde unter Ausübung einer wieder zurückgehenden Dehnung auf den zu bearbeitenden Gewindeteil erfolgt oder be- no endet wird, die in ihrer Größe und Richtung dem Unterschied zwischen der von dem Werkzeug und den Vorrichtungen erzeugten Steigung und der gewünschten Steigung des unbelasteten Gewindeteils bzw. umgekehrt entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zur Herstellung von Gewinde, das im unbelasteten Zustande in den zu kuppelnden Bolzen- und Muttergewinden iao verschieden große Steigung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Form-

gebung mindestens eines der zusammenarbeitenden Gewinde unter Ausübung einer wieder zurückgehenden, der Belastungsdehnung mindestens ihrer Art nach entsprechenden Dehnung auf den zu bearbeitenden Gewindeteil mit zur Erzielung normaler Steigung üblichen Werkzeugen und Einrichtungen erfolgt oder beendet wird.

ίο

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die wieder zurückgehende Dehnung des Gewindeteils dadurch erzielt wird, daß der zu bearbeitende Gewindeteil während der Bearbeitung gegenüber dem zu kuppelnden Gewindeteil verschieden hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gewindeherstellung eine Änderung der wieder zurückgehenden Dehnung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindegänge nach ihrer Formung im Sinne der Belastungsdehnung durch eine wieder zurückgehende Dehnung federnd verzerrt werden und in diesem Zustande durch Drücken der Gewindegänge mit die Steigung und Form beeinflussenden Werkzeugen und Einrichtungen ihre endgültige Form und Steigung erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung des Gewindes mit eine nicht normale Steigung ergebenden Werkzeugen und Einrichtungen unter Ausübung einer derartigen wieder zurückgehenden Dehnung erfolgt, daß nach Aufhebung der Vordehnung die zum Gegengewinde passende Steigung entsteht.

7. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Muttergewinde zu versehende Teil während oder am Schluß der Formgebung des Gewindes durch einen auf seine Stirnfläche drückenden Stempel belastet - ist, dessen Druckfläche kleiner ist als die Gegendruckfläche, um die Belastung auf mit dem Tiefenabstand der Gewindegänge von der Stirnfläche wachsende tragende Querschnitte verteilen zu können.

8. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der Dehnung eine normale oder mit bekanntem Ringkragen versehene Mutter einen oberen Ringkragen hat.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen