EP2367645B1

EP2367645B1 - Verfahren und walzbacken zur herstellung einer schraube mit veränderlicher gewindesteigung

Info

Publication number: EP2367645B1
Application number: EP11701451A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Hettich
Original assignee: Ludwig Hettich and Co
Current assignee: Ludwig Hettich and Co
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: CA2786923A1; PL2367645T3; EP2367645A1; WO2011085999A1; US9017176B2; DE102010000084A1; US20120309548A1; ES2397625T3; MX2012008224A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Mittel zum Herstellen einer Schraube mit einem durchgängigen Gewinde veränderlicher Gewindesteigung. Dabei weist der Begriff eines "durchgängigen" Gewindes darauf hin, dass es sich um ein einziges, fortlaufendes Gewinde handelt, und dient zur Abgrenzung gegenüber einer Schraube mit zwei voneinander getrennten Gewinden.

Verwandter Stand der Technik

Eine Schraube mit einem durchgängigen Gewinde mit veränderlicher Gewindesteigung ist beispielsweise in der WO 2009/015754 beschrieben. Durch eine geeignete Variation der Gewindesteigung lässt sich beim Eindrehen der Schraube in ein Bauteil eine Eigenspannung im Verbund zwischen der Schraube und dem Bauteil erzeugen. Nach der Lehre der zitierten Patentschrift ist die Variation der Gewindesteigung so zu wählen, dass die Eigenspannung einer Verbundspannung, die unter Belastung des Bauteils auftritt, entgegengesetzt ist, so dass zumindest die Spannungsspitzen der resultierenden Verbundspannung unter Belastung des Bauteils verringert werden. Eine derartige Schraube mit veränderlicher Gewindesteigung kann beispielsweise zum Armieren von Bauteilen, z. B. Brettschichtträgern, oder zum Einleiten von Kräften in ein Bauteil verwendet werden.
Um eine Schraube mit einer gewünschten veränderlichen Gewindesteigung herzustellen, bietet es sich an, das Gewinde aus einem Rohling zu fräsen. Moderne Zerspanungsmaschinen lassen sich verhältnismäßig einfach entsprechend dem gewünschten Gewindeverlauf programmieren. Nachteilig ist hierbei jedoch der verhältnismäßig große Verlust an Material bei der Zerspanung sowie die vergleichsweise lange Bearbeitungsdauer, die den Durchsatz begrenzt.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 ist aus der DE 60 2004 004 057 T2 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Schraube mit einem durchgängigen Gewinde mit veränderlicher Gewindesteigung, das sich schnell und kostengünstig durchführen lässt, sowie Mittel zum Durchführen dieses Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform durch das Verfahren nach Anspruch 1 und in einer zweiten Ausführungsform durch ein Verfahren nach Anspruch 2 gelöst. Ferner wird sie durch einen Walzbacken nach Anspruch 7 oder einen Walzbacken nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Rohling zwischen zwei Walzbacken gewalzt, wobei in jedem Walzbacken ein Walzprofil ausgebildet ist, das eine Schar von gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen umfasst. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu bekannten Walzverfahren für die Ausbildung von Gewinden mit konstanten Gewindesteigungen, bei denen das Walzprofil durch eine Schar von geraden, parallelen und äquidistant angeordneten Vertiefungen gebildet wird.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind die Vertiefungen so ausgebildet und angeordnet, dass die Mittellinien benachbarter Vertiefungen durch eine Verschiebung in Walzrichtung um eine konstante Strecke T in Deckung gebracht werden können. Ferner sind die Steigungen der Mittellinien, die definiert sind als Quotient der Änderungen der Position der Mittellinie in Richtung quer und in Richtung parallel zur Walzrichtung, an den jeweiligen Schnittpunkten der Mittellinien mit einer zur Walzrichtung parallelen Linie identisch. Diese Steigungen sind im Übrigen proportional zur Gewindesteigung in dem der Linie entsprechenden Abschnitt der fertig gewalzten Schraube, d.h. dem Abschnitt der Schraube, der durch einen Abschnitt des Walzbackens geformt wird, der sich entlang der genannten zur Walrichtung parallelen Linien erstreckt.
Insofern reflektiert der Verlauf jeder einzelnen Vertiefung bzw. deren Mittellinie den Verlauf der veränderlichen Steigung der fertigen Schraube.
Der Erfinder hat festgestellt, dass sich eine Schraube mit veränderlicher Gewindesteigung mit einem so gestalteten Walzbacken in der Praxis unkompliziert und mit -für den Erfinder überraschend - geringem Walzdruck ausbilden lässt. Die oben definierte Geometrie der Vertiefungen nach dem ersten Ausführungsbeispiel hat zur Folge, dass es abgesehen von dem Einwalzen von Material in die Vertiefungen zum Ausbilden des Gewindes praktisch keinen Materialtransfer in Axialrichtung des Rohlings gibt, wodurch die Walzkräfte erstaunlich gering gehalten werden können.
Das unkomplizierte Verhalten beim Walzen mit dieser Geometrie des Walzbackens ist für den Fachmann überraschend. Beispielsweise sind dem Erfinder Versuche bekannt, zwei getrennte Gewinde mit unterschiedlicher aber jeweils konstanter Gewindesteigung an einem Rohling in ein- und demselben Walzprozess mit einem zweiteiligen Walzbacken auszubilden. Dies hat sich in der Praxis als schwierig herausgestellt, da der Rohling dabei dazu neigt, quer zur Walzrichtung zu verkippen. Es ist ein überraschendes Ergebnis des Walzverfahrens nach der ersten Ausführungsform, dass keine derartige Verkippung beim Walzen auftritt, sondern dass sich veränderliche Gewinde in ausgezeichneter Qualität einfach und unkompliziert walzen lassen.
Die oben beschriebene Geometrie der Vertiefungen des Walzprofils ist demnach so gewählt, dass der Volumentransport des Materials in Axialrichtung minimal ist, worin ein Grund für den verhältnismäßig geringen Walzdruck und das unkomplizierte Walzverhalten gesehen wird. Allerdings hat der Erfinder festgestellt, dass ein planmäßiger Volumentransport in Axialrichtung durchaus erwünscht sein kann. Wenn man davon ausgeht, dass der Rohling zylindrisch ist und somit ein konstantes Volumen pro Längeneinheit aufweist, so bedeutet dies, dass nach einem Walzprozess ohne Volumentransport in Axialrichtung auch das fertig gewalzte Gewinde über seine gesamte Länge ein konstantes Volumen pro Längeneinheit aufweist. Tatsächlich benötigt die Schraube jedoch in einem Bereich geringer Gewindesteigung, d.h. niedrigerer Ganghöhe, mehr Material pro Längeneinheit, um das Gewinde auszubilden, als in einem Bereich großer Ganghöhe. Falls dieses zusätzlich benötigte Material beim Walzen fehlt, kann es passieren, dass der Gewindedurchmesser im Bereich geringer Gewindesteigung abnimmt, bzw. dass das Gewinde im Walzprozess nicht vollständig "gefüllt" wird. Der lokale Mangel an Material wird im Folgenden auch als "Volumendefekt" bezeichnet. Aus diesem Grund wäre es bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft, wenn im Zuge des Walzprozesses Material von solchen axialen Abschnitten des Rohlings, an denen ein Gewindeabschnitt mit höherer Steigung auszubilden ist, in einen axialen Bereich transferiert wird, in dem ein Gewindeabschnitt mit geringerer Steigung auszubilden ist.
Dies kann nach der zweiten Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass die Steigung der Mittellinien der Vertiefungen an einem ersten Ende des Walzbackens, an dem der Walzprozess des Rohlings beginnt, im Verhältnis zu der Steigung am - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Abschnitt eines zweiten Endes des Walzbackens, an dem der Walzprozess beendet wird, variiert wird. Wenn man nämlich die Steigungen der Vertiefungen, oder mit anderen Worten, den Abstand der Vertiefungen in einem Bereich des ersten Endes im Vergleich zu dem in Walzrichtung betrachtet gegenüberliegenden Bereich des zweiten Endes vergrößert, führt dies beim Walzen zu einer Stauchung des entsprechenden Abschnitt des Rohlings, so dass Material in den entsprechenden axialen Bereich der fertigen Schraube transportiert wird. Der umgekehrte Effekt stellt sich ein, wenn die Steigung bzw. der Abstand benachbarter Vertiefungen in dem Bereich des ersten Endes des Walzbackens im Verhältnis zur Steigung im entsprechenden Bereich am zweiten Ende verringert wird. Dies erzeugt beim Walzen einen Transport von Materialvolumen aus dem entsprechenden axialen Bereich heraus.
Dieses Prinzip kann man sich zu nutze machen, um den oben beschriebenen Volumendefekt in Gewindeabschnitten mit geringer Gewindesteigung zu kompensieren. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird das Walzprofil daher so gewählt, dass folgende Ungleichung gilt: $\frac{P_{21}}{P_{11}} < \frac{P_{22}}{P_{12}},$

wobei P₂₁ die mittlere Steigung der (Mittellinie der) Vertiefungen in einem ersten Bereich am zweiten Ende des Walzbackens ist, die geringer ist als die mittlere Steigung P₂₂ der Vertiefungen in einem zweiten Bereich am zweiten Ende des Walzbackens, und wobei P₁₁ und P₁₂ die mittleren Steigungen in denjenigen Bereichen am ersten Ende des Walzbackens sind, die dem ersten bzw. dem zweiten Bereich - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegen. Hierbei bedeutet der Begriff "in Walzrichtung betrachtet gegenüberliegend", dass die einander entsprechenden Bereiche durch zwei zur Walzrichtung parallele Linien begrenzt werden.
Man beachte, dass im Unterschied hierzu bei der Geometrie der ersten Ausführungsform gilt: P₂₁=P₁₁ und P₂₂=P₁₂, so dass beide Brüche in der obigen Gleichung 1 ergeben, was auf einen fehlenden Volumentransport in Axialrichtung hinweist.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Volumendefekt auch dadurch kompensiert werden, dass für das fertig gewalzte Gewinde in einem Bereich geringerer Gewindesteigung ein kleinerer Querschnitt des Gewindezahns durch Variation des Flankenwinkels und/oder der Gewindetiefe gewählt wird. So kann mit weniger zu Verfügung stehendem Material der gleiche Gewindedurchmesser hergestellt werden.
Vorzugsweise sind bei dem Walzbacken solche Vertiefungen, deren Mittellinie im Bereich des ersten Endes des Walzbackens eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes des Walzbackens tiefer ausgebildet als solche, deren Mittellinie im Bereich des ersten Endes des Walzbackens eine kleinere Steigung haben. Da Vertiefungen mit größerer Steigung im Bereich des ersten Endes weiter voneinander beabstandet sind, ist es für den Walzprozess vorteilhaft, wenn diese Vertiefungen tiefer ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Vertiefungen im Bereich des ersten Endes des Walzbackens im Querschnitt V-förmig und in ihrer Tiefe zumindest bis auf ±10% proportional zur Steigung der Mittellinie am ersten Ende des Walzbackens.

Kurzbeschreibung der Figuren

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird. Darin zeigen:

Fig. 1A: eine Draufsicht auf einen Walzbacken nach dem Stand der Technik zum Walzen eines Gewindes mit konstanter Gewindesteigung, sowie eines Rohlings und eines fertig gewalzten Gewindes;
Fig. 1B: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 1A an dessen erstem Ende;
Fig. 1C: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 1A an dessen zweitem Ende;
Fig. 2A: eine Draufsicht auf einen Walzbacken nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, sowie eines Rohlings und eines fertig gewalzten Gewindes;
Fig. 2B: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 2A an dessen erstem Ende;
Fig. 2C: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 2A an dessen zweitem Ende;
Fig. 2D: eine vergrößerte und vereinfachte Draufsicht auf den Walzbacken von Fig. 2A;
Fig. 2E: eine perspektivische Ansicht des Walzbackens von Fig. 2A;
Fig. 3A: eine Draufsicht auf einen Walzbacken nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, sowie eines Rohlings und eines fertig gewalzten Gewindes;
Fig. 3B: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 3A an dessen erstem Ende;
Fig. 3C: eine Draufsicht auf eine Stirnfläche des Walzbackens von Fig. 3A an dessen zweitem Ende.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1A ist eine Draufsicht auf einen Walzbacken 10 nach dem Stand der Technik, mit dem eine Schraube mit konstanter Gewindesteigung gewalzt werden kann.
Der Walzbacken 10 hat ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 14. Beim Walzen wird ein Rohling 16 vom ersten Ende 12 des Walzbackens 10 in Richtung auf das zweite Ende 14 gewalzt. Auf der Oberfläche des Walzbackens 10 ist ein Walzprofil ausgebildet, das aus einer Vielzahl von geradlinigen, parallelen und äquidistanten Vertiefungen 18 gebildet wird. Die Vertiefungen 18 im Bereich des ersten bzw. zweiten Endes 12, 14 sind in Fig. 1B und 1C zu erkennen, die jeweils eine Draufsicht auf eine der Stirnflächen 20, 22 des Walzbackens 10 zeigen. Eine Schraube 19 mit fertig gewalztem Gewinde ist im Bereich des zweiten Endes 14 des Walzbackens 10 dargestellt.
Wie in Fig. 1A, 1B und 1C zu erkennen ist, ändert sich der Querschnitt der Vertiefungen 18 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 12, 14 des Walzbackens 10. Jedoch sind die Querschnitte sämtlicher Vertiefungen 18 am ersten Ende 12 identisch (siehe Fig. 1B), und gleiches gilt für die Querschnitte 18 am zweiten Ende des Walzbackens 10 (siehe Fig. 1C). Ferner sind die Mittellinien der Vertiefungen 18 parallel zueinander und äquidistant angeordnet.
Fig. 2A zeigt eine Draufsicht auf einen Walzbacken 24, der für ein Verfahren zum Herstellen einer Schraube 26 mit einem durchgängigen Gewinde 28 veränderlicher Gewindesteigung geeignet ist, die ebenfalls in Fig. 2A dargestellt ist. Die Schraube 26 kann aus dem gleichen Rohling 16 hergestellt werden, der in der Ausführungsform von Fig. 1A gezeigt wurde und der von einem ersten Ende 30 des Walzbackens 24 in Richtung auf ein zweites Ende 32 gewalzt wird. Fig. 2E zeigt eine perspektivische Ansicht des Walzbackens 24. Fig. 2B und Fig. 2C zeigen Draufsichten auf Stirnflächen 36 bzw. 38 im Bereich des ersten bzw. zweiten Endes 30, 32 des Walzbackens 24.
Wie in Fig. 2A zu erkennen ist, besteht das Walzprofil des Walzbackens 24 aus einer Vielzahl von länglichen Vertiefungen 34, die anders als bei dem Walzbacken 10 von Fig. 1A jedoch nicht geradlinig, nicht parallel und nicht äquidistant sind. Die Geometrie der Vertiefungen 34 wird anhand von Fig. 2D näher beschrieben, in der die Draufsicht auf den Walzbacken 24 vergrößert dargestellt ist, und in der der Übersichtlichkeit halber lediglich die Mittellinien 34' der jeweiligen länglichen Vertiefungen 34 eingezeichnet sind.
Wie in Fig. 2D zu erkennen ist, sind die Mittellinien 34' je zweier benachbarter Vertiefungen so ausgebildet und angeordnet, dass sie durch eine Verschiebung in Walzrichtung um eine konstante Strecke T in Deckung gebracht werden können. Die Mittellinien 34' haben eine Steigung, die definiert ist als der Quotient der Änderungen Δy bzw. Δx der Position der Mittellinie in Richtung quer (y-Richtung) bzw. parallel (x-Richtung) zur Walzrichtung. Aufgrund der Translationssymmetrie in Walzrichtung sind die Steigungen einer jeden Mittellinie am jeweiligen Schnittpunkt mit einer zur Walzrichtung parallelen Linie 40 identisch, und diese Steigung ist proportional zur Gewindesteigung in dem der Linie 40 entsprechenden Abschnitt 42 der fertigen Schraube 26 (siehe auch Fig. 2A).
In Fig. 2B und 2C ist zu erkennen, dass sich die Abstände zwischen benachbarten Vertiefungen 34 in γ-Richtung, d.h. einer Richtung quer zur Walzrichtung sowohl am ersten als auch am zweiten Ende 30, 32 des Walzbackens 24 ändern. Diese Änderung der Abstände reflektiert die veränderliche Gewindesteigung, da die Abstände eine "lokale" Ganghöhe der Schraube, also die lokale Gewindesteigung der Schraube repräsentieren. Man beachte, dass die lokale Gewindesteigung P= dy /dϕ proportional zu der in Fig. 2D gezeigten Steigung Δy/Δx ist, da eine bestimmte Strecke Δx beim Abrollen des Rohlings einem bestimmten Abrollwinkel Δϕ entspricht.
Man beachte jedoch, dass die mittleren Steigungen der Vertiefungen 34 in - in Walzrichtung betrachtet - einander gegenüberliegenden Bereichen am ersten und zweiten Ende 30, 32 des Walzbackens 24 identisch sind. Zur Erläuterung ist in Fig. 2B ein erster Bereich 44 des ersten Endes und in Fig. 2C ein erster Bereich 46 des zweiten Endes des Walzbackens 24 gezeigt. In jeden dieser Bereiche fallen sechs Vertiefungen 34, was bedeutet, dass die mittlere Steigung der Vertiefungen 34 in den gegenüberliegenden Bereichen 44, 46 identisch ist.
Ferner zeigt Fig. 2B einen zweiten Bereich 48 des ersten Endes des Walzbackens 24, dessen Breite demjenigen des ersten Bereichs 44 entspricht, in dem jedoch die mittlere Steigung der Vertiefungen 34 größer ist, denn es passen nur vier Vertiefungen in den Bereich 48. Dem zweiten Bereich 48 des ersten Endes liegt ein zweiter Bereich 50 des zweiten Endes gegenüber, in dem die mittlere Steigung zwar größer ist als im ersten Abschnitt 46 des zweiten Endes, jedoch gleich derjenigen im gegenüberliegenden Abschnitt 48 des ersten Endes ist.
Die Tatsache, dass die mittleren Steigungen in - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Abschnitten 44/46 bzw. 48/50 am ersten und am zweiten Ende 30, 32 des Walzbackens 24 identisch sind, hat zur Folge, dass es praktisch keinen Materialvolumentransport in axialer Richtung des Rohlings (bzw. γ-Richtung des Walzbackens 24) gibt (mit Ausnahme des Transports beim Füllen der Vertiefungen 34). Dadurch ist der Walzvorgang mit verhältnismäßig geringen Walzkräften durchführbar und lässt sich einfach und schnell durchführen.
Ferner hat sich in Versuchen des Erfinders gezeigt, dass der Rohling 16 beim Abwalzen mit dem Walzprofil von Fig. 2A bzw. 2D keine Neigung zeigt, sich quer zu stellen, so dass sich die Schraube 26 mit durchgängigem Gewinde veränderlicher Steigung - für den Erfinder verblüffenderweise - leicht und unkompliziert walzen lässt.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem Walzbacken 24 nach der ersten Ausführungsform und dem Walzbacken 10 von Fig. 1A bis 1C aus dem Stand der Technik besteht darin, dass solche Vertiefungen 34, deren Mittellinie im Bereich des ersten Endes 30 des Walzbackens 24 eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes 30 tiefer ausgebildet sind als solche, deren Mittellinie im Bereich des ersten Endes 30 eine kleinere Steigung hat, wie Fig. 2B unmittelbar zu entnehmen ist. Beim Walzbacken 10 von Fig. 1B hingegen sind die Tiefen sämtlicher Vertiefungen 18 am ersten Ende 12 des Walzbackens 10 identisch. Durch Anpassen der Frästiefe der Vertiefungen 34 im Bereich des ersten Endes 30 des Walzbackens 24 an die Steigung bzw. den Abstand benachbarter Vertiefungen kann sichergestellt werden, dass zwischen zwei benachbarten Vertiefungen Spitzen ausgebildet werden, die alle zumindest annähernd auf demselben Niveau sind und dadurch gleichzeitig mit dem Rohling 16 in Kontakt geraten. Wie Fig. 2B zu entnehmen ist, sind bei der ersten Ausführungsform die Vertiefungen 34 im Bereich des ersten Endes 30 des Walzbackens 24 im Querschnitt V-förmig, und ihre Tiefe ist proportional zur Steigung der Mittellinie 34' im Bereich des ersten Endes 30 des Walzbackens 24, bzw. zum Abstand benachbarter Vertiefungen 34.
Da der verwendete Rohling 16 zylindrisch ist und daher ein konstantes Volumen pro Längeneinheit aufweist, hat auch die Schraube 26, die mit dem Walzbacken 24 hergestellt wurde, ein konstantes Volumen pro Längeneinheit, denn die Geometrie des Walzprofiles ist so gewählt, dass ein Volumentransport in Axialrichtung beim Walzen des Rohlings 16 vermieden wird. Allerdings benötigt die fertige Schraube 26 in einem Bereich geringerer Gewindesteigung, in dem die Windungen dichter beieinander liegen, mehr Material. Wenn die Gewindesteigung über die Länge des Gewindes der Schraube stark variiert, kann es passieren, dass das Gewinde beim Walzen stellenweise nicht vollständig "gefüllt" wird, weil nicht genügend Material vorhanden ist, bzw. dass der Durchmesser des Gewindes in diesem Bereich abnimmt.
Der Mangel an Material im Bereich geringerer Gewindesteigung wird im Folgenden als "Volumendefekt" bezeichnet. Um den Volumendefekt auszugleichen, werden hierin drei Vorgehensweisen vorgeschlagen:

Erstens könnte anstatt eines zylindrischen Rohlings ein Rohling mit veränderlichem Querschnitt verwendet werden. Dieser Rohling hätte in Bereichen, in denen ein Gewindeabschnitt geringer Gewindesteigung auszubilden ist, einen etwas größeren Durchmesser als in Bereichen, in denen einen Abschnitt mit vergleichsweise großer Gewindesteigung auszubilden ist.
Diese Lösung ist jedoch insofern nachteilig, als sie eine aufwendige Fertigung des Rohlings erforderlich macht.

Eine zweite Lösung besteht darin, den Querschnitt des Gewindezahns des Gewindes 28 durch Variation des Flankenwinkels und/oder der Gewindetiefe so zu variieren, dass der fertig gewalzte Gewindezahn in einem Bereich geringerer Gewindesteigung eine kleinere Querschnittsfläche aufweist und so der Volumendefekt kompensiert wird. So kann das Gewinde einen spitzeren Flankenwinkel haben, so dass das Gewinde im Längsschnitt der Schraube betrachtet schmaler und mit spitzerer Flanke versehen ist und daher weniger Material benötigt wird. Dies kann in dem Verfahren nach der ersten Ausführungsform sehr einfach implementiert werden, indem die Breiten der Vertiefungen 34 am zweiten Ende des Walzbackens 24 in Bereichen geringerer Gewindesteigung schmaler und/oder weniger tief ausgebildet werden.
Die dritte und bevorzugte Lösung besteht darin, das Walzprofil so auszugestalten, dass ein gezielter Volumentransport aus Bereichen größerer Gewindesteigung in Bereiche geringerer Gewindesteigung hervorgerufen wird, der den Volumendefekt gerade ausgleicht. Diese dritte Variante ist in der zweiten Ausführungsform beschrieben, die im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3A bis 3C beschrieben wird.
Fig. 3A zeigt eine Draufsicht auf einen Walzbacken 52 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der ein erstes Ende 54 und ein zweites Ende 56 aufweist. Auf dem Walzbacken 52 ist ähnlich wie in Fig. 2A ein Walzprofil bestehend aus einer Vielzahl von länglichen, gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen 58 ausgebildet. Der Verlauf der Vertiefungen 58 basiert auf demjenigen von Fig. 2A, der jedoch zusätzlich im Hinblick auf einen speziellen beabsichtigten Volumentransport modifiziert wurde.
Fig. 3B und 3C zeigen wiederum die Draufsicht auf die Stirnflächen 60 bzw. 62 des ersten bzw. zweiten Endes 54, 56 des Walzbackens 52. Die wie man durch Vergleich von Fig. 2C und 3C erkennt, ist das Walzprofil bei der zweiten Ausführungsform am zweiten Ende 56 des Walzbackens 52 identisch mit demjenigen am zweiten Ende 32 des Walzbackens 24 der ersten Ausführungsform. Dies liegt daran, dass der Walzvorgang am zweiten Ende beendet ist und dass hier abgesehen von der Korrektur des Volumendefekts mit beiden Ausführungsformen derselbe Schraubentyp hergestellt werden soll. Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht in der Form des Walzprofils am ersten Ende des Walzbackens 52, wie durch Vergleich von Fig. 3B und 2B zu erkennen ist.
Nach der zweiten Ausführungsform von Fig. 3B und 3C sind die Gewindesteigungen in - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Abschnitten des ersten und zweiten Endes 54, 56 des Walzbackens 52 nicht mehr identisch. In Fig. 3B ist ein erster Bereich 64 des ersten Endes 54 des Walzbackens 52 gezeigt, der fünf Vertiefungen 58 enthält. Diesem Bereich liegt - in Walzrichtung betrachtet - am zweiten Ende 56 des Walzbackens 52 ein Bereich 66 gegenüber, in den sechs Vertiefungen 58 fallen. Mit anderen Worten ist die mittlere Steigung P₁₁ im ersten Bereich 64 des ersten Endes 54 größer als die mittlere Steigung P₂₁ im ersten Bereich 66 des zweiten Endes 58. Dies hat zur Folge, dass beim Walzen des Rohlings 16 ein axialer Materialtransport in den dem Bereich 66 entsprechenden Abschnitt des Gewindes stattfindet. Da der dem Bereich 66 entsprechende Gewindeabschnitt ein Abschnitt mit niedriger Gewindesteigung ist, lässt sich auf diese Weise der oben beschriebene Volumendefekt in diesem Bereich kompensieren.
Der umgekehrte Effekt tritt in einem zweiten Bereich 70 am zweiten Ende 56 des Walzbackens 52 auf, der einem zweiten Bereich 68 am ersten Ende 54 des Walzbackens 52 - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegt. Wie Fig. 3B und 3C zu entnehmen ist, ist die mittlere Steigung P₂₂ des zweiten Bereichs 70 am zweiten Ende des Walzbackens 52 größer als die mittlere Steigung P₁₂ an dem - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Bereich 68, was bedeutet, dass ein Materialtransport aus dem dem Bereich 70 entsprechenden Abschnitt des Gewindes heraus stattfindet. Dies ist zweckmäßig, da der entsprechende Bereich des Gewindes ein Bereich mit hoher Gewindesteigung ist, an dem daher weniger Material pro Längeneinheit zum Ausbilden des Gewindes benötigt wird.
Man beachte, dass durch eine Variation der Gewindesteigung in - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Abschnitten am ersten und zweiten Ende des Walzbackens sowohl eine globale Streckung bzw. Stauchung des Gewindes als auch eine Umverteilung von Materialien in axialer Richtung erreicht werden kann. Für die Korrektur des oben beschriebenen Volumendefekts reicht jedoch eine globale Streckung oder Stauchung nicht aus, vielmehr muss Material aus einem Bereich höherer Gewindesteigung in einen Bereich geringerer Gewindesteigung transferiert werden. Ein Kriterium für eine solche Umverteilung ist durch die folgende Ungleichung gegeben: $P_{21} / P_{11} < P_{22} / P_{12},$

wobei P₂₁ die mittlere Steigung der Vertiefungen in einem ersten Bereich am zweiten Ende des Walzbackens ist, P₂₂ die mittlere Steigung der Vertiefungen in einem zweiten Bereich am zweiten Ende des Walzbackens ist und P₁₁ und P₁₂ die mittleren Steigungen in den Bereichen am ersten Ende des Walzbackens sind, die dem ersten und dem zweiten Bereich - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegen, und wobei ferner gilt: P₂₁<P₂₂. Die obige Ungleichung definiert somit eine lokale Umverteilung von Material in axialer Richtung, die über eine globale Streckung oder Stauchung hinausgeht.
Der Walzbacken von Fig. 3A bis 3C kann beispielsweise wie folgt konstruiert werden: Ausgangspunkt kann der Walzbacken ohne Volumentransport, wie er in Fig. 2A dargestellt ist, sein. Die Geometrie der Vertiefungen des Walzbackens ohne Volumentransport lässt sich dann ausgehend von einer gewünschten Form der fertigen Schraube und unter Heranziehung der in Verbindung mit Fig. 2A bis 2E benannten Kriterien konstruieren. Wie oben erläutert, sind dabei die mittleren Steigungen in - in Walzrichtung betrachtet - gegenüberliegenden Bereichen am ersten und zweiten Ende des Walzbackens zunächst identisch. In einem zweiten Schritt können dann die Steigungen am ersten Ende so variiert werden, dass der erwünschte Volumentransport hervorgerufen wird. Dazu wird vorzugsweise zu der Steigung der i-ten Vertiefung am ersten Ende ein Korrekturwert dp(i) addiert, der wie folgt berechnet wird: $dp (i) = \frac{Δ V (i)}{{d_{G 0}}^{2} π / 4},$

wobei ΔV der Volumendefekt der i-ten Windung und d_G0 ein "zylindrischer Ersatzdurchmesser" des fertigen Gewindes ist, d.h. der Durchmesser eines Ersatzzylinders, der die gleiche Länge und das gleiche Volumen hat, wie das fertige Gewinde. Hierbei ist dp(i) die Steigungsänderung pro Winkeländerung Δϕ, die proportional zu einer Änderung ΔX der Vertiefungen in Walzrichtung ist.
Auf diese Weise können die Steigungskorrekturen am ersten Ende für jede Windung berechnet werden. Die Korrektur führt zu einer Verschiebung der Vertiefungen am ersten Ende des Walzbackens, wie dies durch den Vergleich von Fig. 3B mit Fig. 2B ersichtlich ist. Die einzelnen Vertiefungen können dann durch glatte Funktionen so modifiziert werden, dass sie zu der erwünschten Variation am ersten Ende des Walzbackens und der erwünschten Gewindeform am zweiten Ende des Walzbackens führen.
Man beachte, dass sich bei den Walzbacken 24 von Fig. 2 bzw. 52 von Fig. 3 die Steigungen der Mittellinien 34' der Vertiefungen 34 kontinuierlich ändern. Anschaulich gesprochen bedeutet dies, dass die Vertiefungen an keiner Stelle abgeknickt sind, was einer sprunghaften Änderung der Gewindesteigung der gewalzten Schraube entsprechen würde. Derartige sprunghafte Änderungen würde man erhalten, wenn man bei der fertigen Schraube Gewindeabschnitte mit unterschiedlichen, aber innerhalb des Abschnittes konstanten Gewindesteigungen aneinanderstückeln würde. Ein entsprechender Walzbacken wäre in der Konstruktion möglicherweise einfacher, in der Herstellung jedoch aufwendiger als die hierin offenbarten Walzbacken. Die hier gezeigten Walzbacken mit den glatten, knickfreien Vertiefungen können in Fräsverfahren hergestellt werden. Dies ist bei Walzbacken mit geknickten Vertiefungen nicht ohne weiteres möglich. Zwar könnte der Walzbacken aus mehreren separat gefertigten Teilen an den Knickstellen zusammengesetzt werden, der Erfinder hat jedoch festgestellt, dass ein solcher zusammengesetzter Walzbacken tendenziell verschleißanfällig ist. Alternativ wäre es möglich, einen Walzbacken mit geknickten Vertiefungen in einem Erodierverfahren herzustellen, welches jedoch wesentlich kostenaufwendiger ist, als ein Fräsverfahren. Daher erweist sich der Walzbacken mit einem glatten, knickfreien Verlauf der Vertiefungen als besonders vorteilhaft.

Bezugszeichenliste

10: Walzbacken
12: erstes Ende des Walzbackens 10
14: zweites Ende des Walzbackens 10
16: Rohling
18: Vertiefung
19: Schraube
20: Stirnfläche am ersten Ende des Walzbackens 10
22: Stirnfläche am zweiten Ende des Walzbackens 10
24: Walzbacken
26: Schraube
28: Gewinde der Schraube 26
30: erstes Ende des Walzbackens 24
32: zweites Ende des Walzbackens 24
34: Vertiefung
34': Mittellinien der Vertiefungen 34
36: Stirnseite am ersten Ende des Walzbackens 24
38: Stirnseite am zweiten Ende des Walzbackens 24
40: Linie parallel zur Walzrichtung
42: Abschnitt des Gewindes 28
44: erster Bereich am ersten Ende des Walzbackens
46: erster Bereich am zweiten Ende des Walzbackens 24
48: zweiter Bereich am ersten Ende des Walzbackens 24
50: zweiter Bereich am zweiten Ende des Walzbackens 24
52: Walzbacken
54: erstes Ende des Walzbackens 52
56: zweites Ende des Walzbackens 52
58: Vertiefung
60: Stirnseite am ersten Ende des Walzbackens 52
62: Stirnseite am zweiten Ende des Walzbackens 52
64: erster Bereich am ersten Ende des Walzbackens 52
66: erster Bereich am zweiten Ende des Walzbackens 52
68: zweiter Bereich am ersten Ende des Walzbackens 52
70: zweiter Bereich am zweiten Ende des Walzbackens 52

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schraube (26) mit einem durchgängigen Gewinde (28) veränderlicher Gewindesteigung, wobei ein Rohling (16) zwischen zwei Walzbacken (24) gewalzt wird,
wobei in jedem Walzbacken ein Walzprofil ausgebildet ist, das eine Schar von
Vertiefungen (34) umfasst,
wobei die Mittellinien (34') benachbarter Vertiefungen (34) durch eine Verschiebung in Walzrichtung um eine konstante Strecke (T) in Deckung gebracht werden können, und
wobei die Steigungen der Mittellinien (34'), die definiert sind als Quotient der Änderungen der Position der Mittellinie (34') in Richtung quer bzw. parallel zur Walzrichtung, an den Schnittpunkten der Mittellinien (34') mit einer zur Walzrichtung parallelen Linie (40) identisch sind,
wobei der Walzbacken (24, 52) ein erstes und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Walzrichtung vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende des Walzbackens (24, 52) weist, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprofil eines jeden Walzbackens eine Schar von gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen (34, 58) umfasst, wobei
die Vertiefungen (34, 58) im Bereich des zweiten Endes (32, 56) so ausgebildet sind, dass das fertig gewalzte Gewinde (28) in einem Bereich geringerer Gewindesteigung einen spitzeren Flankenwinkel hat, als in einem Bereich größerer Gewindesteigung, und/oder
wobei ein Rohling mit veränderlichem Querschnitt verwendet wird, der in einem Bereich, in
dem ein Gewindeabschnitt mit geringerer Gewindesteigung auszubilden ist, einen größeren Durchmesser aufweist als in einem Bereich, in dem ein Gewindeabschnitt mit größerer Gewindesteigung auszubilden ist, und/oder
wobei solche Vertiefungen (34, 58), deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes (30, 54) tiefer ausgebildet sind als solche, deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine kleinere Steigung aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Schraube mit einem durchgängigen Gewinde veränderlicher Gewindesteigung, wobei
ein Rohling (16) zwischen zwei Walzbacken (52) gewalzt wird,
wobei in jedem Walzbacken (52) ein Walzprofil ausgebildet ist, das eine Schar von
Vertiefungen (58) umfasst,
wobei der Walzbacken (52) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprofil eines jeden Walzbackens eine Schar von gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen (58) umfasst, wobei die mittlere Steigung (P₂₁) der Vertiefungen (58) in einem ersten Bereich (66) am zweiten Ende (56) des Walzbackens (52) geringer ist als die mittlere Steigung (P₂₂) der Vertiefungen (58) in einem zweiten Bereich (70) am zweiten Ende (56) des Walzbackens (52), und wobei gilt: $P_{21} / P_{11} < P_{22} / P_{12},$

wobei P₁₁ und P₁₂ die mittleren Steigungen in den Bereichen (64, 68) am ersten Ende (54) des Walzbackens (52) sind, die dem genannten ersten bzw. zweiten Bereich (66, 70) des zweiten Endes (56) in Walzrichtung betrachtet gegenüberliegen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Walzbacken (24, 52) ein erstes und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Walzrichtung vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende des Walzbackens (24, 52) weist,
und bei dem die Vertiefungen (34, 58) im Bereich des zweiten Endes (32, 56) so ausgebildet sind, dass das fertig gewalzte Gewinde (28) in einem Bereich geringerer Gewindesteigung einen spitzeren Flankenwinkel hat, als in einem Bereich größerer Gewindesteigung.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Vertiefungen (34, 58) in einem ersten Bereich am zweiten Ende (32, 56) des Walzbackens (24, 52), in dem die mittlere Gewindesteigung geringer ist als in einem zweiten Bereich am zweiten Ende (32, 56) des Walzbackens (24, 52), schmaler sind als im zweiten Bereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Walzbacken (24, 52) ein erstes Ende und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, und die Walzrichtung vom ersten Ende (30, 54) in Richtung auf das zweite Ende (32, 56) weist,
und wobei solche Vertiefungen (34, 58), deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes (30, 54) tiefer ausgebildet sind als solche, deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine kleinere Steigung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Vertiefung im Bereich des ersten Endes (30, 54) des Walzbackens (24, 52) im Querschnitt V-förmig ist, und die Tiefe zumindest bis auf ±10% proportional zur Steigung der Mittellinie (34') ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Steigung des Gewindes kontinuierlich ändert.
Walzbacken (24) zum Herstellen einer Schraube (26) mit einem durchgängigen Gewinde (26) mit veränderlicher Gewindesteigung, wobei in dem Walzbacken ein Walzprofil ausgebildet ist, das eine Schar von
Vertiefungen (34) umfasst,
wobei die Mittellinien (34') benachbarter Vertiefungen (34) durch eine Verschiebung in Walzrichtung um eine konstante Strecke (T) in Deckung gebracht werden können, und
wobei die Steigungen der Mittellinien (34), die definiert sind als Quotient der Änderungen der Position der Mittellinie (34') in Richtung quer bzw. parallel zur Walzrichtung, am jeweiligen Schnittpunkt mit einer zur Walzrichtung parallelen Linie (40) identisch sind, wobei der Walzbacken ein erstes und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Walzrichtung vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende des Walzbackens (24, 52) weist, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprofil eine Schar von gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen (34, 58) umfasst, wobei

die Vertiefungen (34, 58) im Bereich des zweiten Endes (32, 56) so ausgebildet sind, dass das fertig gewalzte Gewinde (28) in einem Bereich geringerer Gewindesteigung einen spitzeren Flankenwinkel hat, als in einem Bereich größerer Gewindesteigung, und/oder
wobei solche Vertiefungen (34, 58), deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes (30, 54) tiefer ausgebildet sind als solche, deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine kleinere Steigung aufweisen.
Walzbacken (52) zum Herstellen einer Schraube mit einem durchgängigen Gewinde veränderlicher Gewindesteigung, wobei
in dem Walzbacken (52) ein Walzprofil ausgebildet ist, das eine Schar von
Vertiefungen (58) umfasst
wobei der Walzbacken (52) ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzbacken eine Schar von gekrümmten, nicht parallelen Vertiefungen (58) umfasst, wobei die mittlere Steigung (P₂₁) der Vertiefungen (58) in einem ersten Bereich (66) am zweiten Ende (56) des Walzbackens (52) geringer ist als die mittlere Steigung (P₂₂) der Vertiefungen (58) in einem zweiten Bereich (70) am zweiten Ende (56) des Walzbackens (52), und wobei gilt: $P_{21} / P_{11} < P_{22} / P_{12},$

wobei P₁₁ und P₁₂ die mittleren Steigungen in den Bereichen (64, 68) am ersten Ende (54) des Walzbackens (52) sind, die dem genannten ersten bzw. zweiten Bereich (66, 70) des zweiten Endes (56) in Walzrichtung betrachtet gegenüberliegen.
Walzbacken (24, 52) nach Anspruch 9, der ein erstes und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Walzrichtung vom ersten Ende in Richtung auf das zweite Ende des Walzbackens (24, 52) weist, und bei dem die Vertiefungen (34, 58) im Bereich des zweiten Endes (32, 56) so ausgebildet sind, dass das fertig gewalzte Gewinde (28) in einem Bereich geringerer Gewindesteigung einen spitzeren Flankenwinkel hat, als in einem Bereich größerer Gewindesteigung.
Walzbacken (24, 52) nach Anspruch 10, bei dem die Vertiefungen (34, 58) in einem ersten Bereich am zweiten Ende (32, 56) des Walzbackens (24, 52), in dem die mittlere Gewindesteigung geringer ist als in einem zweiten Bereich am zweiten Ende (32, 56) des Walzbackens (24, 52), schmaler sind als im zweiten Bereich.
Walzbacken (24, 52) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, der ein erstes Ende und ein zweites Ende (30, 32; 54, 56) hat, die in Walzrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Walzrichtung vom ersten Ende (30, 54) in Richtung auf das zweite Ende (32, 56) weist,
und wobei solche Vertiefungen (34, 58), deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine größere Steigung haben, im Bereich des ersten Endes (30, 54) tiefer ausgebildet sind als solche, deren Mittellinie (34') im Bereich des ersten Endes (30, 54) eine kleinere Steigung aufweisen.
Walzbacken (24, 52) nach Anspruch 12, bei dem die Vertiefung im Bereich des ersten Endes (30, 54) des Walzbackens (24, 52) im Querschnitt V-förmig ist, und die Tiefe zumindest bis auf ±10% proportional zur Steigung der Mittellinie (34') ist.
Walzbacken (24, 52) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Steigungen der Mittellinien (34') der Vertiefungen (34) kontinuierlich variieren.