WO2008012051A1 - Loch- und gewindeformende schraube - Google Patents

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Heinrich Friederich
Michael Achenbach
Eberhard Christ
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Ejot Gmbh & Co. Kg
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    • F16B33/00—Features common to bolt and nut
    • F16B33/02—Shape of thread; Special thread-forms

Definitions

  • the invention relates to a hole and thread-forming screw with a tool holder having a head, a threaded shaft and a cone-like tapered hole forming part, which ends in a blunt end piece, which thus forms no tip.
  • Such a screw is known from EP 0 464 071 Bl.
  • this screw acting as a punch friction part end piece is used, which ends in a crowned friction surface, which is placed for the formation of a hole in a workpiece on this and rotated under pressure, so that by friction of the crowned friction surface relative to the workpiece, usually a metal sheet, which is heated so that the material of the workpiece is transferred to its plastic region, in which it is radially so compliant that results in a desired hole expansion with material displacement to a passage.
  • the screw must be rotated with high pressure because of the first point contact the blunt end against the workpiece, because only a small contact surface is exploitable because of the pointwise contact in the radial direction. In order to produce the required heating, it must be worked because of this concentration on a very small contact area with a correspondingly high pressure.
  • the invention has for its object to improve the known hole and thread-forming screw to the effect that it manages to form the hole with a much lower pressure. According to the invention, this is achieved in that the end piece has a coaxial depression, which of a Edge is surrounded, whose outer diameter (d) by 0.25 to 0.75 times smaller than the largest diameter (D) of the hole molding.
  • the hole and thread-forming screw according to the invention is therefore ideal for screwing into a sheet metal part, in which the screw forms the hole and then fear the thread by means of the threaded shank, bringing a safe, detachable seat for the screw in the sheet metal part or sheet metal has been created.
  • the passage extends both in the insertion direction of the screw and in the opposite direction.
  • This can be assisted by providing thread-like ribs along the hole-shaped part, which are arranged symmetrically opposite one another and have a pitch which is a multiple of the pitch of the thread of the threaded shank.
  • the perforated part is thus provided with particularly steep ribs, which act during the forming of the hole, that the tendency is supported that the passage is particularly pronounced.
  • the hole forming part can advantageously be formed similar to a cone, ie it tapers uniformly in the direction of its blunt end piece. It is also possible that the hole-forming part is provided with a plurality of symmetrically arranged flats, which in cross-section merge into one another. In this case, one obtains rounded polygonal cross-sections, which bring about their rounded corners a particularly high pressure on the material of the sheet metal part upon penetration of the tail, whereby the energy required for pressing and screwing the screw is reduced accordingly.
  • Figure 1 shows the screw in perspective view
  • FIG. 2 shows the hole-shaped part of the screw according to FIG. 1 in section along the line H-II from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a section through the end piece of the screw in section along the line III-III of Figure 2;
  • FIG. 4 shows a screw similar to that according to FIG. 1, with thread-like ribs along the hole-shaped part;
  • Figure 5 shows a section through the hole-forming part according to Figure 4 along the line V-V in an enlarged view
  • FIG. 6 likewise shows a section similar to that according to FIG. 5, but with respect to a hole molding with three ribs;
  • Figure 7 shows the hole forming part with ribs, which only on the rear
  • FIG. 8 shows the hole-shaped part in a perspective view with symmetrically arranged flattenings
  • FIG. 9 shows a section through the hole-shaped part according to FIG. 8 along the line IX-IX;
  • Figure 10a, b, c the hole forming part according to the screw of Figure 1 in different phases of penetration and penetration through a piece of sheet metal.
  • the hole and thread forming screw 1 according to the invention is shown in a perspective view.
  • the screw has the screw head 2, the threaded shaft 3 and the hole forming part 4, which serves for screwing into a piece of sheet metal (see FIGS. 10a to c).
  • the screw head 2 is provided with any known receptacle for a drive.
  • the arranged in front of the threaded shaft 3 hole forming part 4 is formed cone-like and tapers towards the end piece 5, which is set for screwing into a workpiece, in particular a piece of sheet metal on this and rotated.
  • the end piece 5 has the blunt edge 6, which surrounds a coaxial recess 7, which is designed here as a short round bore.
  • the edge 6 may also be narrower, depending on the particular manufacturing process.
  • the outer diameter of the rim 6 is a maximum of 3 mm.
  • the coaxial recess 7 formed as a bore protrudes about 3 mm or less into the hole shaped part 4 (see also FIG. 2).
  • the edge 6 formed by the coaxial depression 7 forms when placed on a workpiece a sufficiently large diameter to quickly heat the sheet metal piece during rotation of the screw 1 that the material of the sheet metal piece flows and the penetration of the hole forming part 4 in the sheet metal piece allows (see Figures 10a to 10c).
  • the hole-forming part 4 and the end piece 5 is shown enlarged, which is in the region of the coaxial recess 7 is a section along the line II-II of Figure 1.
  • This section shows that the recess 7 is a short bore, which leaves a sufficiently large edge 6, which then, as described in connection with FIG. 1, ensures that when the screw is placed on a Sheet metal piece at this point quickly enters the necessary warming.
  • the hole molding 8 is provided with thread-like ribs 9 and 10 (further ribs are not visible), the hole molding 8 due to their thread-like effect draw into the softened material of the sheet metal piece and thus widen the hole formed until finally the hole forming part 8 pulls the threaded shaft 3 with initially flattened threads in the hole formed.
  • the ribs 9 and 10 are thus a complementary effect to that according to the design of Figure 1, which can be used depending on the particular material used in a piece of sheet metal, although in many cases a smooth hole forming part, as shown in the Figure 1 is shown, is sufficient for the penetration of a piece of sheet metal.
  • Figure 5 shows a section along the line VV of Figure 4, from which it can be seen that the reproduced cut hole-shaped part 8 with four ribs 9, 10, 1 1 and 12 is provided.
  • FIG. 6 shows a modification with respect to the design according to FIG. 5, according to which the shaped hole part 13 shown here is provided with only three ribs 14, 15 and 16.
  • the ribs according to FIGS. 4, 5 and 6, which according to FIG. 4 extend over the entire length of the hole shaped part 8, can also be arranged shorter if required, as shown in FIG.
  • the ribs 18 and 19 provided here on the hole forming part 17 extend only over about half the length of the hole forming part 17, i.
  • the hole-forming part 17 first forms a hole in the piece of sheet metal first, due to the heating of the piece of sheet metal by the edge 6, until the ribs 18 and 19 (and further invisible) intervene and continue to pull the hole forming part 17 into the material of the Blech institutionss worry.
  • the shorter ribs 18 and 19 shown in Figure 7 are then particularly advantageous applicable, if this results in fabrikatorischen reasons as appropriate.
  • FIG. 8 A further particular embodiment of the hole-shaped part 20 is shown in FIG. 8, which according to the section shown in FIG. 9 along the line IX-IX from FIG. 8 is a polygonal arrangement of the essentially conical design of the hole-shaped part 20, through which the widening the initially induced hole is intensified in the piece of sheet metal.
  • FIG. 9 shows a polygonal design with seven flattened portions 21 which merge into one another in a rounded manner, so that these rounded portions 22 are advantageously pushed aside, without scrape on the material of a piece of sheet metal and thus widen a previously brought hole accordingly.
  • FIGS. 10 a, b and c three phases of the penetration of a screw, as shown in FIG. 1, into the piece of sheet metal 23 are shown. At first, that penetrates

Abstract

Loch- und gewindeformende Schraube mit einem eine Werkzeugaufnahme aufweisenden Kopf, einem Gewindeschaft und einem sich kegelähnlich verjüngenden Lochformteil, das in einem stumpfen Endstück endet, wobei das Endstück eine koaxiale Vertiefung aufweist, die von einem Rand umgeben ist, dessen Außendurchmesser (d) um das 0,25 bis 0,75-fache kleiner ist als der größte Durchmesser (D) des Lochformteils.

Description

Loch- und gewindeformende Schraube
Die Erfindung bezieht sich auf eine loch- und gewindeformende Schraube mit einem eine Werkzeugaufnahme aufweisenden Kopf, einem Gewindeschaft und einem sich kegelähnlich verjüngenden Lochformteil, das in einem stumpfen Endstück endet, die also keine Spitze bildet.
Eine derartige Schraube ist aus der EP 0 464 071 Bl bekannt. Bei dieser Schraube wird ein als Lochreibteil wirkendes Endstück verwendet, das in einer balligen Reibfläche endet, die für die Ausbildung eines Loches in einem Werkstück auf dieses aufgesetzt und unter Druck in Drehung versetzt wird, so dass durch Reibung der balligen Reibfläche gegenüber dem Werkstück, meist ein Metallblech, dieses so erhitzt wird, dass das Material des Werkstücks in seinen plastischen Bereich überführt wird, in dem es radial so nachgiebig wird, dass sich eine erwünschte Lochaufweitung mit Materialverdrängung zu einem Durchzug ergibt. Um diese Erweichung des Materials des Werkstücks zu erreichen, muss wegen der zunächst punktweisen Berührung des stumpfen Endstücks gegenüber dem Werkstück die Schraube mit hohem Druck gedreht werden, da wegen der punktweisen Berührung in Radialrichtung nur eine geringe Berührungsfläche ausnutzbar ist. Um dabei die erforderliche Erhitzung zu erzeugen, muss wegen dieser Konzentration auf eine sehr kleine Berührungsfläche mit einem entsprechend hohen Druck gearbeitet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte loch- und gewindeformende Schraube dahingehend zu verbessern, dass sie zur Ausformung des Lochs mit einem wesentlich geringeren Druck auskommt. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass das Endstück eine koaxiale Vertiefung aufweist, die von einem Rand umgeben ist, dessen Außendurchmesser (d) um das 0,25 bis 0,75-fache kleiner ist als der größte Durchmesser (D) des Lochformteils.
Aufgrund des die koaxiale Vertiefung umgebenden Randes ergibt sich eine ge- genüber einer punktweisen Berührung wesentlich größere Berührungsfläche und damit eine erheblich größere Reibung zwischen dem stumpfen Endstück und dem Werkstück, so dass mit einem relativ geringen Druck auf das Werkstück dieses im Bereich des Randes erweicht wird und damit dem Endstück die Möglichkeit bietet, durch das Werkstück hindurchzutreten und dabei einen besonders gleichmäßig ausgeformten Durchzug zu erzeugen. Dieser Durchzug ist das Ergebnis der Lochaufweitung durch das sich verjüngende Lochformteil, das mit relativ großer Oberfläche an dem ausgeformten Loch in dem Werkstück drückt und damit an diesem schnell eine große Erwärmung erzeugt, die zu einer gleichmäßigen Ausformung des Durchzuges führt. Die erfindungsgemäße loch- und gewindeformende Schraube ist daher hervorragend für das Eindrehen in ein Blechteil geeignet, in dem sich die Schraube das Loch ausformt und anschließend das Gewinde mittels des Gewindeschaftes furcht, womit für die Schraube in dem Blechteil bzw. Metallblech ein sicherer, lösbarer Sitz geschaffen worden ist.
Für die Vertiefung genügt es, diese als kurze Bohrung auszubilden.
Bei der Ausbildung des Durchzugs ergibt sich der Effekt, dass der Durchzug sich sowohl in Einführungsrichtung der Schraube als auch in entgegengesetzter Richtung erstreckt. Dies lässt sich dadurch unterstützen, dass längs des Lochformteils gewindeartig verlaufende Rippen vorgesehen sind, die symmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind und eine Steigung aufweisen, die ein Vielfaches der Steigung des Gewindes des Gewindeschaftes beträgt. Das Lochformteil ist also mit besonders steil verlaufende Rippen versehen, die beim Ausformen des Loches wirken, dass dabei die Tendenz unterstützt wird, dass sich der Durchzug beson- ders ausprägt. Das Lochformteil lässt sich vorteilhaft einem Kegel ähnlich ausbilden, d.h. es verjüngt sich gleichmäßig in Richtung seines stumpfen Endstücks. Es ist auch möglich, dass das Lochformteil mit mehreren, symmetrisch angeordneten Abflachungen versehen ist, die im Querschnitt abgerundet ineinander übergehen. In diesem Falle erhält man abgerundete Mehreckquerschnitte, die über ihre abgerundeten Ecken einen besonders hohen Druck auf das Material des Blechteils beim Eindringen des Endstücks bewirken, womit die erforderliche Energie zum Eindrücken und Eindrehen der Schraube entsprechend verringert wird.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 die Schraube in perspektivischer Sicht;
Figur 2 das Lochformteil der Schraube gemäß Figur 1 im Schnitt längs der Linie H-II aus Figur 1 ;
Figur 3 einen Schnitt durch das Endstück der Schraube im Schnitt gemäß der Linie III- III aus Figur 2;
Figur 4 eine Schraube ähnlich derjenigen gemäß Figur 1, und zwar mit gewindeartig verlaufenden Rippen längs des Lochformteils;
Figur 5 einen Schnitt durch das Lochformteil gemäß Figur 4 längs der Linie V-V in vergrößerter Darstellung;
Figur 6 ebenfalls einen Schnitt ähnlich demjenigen gemäß Figur 5, jedoch bezüglich eines Lochformteils mit drei Rippen;
Figur 7 das Lochformteil mit Rippen, die sich nur über den hinteren
Bereich des Lochformteils erstrecken; Figur 8 das Lochformteil in perspektivischer Sicht mit symmetrisch angeordneten Abflachungen;
Figur 9 einen Schnitt durch das Lochformteil gemäß Figur 8 längs der Linie IX-IX;
Figur 10a, b, c das Lochformteil gemäß der Schraube nach Figur 1 in verschiedenen Phasen des Eindringens und Durchdringens durch ein Blechstück.
In Figur 1 ist die erfindungsgemäße loch- und gewindeformende Schraube 1 in perspektivischer Sicht dargestellt. Die Schraube weist den Schraubenkopf 2, den Gewindeschaft 3 und das Lochformteil 4 auf, das zum Eindrehen in ein Blech- stück dient (siehe Figur 10a bis c). Der Schraubenkopf 2 ist mit irgendeiner bekannten Aufnahme für einen Antrieb versehen. Das vor dem Gewindeschaft 3 angeordnete Lochformteil 4 ist kegelähnlich gebildet und verjüngt sich zum Endstück 5 hin, das zum Eindrehen in ein Werkstück, insbesondere ein Blechstück, auf dieses aufgesetzt und in Drehung versetzt wird. Das Endstück 5 besitzt den stumpfen Rand 6, der eine koaxiale Vertiefung 7 umgibt, die hier als kurze runde Bohrung ausgebildet ist. Der Rand 6 kann auch schmäler ausgebildet sein, was von dem jeweiligen Herstellungsverfahren abhängt. Bei einer Schraube mit einem Gewinde von 5 mm Durchmesser und einem Lochformteil-Durchmesser D von 4 mm beträgt der äußere Durchmesser des Randes 6 maximal 3 mm. Die als Boh- rung ausgebildete koaxiale Vertiefung 7 ragt ca. 3 mm oder weniger in das Lochformteil 4 hinein (siehe auch Figur 2). Der durch die koaxiale Vertiefung 7 gebildete Rand 6 bildet beim Aufsetzen auf ein Werkstück einen ausreichend großen Durchmesser, um bei Rotation der Schraube 1 das Blechstück schnell so zu erhitzen, dass das Material des Blechstücks fließt und das Eindringen des Lochform- teils 4 in das Blechstück ermöglicht (siehe hierzu Figuren 10a bis 10c). Insofern ergibt sich aufgrund dieser Gestaltung des Endstücks 5 des Lochformteils 4 ge- genüber bekannten lochformenden Schrauben mit praktisch punktueller Berührung des Lochformteils gegenüber einem Blechstück der entscheidende Vorteil, dass wegen des Durchmessers des Randes 6 eine erhebliche Reibungswärme erzielt werden kann, die ein schnelles Eindringen der Schraube in ein Werkstück ermöglicht.
In der Figur 2 ist das Lochformteil 4 und das Endstück 5 vergrößert dargestellt, wobei es sich im Bereich der koaxialen Vertiefung 7 um einen Schnitt längs der Linie II-II aus Figur 1 handelt. Dieser Schnitt zeigt, dass es sich bei der Vertie- fung 7 um eine kurze Bohrung handelt, die einen ausreichend großen Rand 6 stehen lässt, der dann, wie im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben, dafür sorgt, dass bei Aufsetzen der Schraube auf ein Blechstück an dieser Stelle schnell die notwendige Erwärmung eintritt.
Um nach dem Eindringen des Endstücks 5 in ein Blechstück die Aufweitung des so gebildeten Loches zu erleichtern, ist gemäß Figur 4 das Lochformteil 8 mit gewindeartig verlaufenden Rippen 9 und 10 versehen (weitere Rippen sind nicht sichtbar), die das Lochformteil 8 aufgrund ihrer gewindeartigen Wirkung in das erweichte Material des Blechstücks hineinziehen und damit das gebildete Loch aufweiten, bis schließlich das Lochformteil 8 den Gewindeschaft 3 mit zunächst abgeflachten Gewindegängen in das gebildete Loch hineinzieht. Bei den Rippen 9 und 10 handelt es sich also um eine ergänzende Wirkung zu derjenigen gemäß der Gestaltung nach Figur 1, die in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Material eines Blechstücks zur Anwendung kommen kann, obwohl in vielen Fällen ein glattes Lochformteil, wie es in der Figur 1 dargestellt ist, für das Eindringen in ein Blechstück ausreichend ist.
Figur 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V aus Figur 4, aus der ersichtlich ist, dass das wiedergegebene geschnittene Lochformteil 8 mit vier Rippen 9, 10, 1 1 und 12 versehen ist. Figur 6 zeigt eine Abwandlung gegenüber der Gestaltung gemäß Figur 5, wonach das hier gezeigte Lochformteil 13 nur mit drei Rippen 14, 15 und 16 versehen ist.
Die Rippen gemäß den Figuren 4, 5 und 6, die gemäß Figur 4 über die gesamte Länge des Lochformteils 8 verlaufen, kann man auch im Bedarfsfalle kürzer anordnen, wie dies in der Figur 7 dargestellt ist. Die hier auf dem Lochformteil 17 vorgesehenen Rippen 18 und 19 erstrecken sich nur über etwa die halbe Länge des Lochformteils 17, d.h. das Lochformteil 17 formt zunächst aufgrund der Erhitzung des Blechstücks durch den Rand 6 zunächst allein ein Loch in das Blech- stück, bis dann die Rippen 18 und 19 (und weitere nicht sichtbare) eingreifen und weiterhin für ein Hineinziehen des Lochformteils 17 in das Material des Blechstücks sorgen. Die in Figur 7 dargestellten kürzeren Rippen 18 und 19 sind dann insbesondere vorteilhaft anwendbar, wenn sich dies aus fabrikatorischen Gründen als zweckmäßig ergibt.
Eine weitere besondere Gestaltung des Lochformteils 20 ist in der Figur 8 gezeigt, bei der es sich gemäß in Figur 9 dargestellten Schnitt längs der Linie IX-IX aus Figur 8 um eine Mehrkantanordnung der im Prinzip konischen Gestaltung des Lochformteils 20 handelt, durch die das Aufweiten des zunächst herbeigeführten Loches in dem Blechstücks intensiviert wird.
Der in der Figur 9 dargestellte Schnitt des Lochformteils 20 aus Figur 8 zeigt eine polygonartige Gestaltung mit sieben Abflachungen 21, die abgerundet ineinander übergehen, so dass diese Abrundungen 22 in günstiger Weise, ohne an dem Mate- rial eines Blechstücks zu schaben, dieses beiseite drängen und damit ein bereits herbeigeführtes Loch entsprechend aufweiten. Die strichpunktierte Kreislinie soll die Lage der Abrundungen 22 auf dem Kreis verdeutlichen.
In den Figuren 10a, b und c sind drei Phasen des Eindringens einer Schraube, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, in das Blechstück 23 gezeigt. Zunächst dringt das
Endstück 5 des Lochformteils 4 in das Blechstück 23 ein und drängt sich infolge Erhitzung des Materials des Blechstücks 23 durch dieses hindurch, bis das Endstück 5 vollständig durch das Blechstück 2 hindurch getreten ist (siehe Figur 1 Ob), so dass nunmehr das Lochformteil 4 mit seiner konischen Gestaltung das gebildete Loch aufweitet, bis schließlich das Lochformteil 4 gänzlich durch das gebildete Loch hindurch getreten ist und damit das Gewinde des Gewindeschaftes 3 durch das Loch eingetreten ist, das sich dann sein Gewinde furcht und aufgrund seiner Gewindewirkung die Schraube weiterhin durch das Blechstück 23 hindurch zieht, womit die Verbindung von Schraube 1 und Blechstück 23 endgültig hergestellt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Loch- und gewindeformende Schraube (1) mit einem eine Werkzeugauf- nähme aufweisenden Kopf (2), einem Gewindeschaft (3) und einem sich kegelähnlich verjüngenden Lochformteil (4, 8, 13, 17, 20), das in einem stumpfen Endstück (5) endet, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (5) eine koaxiale Vertiefung (7) aufweist, die von einem Rand (6) umgeben ist, dessen Außendurchmesser (d) um das 0,25 bis 0,75-fache kleiner ist als der größte Durchmesser (D) des Lochformteils (5).
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (7) kürzer als 3 mm ist.
3. Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Lochformteils (8) gewindeartig verlaufende Rippen (9, 10, 11, 12; 14, 15, 16; 18, 19) vorgesehen sind, die symmetrisch zueinander angeordnet sind und eine Steigung aufweisen, die ein Vielfaches der Steigung des Gewindes des Gewindeschaftes (3) beträgt.
4. Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochformteil (20) mit mehreren, symmetrisch angeordneten Abflachungen (21) versehen ist, die im Querschnitt abgerundet ineinander übergehen.
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