WO2014195061A1 - Gewindeformer und walzbacken - Google Patents
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Abstract
Eine gewindefurchende Schraube mit einem Schraubenschaft (1) und einem Schraubengewinde (3) enthält einen von dem vorderen Ende (2) der Schraube ausgehenden Furchabschnitt (4), der sich über eine axiale Länge erstreckt, die etwa dem Nennmaß der Schraube entspricht. An den Furchabschnitt schließt sich ein Tragabschnitt des Gewindes an. In dem vorzugsweise leicht kegelförmig ausgebildeten Furchabschnitt sind die zwischen den Windungen des Gewindes durch die Gewindeflanken gebildeten Nuten (6) ausgehend von dem vorderen Schraubenende zunächst flacher ausgebildet und nähern sich in ihrer Form der im Tragabschnitt vorhandenen steileren Querschnittsform der Nuten kontinuierlich an. Durch diesen allmählichen Übergang wird von der Schraube ein Gegengewinde geformt, das höhere Belastungen ermöglicht. Die Erfindung schlägt ebenfalls einen Walzbacken zur Herstellung einer solchen Schraube bzw. eines Gewindeformers vor.
Description
Beschreibung
Gewindeformer und Walzbacken
Die Erfindung geht aus von einer Schraube mit einem selbstfurchenden Gewinde.
Derartige Schrauben erzeugen in dem Material, in das sie eingeschraubt werden, ihr Gewinde durch eine Verformung, also ohne einen spanenden Vorgang, selbst. Dabei fließt das Material aufgrund der Verdrängung durch die Gewindekanten in die durch die Gewindekanten zwischen diesen gebildeten Nuten ein.
Es ist bereits ein Walzbacken bekannt, bei dem in einem Umformbereich die Größe des von den Flanken der Nuten eingeschlossenen Profilwinkels längs der Nuten stetig abnimmt (DE 10 201 1 003 252 A1 ). Damit soll mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Produktionsgeschwindigkeit eine besonders gute Schraubenqualität erreicht werden.
Es hat sich herausgestellt, dass bei der Verwendung gewindeformender Schrauben aufgrund der Materialverdrängung und des Fließverhaltens des Materials, in dem das Gewinde geformt wird, bei dem geformten Gegengewinde eine Kraterbildung auftreten kann. Dadurch kann bei geringen Flankenüberdeckungen die Belastbarkeit der geformten Gegengewinde im Hinblick auf Scherkräfte bzw. Ausreißkräfte beeinträchtigt werden.
Bei den bekannten gewindeformenden Schrauben oder Gewindeformern ist eine Furchzone vorhanden, die von dem vorderen Ende der Schraube ausgeht und das Einsetzen der Schraube in ein vorhandenes Loch erleichtern soll. In diesem Bereich ist das gleiche Gewinde ausgebildet wie in dem tragenden Bereich der Schraube, aber ihr Durchmesser ist verringert.
- -
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Gewindeformer bzw. eine gewindeformende bzw. gewindefurchende Schraube zu schaffen, bei dem bzw. der die Belastbarkeit der damit geformten Gegengewinde vergrößert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Gewindeformer, insbesondere eine Schraube mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und/oder einen Walzbacken mit den im Anspruch 14 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Schraube bzw. ein Gewindeformer enthält also ausgehend von ihrem bzw. seinem vorderen Ende einen Furchabschnitt, in dem die Gewindegänge bzw. die zwischen den Gewindegängen gebildeten Nuten flacher ausgebildet sind. Dies führt dazu, dass beim Einschrauben der Schraube bzw. des Gewindeformers das Material, in das die Schraube eingeschraubt wird, allmählicher verformt wird, so dass die eingangs erwähnte Kraterbildung verringert wird bzw. nicht mehr auftritt.
Durch die Verringerung der Kraterbildung verbessert sich damit die Belastbarkeit der Schraubenverbindung bzw. des Gegengewindes, das durch die von der Erfindung vorgeschlagene Schraube gebildet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die flachere Form der Gewindegänge und/oder der zwischen ihnen gebildeten Nuten sich der gewünschten endgültigen Form der Gewindegänge und Nuten innerhalb des Einschraubabschnitts allmählich annähert, insbesondere stufenweise.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Gewinde innerhalb des Furchabschnitts eine konstante Steigung aufweisen, die der kon-
- - stanten Steigung innerhalb des tragenden Abschnitts des Schraubenschafts gleich ist.
Es kann in Weiterbildung ebenfalls vorgesehen sein, dass das Gewinde innerhalb des Furchabschnitts eine zunehmende Gewindehöhe aufweist, dass also die zwischen den Gewindekanten gebildete Nut in Richtung von dem vorderen Ende zu dem tragenden Abschnitt des Schraubenschafts tiefer wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gewinde innerhalb des Furchabschnitts scharfkantig ausgebildet ist.
Es kann nach einem weiteren Merkmal in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Furchabschnitt die Form eines Kegelstumpfs oder eines Kegels aufweist, so dass also die Gewindekanten des Gewindes im Furchabschnitt auf der Mantelfläche eines Kegels liegen. Dies hilft ebenfalls mit bei der von der Erfindung gewünschten kontinuierlichen Verformung des Gegengewindes zur Vermeidung von Kratern.
Beispielsweise kann der Kegelwinkel des Furchabschnitts in einem Bereich von etwa 8° bis etwa 14° liegen.
Die Länge des Furchabschnitts soll so bemessen sein, dass die gewünschte Kraterbildung auf ein Maß reduziert wird, dass diese nicht mehr stört. Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Länge des Furchabschnitts angenähert dem Nenndurchmesser der Schraube entspricht. Anders ausgedrückt können etwa 4 bis 6 Windungen des Schraubengewindes innerhalb des Furchabschnitts liegen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Gewinde um ein symmetrisches Gewinde handelt, was für
- - die Formung des Gegengewindes besonders gute Ergebnisse liefert.
Die Erfindung ist aber auch bei anderen Arten von Gewinden anwendbar, beispielsweise bei Trapez- Gewinden, Rundgewinden, Feingewinden, Grobgewinden, asymmetrischen Gewinden usw.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel an dem vorderen Ende der Schraube beispielsweise bei 60° beginnt. Dann bilden die die Nut zwischen den Gewindekanten begrenzenden Flanken einen Winkel von 120°.
An dem Ende des Furchabschnitts kann dann vorzugsweise der Flankenwinkel des Gewindes bei 30° liegen, so dass die beiden Nutflanken einen Winkel von 60° einschließen. Dieser Winkel kann sich dann auch über den Halteabschnitt des Schraubenschafts fortsetzen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Schraube auch im Furchabschnitt von einer kreisrunden Form abweicht und eine polygonale Form einnimmt.
Die Erfindung schlägt ebenfalls einen Walzbacken bzw. ein Paar von Walzbacken zur Herstellung einer solchen Schraube vor.
Der Walzbacken enthält also einen ersten Furchgewindebereich, der eine konstante Breite aufweist und sich an die Längskante des Walzbackens anschließt, die dem vorderen Schraubenende zugeordnet ist. In diesem Furchgewindebereich sind die Nuten zur Herstellung der Gewindegänge flacher ausgebildet als in den später sich anschließenden Schraubgewindebereich.
Erfindungsgemäß kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Nuten in
- - dem Furchgewindebereich weniger tief sind als im Schraubgewindebereich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Furchgewindebereich des Walzbackens seinerseits in mehrere Unterbereiche konstanter Breite unterteilt ist, in denen das Profil der Nuten zur Herstellung der Gewindegänge sich zunehmend der endgültigen Form annähert. Innerhalb jedes Unterbereichs ist die Profilform konstant.
Die Änderung und damit Annäherung zwischen dem Beginn der Gewindeform und der endgültigen Form sollen mindestens eine Stufe aufweisen, vorzugsweise zwischen 2 und 6 Stufen.
Die Veränderung des Flankenwinkels soll vorzugsweise zwischen einem Zwanzigstel und der Hälfte des jeweils nachfolgenden Gewindeflankenwinkels betragen.
Die Winkelveränderung kann linear sein, oder auch nicht linear.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Einzelmerkmale der Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 die Seitenansicht eines vorderen Endes einer Schraube nach der Erfindung;
Figur 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der Seitenansicht der Figur 1 ;
- -
Figur 3 schematisch den Beginn der Formung des Gegengewindes;
Figur 4 die Verformung des Gegengewindes nach einer weiteren
Umdrehung;
Figur 5 das Aussehen des Gegengewindes nach einer weiteren
Umdrehung;
Figur 6 das geformte Gegengewinde am Ende des Furchabschnitts;
Figur 7 das Gegengewinde beim Erreichen des Kragenabschnitts der Schraube;
Figur 8 eine Draufsicht auf einen Walzbacken nach der Erfindung;
Figur 9 die perspektivische Ansicht des Walzbackens der Figur 8.
Die Figur 1 zeigt das vordere Ende einer Schraube nach der Erfindung. Die Schraube enthält einen Schraubenschaft 1 , der an seinem einen in Figur 1 nicht dargestellten Ende einen Schraubenantrieb aufweist. Das gegenüberliegende vordere Ende 2 wird durch eine ebene, senkrecht zur Längsachse der Schraube verlaufende Stirnfläche gebildet. Die Schraube weist ein Gewinde 3 auf, das sich vom vorderen Schraubenende 2 an über den Schraubenschaft erstreckt.
Der Schraubenschaft 1 weist in einem Bereich, der am vorderen Schraubenende 2 beginnt, einen Furchabschnitt 4 auf, der sich über etwa vier bis fünf Windungen des Schraubengewindes 3 erstreckt. In diesem Furchabschnitt 4 sind die zwischen den Kanten 5 des Gewindes 3 gebildeten Nuten 6 flacher ausgebildet als in dem sich an den Furchabschnitt anschließenden Tragabschnitt 16. Zusätzlich gilt, dass die Nuten
- -
6 von dem vorderen Ende 2 an immer tiefer werden, und zwar kontinuierlich oder stufenweise bis sie am Übergang zwischen dem Furchabschnitt 4 und dem Tragabschnitt 16 ihre endgültige Tiefe aufweisen.
Einzelheiten des Profils im Furchabschnitt 4 ergeben sich aus der Figur 2, die einen Ausschnitt aus der Darstellung der Figur 1 zeigt. Die Windungen des Gewindes 3 weisen scharfkantige Gewindekanten 5 auf. Zwischen jeweils zwei benachbarten Gewindekanten 5 ist eine Nut 6 gebildet, die von zwei Gewindeflanken 7, 8 begrenzt wird. An jeder Stelle sind die beiden Gewindeflanken 7, 8 symmetrisch zu einer durch den Nutgrund gehenden senkrecht zur Schraubenlängsachse verlaufenden Ebene. Es handelt sich also im dargestellten Beispiel um ein symmetrisches Gewinde 3. Geht man bei der Betrachtung vom vorderen Schraubenende 2 aus, so schließen die beiden Gewindeflanken 7, 8 miteinander einen Winkel von etwa 120° ein. Mit fortschreitender Annäherung an dem Tragabschnitt 16 wird der Winkel zwischen den beiden Gewindeflanken kleiner, so dass die Gewindeflanken 7, 8 steiler verlaufen. Sie erreichen am Ende des Furchabschnitts 4 den Tragabschnitt 16, in dem die Steilheit der Gewindeflanken 7, 8 dann konstant bleibt.
Die durch die Gewindeflanken gebildeten Nuten sind V-förmig im Querschnitt, wobei der Nutgrund abgerundet verläuft.
In der Seitenansicht der Figur 2 sind die Gewindekanten 5 durch eine Linie miteinander verbunden, die angenähert geradlinig aber schräg zur Längsachse der Schraube verläuft. Die Gewindekanten 5 liegen also auf der Mantelfläche eines Kegels bzw. bei einer keine Schraubenspitze aufweisenden Schraubenform auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfs.
In Figur 1 ist die Verbindungslinie verlängert und der Winkel 9 zwischen der Längsachse der Schraube und der Mantellinien des Kegelstumpfs eingezeichnet. Dieser Winkel beträgt im dargestellten Ausführungsbei-
- - spiel etwa 6°, entspricht also einem Kegelwinkel von 12°.
Die Wirkungsweise der von der Erfindung vorgeschlagenen Schraube wird in den folgenden Figuren 3 bis 7 schematisch erläutert. Dabei stellen die Figuren Ausschnitte aus Seitenansichten ähnlich wie Figur 2 dar, mit dem angedeuteten Werkstück 10. Rechts in den Figuren ist schematisch durch den Pfeil F die Kraft angedeutet, mit der die Schraube an der jeweiligen Gewindekante an dem Werkstück angreift. Die Kraft F verläuft senkrecht zur Gewindeflanke 7 bzw. 8.
Das Werkstück 10 enthält ein vorher gebohrtes Loch, in dessen Wand 1 1 ein Gewinde geformt werden soll. Das vordere Ende 2 der Schraube entspricht in etwa dem Durchmesser des Lochs. Sobald die Schraube eingeschraubt wird, wirkt auf die Wand 1 1 des Lochs im Werkstück 10 die Kraft, die senkrecht auf der Gewindeflanke 8 steht. Dies ist durch den Pfeil in Figur 3 rechts angedeutet.
In der Figur 4 zeigen die beiden Pfeile F die Situation an der Gewindekante 5 der zweiten Windung des Gewindes 3. Hier sind die beiden Kräfte immer noch relativ steil gerichtet. Das Material der Wandung 1 1 des Werkstücks 10 fließt jetzt aufgrund des zunehmenden Drucks in die Nuten ein.
In der Figur 5 ist die Situation an der dritten Windung des Gewindes 3 dargestellt. Die beiden Kräfte, die auf die Wandung 1 1 des Werkstücks 10 einwirken, verlaufen jetzt schon flacher. In der zweiten Nut von rechts zeigt sich, dass das Material längs der beiden Gewindeflanken in die Nut eingeflossen ist, dass zwischen den beiden die Nutflanken berührenden Abschnitten aber eine gewisse Vertiefung gebildet ist.
Die Figur 6 zeigt die Situation an der vierten Windung des Gewindes 3. Die beiden Pfeile F, die die senkrecht zu den Gewindeflanken wirkenden
- -
Kräfte beschreiben, verlaufen nochmals flacher. Das Material ist hier weiter in die Nut 6 eingedrungen und füllt diese schon fast vollständig aus.
In der Figur 5 ist die Situation an der fünften Windung 5 des Gewindes 3 dargestellt. Die letzte Nut 6 des Furchabschnitts 4 ist fast vollständig ausgefüllt. Ein weiteres Eindringen in die Nut ist technisch kaum noch möglich. Die Kräfte verlaufen jetzt nochmals flacher.
Aufgrund des kontinuierlich oder in Stufen und sich in jedem Fall allmählich ändernden Winkels zwischen den beiden Gewindeflanken jeder Nut ist damit erreicht, dass das Material beim Formen der Bohrung ausreichend Gelegenheit hat, in die Nut der Schraube hineinzufließen. Es bildet sich in der Wand 1 1 des Werkstücks 10 ein durchgehendes tragfähiges und gegen Ausreißen gesichertes Gegengewinde.
Die Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf die Arbeitsseite eines Walzbackens. Schrauben bzw. Gewindeformer werden zwischen zwei Walzbacken geformt, die spiegelbildlich angeordnet sind und den Drahtstift, aus dem die Schraube hergestellt wird, zwischen sich einschließen. Die Walzbacken werden relativ zueinander verschoben, und zwar in Längsrichtung, also in einer Richtung parallel zu der Längskante 17 des Walzbackens.
Der Walzbacken enthält eine Vielzahl von Nuten 18, die parallel zueinander und schräg zur Längskante 17 und damit schräg zur Längsrichtung bzw. Bewegungsrichtung des Walzbackens verlaufen. Durch Druck wird das Material des Drahtstifts in die Nuten 18 hinein verformt, so dass dadurch die Gewindegänge des Gewindes entstehen.
Der Walzbacken der Figur 8 enthält einen von der Längskante 17 ausgehenden ersten Bereich B+C+D, der sich über die gesamte Länge des Walzbackens erstreckt und eine konstante Breite aufweist. An diesen
- - ersten Bereich schließt sich dann der zweite Bereich A an, bei dem es sich um den Schraubgewindebereich des Walzbackens handelt. In diesem Bereich A haben die Nuten 18 einen konstanten Winkel zwischen ihren Nutflanken.
Der erste Bereich ist, wie der Zeichnung zu entnehmen ist, seinerseits in drei Unterbereiche D, C, B unterteilt, die ebenfalls konstante Breite aufweisen.
Beginnend mit der Längskante 17, die dem vorderen Schraubenende zugeordnet ist, sind die Nuten 18 sehr flach. Die Form der Nuten 18 und der zwischen ihnen stehen bleibenden Teile der Oberfläche des Walzbackens sind innerhalb des Unterbereichs D gleich.
In dem sich daran anschließenden Unterbereich C sind die Nuten 18 nicht mehr so flach wie im unteren Bereich D.
In dem dann folgenden Unterbereich B sind die Nuten 18 nochmals weniger flach als im Unterbereich C, aber immer noch flacher als im endgültigen Schraubgewindebereich A.
Es gibt hier also eine fortschreitende, allmähliche Annäherung der Form der Nuten zur Herstellung des Gewindes an die endgültige Form. Die zunehmende Anpassung an die endgültige Form erfolgt stufenweise.
Bei einem Beispiel für ein symmetrisches scharfkantiges Gewinde liegt der Winkel zwischen den Flanken der Nuten im Unterbereich D bei 120°, im Unterbereich C bei 100°, im Unterbereich B bei 80° und im Bereich A bei 60°.
Figur 9 zeigt die perspektivische Ansicht eines solchen Walzbackens.
Claims
1. Gewindeformer, insbesondere Schraube, mit
1.1 einem Schraubenantriebsende,
1.2 einen von dem Schraubenantriebsende zu einem vorderen Schraubenende (2) führenden Schraubenschaft (1 ), der
1.3 einen von dem vorderen Schraubenende (2) ausgehenden
Furchabschnitt (4) und
1.4 einen sich daran anschließenden Schraubenabschnitt aufweist, sowie mit
1.5 einem von dem vorderen Schraubenende (2) ausgehenden Schraubengewinde (3), wobei
1.6 die Gewindegänge und/oder die zwischen den Gewindegängen gebildeten Nuten (6) innerhalb des Furchabschnitts (4) flacher als in dem Schraubabschnitt (16) ausgebildet sind .
2. Gewindeformer nach Anspruch 1 , bei dem die Gewindegänge und/oder die zwischen den Gewindegängen gebildeten Nuten (6) innerhalb des Furchabschnitts (4) sich stufenweise den Werten in dem Schraubabschnitt (16) annähern.
3. Gewindeformer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei einem scharfkantigen Gewinde der Flankenwinkel der Gewindegänge innerhalb des Furchabschnitts (4) flacher als in dem Schraubenabschnitt ist und insbesondere von dem vorderen Schraubenende (2) an steiler wird.
4. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gewinde (3) auch innerhalb des Furchabschnitts (4) eine konstante Steigung aufweist.
5. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem das Gewinde (3) innerhalb des Furchabschnitts (4) eine kleinere, insbesondere eine in Richtung auf den Schraubabschnitt (16) zunehmende Gewindehöhe aufweist.
6. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gewinde (3) innerhalb des Furchabschnitts (4) scharfkantig ausgebildet ist.
7. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Furchabschnitt (4) die Grundform eines Kegelstumpfs aufweist.
8. Gewindeformer nach Anspruch 7, bei dem der Kegelwinkel des
Furchabschnitts (4) im Bereich von 8 bis 14° liegt.
9. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Länge des Furchabschnitts (4) angenähert dem Nenndurchmesser der Schraube entspricht.
10. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gewinde (3) symmetrisch ausgebildet ist.
1 1. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Flankenwinkel des Gewindes (3) innerhalb des Furchabschnitts (4) bei 60° beginnt.
12. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Flankenwinkel des Gewindes (3) am Ende des Furchabschnitts (4) bei 30° endet.
13. Gewindeformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Querschnitt des Schraubenkerns und der Gewindekante
(5) mindestens im Furchabschnitt (4) trilobular ausgebildet ist.
14. Walzbacken zur Herstellung eines Gewindeformers bzw. einer Schraube, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
14.1 einem von einer Längskante (17) des Walzbackens ausgehenden Furchgewindebereich (D + C + B) konstanter Breite und
14.2 einem sich daran anschließenden Schraubgewindebereich (A), sowie mit
14.3 einer Vielzahl parallel zueinander und schräg zu der Längsrichtung des Walzbackens verlaufenden Nuten (18) zur Erzeugung der Gewindegänge des Gewindeformers, wobei
14.4 die Nuten (18) und/oder die zwischen den Nuten stehen bleibenden Teile der Walzbackenoberfläche in dem Furchgewindebereich (D + C + B) flacher ausgebildet sind als in dem sich anschließenden Schraubgewindebereich (A).
15. Walzbacken nach Anspruch 14, bei dem die Tiefe der Nuten (18) in dem Furchgewindebereich (D + C + B) kleiner ist als in dem Schraubgewindebereich (A).
16. Walzbacken nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Furchgewindebereich (D + C + B) mehrere Unterbereiche (D, C, B) konstanter Breite aufweist und die Form der Nuten (18) und/oder der zwischen ihnen stehen bleibenden Teile der Walzbackenoberfläche sich von Unterbereich zu Unterbereich der Form der Nuten (18) und/oder der zwischen ihnen stehen bleibenden Teile der Walzbackenoberfläche im Schraubgewindebereich (A) annähert, insbesondere stufenweise.
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