DE19653394A1 - Werkzeug zum spanlosen Erzeugen eines Durchzuges mit Innengewinde in einem Arbeitsgang - Google Patents

Description

Stand der Technik

In vielen Bereichen des Maschinenbaus werden Konstrukteure und Fertigungstechniker mit der Aufgabe konfrontiert lösbare und dennoch belastbare Verbindungen in dünnwandige Bauteile, Bleche oder Hohlprofile einzubringen. Bei konventionellen Schraubenverbindungen werden mindestens drei tragende Gewindegänge zur Realisierung einer ausreichenden Gewindefestigkeit benötigt. Ein metrisches ISO-M10.1.5 Regelgewinde erfordert somit eine Mindestmaterialdicke von 4.5 mm. Bei dünnwandigeren Bauteilen oder Blechen ist für eine konventionelle Verbindung keine ausreichende Materialstärke vorhanden. Die Gewindeverbindung ist dann nur unzureichend belastbar. In den letzten Jahren wurden daher zahlreiche Verbindungselemente entwickelt, die die Zahl der tragenden Gewindegänge erhöhen und somit auch lösbare Schraubenverbindungen in dünnwandige Bauteile ermöglichen. Als konventionelle Lösungen kommen z. B. Blechschrauben, Einschlagmuttern, Schweißmuttern, Blindnietmuttern oder Blindnietbolzen zum Einsatz.

Diese Verbindungen lassen sich nur durch einen hohen Fertigungsaufwand realisieren. Es sind zahlreiche Fertigungsschritte, Werkzeuge, Vorrichtungen und Werkzeugmaschinen erforderlich. Zum Anfertigen einer Schweißmutterverbindung muß z. B. zunächst gebohrt und entgratet werden. Hierdurch wird der dünnwandige Bauteilquerschnitt zusätzlich geschwächt. Erst im Anschluß daran kann die Schweißmutter zugeführt und mit dem Bauteil verbunden werden. Zur Herstellung der Verbindung werden zusätzliche Verbindungselemente benötigt. Dieses Fremdmaterial kann z. B. bei austenitischen Edelstählen zu einer Lokalelementbildung und damit verbunden zur Bauteilkorrosion und zum Versagen der Verbindung bzw. des Bauteiles führen. Wie am Beispiel der Schweißmutter ersichtlich ist oftmals eine beidseitige Zugänglichkeit der Bearbeitungsstelle zur Herstellung der Verbindung erforderlich. Für den Einsatz bei Hohlprofilen sind daher viele Verbindsmethoden nicht geeignet.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer ausreichenden Anzahl tragender Gewindegänge ist durch das Einbringen eines Durchzuges in das dünnwandige Bauteil oder Blech gegeben. Der eigentliche Durchzug kann z. B. mit einem Folgeverbundwerkzeug eingebracht werden, wobei gewöhnlich zunächst auch vorgelocht werden muß. Beim Durch- oder Kragenziehen läßt sich infolge einer deutlichen Einzugbildung am oberen Durchzugseintritt und den vorausgeschalteten Lochvorgang nur eine vergleichsweise geringe nutzbare Durchzugslänge erzielen. Bei der Herstellung eines Durchzuges muß dabei mit Lochstempel und Gegenhaltermatrize gearbeitet werden. Auch diese Verfahren eignen sich ausschließlich für Bauteile die von beiden Seiten gut zugänglich sind. Die erforderlichen Werkzeuge und Werkzeugmaschinen sind aufwendig und kostenintensiv. In einem nachfolgenden zweiten Fertigungsschritt läßt sich in den Durchzug oder Kragen ein Gewinde spanend oder spanlos einbringen.

Beim konventionellen spanenden Gewindebohren wird der dünnwandige Durchzug durch den erforderlichen Materialabtrag zusätzlich geschwächt. Ferner treten die bekannten Probleme einer spanenden Fertigung auf w. z. B. Späneabtransport und -entsorgung, verbleiben von Spänen im Gewinde, diese können sich insbesondere bei einer nachfolgenden Oberflächenbeschichtung nachteilig auswirken.

Als weiteres Fertigungsverfahren zum Einbringen eines Durchzuges ist das Fließlochformen oder Fließbohren bekannt. Das durch den Bohrdorn verdrängte Material bildet auf der Unterseite des Blechs einen langgestreckten Durchzug aus in den sich in einem nachfolgenden Arbeitsgang ein Gewinde einbringen läßt. Die Gewinde werden gewöhnlich mit Hilfe eines Gewindefurchwerkzeuges eingedrückt. Die Gewinde sind auch in dünnen Blechen hochbelastbar, jedoch ergibt sich bei diesem Verfahren das Problem, daß die Fertigung nur mit mehreren Werkzeugen in mindestens zwei Arbeitsschritten erfolgen kann. Mit bisher bekannten Werkzeugen ist es nicht möglich in einem Arbeitsgang einen Durchzug herzustellen und ein Gewinde einzufurchen, da beim Gewindefurchen der Werkstoff elastisch-plastisch verdrängt wird und infolge der Volumenkonstanz der Kerndurchmesser des gefurchten Gewindes, im Gegensatz zur konventionellen spanenden Gewindefertigung, kleiner als der ursprüngliche Durchmesser des Durchzuges ist. Beim Rückdrehen der Formwerkzeuge werden dann die Gewindespitzen weggedrückt und das Gewinde zerstört.

Beim Gewindefurchen in fließgeformte Durchzüge treten vergleichsweise hohe Furchmomente auf, da das Material im vorausgegangenen Arbeitsschritt bereits stark umgeformt wurde. Zusätzlich ist der Gewindefurcher aufgrund der Härtesteigerung im Durchzug einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Aufgrund des hohen Umformgrades und der Härte des Durchzuges können die Materialfasern beim Gewindefurchen durchtrennt werden. Hierdurch ist die Schwingfestigkeit des Gewindes reduziert.

Mit den bisher bekannten Werkzeugen ist die Fertigung eines Durchzuges und das einbringen eines Gewindes in einem Arbeitsgang nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Werkzeug zu schaffen, das die Einbringung eines Durchzuges mit Gewinde in einem Arbeitsgang in dünnwandige Bauteile, Bleche, Hohlprofile und Profile ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Werkzeug nach Anspruch 1 erfüllt.

Mit Hilfe des Werkzeuges nach Anspruch 1 läßt sich spanlos ein Durchzug mit Innengewinde mit nur einem einzigen Werkzeug in nur einem Arbeitsgang in dünnwandige Bauteile, Bleche, Hohlprofile oder Profile einbringen.

Durch die spanlose Innengewindefertigung lassen sich, im Vergleich zur spanenden Gewindefertigung, hochbelastbare Gewindebuchsen auch bei dünner Materialstärke realisieren. Die zur Befestigung einer Schraubenverbindung erforderliche Materialstärke kann entscheidend verringert werden. Hierdurch läßt sich das Gesamtgewicht der Konstruktion deutlich reduzieren, welches sich insbesondere bei bewegten Maschinenteilen oder Fahrzeugen aller Art günstig auf den für die Bewegung benötigten Energiebedarf auswirkt. Das Kombinationswerkzeug ermöglicht die Realisierung einer lösbaren und damit recyclinggerechten Schraubverbindung, ein Aspekt, der unter den ständig steigenden Anforderungen an eine umweltgerechte Gestaltung von Konstruktionen zu beachten ist.

Beim Gewindefurchen mit dem Kombinationswerkzeug nach Anspruch 1 wird das Innengewinde in den noch warmen Blechdurchzug eingebracht. Hierbei ist die Fließspannung des Materials und daraus folgend das Furchmoment zur Erzeugung des Innengewindes reduziert. Die verringerten mechanischen Belastungen beim Furchen des Innengewindes wirken sich günstig auf die Standzeit des Werkzeuges aus und ermöglichen erhöhte Furchgeschwindigkeiten. Da das Innengewinde in das weiche Durchzugsmaterial eingedrückt wird, ist die Gefahr durchtrennter Materialfasern erheblich reduziert. Die Materialstruktur wird beim Gewindefurchen nicht durchtrennt, welches sich günstig auf die dynamische Belastbarkeit der Schraubenverbindung auswirkt.

Die Fertigung der Gewindebuchse erfolgt in einem Arbeitsgang von nur einer Seite aus, hierdurch lassen sich auch auszugsfeste Gewinde in dünnwandige Hohlprofile einbringen.

Das Kombinationswerkzeug nach Anspruch 1 läßt sich auf konventionellen Werkzeugmaschinen oder NC/CNC-Bearbeitungszentren einsetzten. Die Umkehrung der Werkzeugdrehrichtung zur Erzeugung des Innengewindes kann durch die Werkzeugmaschine oder einen konventionellen Gewindeschneidapparat erfolgen. Zur Fertigung sind daher keine Sondermaschinen erforderlich.

Die belastbare Schraubverbindung wird direkt aus dem Grundmaterial des Bauteils heraus erzeugt, Probleme hinsichtlich einer Lokalelementbildung sind daher nicht zu erwarten. Ebenfalls erfolgt keine Schwächung des Querschnittes, da Durchzug und Gewinde vollständig spanlos ohne Durchtrennung der Materialfasern hergestellt werden.

Für die Fertigung der Gewindebuchse wird lediglich ein Werkzeug und eine Werkzeugaufnahme benötigt, hierdurch lassen sich die anteiligen Werkzeugkosten bzw. Kosten für Werkzeugaufnahmen, Werkzeuglagerung und -bereitstellung reduzieren.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben.

Zeichnung 1 Kombinationswerkzeug mit Fließformkegel, Freischliffzone und Gewindefurchteil.

Zeichnung 2 Kombinationswerkzeug mit Fließformkegel und Gewindefurchteil.

Das in Zeichnung 1 dargestellt Kombinationswerkzeug setzt sich grundsätzlich aus den drei Bereichen Fließformkegel (1), Freischliffzone (2) und Gewindefurchteil (3) zusammen.

An eine kegelig geformte Spitze (4) zum zentrieren des Werkzeuges auf dem Werkstück, hierdurch entfällt bei einer manuellen Fertigung das Anbringen einer Zentrierkörnung am Werkstück, schließt sich der ebenfalls kegelförmig gestaltete Fließformteil (1) zum Einbringen des Durchzuges in Bleche, Hohlprofile oder Profile an, welcher ein kreiszylindrisches oder polygonales Querschnittsprofil aufweisen kann. Bei einem polygonalen Querschnittsprofil des Fließformkegels (1) werden gewöhnlich 3-4-fach Polygone (5) angeformt. Die Anzahl der polygonalen Drückstege (5) kann jedoch, insbesondere bei größeren Werkzeugdurchmessern, auch höher liegen. Zum Erzeugen des Durchzuges wird das Kombinationswerkzeug mit axialer Kraftbeaufschlagung unter Rotation auf das Werkstück aufgedrückt. Die Axialkraft kann durch einen pneumatischen, hydraulischen, mechanischen oder manuellen Vorschubantrieb erfolgen. Die durch die Reib- und Umformarbeit des Fließformkegels (1) induzierte Wärme erhöht die Werkstücktemperatur im Bereich der Bearbeitungszone. Hierdurch wird die Fließspannung des Materials herabgesetzt und die für die Erzeugung des Durchzuges erforderlich Axialkraft deutlich reduziert. Die Kegelform des Formteils erzeugt eine Kraftkomponente in Vorschubrichtung zur Verdrängung des weichen Materials. Hierdurch bildet sich auf der Unterseite des Bauteils der gewünschte Durchzug aus.

An den Kegeldorn (1) schließt sich eine Freischliffzone (2) an. Hierin ist eine mit der Steigung des zu erzeugenden Gewindes umlaufende, im Querschnitt der Spitzengeometrie des Gewindes nachempfundene, Nut (6) eingebracht. Der spiralförmig ansteigende und sich hierbei vergrößernde Querschnitt der Freischliffnut (6) ist geringfügig größer als der Querschnitt der zu erzeugenden Gewindespitzen. Die mit der Steigung des Gewindes umlaufende Nut beginnt im Durchmesser unterhalb des Kerndurchmessers des Gewindes. Der Formkegel (1) geht dann in einen zylindrischen Formteil (7) über, welcher einen polygonalen Querschnitt besitzt und in dem die Freischliffnut (6) nun im maximalen Querschnitt (8) weitergeführt wird. Der maximale Durchmesser des zylindrischen Formteils entspricht dem erforderlichen Bohrlochdurchmesser des zu erzeugenden Gewindes. Die Länge des zylindrischen Formteils (7) richtet sich nach der Dicke des zu bearbeitenden Materials und sollte gewöhnlich die einfache Blechdicke nicht unterschreiten. Der zylindrische Formteil (7) mit eingebrachter Freischliffnut (6) kann auch, wie in Zeichnung 2 gezeigt, entfallen. Hierdurch entsteht beim Fließlochformen ein konischer Durchzug. Der kegelförmig gestaltete Formteil (1) kann dann direkt in den gewindefurchenden Werkzeugteil (3) übergehen. Dabei kann der durch die Drückkeile der Drückstege (9) des gewindefurchenden Werkzeugteils (3) verdrängte Materialquerschnitt in Längsachse der Bearbeitung nicht trapez- bzw. dreieckförmig symmetrisch ausgebildet sein. Durch die unsymmetrische Trapezform des Anfurchteils des Gewindefurchers im direkten Übergang zwischen kegeligen Formbereich und gewindeerzeugendem Werkzeugteil wird zusätzlich eine nach unten gerichtete Axialkraftkomponente erzeugt, die ein verstärktes Materialfließen in die Gewindespitzen unterdrückt und ein Überformen und hierdurch verursachtes Klemmen des Gewindefurchteils im fertig ausgeformten Gewinde verhindert.

Im gewindefurchenden Arbeitsteil (3) des Kombinationswerkzeuges wird das Werkzeug mit der Steigung des herzustellenden Gewindes schraubenförmig in den Durchzug hineingedrückt und das Material verdrängt, wobei ebenfalls ein polygonförmiger Querschnitt des Werkzeuges vorliegt. Der Querschnitt des gewindefurchenden Arbeitsteils weißt Drückstege im Bereich der maximalen Durchmesser des Polygones auf. Diese Drückstege besitzen wiederum Drückkeile, deren Durchmesser bzw. wirksamer Formradius von Drücksteg zu Drücksteg geringfügig ansteigt und hierdurch das Material elastisch-plastisch verformt und die Gewindeflanken ausformt. Der Durchmesser der Formgebungsbereiche erhöht sich von Druckkeil zu Druckkeil in der Art, daß jeder Drückkeil ein möglichst gleiches Materialvolumen verdrängt. Hierdurch wird eine ungleichförmige Belastung bzw. Überlastung einzelner Formgebungsbereiche verhindert und die Standzeit des Gewindefurchenden Arbeitsteils erhöht.

Beim Gewindefurchen wird im Gegensatz zur konventionellen spanenden Gewindeherstellung der Kerndurchmesser des gefurchten Gewindes aufgrund der Volumenkonstanz während der Umformung kleiner als der Durchmesser des Durchzuges. Beim Rückdrehen würde ein konventionell gestalteter kegelförmiger Fließformdorn die Gewindespitzen wegdrücken und hierdurch das gerade gefertigte Gewinde zerstören. Die speziell in Form der Gewindeflanken mit leicht erhöhter Querschnittsfläche (8) eingearbeitete Freischliffnut (6) verhindert die Zerstörung des Gewindes.

Das in seiner Grundgestaltung zylindrische Werkzeug kann an seinem oberen Ende einen zylindrischen Einspannschaft (10) zur Aufnahme in einer Spannzange aufweisen. Abweichend hiervon lassen sich ebenfalls Abflachungen (11) anbringen die neben einer kraftschlüssigen Drehmomenteinleitung in das Werkzeug auch eine Einleitung des Drehmomentes durch Formschluß erlauben. Ebenfalls kann am oberen Ende des Kombinationswerkzeuges ein Mehrkantanschluß (12) zur Einleitung des Drehmomentes in das Werkzeug angebracht sein.

Neben den gezeigten Werkzeugkonstruktionen sind ebenfalls nachfolgende nicht explizit dargestellten Kombinationswerkzeugstrukturen möglich.

Das Kombinationswerkzeug kann aus Vollmaterial der Werkstoffgruppen HSS, HSSE, ASP, Hartmetall, Cermet oder Keramik gefertigt sein. Neben einer Fertigung aus Vollmaterial bietet sich ebenfalls die Herstellung des Werkzeuges aus einem Materialverbund an. Hierbei kann der kegelförmige, durchzugerzeugende Formteil aus einem anderen Substratmaterial als der gewindefurchende Arbeitsteil gefertigt werden. Beide Formbereiche lassen sich kraft und/oder formschlüssig miteinander verbinden. Der kegelförmige Formteil (1) kann aus einem temperaturbeständigen Hartstoff gefertigt werden während der Furchteil (3) aus einem zäheren Grundmaterial w.z. B. HSSE, ASP gefertigt ist. Hierdurch lassen sich die unterschiedlichen Werkzeugeigenschaften den Anforderungen der Bearbeitung anpassen. Im Bereich der Durchzugsausformung werden insbesondere hohe Warmhärte, Festigkeit und abrasiver Verschleißwiderstand gefordert. Im Bereich der Gewindefertigung werden zusätzlich hohe Torsionsfestigkeit des Substratwerkstoffes gefordert.

Zusätzlich zu den dargestellten Varianten können im Furchbereich des Werkzeuges Schmiernuten eingebracht werden. Ebenfalls lassen sich durch innenliegende Kanäle Schmierstoffe direkt in den Bereich der Umformzone transportieren.

Claims (10)

1. Ein Werkzeug zum spanlosen Erzeugen eines Durchzuges mit Innengewinde insbesondere in Bleche, Hohlprofile und Profile in einem Arbeitsgang, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Formgebungsweg in drei Phasen gegliedert ist durch eine den Durchzug erzeugende kegelförmige Formspitze, deren Querschnitt ein polygonales Formprofil aufweist (Phase 1) und einem folgenden zylindrischen Übergangsstück mit polygonalem Querschnitt und einem dem erforderlichen Gewindekernloch entsprechenden Außendurchmesser sowie einer Freischliffnut mit der Steigung des zu erzeugenden Gewindes und einem Innendurchmesser der kleiner als der Kerndurchmesser des zu erzeugenden Gewindes ist (Phase 2), dem sich ein gewindefurchender Arbeitsteil anschließt (Phase 3), dessen Formgebungsbereich ebenfalls ein von der kreiszylindrischen Form abweichendes Polygonprofil aufweist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den durchzugerzeugenden Formkegel direkt der gewindeerzeugende Arbeitsteil ohne zylindrischem Übergangsstück und ohne zusätzliche in der Steigung des Gewindes umlaufende Freischliffnut anschließt, wobei die Formgebungskanten im Anformbereich des gewindefurchenden Arbeitsbereiches ein im Längsschnitt von der bekannten symmetrischen Verdrängungsgeometrie abweichende Querschnittsgeometrie aufweisen können.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug aus einem Substratwerkstoff hergestellt ist.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratwerkstoff HSS, HSSE, ASP, Hartmetall, Cermet oder Keramik sein kann.

5. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug als Verbundwerkzeug ausgeführt ist, wobei der durchzugserzeugende Formgebungsbereich und der gewindeerzeugende Furchteil aus zwei unterschiedlichen Substratwerkstoffen hergestellt sind und die beiden Werkstoffe durch löten, schweißen, ansintern, kleben, verpressen oder verschrauben miteinander verbunden sind.

6. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug durch nitrieren, borieren, PVD oder CVD beschichten oberflächenbehandelt sein kann.

7. Werkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im gewindeerzeugenden Arbeitsteil Nuten zur verbesserten Schmierung angebracht sind.

8. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Werkzeug innere Schmierkanäle eingebracht sind die im Bereich der Formgebungskanten des gewindeerzeugenden Arbeitsteil austreten.

9. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment und die Axialkraft durch einen zylindrischen Einspannschaft über eine kraftschlüssige Verbindung eingeleitet werden.

10. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment durch eine oder mehrere Abflachungen im zylindrischen Einspannbereich über eine formschlüssige Verbindung eingeleitet werden.