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Dokumentenidentifikation DE102004052455A1 04.05.2006
Titel System und Verfahren zur Gewindeherstellung in vergüteten Stählen
Anmelder Volkswagen AG, 38440 Wolfsburg, DE
Erfinder Vollmer, Christian, Dr., 31177 Harsum, DE;
Schmier, Marcus, Dr., 36110 Schlitz, DE
Vertreter Lindner, M., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 28.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004052455
Offenlegungstag 04.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2006
IPC-Hauptklasse B23G 7/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23G 7/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Durch die Erfindung wird ein Gewindeherstellsystem zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 Mpa geschaffen. Dieses Gewindeherstellsystem enthällt ein Vorbohrwerkzeug und ein Gewindeherstellungswerkzeug, wobei der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges kleiner als der Durchmesser DG des Gewindeherstellungswerkzeuges ist, und wobei das Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewindefurchwerkzeug (1) ist. Weiterhin schafft die Erfindung ein Gewindeherstellverfahren zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 Mpa.Bei diesem Gewindeherstellverfahren wird zunächst mit einem Vorbohrwerkzeug eine Vorbohrung (2) in ein Bauteil (3) eingebracht und wird dann mit einem Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewinde in der Vorbohrung (2) erzeugt, wobei der Durchmesser der Vorbohrung (2) kleiner als der Durchmesser des Gewindes ist, und wobei das Erzeugen des Gewindes durch Gewindefurchen erfolgt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zur Gewindeherstellung in vergüteten Stählen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 22.

Es besteht ein sehr großer Bedarf an Schraubverbindungen und insbesondere Innengewinden in Bauteilen und somit an entsprechenden Innengewindewerkzeugen. Beispielsweise aus der CH 107427 A bis hin zu der DE 69624724 T2 sind Gewindeschneider bekannt, mittels denen im Wege der Zerspanung Gewinde in Bohrungen geschnitten werden. Nach demselben zerspanenden Prinzip arbeitet ein Fräs-Gewindeschneider, wie er beispielsweise in der DE 200 07 664 U1 offenbart ist.

Beim Herstellen von Gewinden, insbesondere Innengewinden bestehen eine Reihe von Problemen. Zum einen besitzen Bauteile, die mit einem Innengewinde zu versehen sind, zum Zeitpunkt der Gewindeherstellung bereits einen hohen Wert, zum anderen birgt die Innenbearbeitung ein vergleichsweise hohes Ausschussrisiko. Daher sind die entsprechenden Fertigungsprozesse noch immer gefürchtet.

Weiterhin lassen sich harte Werkstoffe mit Festigkeiten von 1000 MPa und mehr nur schwer und mit geringer Standmenge der Werkzeuge zerspanen. Durch die hohe Festigkeit solcher zu zerspanender Werkstoffe entstehen so hohe Kräfte, dass es nach sehr kurzer Zeit oder von nur einigen hundert Gewinden verschleißbedingt zu nicht lehrenhaltigen Gewinden oder gar zum Werkzeugbruch kommt, was die Produktionszeiten durch erforderliche Nacharbeiten und Werkzeugwechsel sehr nachteilig verlängert.

Durch die beim Gewindeschneiden zur besseren Zerspanung und zum Spantransport erforderliche Kühl-Schmiermittel-Flutung insbesondere bei Sacklochgewinden wird zudem die Umwelt belastet und kann mit einem Gesundheitsrisiko für Maschinenbediener gerechnet werden.

Als weitere Möglichkeit zur Herstellung von Innengewinden ist das Gewindefurchen oder Gewindeformen bekannt geworden (vergleiche beispielsweise "Simulation des Werkstoffflusses beim Gewindefurchen" nach Dipl.-Ing. Sven Holsten, veröffentlicht unter "http://www.uni-kassel.de/fb15/ipl/ptwz/ipl/forsch/gewindefurchen.ghk", "Letzte Änderung 2003-09-03". Das Gewindefurchen ist ein spanloses Fertigungsverfahren zur Erzeugung von Innengewinden, indem ein Gewinde in eine Bohrung eingedrückt wird. Es bietet prozessbedingte Vorteile gegenüber der spanenden Herstellung, wie den Wegfall der Spanentsorgung, eine bessere Festigkeit der Gewindeflanken und eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit.

Das betrachtete druckumformende Herstellverfahren zeichnet sich somit durch eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber den stärker verbreiteten Innengewindeherstellverfahren Gewindebohren und Gewindefräsen aus, konnte sich jedoch bisher in vielen Bereichen der Industrie nicht durchsetzen, da zum einen Beschränkungen hinsichtlich der bearbeitbaren Werkstoffe und zum anderen im allgemeinen Bekanntheitsgrad des Verfahrens vorliegen. Der während des Gewindefurchens herrschende, dreidimensionale Druckspannungszustand hat einen mehrachsigen Werkstofffluss, vorwiegend radial und axial, zum Teil aber auch tangential gegenüber der Vorschubrichtung zur Folge. Weder über die Größe der jeweiligen Anteile noch über ihre Bedeutung für die Werkzeugbelastung und ihre Abhängigkeit von der Formkantengeometrie gibt es zurzeit gesicherte Erkenntnisse, was eine Optimierung der Werkzeuggeometrie, die Erhöhung der Prozesssicherheit und schließlich eine Verbreiterung des Anwendungsfeldes erschwert. Entsprechend finden Verbesserungen im Bereich der Werkzeuggeometrie nur in engen Grenzen statt, da die Vorgänge bei der Umformung überwiegend unbekannt sind.

Aus der Praxis ist jedoch der Einsatz des Gewindefurchens nur in Stählen mit Zugfestigkeiten von weniger als 1000 MPa sowie in Aluminium und Magnesium (vergleiche "Gewindefurchen in Magnesium", veröffentlicht unter "http://www.unikassel.de/fb15/ipl/ptwz/ipl/forsch/gfinmg.ghk", Autor nicht angegeben, "Letzte Änderung 2003-06-10") bekannt. Gewinde in Stählen mit Zugfestigkeiten von 1000 MPa und mehr werden weiterhin durch Gewindeschneiden mit den oben genannten Nachteilen hergestellt.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, Systeme und Verfahren zur Gewindeherstellung in vergüteten Stählen mit Zugfestigkeiten von 1000 MPa und mehr zu schaffen.

Dieses Ziel wird mit einem System nach dem Anspruch 1 sowie einem Verfahren nach dem Anspruch 22 erreicht.

Durch die Erfindung wird somit ein Gewindeherstellsystem zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 MPa geschaffen, mit einem Vorbohrwerkzeug und einem Gewindeherstellungswerkzeug, wobei der Durchmesser des Vorbohrwerkzeuges kleiner als der Durchmesser des Gewindeherstellungswerkzeuges ist. Erfindungsgemäß ist dabei ferner vorgesehen, dass das Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewindefurchwerkzeug ist.

Verfahrensmäßig erreicht die Erfindung das obige Ziel mit einem Gewindeherstellverfahren zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 MPa, wobei zunächst mit einem Vorbohrwerkzeug eine Vorbohrung in ein Bauteil eingebracht wird und dann mit einem Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewinde in der Vorbohrung erzeugt wird, wobei der Durchmesser der Vorbohrung kleiner als der Durchmesser des Gewindes ist. Durch die Erfindung ist dabei weiter vorgesehen, dass das Erzeugen des Gewindes durch Gewindefurchen erfolgt.

Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, Gewinde mit speziellen Werkzeugen bei ausreichender Standzeit auch in vergütete Stähle mit Zugfestigkeiten von 1000 MPa und mehr zu furchen, statt wie bisher zu schneiden. Damit werden nicht nur die mit dem zerspanenden Schneiden oder Fräsen von Gewinden verbundenen Nachteile völlig beseitigt, sondern als weitere markante Vorteile erhalten, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit, vor allem wegen der durch die Erfindung erreichbaren Erhöhung der Standzeit und Bearbeitungs- oder Verformungsgeschwindigkeit, insgesamt gesteigert und die Prozesssicherheit, insbesondere wegen der Vermeidung von Späne und der Gefahr eines Spänestaus, wesentlich erhöht werden, wodurch die Produktionskosten gegenüber zerspanenden Techniken spürbar reduziert werden.

Neben der deutlichen Verkürzung der Bearbeitungszeit werden als weitere Vorteile erreicht, dass durch die Kaltverfestigung beim Gewindefurchen eine insgesamt höhere Gewindefestigkeit erreicht wird, was sich besonders am Gewindeaustritt bemerkbar macht, wo somit ein fester Grat geschaffen wird, und dass die Werkzeuglebensdauer deutlich erhöht wird. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Gewindeherstellsystem und Gewindeherstellverfahren erzielte höhere Gewindefestigkeit gegenüber geschnittenen/gefrästen Gewinden, können gegenüber diesen in weiter vorteilhafter Weise die Bohr- und Gewindetiefen bei gleicher Haltbarkeit oder Auszugsfestigkeit einer daraus resultierenden Schraubverbindung merklich verringert werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Reduzierung des Kühlschmiermittelbedarfs bei der erfindungsgemäßen Technik, was zu einer Schonung der Umwelt und einem sichereren und saubereren Arbeitsplatz für die Maschinenbediener führt. Außerdem ist mit diesem Aspekt eine weitere Kostensenkung durch geringeren Aufwand bei der Beschaffung und Entsorgung von Kühl-Schmiermittel verbunden.

Nachfolgend sind einige Weiterbildungen angegeben, die sowohl vorrichtungsmäßig als auch verfahrensmäßig jeweils mit Vorteil und vorzugsweise einzeln oder in Kombinationen umsetzbar sind:

  • – Der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges ist bestimmt durch: DV > DG – 1/2 × S wobei DG der Durchmesser des Gewindeherstellungswerkzeuges und des damit zu erzeugenden Gewindes ist, und S die Steigung des Gewindes ist.

    Mit zunehmend eingeschränktem Bereich und Vorzug in der angegebenen Reihenfolge lässt sich die Bestimmung des Durchmessers DV des Vorbohrwerkzeuges näher bestimmen:

    1. 1,002 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,01 × (DG – 1/2 × S),

    2. 1,003 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,008 × (DG – 1/2 × S),

    3. 1,004 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,006 × (DG – 1/2 × S),

    4. 1,005 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,0055 × (DG – 1/2 × S).
  • – Das Gewindeherstellungswerkzeug besteht zumindest im wesentlichen aus HSS.
  • – Das Gewindeherstellungswerkzeug ist zumindest an seiner zum Gewindefurchen wirksamen Oberfläche mit TiN oder einer anderen zur Stahlbearbeitung geeigneten Hartstoffschicht beschichtet.
  • – Es ist eine MMS-Schmierung außen enthalten.
  • – Das Gewindeherstellungswerkzeug hat eine Polygonzahl von 5.
  • – Das Gewindeherstellungswerkzeug weist Schmiernute auf.
  • – Das Gewindeherstellungswerkzeug hat einen Anformwinkel im Bereich von etwa 7° bis etwa 10°, vorzugsweise im Bereich von etwa 8° bis etwa 9°, mit weiterem Vorzug im Bereich von etwa 8,5° bis etwa 8,9°, und besonders bevorzugt von zumindest annähernd 8,7°.
  • – Es ist ein Gewindeherstellungswerkzeug mit einer Hubhöhe im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,3 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,22 mm bis etwa 0,26 mm, und besonders bevorzugt von zumindest annähernd 0,24 mm vorgesehen.
  • – Es ist ein Gewindeherstellungswerkzeug mit einer Zustelltiefe im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,05 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,02 mm bis etwa 0,04 mm, und mit besonderem Vorzug von zumindest annähernd 0,03 mm vorgesehen.
  • – Das Gewindeherstellverfahren ist derart gestaltet, dass das Gewindefurchen ausgelegt ist, um in 42CrMoS4 ausgeführt zu werden.
  • – Das Gewindefurchen erfolgt mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 15 m/min bis etwa 25 m/min, vorzugsweise im Bereich von etwa 18 m/min bis etwa 22 m/min, und besonders bevorzugt von zumindest annähernd 20 m/min.
  • – Weiterhin erfolgt das Herstellen des Gewindes mit einer Minimalmengenschmierung (MMS), insbesondere einer Minimalmengenkühlschmierung (MMKS), wobei vorzugsweise Öl für die Kühlschmierung verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird das Gewindefurchen mit Vorteil insbesondere durch spezielle Abstimmungen von Vorbohrdurchmesser, Bearbeitungsgeschwindigkeit, Schmierung und Werkzeuggeometrie auch für vergütete Stähle mit Zugfestigkeiten von 1000 MPa und mehr realisiert.

Weitere bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den gesamten vorliegenden Unterlagen sowie insbesondere aus den jeweils abhängigen Ansprüchen und deren Kombinationen.

Die Erfindung wird anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Gewindefurchwerkzeuges eines Gewindeherstellungssystems zur Verdeutlichung wesentlicher Größen,

2 das durch Gewindefurchen hergestellte Gewinde im Ausschnitt A aus der 1 in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung eines Materialzustandes,

3 ein durch Gewindeschneiden hergestelltes Gewinde entsprechend dem Ausschnitt A aus der 1 in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung eines Materialzustandes,

4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gewindefurchwerkzeuges eines Gewindeherstellungssystems in einer fotographischen perspektivischen Darstellung, und

5 ein Ausführungsbeispiel eines Gewindefurchwerkzeuges eines Gewindeherstellungssystems beim Gewindefurchen in einer fotographischen perspektivischen Momentaufnahme.

Anhand der nachfolgend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele wird die Erfindung lediglich exemplarisch näher erläutert, d.h. sie ist nicht auf diese Ausführungs- und Anwendungsbeispiele oder auf die jeweiligen Merkmalskombinationen innerhalb einzelner Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränkt. Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale ergeben sich jeweils analog auch aus Vorrichtungs- bzw. Verfahrensbeschreibungen.

Einzelne Merkmale, die im Zusammenhang mit konkreten Ausführungsbeispielen angeben und/oder dargestellt sind, sind nicht auf diese Ausführungsbeispiele oder die Kombination mit den übrigen Merkmalen dieser Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern können im Rahmen des technisch Möglichen, mit jeglichen anderen Varianten, auch wenn sie in den vorliegenden Unterlagen nicht gesondert behandelt sind, kombiniert werden.

Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Komponenten. Anhand der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne weiteres für einen Fachmann verständlich.

Die 1 zeigt eine schematische teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Gewindefurchwerkzeuges 1 eines Gewindeherstellungssystems.

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Gewindeherstellsystem zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 MPa, mit einem Gewindefurchwerkzeug 1 als Gewindeherstellungswerkzeug und einem Vorbohrwerkzeug (nicht dargestellt), wobei der Durchmesser des Vorbohrwerkzeuges kleiner als der Durchmesser des Gewindefurchwerkzeuges 1 ist.

Die 1 dient insbesondere zur Verdeutlichung wesentlicher Größen. Allgemein gesprochen ist der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges bestimmt durch: DV > DG – 1/2 × S wobei DG der Durchmesser des Gewindeherstellungswerkzeuges und des damit zu erzeugenden Gewindes ist, und S die Steigung des Gewindes ist. Entsprechend durchgeführten praktischen Untersuchungen lassen sich mit zunehmendem Vorzug folgende genaueren Bestimmungen angeben:

  • 1. 1,002 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,01 × (DG – 1/2 × S),
  • 2. 1,003 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,008 × (DG – 1/2 × S),
  • 3. 1,004 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,006 × (DG – 1/2 × S), und
  • 4. 1,005 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,0055 × (DG – 1/2 × S).

Mit einem üblichen Vorbohrwerkzeug (nicht dargestellt) wurde in dem in der 1 gezeigten Produktionsstadium bereits vorher eine Vorbohrung 2 mit dem Durchmesser DV in einem Bauteil 3 hergestellt. Für ein herzustellendes Gewinde M 10 × 1 und damit ein Gewindefurchwerkzeug 1 mit einem Durchmesser DG von 10,00 mm wurde ein besonders bevorzugter Durchmesser DV der Vorbohrung 2 und somit auch des Vorbohrwerkzeuges von 9,55 mm gewählt.

Zur Herstellung z.B. eines Gewindes M 16 × 2 mit einem Gewindefurchwerkzeug 1 mit einem Durchmesser DG von 16,00 mm würde mit besonderem Vorzug eine Vorbohrung mit einem Durchmesser DV von 15,075 mm gewählt werden.

In der 2 ist das durch Gewindefurchen hergestellte Gewinde im Ausschnitt A aus der 1 in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung eines Materialzustandes gezeigt. Dargestellt ist der Gewindegang 4 zwischen zwei Abschnitten der Gewinderippen 5. In die Gewinderippen sind Linien 6 eingezeichnet, die die Verdichtung des Materials in der Wand 7 (vergleiche 1) der Vorbohrung 2 beim Eindrücken des Gewindes, oder anders ausgedrückt des Gewindeganges 4, verdeutlichen. Anhand dieser Linien 6 wird klar, dass mit dem Gewindefurchwerkzeug 1 eine Verformung des Materials der Wand 7 der Vorbohrung 2 in der Art erfolgt, dass das Material der Wand 7 zur Bildung des Gewindeganges 4 im wesentlichen radial verdrängt, teilweise zusammengedrückt und damit kaltverfestigt wird.

Ganz anders verhält es sich beim Gewindeschneiden, wie die 3 verdeutlicht. Die 3 zeigt ein durch Gewindeschneiden hergestelltes Gewinde entsprechend dem Ausschnitt A aus der 1, also direkt vergleichbar mit der 2, in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung des Materialzustandes des Gewindeganges 4, oder genauer der den letzteren umgebenden Gewinderippe 5. Die dabei eingezeichneten Linien 8 verdeutlichen, dass durch das Herausschneiden des Gewindeganges 4 kein Komprimieren des verbleibenden Materials der Gewinderippe 5 erfolgt.

Die 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gewindefurchwerkzeuges 1 eines Gewindeherstellungssystems in einer fotographischen perspektivischen Darstellung. Das Gewindefurchwerkzeug 1 besteht aus HSS und ist an seiner zum Gewindefurchen wirksamen Oberfläche mit TiN beschichtet. Weiterhin hat das Gewindefurchwerkzeug 1 eine Polygonzahl von 5 und weist Schmiernute 9 auf. Bei dem Gewindefurchwerkzeug 1 dieses zweiten Ausführungsbeispiels handelt es sich um einen Gewindeformer M 10 × 1.

Der Anformwinkel des Gewindefurchwerkzeuges 1 (vergleiche auch das erste Ausführungsbeispiel gemäß der 1) beträgt 8,7°. Allgemein soll der Anformwinkel des Gewindefurchwerkzeuges 1 im Bereich von etwa 7° bis etwa 10° liegen, vorzugsweise im Bereich von etwa 8° bis etwa 9°, und noch mehr bevorzugt im Bereich von etwa 8,5° bis etwa 8,9°.

Die Hubhöhe des Gewindefurchwerkzeuges 1 lässt sich am weitesten mit einem Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,3 mm angeben, wobei vorzugsweise ein Bereich von etwa 0,22 mm bis etwa 0,26 mm, und besonders bevorzugt von zumindest annähernd 0,24 mm anzugeben ist. Beispielsweise zum Gewindefurchen in einem Aluminiumbauteil würde die Hubhöhe 0,32 mm betragen. Die Hubhöhe des Gewindefurchwerkzeuges 1 zur Gewindeherstellung in vergüteten Stählen mit Zugfestigkeiten von wenigstens 1000 Mpa liegt damit vorzugsweise nahe dem geometrisch minimalst möglichen Wert.

Hinsichtlich der Zustelltiefe ist ein Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,05 mm, insbesondere Bereich von etwa 0,02 mm bis etwa 0,04 mm und bevorzugt zumindest annähernd 0,03 mm vorgesehen.

Wie weiter oben angegeben ist, ist das Ausführungsbeispiel des Gewindeherstellverfahrens derart gestaltet, dass das Gewindefurchen ausgelegt ist, um in 42CrMoS4 ausgeführt zu werden, ohne dass damit andere hochfeste Materialien ausgeschlossen sein sollen. Weiterhin erfolgt das Gewindefurchen mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 15 m/min bis etwa 25 m/min, vorzugsweise mehr konkretisiert im Bereich von etwa 18 m/min bis etwa 22 m/min, und besonders bevorzugt von zumindest annähernd 20 m/min. Entsprechende Werte lassen sich auch für andere Materialien gewinnen, wie beispielsweise aus geeignet ermittelten zugehörigen Stribeck-Kurven (die Stribeck-Kurve zeigt die Abhängigkeit der Reibkraft von der Geschwindigkeit), die hier lediglich als ein möglicher Ansatz genannt werden. Die vorliegenden Werte liegen nicht nur gänzlich anders, sondern in überraschender Weise auch beträchtlich höher als beispielsweise beim Gewindefurchen in Aluminium, wobei Bearbeitungsgeschwindigkeiten von 6 m/min bis zu 8 m/min, maximal jedoch 13 m/min heutzutage als geeignet eingesetzt werden.

Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gewindefurchwerkzeuges eines Gewindeherstellungssystems beim Gewindefurchen des Gewindeherstellungsverfahrens in einer fotographischen perspektivischen Momentaufnahme.

Das Herstellen des Gewindes erfolgt mit einer Minimalmengenschmierung (MMS), insbesondere einer Minimalmengenkühlschmierung (MMKS), wobei vorzugsweise Öl für die Kühlschmierung verwendet wird. Auf eine Schmierung mit einer Bohremulsion kann beim Gewindefurchen in Stahl verzichtet werden. Dagegen ist beispielsweise beim vorbekannten Gewindefurchen in Aluminium oder Magnesium eine Kühlschmierung mit einer Bohremulsion in einem Umfang erforderlich, der über der MMS (etwa 20 Milliliter bis 50 Milliliter pro Stunde) liegt.

Mit einem erfindungsgemäßen Gewindeherstellsystem wurden versuchsweise und im Rahmen einer Parameteroptimierung mehrere Tausend Gewinde erzeugt. Dabei wurde insbesondere festgestellt, dass kein Werkzeugbruch auftrat. Ferner kam es erst nach der Herstellung von ca. 1000 Gewinden zu einem merklichen Verschleiß am Werkzeug, d.h. an dem Gewindeherstellsystem. Die in diesem Umfang hergestellten Gewinde waren alle lehrenhaltig.

Die vorstehenden und in den Zeichnungen wiedergegebenen Merkmale und Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele dienen lediglich der exemplarischen Verdeutlichung der Erfindung und nicht deren Beschränkung. Der Offenbarungsumfang der vorliegenden gesamten Unterlagen ist durch das bestimmt, was für den Fachmann ohne weiteres in den Ansprüchen, aber auch aus der Beschreibung und der Zeichnung unter Einbeziehung seines Fachwissens und insbesondere auch des in der Beschreibungseinleitung angegebenen Standes der Technik, soweit mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung kombinierbar, entnehmbar ist und/oder verstanden wird. Insbesondere umfasst die Erfindung ferner alle Variationen, Modifikationen, Kombinationen und Substitutionen, die der Fachmann dem gesamten Offenbarungsumfang der vorliegenden Unterlagen entnehmen kann. Insbesondere sind alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung und ihrer Ausführungsbeispiele kombinierbar.

1Gewindefurchwerkzeug 2Vorbohrung 3Bauteil 4Gewindegang 5Gewinderippe 6Linien 7Wand 8Linien 9Schmiernute DGDurchmesser Gewinde und Gewindefurchwerkzeug DVDurchmesser Vorbohrung SSteigung

Anspruch[de]
  1. Gewindeherstellsystem zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 MPa, mit einem Vorbohrwerkzeug und einem Gewindeherstellungswerkzeug, wobei der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges kleiner als der Durchmesser DG des Gewindeherstellungswerkzeuges ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewindefurchwerkzeug (1) ist.
  2. Gewindeherstellsystem nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges bestimmt ist durch: DV > DG – 1/2 × S wobei

    DG der Durchmesser des Gewindefurchwerkzeuges (1) und des damit zu erzeugenden Gewindes ist, und

    S die Steigung des Gewindes ist.
  3. Gewindeherstellsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges bestimmt ist durch: 1,002 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,01 × (DG – 1/2 × S).
  4. Gewindeherstellsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges bestimmt ist durch: 1,003 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,008 × (DG – 1/2 × S).
  5. Gewindeherstellsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser DV des Vorbohnnrerkzeuges bestimmt ist durch: 1,04 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,006 × (DG – 1/2 × S).
  6. Gewindeherstellsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser DV des Vorbohrwerkzeuges bestimmt ist durch: 1,005 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,0055 × (DG – 1/2 × S).
  7. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) zumindest im wesentlichen aus HSS besteht.
  8. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) zumindest an seiner zum Gewindefurchen wirksamen Oberfläche mit TiN oder einer anderen zur Stahlbearbeitung geeigneten Hartstoffschicht beschichtet ist.
  9. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine MMS-Schmierung, insbesondere eine MMKS-Schmierung, außen enthalten ist.
  10. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) eine Polygonzahl von 5 hat.
  11. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) Schmiernute (9) aufweist.
  12. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) einen Anformwinkel im Bereich von etwa 7° bis etwa 10° aufweist.
  13. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) einen Anformwinkel im Bereich von etwa 8° bis etwa 9° aufweist.
  14. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) einen Anformwinkel im Bereich von etwa 8,5° bis etwa 8,9° aufweist.
  15. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchwerkzeug (1) einen Anformwinkel von zumindest annähernd 8,7° aufweist.
  16. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,3 mm vorgesehen ist.
  17. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe im Bereich von etwa 0,22 mm bis etwa 0,26 mm vorgesehen ist.
  18. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe von zumindest annähernd 0,24 mm vorgesehen ist.
  19. Gewindeherstellsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,05 mm vorgesehen ist.
  20. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe im Bereich von etwa 0,02 mm bis etwa 0,04 mm vorgesehen ist.
  21. Gewindeherstellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe von zumindest annähernd 0,03 mm vorgesehen ist.
  22. Gewindeherstellverfahren zur Herstellung von Gewinden in Stählen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 1000 MPa, wobei zunächst mit einem Vorbohrwerkzeug eine Vorbohrung (2) in ein Bauteil (3) eingebracht wird und dann mit einem Gewindeherstellungswerkzeug ein Gewinde in der Vorbohrung (2) erzeugt wird, wobei der Durchmesser der Vorbohrung (2) kleiner als der Durchmesser des Gewindes ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Gewindes durch Gewindefurchen erfolgt.
  23. Gewindeherstellverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbohrung (2) mit einem Durchmesser DV erzeugt wird, der bestimmt ist durch: DV > DG – 1/2 × S wobei

    DG der Durchmesser des Gewindeherstellungswerkzeuges und des damit zu erzeugenden Gewindes ist, und

    S die Steigung des Gewindes ist.
  24. Gewindeherstellverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbohrung (2) mit einem Durchmesser DV erzeugt wird, der bestimmt ist durch: 1,002 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,01 × (DG – 1/2 × S).
  25. Gewindeherstellverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbohrung (2) mit einem Durchmesser DV erzeugt wird, der bestimmt ist durch: 1,003 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,008 × (DG – 1/2 × S).
  26. Gewindeherstellverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbohrung (2) mit einem Durchmesser DV erzeugt wird, der bestimmt ist durch: 1,004 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,006 × (DG – 1/2 × S).
  27. Gewindeherstellverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbohrung (2) mit einem Durchmesser DV erzeugt wird, der bestimmt ist durch: 1,005 × (DG – 1/2 × S) < DV < 1,0055 × (DG – 1/2 × S).
  28. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das zumindest im wesentlichen aus HSS besteht.
  29. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das zumindest an seiner zum Gewindefurchen wirksamen Oberfläche mit TiN oder einer anderen zur Stahlbearbeitung geeigneten Hartstoffschicht beschichtet ist.
  30. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine MMKS-Schmierung außen erfolgt.
  31. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das eine Polygonzahl von 5 hat.
  32. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das Schmiernute aufweist.
  33. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das einen Anformwinkel im Bereich von etwa 7° bis etwa 10° aufweist.
  34. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das einen Anformwinkel im Bereich von etwa 8° bis etwa 9° aufweist.
  35. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das einen Anformwinkel im Bereich von etwa 8,5° bis etwa 8,9° aufweist.
  36. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) verwendet wird, das einen Anformwinkel von zumindest annähernd 8,7° aufweist.
  37. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,3 mm verwendet wird.
  38. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe im Bereich von etwa 0,22 mm bis etwa 0,26 mm verwendet wird.
  39. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Hubhöhe von zumindest annähernd 0,24 mm verwendet wird.
  40. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,05 mm verwendet wird.
  41. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe im Bereich von etwa 0,02 mm bis etwa 0,04 mm verwendet wird.
  42. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewindefurchwerkzeug (1) mit einer Zustelltiefe von zumindest annähernd 0,03 mm verwendet wird.
  43. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchen ausgelegt ist, um in 42CrMoS4 ausgeführt zu werden.
  44. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchen mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 15 m/min bis etwa 25 m/min erfolgt.
  45. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchen mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 18 m/min bis etwa 22 m/min erfolgt.
  46. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchen mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von zumindest annähernd 20 m/min erfolgt.
  47. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindefurchen mit einer Minimalmengenschmierung (MMS), insbesondere einer Minimalmengenkühlschmierung (MMKS), erfolgt.
  48. Gewindeherstellverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gewindefurchen eine Kühlschmierung mit Öl vorgenommen wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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