DE102020109815B4

DE102020109815B4 - Verfahren und Gewindeerzeugungs-Werkzeug zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung

Info

Publication number: DE102020109815B4
Application number: DE102020109815.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Kopton
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: DE102020109815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (2) mit einem Vorbohr-Prozessschritt, bei dem mit einem Bohrwerkzeug eine gewindefreie Vorbohrung (31) erzeugt wird, deren Bohrungsgrund (3) auf einer Soll-Bohrtiefe (tB) liegt, und mit einem Gewinde-Prozessschritt, bei dem ein Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einem Gewindehub (G) mit einem Gewindeerzeugungs-Vorschub (vf) sowie einer dazu synchronisierten Gewindeerzeugungs-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (31) erzeugt. Erfindungsgemäß weist das Gewindeerzeugungs-Werkzeug an seiner dem Bohrungsgrund (3) zugewandten Werkzeugspitze zumindest eine Bohrungsgrund-Schneide (19) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Gewindeerzeugungs-Werkzeug gemäß Anspruch 8 sowie eine Werkstück-Gewindebohrung gemäß Anspruch 9.
Der Kurbelwellenflansch einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine weist eine Anzahl von umfangsverteilten Gewindebohrungen auf, in die Schraubbolzen einschraubbar sind, um einen getriebeseitigen Flansch mittels Schraubverbindung an den Kurbelwellenflansch anzubinden. Die Gewindebohrungen des Kurbelwellenflansches können als Sacklöcher realisiert sein, wodurch einen Öldurchtritt durch die Gewindebohrungen vermieden wird. In diesem Fall entspricht der Soll-Bohrtiefe der jeweiligen Gewindebohrung der Flanschdicke des Kurbelwellenflansches abzüglich einer ausreichend großen Restbodendicke am Bohrungsgrund der Gewindebohrung.
Bei einer solchen Flanschgeometrie besteht die Herausforderung darin, trotz reduzierter Soll-Bohrtiefe eine ausreichend große Schraubfestigkeit der Schraubverbindung zu ermöglichen.
In einem gattungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung erfolgt zunächst ein Vorbohr-Prozessschritt, bei dem eine gewindefreie Vorbohrung erzeugt wird. Anschließend erfolgt ein Gewinde-Prozessschritt, bei dem ein Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einen Gewindehub mit einem Gewindeerzeugungs-Vorschub sowie einer dazu synchronisierten Gewindeerzeugungs-Drehzahl ein Innengewinde erzeugt. Ein solches Verfahren ist beispielhaft aus der EP 1 497 067 B1 bekannt, die ein Verfahren zur Herstellung von Gewinden offenbart. Aus der DE 38 10 884 C1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Innengewinden ohne Vorbohren bekannt. Aus der EP 3 484 647 B1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Gewindebohrung bekannt. Weitere Verfahren zur Erzeugung einer Gewindebohrung sind aus der DE 10 2012 105 183 A1 , aus der DE 38 76 820 T2 und aus der DE 36 27 798 C2 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung bereitzustellen, bei dem die Gewindebohrung trotz reduzierter Soll-Bohrtiefe eine ausreichend große Schraubfestigkeit ermöglicht.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 8 oder des Anspruches 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass im Stand der Technik das Gewindeerzeugungs-Werkzeug am Ende der Gewindeerzeugung über einen Werkzeugfreigang vom Bohrungsgrund axial beabstandet ist. Der Werkzeugfreigang ist im Stand der Technik entlang der Bohrungs-Achse ausreichend groß bemessen, damit die Werkzeugspitze des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs belastungsfrei, d.h. ohne Kontakt mit dem Bohrungsgrund, einragen kann. In diesem Fall ergibt sich die Soll-Gewindetiefe aus der Soll-Bohrtiefe abzüglich des vergleichsweise großen Werkzeugfreiraums. In Abkehr von der aus dem Stand der Technik bekannten Prozessführung wird erfindungsgemäß auf die Bereitstellung eines solchen Werkzeug-Freigangs am Bohrungsgrund verzichtet. Vielmehr weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 das Gewindeerzeugungs-Werkzeug an seiner, dem Bohrungsgrund zugewandten Werkzeugspitze zumindest eine Bohrungsgrund-Schneide auf. Im Gewinde-Prozessschritt wird das Gewindeerzeugungs-Werkzeug bis auf Anschlag mit dem Bohrungsgrund gebracht, so dass die Bohrungsgrund-Schneide einen geringfügigen Materialabtrag am Bohrungsgrund vornehmen kann. Zugleich wird das Innengewinde bis unmittlbar an den Bohrungsgrund erzeugt. Auf diese Weise kann der Schraubbolzen nahezu bis zum Bohrungsgrund geschraubt werden. Dadurch kann trotz reduzierter Soll-Bohrtiefe eine ausreichend große nutzbare Soll-Gewindetiefe erzielt werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Vorbohr-Prozessschritt mit einem separaten Bohrwerkzeug, das eine gewindefreie Vorbohrung im Werkstück erzeugt, deren Bohrungsgrund auf der Soll-Bohrtiefe liegt, die noch toleranzbehaftet sein kann. Ein Toleranzausgleich der Soll-Bohrtiefe wird im Gewindebohr-Prozess durchgeführt: Im Gewindebohr-Prozess kann die Bohrungsgrund-Schneide des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs einen Materialabtrag am Bohrungsgrund vornehmen, wodurch ein gegebenenfalls noch vorhandenes Toleranz-Aufmaß am Bohrungsgrund abgetragen werden kann.
Bevorzugt ist es, wenn im Gewinde-Bohrprozessschritt das in die Vorbohrung eingefahrene Gewindeerzeugungs-Werkzeug mit seiner Werkzeug-Rotationsachse koaxial zur Bohrungs-Achse ausgerichtet ist. Alternativ dazu kann - je nach Werkzeugauslegung - das Gewindeerzeugungs-Werkzeug auch achsparallel zur Bohrungs-Achse geführt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Bohrungsgrund-Schneide eine im rechten Winkel zur Werkzeug-Rotationsachse verlaufende Quer-Schneidkante aufweisen, die mit dem Bohrungsgrund der Vorbohrung in Spaneingriff bringbar ist. Auf diese Weise kann ein flacher bzw. ebener Bohrungsgrund erzeugt werden, der im Hinblick auf eine größere nutzbare Soll-Bohrtiefe bevorzugt ist (im Vergleich zu einem konischen Bohrungsgrund).
Das Gewindeerzeugungs-Werkzeug weist an seinem Außenumfang zumindest einen Gewindeprofilier-Zahn auf. Dessen radial äußere Zahnspitze kann sich bei einer Werkzeugrotation auf einer durchmessergroßen Kreisbahn bewegen. Demgegenüber kann das Gewindeerzeugungs-Werkzeug mit Bezug auf seine Werkzeug-Rotationsachse diametral gegenüberliegend zum Gewindeprofilier-Zahn einen durchmesserreduzierten Außenumfang aufweisen. Dieser kann sich bei einer Werkzeugrotation auf einer durchmesserkleinen Kreisbahn bewegen. In diesem Fall ergibt sich zwischen der durchmesserkleinen Kreisbahn und der durchmessergroßen Kreisbahn ein Radial-Freigang. Im Gewinde-Prozess kann daher (unter teilweisem Aufbrauch des Radialfreigangs) das Werkzeug um einen Radialversatz radial ausgesteuert werden, um außer Eingriff mit dem erzeugten Innengewinde zu kommen. Anschließend kann das Gewindeerzeugungs-Werkzeug ohne Eingriff aus der Gewindebohrung herausgeführt werden.
In einer bevorzugten Prozessführung kann im Gewindehub das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in die Vorbohrung eingefahren werden, und zwar unter Erzeugung des Innengewindes. In diesem Fall wird das Gewindeerzeugungs-Werkzeug bei der Gewinde-Erzeugung nicht auf Zug, sondern auf Druck beansprucht. Am Gewindehub-Ende kommt das Gewindeerzeugungs-Werkzeug auf Anschlag mit dem Bohrungsgrund und wird eine Freischnittnut erzeugt. Während der Freischnittnut-Erzeugung sind der Vorschub und die Drehzahl des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert. Entsprechend weist die Freischnittnut keine Gewindesteigung auf. Das Innengewinde ist somit bis zur Freischnittnut am Gewindeboden voll ausgebildet und für einen Schraubvorgang nutzbar.
Die Freischnittnut geht mit ihrer unteren Nutflanke unmittelbar in den Bohrungsgrund über, und zwar ohne Bildung eines zusätzlichen Werkzeug-Freigangs, der im Stand der Technik zwischen dem Innengewinde und dem Bohrungsgrund vorhanden ist.
Nach erfolgter Freischnittnut-Erzeugung erfolgt ein Reversierhub. Zur Vorbereitung des Reversierhubs wird das Gewindeerzeugungs-Werkzeug um einen Radialversatz von der Freischnittnut freigefahren. Im anschließenden Reversierhub kann daher das Gewindeerzeugungswerkzeug ohne Gewindeeingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung herausgeführt werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Seitenschnittdarstellung ein in einem Kurbelwellenflansch ausgebildete Gewindesackloch-Bohrung;
2 und 3 unterschiedliche Ansichten eines Gewindeerzeugungs-Werkzeugs;
4 bis 7 jeweils Ansichten, die der in der 1 gezeigten Gewindesackloch-Bohrung in einer Prozessabfolge veranschaulichen.

In der 1 ist ein Kurbelwellenflansch 1 mit einer Gewindesackloch-Bohrung 2 gezeigt, der eine Flanschdicke f aufweist. Die Bohrung 2 ist mit ihrem Bohrungsgrund 3 bis zu einer Soll-Bohrtiefe t_B in den Kurbelwellenflansch 1 eingearbeitet, und zwar in einer Prozessabfolge, die später anhand der 4 bis 7 erläutert ist. Die Gewindebohrung 2 weist an ihrer Bohrungsöffnung eine umlaufende Gewindesenkung 7 auf, die im weiteren Verlauf nach unten in ein Innengewinde 9 übergeht. Das Innengewinde 9 erstreckt sich entlang der Bohrungs-Achse B bis zu einer nutzbaren Soll-Gewindetiefe t_G. Der Gewindegang des Innengewindes 9 mündet in eine ringförmig umlaufende Freischnittnut 13, deren untere Nutflanke 14 (5c) unmittelbar, d.h. ohne zwischengeschalteter glattzylindrischer Vorbohrungswand, in den Bohrungsgrund 3 übergeht, der eine Restbodendicke d aufweist.
Das in der 1 gezeigte Innengewinde 9 wird mithilfe eines nachfolgend anhand der 2 und 3 beschriebenen Gewindeerzeugungs-Werkzeugs hergestellt. Demzufolge weist das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in der 2 einen Spannschaft 15 auf, an dem ein Gewindeerzeugungs-Körper 17 anschließt. An der Werkzeugspitze weist der Gewindeerzeugungs-Körper 17 eine Bohrungsgrund-Schneide 19 auf. Diese ist mit einer Quer-Schneidkante 21 ausgebildet, die im rechten Winkel zur Werkzeug-Rotationsachse W verläuft. Am Außenumfang des Gewindeerzeugungs-Körpers 17 sind insgesamt drei Bearbeitungszähne, nämlich ein Vorbearbeitungszahn 23, ein Zwischenzahn 24 und ein Fertigbearbeitungszahn 25 ausgebildet. Die Zähne 23, 24, 25 sind in der 3 in der Werkzeug-Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sowie in der Axialrichtung in etwa auf gleicher Höhe positioniert.
Wie aus der 3 weiter hervorgeht, sind die drei Bearbeitungszähne 23, 24, 25 in einem Werkzeug-Kreissektor gruppiert, das heißt nicht umfangsseitig gleichmäßig verteilt, sondern asymmetrisch angeordnet. Mit Bezug auf die Werkzeug-Rotationsachse W diametral gegenüberliegend zu den Profilierzähnen 23, 24, 25 ist in der 3 ein durchmesserreduzierter Außenumfang 27 gebildet, der sich bei einer Werkzeug-Rotation auf einer durchmesserkleinen Kreisbahn bewegt. Demgegenüber bewegen sich die Profilierzähne 23, 24, 25 auf einer durchmessergroßen Kreisbahn 26. Dadurch ergibt sich ein Radial-Freigang 29 (3), der in einem später beschriebenen Freifahrschritt F ( 6) benötigt wird.
Nachfolgend wird anhand der 4 bis 7 die Prozesskette zur Erzeugung der Werkstück-Gewindebohrung 2 beschrieben: So wird zunächst in einem separaten Vorbohr-Prozessschritt mit einem nicht gezeigten Bohrwerkzeug eine gewindefreie Vorbohrung 31 (4) erzeugt, deren Bohrungsgrund 3 in etwa auf einer Soll-Bohrtiefe t_B liegt. Anschließend wird das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einem Gewindehub G koaxial zur Bohrungs-Achse B in die Vorbohrung 31 eingefahren, und zwar mit einem Gewindeerzeugungs-Vorschub v_f sowie einer dazu synchronisierten Gewindeerzeugungs-Drehzahl n. Auf diese Weise wird das Innengewinde 9 erzeugt. Das Gewindeerzeugungs-Werkzeug wird am Gewindehub-Ende bis auf Anschlag mit dem Bohrungsgrund 3 gebracht, an dem die Bohrungsgrund-Schneide 19 einen Materialabtrag vornimmt. Gleichzeitig erfolgt am Gewindehub-Ende eine Freischnittnut-Erzeugung, bei der der Vorschub v_f und die Drehzahl n des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert sind. Auf diese Weise wird die an das Innengewinde 9 anschließende umlaufende Freischnittnut 13 erzeugt. Das Innengewinde ist bis zur Freischnittnut 19 komplett vollständig ausgebildet und für einen Schraubvorgang nutzbar.
Nach erfolgter Freischnittnut-Erzeugung wird das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einem Freifahrschritt F (6) um einen Radialversatz Δr von der Freischnittnut 13 freigefahren. Auf diese Weise kann im nachfolgenden Reversierhub R (7) das Gewindeerzeugungs-Werkzeug ohne Gewindeeingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung 2 herausgeführt werden. Im Freifahrschritt F wird der Radial-Freigang 29 des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs zumindest teilweise aufgebraucht.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwellenflansch
2: Gewindebohrung
7: Gewindesenkung
9: Innengewinde
13: Freischnittnut
14: Nutflanke
15: Spannschaft
17: Gewindeerzeugungs-Körper
19: Bohrungsgrund-Schneide
21: Quer-Schneidkante
23, 24, 25: Gewindeprofilierzahn
26: Kreisbahn
27: durchmesserreduzierter Außenumfang
29: Radial-Freigang
31: Vorbohrung
B: Bohrungs-Achse
W: Werkzeug-Rotationsachse
tG: Soll-Gewindetiefe
tB: Soll-Bohrtiefe
d: Restbodendicke
vf: Vorschub
n: Drehzahl
G: Gewindehub
R: Reversierhub
F: Freischnittschritt
f: Flanschdicke

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (2) mit einem Vorbohr-Prozessschritt, bei dem mit einem Bohrwerkzeug eine gewindefreie Vorbohrung (31) erzeugt wird, deren Bohrungsgrund (3) auf einer Soll-Bohrtiefe (t_B) liegt, und mit einem Gewinde-Prozessschritt, bei dem ein Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einem Gewindehub (G) mit einem Gewindeerzeugungs-Vorschub (vf) sowie einer dazu synchronisierten Gewindeerzeugungs-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (31) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeerzeugungs-Werkzeug an seiner dem Bohrungsgrund (3) zugewandten Werkzeugspitze zumindest eine Bohrungsgrund-Schneide (19) aufweist, und dass im Gewinde-Prozessschritt das Gewindeerzeugungs-Werkzeug bis auf Anschlag mit dem Bohrungsgrund (3) bringbar ist, so dass mittels der Bohrungsgrund-Schneide (19) ein Materialabtrag am Bohrungsgrund (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gewinde-Prozessschritt das in die Vorbohrung (31) einfahrende Gewindeerzeugungs-Werkzeug mit seiner Rotations-Achse (W) koaxial zur Bohrungs-Achse (B) ist, und/oder dass die Bohrungsgrund-Schneide (19) eine Quer-Schneidkante (21) aufweist, die in Spaneingriff mit dem Bohrungsgrund (3) der Vorbohrung (31) bringbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeerzeugungs-Werkzeug zumindest einen Gewindeprofilier-Zahn (23, 24, 25) aufweist, dessen radial äußere Zahnspitze sich bei einer Werkzeug-Rotation auf einer durchmessergroßen Kreisbahn (26) bewegt, und dass der Gewindeprofilier-Zahn (23, 24, 25) des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs mit Bezug auf die Werkzeug-Rotationsachse (W) diametral gegenüberliegend zu einem durchmesserreduzierten Außenumfang (27) liegt, der bei einer Werkzeug-Rotation um einen Radial-Freigang (29) innerhalb der durchmessergroßen Kreisbahn (26) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gewindehub (G) das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in die Vorbohrung (31) eingefahren wird, und zwar unter Erzeugung des Innengewindes (9), und dass am Gewindehub-Ende eine Freischnittnut-Erzeugung erfolgt, bei der der Vorschub (vf) und die Drehzahl (n) des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert sind, so dass eine an das Innengewinde (9) anschließende umlaufende Freischnittnut (13) ohne Gewindesteigung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Freischnittnut-Erzeugung die Bohrungsgrund-Schneide (19) in Spaneingriff mit dem Bohrungsgrund (3) ist, und dass eine Nutflanke (14) der Freischnittnut (13) unmittelbar in den Bohrungsgrund (3) übergeht, und/oder dass die Freischnittnut (13) unmittelbar zwischen dem Innengewinde-Ende und dem Bohrungsgrund (3) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Freischnittnut-Erzeugung ein Reversierhub (R) erfolgt, und dass zur Vorbereitung des Reversierhubs (R) das Gewindeerzeugungs-Werkzeug um einen Radialversatz (Δr) von der Freischnittnut (13) freigefahren wird, so dass im Reversierhub (R) das Gewindeerzeugungs-Werkzeug ohne Gewindeeingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung (2) herausführbar ist, und dass der Radial-Freigang (29) des Gewindeerzeugungs-Werkzeugs beim Freifahren in Radialrichtung zumindest teilweise aufgebraucht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Gewindehub-Ende das Gewindeerzeugungs-Werkzeug ohne Freischnittnut-Erzeugung um einen Radialversatz (Δr) von dem Innengewinde (9) freigefahren wird, so dass sich am Innengewinde-Ende ein Gewindeauslauf bildet, dessen Gewindeprofilhöhe sich in Richtung auf den Bohrungsgrund (3) reduziert.
Gewindeerzeugungs-Werkzeug für ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (2) aus einer gewindefreien Vorbohrung (31), deren Bohrungsgrund (3) auf einer Soll-Bohrtiefe (t_B) liegt, wobei das Gewindeerzeugungs-Werkzeug in einem Gewinde-Prozessschritt in einem Gewindehub (G) mit einem Gewindeerzeugungs-Vorschub (vf) sowie einer dazu synchronisierten Gewindeerzeugungs-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (31) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeerzeugungs-Werkzeug an seiner dem Bohrungsgrund (3) zugewandten Werkzeugspitze zumindest eine Bohrungsgrund-Schneide (19) aufweist, und dass im Gewinde-Prozessschritt das Gewindeerzeugungs-Werkzeug bis auf Anschlag mit dem Bohrungsgrund (3) bringbar ist, so dass mittels der Bohrungsgrund-Schneide (19) ein Materialabtrag am Bohrungsgrund (3) erfolgt, und dass die Bohrungsgrund-Schneide (19) eine Quer-Schneidkante (21) aufweist, die in Spaneingriff mit dem Bohrungsgrund (3) der Vorbohrung (31) bringbar ist.
Werkstück-Gewindebohrung, die in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.