DE10331713A1

DE10331713A1 - Werkzeuge und Verfahren zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes

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Publication number: DE10331713A1
Application number: DE2003131713
Authority: DE
Original assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Current assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes, umfassend wenigstens einen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Formgebungsbereich mit entlang einer die Werkzeugachse spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Formgebungskurve aufeinander folgend angeordneten Drückstollen zum Erzeugen des Gewindes durch Eindrücken in eine Werkstückoberfläche, wobei Eindrückvolumina der Drückstollen im Wesentlichen gleich sind, und ein Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, wobei der Formgebungsbereich so ausgebildet ist, dass auf jeden der Drückstollen im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte wirken. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere unter Verwendung des Werkzeugs, wobei entgegen der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinander folgende Drückstollen des Werkzeugs eine Gewinderille jeweils um ein konstantes Eindrückvolumina vergrößern und/oder wobei auf jeden Drückstollen im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte wirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes, und ein Verfahren zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere unter Verwendung des Werkzeugs.
Zum Erzeugen von Gewinden, insbesondere Gewinden für Schraubverbindungen, sind verschiedene Werkzeuge bekannt. Ein Großteil der Werkzeuge weist in ihrem Arbeitsbereich Schneidteile oder Schneiden auf zum spanabhebenden Erzeugen der Gewinde. Zu den spanabhebenden Gewindeerzeugungswerkzeuge zählen beispielsweise Gewindeschneidwerkzeuge, Gewindebohrer und Gewindefräser. Eine weitere Form der Gewindeerzeugung basiert auf einer Umformung des Werkstücks. Hierfür sind Gewindeerzeugungswerkzeuge bekannt und im Einsatz, die durch Druck eine Kaltverformung des Werkstückes erzielen. Unter diese spanlosen Gewindeerzeuger fallen die sogenannten Gewindefurcher und die Gewindewalzen. Der Vorteil dieser Werkzeuge ist, dass durch die Verformung der Oberfläche und die damit verbundene Verfestigung, die Härte des Werkstoffs im Bereich des Gewindeprofils ansteigt und somit ein verschleißfesteres Gewinde erzeugt wird.
Bekannte Gewindefurcher, insbesondere zur Innengewindeerzeugung, umfassen einen Schaft und einen Arbeitsbereich. Der Schaft ist in der Regel zylindrisch ausgeführt und mit seinem dem Werkstück abgewandten Ende im Spannfutter einer Gewindeerzeugungseinrichtung aufgenommen und gehalten. Der Arbeitsbereich befindet sich auf der dem Schaft gegenüberliegenden Seite des Gewindefurchers.
Der Arbeitsbereich ist mit einem entlang des Umfangs spiralförmig umlaufenden Gewinde versehen, das die Gegenform zu dem zu erzeugenden Gewinde darstellt. Im Längsschnitt bzw. im Gewindeprofil weist das Gewindeerzeugungswerkzeug also abwechselnd Erhöhungen bzw. Zähne und Vertiefungen bzw. Rillen auf, die normalerweise jeweils denselben Abstand zueinander besitzen, was bedeutet, dass die Steigung der Gewindegänge konstant ist. Die Zähne sind in ihrem Querschnitt im Wesentlichen radial nach außen spitzwinkelig zulaufend ausgebildet. Der Querschnitt eines Gewindeganges am Werkzeug ist in der Regel ein Polygon.
Zur Erzeugung eines Gewindes, beispielsweise in einer bereits vorhandenen Bohrung wird der bekannte Gewindefurcher mit dem Arbeitsbereich voran mit einem entsprechenden Vorschub und unter Drehung um die Längsachse des Werkzeugschafts in die Bohrung eingeführt. Dabei werden die Zähne des Gewindefurchers in die Oberfläche des Werkstücks bzw. der Bohrung gedrückt. Der Werkstoff des Werkstücks wird dabei radial, also in Richtung der Längsachse der Bohrung, in die Vertiefungen bzw. Rillen des Arbeitsbereichs des Gewindefurchers gedrängt.
Zur Werkzeugspitze hin verjüngt sich der Arbeitsbereich des Gewindefurchers in der Regel, um das Eindringen der ersten Gewindegänge in die Werkstückoberfläche bzw. die Innenwand der Bohrung zu erleichtern. Die Gewindegänge in dem sich verjüngenden Abschnitt des Arbeitsbereichs, auch Formgebungsteil oder Formgebungsbereich genannt, bewirken die Verformung des Werkstücks bzw. der Innenwand der Bohrung, das bedeutet, sie erzeugen das Gewinde und sind demnach größeren Belastungen ausgesetzt als die Gewindegänge im restlichen Arbeitsbereich. Daher ist es wünschenswert, eine möglichst gleichmäßige Belastung der Gewindegänge in dem sich verjüngenden Abschnitt des Arbeitsbereichs zu erreichen.

Aus DE 1 847 255 U ist ein Gewindefurcher zur spanlosen Innengewindeerzeugung bekannt, bei dem der Arbeitsbereich aus einem sich verjüngenden Formgebungsteil und einem Führungsteil besteht. Der Gewindefurcher besitzt im Querschnitt gesehen radial nach außen im Wesentlichen spitzwinkligen Gewindegängen, deren Flanken die Druckflächen zur Gewindeerzeugung bilden. Die bei der Kaltverformung auftretenden Verformungskräfte wirken laut DE 1 847 255 U im Wesentlichen senkrecht auf die Gewindeflanken des Gewindefurchers. Die Zunahme der Wirkung der Gewindegänge in dem im seinem Außendurchmesser zunehmenden Teil des Arbeitsbereiches ist durch eine sogenannte Anstrehlung gegeben, das bedeutet, eine Zunahme des Außendurchmessers von der Spitze zum Führungsbereich bei gleichbleibender Höhe der Gewindegänge

Um zu erreichen, dass sich die Verformungsarbeit gleichmäßig auf die Gewindegänge des Formgebungsteils verteilt, ist bei dem in DE 1 847 255 U offenbarten Gewindefurcher das vordere Ende mit bogenförmig oder einer geknickten Gerade folgend ansteigenden Gewindegängen versehen. Das führt dazu, dass bereits die ersten Gewindegänge einen großen Teil der Verformungsarbeit leisten müssen und so die Arbeit gleichmäßiger auf den Formgebungsteil verteilt wird.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass trotz dieser konstruktiven Maßnahme die Gewindegänge des Formgebungsteils unterschiedlich stark beansprucht werden, so dass das Werkzeug aufgrund des höheren Verschleißes einzelner Gewindegänge frühzeitig ausgewechselt werden muss.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Gewindeerzeugungswerkzeug und ein Verfahren zu Gewindeerzeugung, insbesondere unter Verwendung des Gewindeerzeugungswerkzeugs, anzugeben, bei denen die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise überwunden oder zumindest vermindert werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Werkzeugs zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des nebengeordneten Patentanspruchs 32 sowie hinsichtlich des Verfahrens zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 34 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 32 bzw. Anspruch 34 jeweils abhängigen Ansprüchen.

Das Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes, gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens ei nen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Formgebungsbereich mit entlang einer um die Werkzeugachse spiralförmig oder schraubenförmig (oder: helixförmig) umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen zum Erzeugen des Gewindes durch Eindrücken in eine Werkstückoberfläche, wobei Eindrückvolumina der Drückstollen im Wesentlichen gleich sind oder, mit anderen Worten, die Eindrückvolumina der Drückstollen über die Formgebungskurve im Wesentlichen konstant sind.

Das Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes gemäß Anspruch 32, der fakultativ auf Anspruch 1 oder einen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche rückbezogen ist, umfasst wenigstens einen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Formgebungsbereich mit entlang einer die Werkzeugachse spiralförmig oder schraubenförmig (oder: helixförmig) umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen zum Erzeugen des Gewindes durch Eindrücken in eine Werkstückoberfläche, wobei der Formgebungsbereich so ausgebildet ist, dass auf jeden der aufeinanderfolgenden Drückstollen im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte wirken.

Bei dem Werkzeug gemäß der Erfindung ist die Werkzeugachse in der Regel eine Längsachse des Werkzeugs oder eine zentral durch das Werkzeug verlaufende Achse. Der Formgebungsbereich kann auch als ein Arbeitsbereich des Werkzeugzeugs bezeichnet werden. Die Formgebungskurve windet sich in diesem Arbeitsbereich im dreidimensionalen Raum spiralförmig oder schraubenförmig in einem vorgegebenen oder vorgebbaren Abstand um die Werkzeugachse. Die Formgebungskurve kann dann dazu dienen, einen Verlauf und eine Steigung eines im Formgebungsbereich an dem Werkzeug umlaufenden Formgebungsgewindes zum Erzeugen eines Gegengewindes im Werkstück, beispielsweise in einer Bohrung, zu beschreiben.

Ein Formgebungsgewinde am Werkzeug stellt annähernd die Gegenform zu dem zu erzeugenden Gewinde im Werkstück dar. Das Formgebungsgewinde umfasst in der Regel mehrere Gewindegänge. Ein Gewindegang entspricht dabei einem Umlauf bzw. einer Windung der Spirale oder Schraubenlinie um das Werkzeug. Die Steigung des Formgebungsgewindes entspricht in der Re gel der Steigung des zu erzeugenden Gewindes und ist im idealen Fall über den gesamten Formgebungsbereich konstant. Im Längsschnitt bzw. im Gewindeprofil weist der Formgebungsbereich also im Wesentlichen eine Zackenform auf mit sich abwechselnden Zähnen und Rillen.

Als Drückstollen oder Formkeile werden im Folgenden die Bereiche des Formgebungsgewindes bezeichnet, die wenigstens teilweise in die Werkstückoberfläche eindringen, um das Gewinde auszuformen. Ein Gewindegang des Formgebungsgewindes kann mehrere Drückstollen bzw. Formkeile umfassen. Im Grenzfall, also bei rundem Querschnitt des Formgebungsbereichs, wäre das Formgebungsgewinde theoretisch aus Gewindegängen mit unendlich vielen, kontinuierlich aufeinanderfolgenden Drückstollen aufgebaut. Das würde bedeuten, der Gewindegang dringt am gesamten Umfang zumindest teilweise in die Oberfläche einer Bohrung ein. In diesem Fall wäre jedoch die Klemmreibung bei einer Drehbewegung des Werkzeugs so hoch, so dass die Gefahr bestünde, dass das Werkzeug beispielsweise durch Abreißen des Formgebungsbereichs zerstört würde. Zudem wäre ein sehr hoher Energieverbrauch die Folge.

Aus diesem Grund weist der Formgebungsbereich in der Praxis im Querschnitt annähernd eine Polygone Form auf. Dadurch wird erreicht, dass das Formgebungsgewinde, das dann der ploygonen Form folgend spiralförmig um das Werkzeug verläuft, lediglich mit seinen Eckbereichen in die Werkstückoberfläche eindringt, wodurch die Klemmreibung bei der Drehbewegung stark reduziert wird. Ein Gewindegang eines Polygonen Formgebungsbereichs kann dann beispielsweise so viele kontinuierlich aufeinanderfolgende Drückstollen bzw. Formkeile umfassen wie das Polygon Ecken aufweist.

Als Eindrückvolumen eines Drückstollens wird zum einen der Volumenbetrag im Werkstück, den ein Drückstollen aus einer Gewinderille des zu erzeugenden Gewindes verdrängt, also der Volumenbetrag, um den die Gewinderille durch unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen breiter und/oder tiefer in die Werkstückoberfläche eingekerbt wird, bezeichnet.

In einer komplementären oder alternativen Definition ist der Ausdruck Eindrückvolumen auch definiert als der Volumenanteil eines Drückstollen- bzw.

Formkeilvolumens, um den ein Drückstollen bzw. Formkeil in das Material des Werkstücks eindrückt. Das bedeutet, dass das Eindrückvolumen nur der Volumenanteil des Drückstollens ist, um den dieser tiefer und/oder breiter in die Werkstückoberfläche eindrückt als ein unmittelbar vorhergehender Drückstollen. Zum Eindrückvolumen wird dagegen nicht der Volumenanteil eines Drückstollenvolumens gerechnet, der in einen durch einen vorhergehenden Drückstollen bereits ausgeformten Bereich der Gewinderille eintaucht. Damit das konstante Eindrückvolumen bei jedem der aufeinanderfolgenden Drückstollen tiefer und/oder breiter in die Werkstückoberfläche eingedrückt wird, kann bei zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen beispielsweise das Drückstollenvolumen um genau diesen Betrag zunehmen – die Volumendifferenz der Drückstollenvolumina unmittelbar benachbarter Drückstollen also gleich sein – und/oder der zweite Drückstollen radial von der Werkzeugachse um soviel weiter beabstandet sein, das er genau dem Betrag des Eindrückvolumens entsprechend am Werkzeug weiter vorsteht.

Im Idealfall, also beispielsweise bei einem Werkstück aus einem inkompressiblen Werkstoff, ist dann das Eindrückvolumen gleich der Differenz der Volumina zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Gewinderillen und gleich dem Betrag des eindrückenden Volumenanteils des Drückstollens.

Bei dem Verfahren zur Erzeugung eines spanlosen Gewindes gemäß Anspruch 34, insbesondere unter Verwendung des Werkzeugs nach Anspruch 1 oder Anspruch 32 oder eines der von Anspruch 1 oder Anspruch 32 abhängigen Ansprüche, wird wenigstens ein Formgebungsbereich um eine Werkzeugachse gedreht, wird der Formgebungsbereich mit entlang einer um die Werkzeugachse spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen in eine Vorschubrichtung bewegt und werden die Drückstollen während der Bewegung in Vorschubrichtung in eine Werkstückoberfläche eingedrückt zur Erzeugung von Gewinderillen, wobei entgegen der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinander folgende Drückstollen eine Gewinderille jeweils um ein konstantes Eindrückvolumen vergrößern und/oder wobei auf jeden Drückstollen im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte wirken.

Die Vorschubrichtung des Werkzeugs ist die Richtung, in die das Werkzeug während des Gewindeerzeugungsprozesses bewegt wird. Die Vorschubrichtung weist in der Regel stets in Richtung des Werkstücks bzw. weg von dem Futter, in dem der Werkzeugschaft eingespannt ist. Nach Beenden des Gewindeerzeugungsprozesses, wird das Werkzeug in einer Rückholbewegung, die entgegen der Vorschubrichtung erfolgt, aus dem erzeugten Gewinde herausgedreht.

Um nun ein Gewinde in einem Werkstück bzw. in einer in das Werkstück eingebrachten Bohrung zu erzeugen, wird also das Werkzeug mit dem Formgebungsbereich voran, mit einem entsprechenden Vorschub und unter Drehung um die Werkzeugachse in die Bohrung eingeführt. Die Drückstollen im Formgebungsbereich haben die Aufgabe, das Gewinde in der Oberfläche der Bohrung auszuformen. Wenigstens mit dem letzten Drückstollen des Formgebungsbereichs wird dann die gewünschte Tiefe des Gewindes bzw. der Gewinderille erreicht. Die Drückstollen dringen dazu über ihre gesamte Höhe oder auch nur teilweise in die Oberfläche des Werkstücks ein.

Die Drückstollenhöhe ist der Abstand vom Drückstollengrund bzw. von der Außenfläche eines Werkzeugkerns bis zur Drückstollenspitze, wobei die Drückstollenspitze durch den Punkt bzw. die Punkte eines Drückstollens gebildet wird, der bzw. die radial am weitesten von der Werkzeugachse beabstandet ist bzw. sind. Der tiefste Punkt bzw. die tiefsten Punkte der Rille des Formgebungsgewindes stellt bzw. stellen den Drückstollengrund dar. Die seitlichen Flächen der sich in der Regel in Richtung von der Werkzeugachse weg verjüngenden Drückstollen werden als Drückflanken bezeichnet.

Beim Eindrücken in die Werkstückoberfläche übertragen die Drückstollen Verformungskräfte auf das Werkstück. Diese Kräfte bewirken, dass der Werkstoff des Werkstücks aus dem Eindrückvolumen verdrängt wird und an den Drückflanken des Werkzeugs zur Gewindeerzeugung ansteigt. Der Werkstoff wird also radial und/oder tangential in die Vertiefungen bzw. Rillen des Formgebungsgewindes des Werkzeugs zur Gewindeerzeugung gedrängt.

Die Drückstollen bzw. Formkeile sind bei diesem Vorgang den als Umformkräfte bezeichneten Kräften bzw. Belastungen ausgesetzt. Die Ausdrücke Umformkraft und Belastung bezeichnen hier und auch im Folgenden die resultierende Kraft aus den beim Eindrückvorgang erzeugten Kräften, die auf die jeweilige Drückflanke oder Drückfläche wirkt. Die Höhe der Umformkraft ist abhängig von der Festigkeit des zu bearbeitenden Werkstoffs und von der Eindringtiefe des Werkzeugs bzw. vom verdrängten Werkstoffvolumen. Die Drückflanken nehmen bei der Gewindeerzeugung normalerweise den Großteil der auf die Drückstollen wirkenden Umformkräfte auf, da die radial nach außen weisende Drückfläche an der Drückstollenspitze normalerweise sehr viel kleiner als die Fläche der Drückflanken ist.

Ein der Erfindung gemäß Anspruch 1 zugrundeliegender Gedanke ist also, dass die aufeinanderfolgenden Drückstollen des Formgebungsbereichs beim Eindringen in die Oberfläche des Werkstücks stets das gleiche Eindrückvolumen verdrängen, bis die gewünschte bzw. vorgegebene Gewindetiefe erreicht ist. Jeweils unmittelbar aufeinander folgende Drückstollen sind dazu so abgestimmt, dass sie stets genau um das vorbestimmte, konstante Eindrückvolumen tiefer in die Gewinderille eindringen. Dabei sind sie also entweder jeweils um dieses Volumen größer oder sie stehen um dieses Volumen am Formgebungsbereich radial weiter vor. Da jeder Drückstollen des Formgebungsbereichs im Wesentlichen das gleiche Eindrückvolumen verdrängt, wirken im Allgemeinen auch auf jeden Drückstollen des Formgebungsbereichs betragsmäßig oder im Mittel wenigstens annähernd die gleichen Umformkräfte.

Ein wesentlicher Vorteil der Ausgestaltung der Drückstollen im Formgebungsbereich gemäß der Erfindung ist, dass infolge der gleichmäßigen Verteilung der Umformkräfte bzw. der Belastung auf die Drückstollen bzw. Formkeile ein gleichmäßiger Verschleiß an den Drückstollen bzw. Formkeilen eintritt, wodurch sich die Standzeit des Werkzeugs verlängert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugs gemäß der Erfindung nimmt der radiale Abstand aufeinanderfolgender Drückstollenspitzen von der Werkzeugachse entgegen der Vorschubrichtung des Werkzeugs zu. Dass sich der Formgebungsbereich in Vorschubrichtung verjüngt, hat zum Beispiel den Vorteil, dass das Eindringen der ersten Drückstollen in die Werkstückoberfläche bzw. die Innenwand der Bohrung erleichtert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes einen Werkzeugkern umfasst und die Drückstollen auf der Außenfläche des Werkzeugkerns angeordnet sind. Die Außenfläche des Werkzeugkerns bildet dann den Drückstollengrund. Der Außendurchmesser des Formgebungsbereichs, der als Durchmesser einer die Drückstollenspitzen umhüllenden Fläche beschrieben werden kann, setzt sich dann aus dem Durchmesser des Werkzeugkerns und der Höhe der auf diesem angeordneten Drückstollen zusammen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugs gemäß der Erfindung weist der wenigstens eine Formgebungsbereich in seinem Querschnitt annähernd eine Polygone Form auf, vorzugsweise mit einer Eckenzahl e in der Polygonen Form von drei oder vier oder fünf oder sechs. Der Vorteil der Polygonen Form besteht darin, dass sich die Kraftübertragung von den Drückstollen auf das Werkstück nur auf die Eckbereiche des Polygons beschränkt, wobei an den Ecken die Drückstollen jeweils radial den größten Abstand von der Werkzeuglängsachse besitzen. Dadurch ist insgesamt weniger Kraft zur Drehung des Werkzeugs erforderlich.

Bei dieser Ausführungsform ist vorzugsweise jeweils jede e-te der unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollenspitzen auf einer Drückstollenachse angeordnet, wobei die Drückstollenachse in der Draufsicht auf das Werkzeug parallel zur Werkzeugachse verläuft oder um einen vorgegeben Winkel zur Werkzeugachse geneigt ist. Im Längsschnitt des Formgebungsbereichs bzw. im Formgebungsgewindeprofil steigt die Drückstollenachse mit steigendem radialen Abstand der Drückstollenspitzen von der Werkzeugachse in Bezug auf die Werkzeugachse entgegen der Vorschubrichtung an.

In einer Ausführungsform weist der Formgebungsbereich einen konstanten Werkzeugkerndurchmesser auf. Der Werkzeugkerndurchmesser ist generell gleich dem größten Durchmesser der Querschnittform des Werkzeugkerns, gemessen vom Drückstollengrund wenigstens eines Drückstollens. Der Werkzeugkerndurchmesser ist stets kleiner als der Durchmesser der Bohrung in der das Innengewinde erzeugt werden soll.

Um einen zunehmenden Formgebungsbereichaußendurchmesser zu erreichen, ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Drückstollenhöhen und/oder die Drückstollenquerschnittflächen der Drückstollen im Formgebungsbereich entgegen der Vorschubrichtung zunehmen. Die Drückstollenquerschnittfläche ist die Fläche eines Drückstollens im Formgebungsgewindeprofil bzw. im Längsschnitt des Werkzeuges entlang der Drückstollenachse.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn Drückstollenvolumina der Drückstollen dann entgegen der Vorschubrichtung zunehmen. Der Betrag um den die Drückstollenvolumina benachbarter Drückstollen zunehmen kann dann vorzugsweise dem Betrag des Eindrückvolumens entsprechen. Dabei kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn das Eindrückvolumen das Volumen eines ersten Drückstollens ist.

Ist die Form bzw. die Größe der Querschnittfläche eines Drückstollens bekannt, so lässt sich das Volumen eines Drückstollens mit geeigneten mathematischen Verfahren oder Funktionen berechnen oder abschätzen. Umgekehrt kann dann mit den gleichen oder einen anderen Verfahren oder Funktionen die Querschnittfläche des darauffolgenden, um ein konstantes Volumen vergrößerten Drückstollens berechnet oder abgeschätzt werden.

Wenigstens ein Drückstollen dringt vorzugsweise über die gesamte Drückstollenhöhe in ein Werkstück ein. Das kann beispielsweise ein letzter Drückstollen, also der Drückstollen am größten Formgebungsbereichaußendurchmesser des Formgebungsbereichs bzw. mit dem größten radialen Abstand der Drückstollenspitze von der Werkzeugachse sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugs gemäß der Erfindung weist der Formgebungsbereich einen entgegen der Vorschubrichtung zunehmenden Werkzeugkerndurchmesser auf. Die Drückstollen können dann zum einen wie vorangehend beschrieben in ihren Volumina und/oder in ihren Querschnittsflächen und/oder in ihren Höhen entgegen der Vorschubrichtung größer werden.

Zum anderen ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bei zunehmenden Werkzeugkerndurchmesser die Drückstollen im Formgebungsbereich eine gleiche Drückstollenhöhe und/oder eine gleiche Drückstollenquerschnittfläche besitzen. Durch die Zunahme des Werkzeugkerndurchmessers nimmt der Formgebungsbereichsaußendurchmesser bzw. der radiale Abstand der Drückstollenspitze zur Werkzeugachse zu, so dass die aufeinanderfolgenden Drückstollen immer tiefer in die Werkstückoberfläche eindrücken. Um ein konstant zunehmendes Eindrückvolumen der Drückstollen zu erreichen, kann der Verlauf der Außenfläche des Werkzeugkerns mit Hilfe geeigneter mathematischer Funktionen oder numerischer Approximationen entsprechend angepasst werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Drückstollenquerschnitte wenigstens annähernd eine polygone Form aus der Dreiecke und Vierecke, vorzugsweise Trapeze, umfassenden Gruppe von polygonen Formen aufweisen. Die Form des Drückstollenquerschnitts kann beispielsweise durch das Fertigen des Werkzeugs oder anwendungstechnische Anforderungen und Erkenntnisse vorgegeben sein, sie kann aber auch beliebig festgelegt werden.

In der Praxis wird vorzugsweise annähernd die Form eines Dreiecks oder eines Trapezes mit einer sehr kurzen Seite an der Drückstollenspitze, ausgewählt. Die Form der Drückstollenquerschnitte im Formgebungsbereich kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sich mit dem Formgebungsgewinde ein metrisches ISO-Gewinde gemäß DIN 13-1 mit einer Kernausrundung erzeugen lässt.

Die Drückstollen können im Formgebungsbereich gleiche Drückstollenquerschnittformen aufweisen. Sie unterscheiden sich dann lediglich in der Größe der Querschnittfläche. Das kann vor allem bei der Fertigung der Werkzeuge von Vorteil sein, da beispielsweise alle Drückstollen mit einem Schleif- oder Fräswerkzeug erzeugt werden können.

Des Weiteren kann es auch zweckmäßig sein, wenn die Drückstollen im Formgebungsbereich unterschiedliche Drückstollenquerschnittformen aufweisen. Dadurch lässt sich zum Beispiel die Verteilung der Kräfte auf die aufeinanderfolgenden Drückstollen sehr genau anpassen. Unterschiedliche Querschnittformen lassen sich in der Praxis beispielsweise dadurch erzielen, dass über den gesamten Arbeitsbereich gleich ausgebildete Drückstollen an der dem Werkzeugschaft abgewandten Seite in Vorschubrichtung abfallend abgeschliffen werden.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Drückstollen im Formgebungsbereich annähernd trapezförmige Querschnittformen aufweisen und der Quotient aus einer Außenbreite einerseits und einer gegenüberliegenden Gewindefußbreite andererseits entgegen der Vorschubrichtung abnimmt. Die Gewindefußbreite ist die Länge der an den Werkzeugkern angrenzenden Seite des Trapezes. Die Außenbreite ist die Länge der Trapezseite an der Drückstollenspitze, wobei hiermit die theoretische Länge der Trapezseite, also der Abstand der seitlichen Trapezseiten bezeichnet ist.

Beim Eindrücken der aufeinanderfolgenden Drückstollen wird bei dieser Ausführungsform der Drückstollen also zunächst eine breite Basis der Gewinderille gebildet und die folgenden Drückstollen bilden dann die Gewinderille vornehmlich in ihrer Tiefe aus. Dabei kann entweder die Gewindefußbreite konstant bleiben, die endgültige Breite der Gewinderille wird dann bereits mit dem ersten Drückstollen vorgegeben, oder sie kann entgegen der Vorschubrichtung zunehmen. Die Außenbreite kann dann ebenfalls entweder konstant sein oder entgegen der Vorschubrichtung abnehmen. In der Praxis ist es besonders bevorzugt, wenn die Außenbreite entgegen der Vorschubrichtung so stark abnimmt, dass die Drückstollen im Bereich des größten Formgebungsbereichaußendurchmessers eine annähernd dreieckige Querschnittsform aufweisen.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Drückstollenachse als Funktion der Werkzeugachse im Längsschnitt des Werkzeugs und/oder die Außenfläche des Werkzeugkerns als Funktion der Werkzeugachse entgegen der Vorschubrichtung streng monoton ansteigt. Das Werkzeug lässt sich somit gleichförmig in die Bohrung einführen, da keine Stufen oder Kanten zu überwinden sind, die einen höheren Kraftaufwand erfordern. Der Verlauf der Drückstollenachse als Funktion der Werkzeugachse und/oder der Verlauf der Außenfläche des Werkzeugkerns als Funktion der Werkzeugachse ist bzw. sind vorzugsweise beschreibbar durch eine mathematische Funktion, insbesondere eine rationale oder gebrochen rationale Funktion n-ter Ordnung, eine Wurzel- oder Potenzfunktion, eine Exponentialfunktion oder eine logarithmische Funktion, oder durch eine numerische Approximation, insbesondere durch Lagrange'sche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, oder durch ein Punktraster. Durch diesen optimierten Verlauf kann zusätzlich die Verteilung der Umformkräfte auf die Drückstollen optimiert werden.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Werkzeugs gemäß der Erfindung grenzt der Formgebungsbereich an einen Werkzeugschaft zum Befestigen des Werkzeugs in einer Gewindeerzeugungseinrichtung an.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist am Werkzeug wenigstens ein Führungsbereich mit entlang einer um die Werkzeugachse spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Kurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen am Werkzeug vorgesehen. Der Führungsbereich grenzt vorzugsweise entgegen der Vorschubrichtung an den Formgebungsbereich an. Das bedeutet, dass der Führungsbereich normalerweise zwischen dem Werkzeugschaft und dem Formgebungsbereich angeordnet ist.

Der radiale Abstand aufeinaderfolgender Drückstollenspitzen von der Werkzeugachse im Führungsbereich ist vorzugsweise gleich oder nimmt entgegen der Vorschubrichtung um einen vorbestimmten Betrag ab und ist am Übergang vom Formgebungsbereich in den Führungsbereich gleich dem größten radialen Abstand der Drückstnllenspitzen von der Werkzeugachse des Formgebungsbereichs.

Der Formgebungsbereich dient zur Formgebung des Gewindes. Der sich anschließende Führungsbereich dient vornehmlich zur Führung des Werkzeugs in dem Gewinde, so dass die für die Gewindeerzeugung bereitgestellte Kraft im Formgebungsbereich gleichmäßig und dadurch möglichst verlustfrei auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen wird. Gleichzeitig hat der Führungsbereich die Funktion die erzeugte Gewindeoberfläche bzw. die Ge windeflanken zu glätten und zu kalibrieren. Dadurch kann das Gewinde sehr genau gefertigt werden.

Insbesondere vorteilhaft ist es demnach, wenn die spiralförmig oder schraubenförmig umlaufende Kurve die gleiche Steigung der Spirale oder Schraube wie die Formgebungskurve aufweist, die in der Regel der Steigung des zu erzeugenden Gewindes entspricht. Besonders in dem Übergangsbereich zwischen Formgebungsbereich und Führungsbereich sind die Drückstollen entsprechend anzupassen, so dass eine konstante Steigung der Kurve erreicht wird. Insbesondere vorteilhaft ist es wenn zudem die Drückstollenquerschnitte aller Drückstollen im Führungsbereich gleich sind und wenn die Drückstollenquerschnitte aller Drückstollen im Führungsbereich gleich den Querschnitten der Gewinderillen des zu erzeugenden Gewindes sind. Die Drückstollen im Führungsbereich bilden dann also genau die Gegenform zu dem zu erzeugenden bzw. erzeugten Gewinde.

Nimmt der radiale Abstand aufeinanderfolgender Drückstollenspitzen von der Werkzeugachse bzw. der Führungsbereichaußendurchmesser entgegen der Vorschubrichtung ab, so hat das den Vorteil, dass das Gewindeerzeugungswerkzeug ohne das Gewinde zu beschädigen und mit geringerem Kraftaufwand in dieses hinein und aus diesem wieder herausgedreht werden kann. Der Führungsbereichaußendurchmesser nimmt in dem an den Formgebungsbereich angrenzenden Bereich um einen minimalen Betrag ab, so dass beispielsweise bei elastischer Rückverformung des erzeugten Gewindes der Kraftaufwand beim Vorschub des Werkzeugs in die Bohrung vermindert wird und gleichzeitig die Gewindeoberfläche geglättet wird.

In dem an den Werkzeugschaft angrenzenden Bereich des Führungsbereichs, der vorzugsweise nur wenige Drückstollen umfasst nimmt der Führungsbereichaußendurchmesser vorzugsweise sehr stark ab. Das hat den Voteil, dass ein Rückfahren bzw. Rückdrehen des Werkzeugs nach Beendigung des Gewindeerzeugungsprozesses erleichtert und eine Beschädigung des erzeugten Gewindes, beispielsweise durch Verklemmen der Drückstollen beim Herausdrehen, verhindert wird. Durch die kontinuierliche Zunahme der Drückstollenhöhe bzw. des Führungsbereichbereichaußendurchmessers vom Schaft bis zum Formgebungsbereich wird das Werkzeug beim Zurückdrehen sauber und ohne zu Verkanten in dem bereits erzeugten Gewinde geführt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind am Umfang des Werkzeugs, vorzugsweise am Formgebungsbereich und/oder am Führungsbereich in Längsrichtung verlaufende Nuten vorgesehen zur Führung eines fluiden Mediums, insbesondere eines Kühl- und/oder Schmiermittels. Beim Gewindeerzeugungsprozess kann sich der Arbeitsbereich durch die Reibung zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche des Werkstücks stark erwärmen. Um die Reibung und/oder die Wärmeentwicklung zu reduzieren und die entstehende Wärme abzuführen kann dann ein Kühl- und/oder Schmiermittel in den Nuten vom Werkzeugschaft an die Spitze des Werkzeugs geführt werden und von dort aus den Formgebungsbereich und den Führungsbereich überströmen. Die in Längsrichtung verlaufenden Nuten können vorzugsweise auch als Drallnuten, also verdrillt bzw. mit einer Drehung um den Umfang des Werkzeugs, ausgebildet sein.

Eine weitere Möglichkeit ein fluides Medium an die Werkzeugspitze oder zu Formgebungsbereich und/oder Führungsbereich zu leiten, ist im Innern des Werkzeugs, vorzugsweise entlang der Längsachse einen Kanal vorzusehen, der vorzugsweise an dem dem Werkzeugschaft abgewandten Ende des Werkzeugs, also an der Werkzeugspitze, oder seitlich vor oder nach dem wenigstens einen Formgebungsbereich und/oder Führungsbereich austritt.

Um zu gewährleisten, dass auf die einzelnen Drückstollen des Formgebungsbereichs im Wesentlichen dieselben Umformkräfte wirken, kann das Werkzeug zur Gewindeerzeugung in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform so ausgebildet sein, dass die Drückstollen mit Kraft-Aktuatoren in Wirkverbindung stehen zum Steuern oder Regeln der Umformkräfte. Es ist bekannt, die Präzision eines Werkzeugs über Sensoren einzustellen, die sich unmittelbar an der Wirkstelle befinden (BMBF-Forschungsprojekt: Accomat).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise denkbar, Piezo-Elemente in das Werkzeug insbesondere in die Drückstollen zu integrieren, die einerseits die auf die Drückstollen wirkenden Umformkräfte, im Speziel len Druckkräfte, in elektronische Signale umwandeln könnten, die zur Steuerung und Regelung des Prozesses dienen können. Die Piezo-Elemente könnten andererseits durch Anlegen einer Spannung auch Druck-Impulse über die Drückstollen auf die Werkzeugoberfläche übertragen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen jeweils:
1 eine perspektivische Ansicht eines an sich bekannten Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung,
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Formgebungsbereichs des Werkzeugs nach 1
3 eine schematische Darstellung der bei einem Gewindeerzeugungsprozess auf die Drückstollen des Formgebungsbereichs wirkenden Umformkräfte,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Formgebungsbereichs gemäß der Erfindung sowie einen Querschnitt der hiermit erzeugten Gewinderillen,
5 eine schematische Darstellung einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des Formgebungsbereichs gemäß 4 sowie einen Querschnitt der hiermit erzeugten Gewinderillen,
6 eine schematische Darstellung einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des Formgebungsbereichs gemäß 4 sowie einen Querschnitt der hiermit erzeugten Gewinderillen,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des Formgebungsbereichs gemäß 4 sowie einen Querschnitt der hiermit erzeugten Gewinderillen,
8 eine schematische Darstellung einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des Formgebungsbereichs gemäß der Erfindung,
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 8 mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen einen an sich bekannten Gewindefurcher 1 der einen Werkzeugschaft 2 und zwei Arbeitsbereiche, nämlich einen Formgebungsbereich 3 und einen Führungsbereich 4 umfasst. Der Gewindefurcher 1 dient zur spanlosen Innengewindeherstellung.
Der Werkzeugschaft 2 kann beispielsweise zylindrisch ausgeführt sein und trägt in der Regel an der im Spannfutter eingebrachten Seite einen Vierkant (hier nicht dargestellt) zur Furchmomentübertragung. Der Werkzeugschaft 2 ist hier fest mit dem angrenzenden Führungsbereich 4 verbunden, das bedeutet, dass der Werkzeugschaft 2 und die Arbeitsbereiche 3, 4 einstückig ausgeführt sind. Die Arbeitsbereiche 3, 4 weisen einen polygonen Querschnitt auf, der annähernd die Form eines Dreiecks besitzt.
Im Formgebungsbereich 3 und im Führungsbereich 4 ist an einem Werkzeugkern 5, der ebenfalls einen annähernd dreieckigen Querschnitt aufweist, ein Formgebungsgewinde 6 mit Drückstollen 7 ausgebildet. Jeder Gewindegang des Formgebungsgewindes 6, also jede Windung um den Werkzeugkern 5 umfasst in diesem Fall drei Drückstollen 7. Jeder Dritte der entlang des Formgebungsgewindes unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen 7 ist mit einer Drückstollenspitze 10 auf einer Drückstollenachse D angeordnet, die in der Draufsicht parallel zu einer Werkzeugachse A verläuft. Die Drückstollen sind also axial hintereinander auf den Ecken des polygonen Werkzeugkerns angeordnet. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Drückstollenachse D in einem vorgegeben Winkel zu der Werkzeugachse A geneigt ist. Das kann beispielweise durch eine Drückstollenanordnung auf einem polygonen Werkzeugkern 5 realisiert werden, der insbesondere einen gewissen Drall um die Werkzeugachse A aufweist.
Die Drückstollen 7 bilden nahe dem Arbeitsbereichkern 5 innere schräge Drückflanken 8 und an diese radial nach außen anschließende äußere Drück flächen 9. Der oder die Punkte auf den äußeren Drückflächen 9 mit dem größten radialen Abstand zur Werkzeugachse A bilden die Drückstollenspitze 10.
Wird nun der Gewindefurcher 1 in einer Vorschubrichtung (in 1 und 2 mit einem Pfeil dargestellt) in eine Bohrung eingeführt, so bilden die Drückstollen 7 des Formgebungsbereichs 3 ein Gewinde in der Innenwand der Bohrung aus. Dabei dringen die entlang des Formgebungsgewindes 6 unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen 7 jeweils um das Eindrückvolumen tiefer und/oder breiter in die Werkstückoberfläche ein, bis ein letzter Drückstollen 7 des Formgebungsbereichs 3 das Gewinde in seiner vollen Tiefe und Breite ausformt.
Bei weiterer rotierender Bewegung des Gewindefurchers 1 in Vorschubrichtung kalibrieren und glätten die nachfolgenden Drückstollen 7 des Führungsbereichs 4 die erzeugten Gewinderillen. Die Drückstollen 7 im Führungsbereich 4 sind deshalb in ihren Abmessungen und in ihrer Form genau auf das zu erzeugende Gewinde abgestimmt. Die an den Formgebungsbereich 3 angrenzenden Drückstollen 7 des Führungsbereichs 4 entsprechen in der Regel in der Querschnittsform und in den Abmessungen dem oder den angrenzenden Drückstollen 7 des Formgebungsbereichs 3. Entgegen der Vorschubrichtung kann dann im Führungsbereich 4 der radiale Abstand der Drückstollenspitzen 10 von der Werkzeugachse A um einen geringen Betrag abnehmen (aus 1 nicht ersichtlich), um die Reibung im erzeugten Gewinde zu verringern und eine im Normalfall auftretende elastische Verformung des Werkstoffes zu kompensieren. Durch die Spannungen im Werkstoff, die aus der elastischen Verformung resultieren, würde sonst ein Druck auf die Drückstollen 7 des Führungsbereichs 4 wirken, der die Reibung bei der Vorschubbewegung zusätzlich erhöht.
3 zeigt schematisch, wie die Umformkräfte U auf die Drückstollen des Formgebungsbereiches wirken können. Die Umformkräfte beim Eindringen eines Drückstollens 7 in das Werkstück 11 umfassen unter anderem Reibungskräfte und Druckkräfte. Die in der Zeichnung dargestellten Umformkräfte U stellen lediglich theoretische resultierende Umformkräfte dar, die auf die Drückflanken 8 oder die äußere Drückstollenfläche 9 wirken können.
Auch ist der 3 keine Angabe über die Höhe der Umformkräfte zu entnehmen. Die Höhe der Umformkräfte ist unter anderem abhängig von der Art bzw. Festigkeit des Werkstoffs und vom verdrängten Volumen. An welcher Stelle die größten Umformkräfte am Drückstollen 7 angreifen ist wiederum von der Drückstollenquerschnittsform abhängig. Der Großteil der Umformkräfte wirkt jedoch in der Regel auf die Drückflanken 8.
Der Werkstoff wird beim Eindringen der Drückstollen 7 in die Formgebungsgewinderillen 12 verdrängt. Dadurch, dass von jedem Drückstollen 7 im Wesentlichen der gleiche Volumenbetrag, der dem Eindrückvolumen des Drückstollens 7 entspricht, verdrängt wird, wirken auf jeden Drückstollen auch annähernd die gleichen Umformkräfte U.
In 4 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen des Formgebungsbereichs des erfindungsgemäßen Werkzeugs dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils das Gewindeprofil des Formgebungsgewindes in einem Längsschnitt des Werkzeugs entlang der Werkzeugachse A und der Drückstollenachse D. In 4 bis 7 sind zudem die Querschnitte G der mit dem Gewindeprofil erzeugten Gewinderillen dargestellt. Sie veranschaulichen, dass die entlang eines Formgebungsgewindes 6 nacheinander angeordneten Drückstollen 7 so ausgebildet sind, dass von unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen 7 im Wesentlichen das gleiche Eindrückvolumen verdrängt wird. Das wird bei den in 4 bis 7 gezeigten Werkzeugen mit konstantem Werkzeugkerndurchmesser durch entsprechende Vergrößerung der Drückstollenquerschnittflächen der unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollen erreicht.
In dem in 4 bis 8 dargestellten Formgebungsgewindeprofil ist entlang des Werkzeugkerns 5 lediglich jeder e-te Drückstollen 7 im Drückstollenquerschnitt (oder: im Längsschnitt entlang der Werkzeugachse A) dargestellt, da der Formgebungsbereich in seinem Querschnitt orthogonal zur Werkzeugachse A annähernd die Form eines Polygons mit einer Eckenanzahl e aufweist. Dabei sind verschiedene aufeinanderfolgende Drückstollenquerschnitte denkbar um eine Gewinderille zu erzeugen. Die Steigung P des Formgebungsgewindes 6 ist bei allen dargestellten Formgebungsgewindeprofilen (4 bis 8) entlang des Werkzeugkerns konstant.
5 zeigt im Formgebungsgewindeprofil beispielsweise dreieckige Drückstollenquerschnitte, wobei die Drückstollenquerschnittsform im gesamten Formgebungsbereich nahezu gleich ist. Auch die in 6 dargestellten Drückstollenquerschnitte weisen dieselbe Querschnittsform auf, allerdings sind die Drückstollen hier trapezförmig.
In 4 und in 7 ändert sich dagegen die Drückstollenquerschnittsform entlang des Werkzeugkerns 5. Die Drückstollenquerschnitte in 4 und 7 weisen annähernd trapezförmige Querschnittformen auf, wobei der Quotient aus einer Außenbreite 13 und einer gegenüberliegenden Gewindefußbreite 14 entlang der Werkzeugachse A abnimmt. Beim Eindrücken der aufeinanderfolgenden Drückstollen wird also zunächst eine breite Basis der Gewinderille gebildet und die folgenden Drückstollen bilden dann die Gewinderille vornehmlich in ihrer Tiefe aus. Bei den in 7 dargestellten Drückstollen 7 nimmt die Außenbreite sogar so stark ab, dass die Drückstollen schließlich eine annähernd dreieckige Querschnittsform aufweisen.
In 8 ist ein Formgebungsgewindeprofil dargestellt bei dem der Werkzeugkern 5 in seinem Durchmesser zunimmt, wobei die Drückstollen 7 die gleiche Drückstollenhöhe aufweisen. Durch die Zunahme des Werkzeugkerndurchmessers wird erreicht, dass die aufeinanderfolgenden Drückstollen 7 um ein konstantes Eindrückvolumen weiter in die Werkstückoberfläche eindrücken. Die notwendige Zunahme des Werkzeugkerndurchmessers bzw. der Werkzeugkernaußenfläche lässt sich beispielsweise durch eine mathematische Funktion beschreiben und berechnen.

1: Gewindefurcher
2: Werkzeugschaft
3: Formgebungsbereich
4: Führungsbereich
5: Werkzeugkern
6: Formgebungsgewinde
7: Drückstollen
8: Drückflanken
9: äußere Drückflächen
10: Drückstollenspitze
11: Werkstück
12: Formgebungsgewinderillen
13: Außenbreite
14: Gewindefußbreite
A: Werkzeugachse
D: Drückstollenachse
G: Querschnitte einer Gewinderille
P: Steigung des Formgebungsgewindes
U: Umformkräfte

Claims

Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes, umfassend a) wenigstens einen um eine Werkzeugachse (A) drehbaren oder drehenden Formgebungsbereich (3) mit b) entlang einer die Werkzeugachse (A) spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen (7) zum Erzeugen des Gewindes durch Eindrücken in eine Werkstückoberfläche, c) wobei Eindrückvolumina der Drückstollen (7) im Wesentlichen gleich sind.
Werkzeug nach Anspruch 1, wobei der radiale Abstand aufeinanderfolgender Drückstollenspitzen (10) von der Werkzeugachse (A) entgegen einer Vorschubrichtung des Werkzeugs zunimmt.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einem Werkzeugkern (5), wobei die Drückstollen (5) auf einer Außenfläche des Werkzeugkerns (5) angeordnet sind.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Formgebungsbereich (3) in seinem Querschnitt annähernd eine polygone Form aufweist, vorzugsweise mit einer Eckenzahl e in der polygonen Form von drei oder vier oder fünf oder sechs.
Werkzeug nach Anspruch 4, wobei jeweils jede e-te der unmittelbar aufeinanderfolgenden Drückstollenspitzen (10) auf einer Drückstollenachse (D) angeordnet ist und die Drückstollenachse (D) in der Draufsicht auf das Werkzeug parallel zur Werkzeugachse (A) verläuft oder um einen vorgegeben Winkel zur Werkzeugachse (A) geneigt ist.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Formgebungsbereich (5) einen im Wesentlichen konstanten Werkzeugkerndurchmesser aufweist.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Formgebungsbereich (3) einen entgegen der Vorschubrichtung zunehmenden Werkzeugkerndurchmesser aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 7, wobei die Drückstollen (7) im Formgebungsbereich (3) eine gleiche Drückstollenhöhe aufweisen.
Werkzeug nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Drückstollen (7) im Formgebungsbereich (3) eine gleiche Drückstollenquerschnittfläche aufweisen.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drückstollenhöhen der Drückstollen (7) entgegen der Vorschubrichtung zunehmen.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und Anspruch 10, wobei die Drückstollenquerschnittflächen der Drückstollen (7) entgegen der Vorschubrichtung zunehmen.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei Drückstollenvolumina der Drückstollen (7) entgegen der Vorschubrichtung zunehmen.
Werkzeug nach Anspruch 12, wobei die Drückstollenvolumina der benachbarten Drückstollen (7) entgegen der Vorschubrichtung um den Betrag des Eindrückvolumens zunehmen.
Werkzeug nach Anspruch 13, wobei das Eindrückvolumen das Volumen eines ersten Drückstollens (7) ist.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens ein Drückstollen (7) über die gesamte Drückstollenhöhe in ein Werkstück (11) eindringt.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drückstollenquerschnitte wenigstens annähernd eine polygone Form aus der Dreiecke und Vierecke, vorzugsweise Trapeze, umfassenden Gruppe von polygonen Formen aufweisen.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Drückstollen (7) im Formgebungsbereich (3) gleiche Drückstollenquerschnittformen aufweisen.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Drückstollen (7) im Formgebungsbereich (3) unterschiedliche Drückstollenquerschnittformen aufweisen.
Werkzeug nach Anspruch 18, wobei die Drückstollen (7) annähernd trapezförmige Querschnittformen aufweisen und der Quotient aus einer Außenbreite (13) einerseits und einer gegenüberliegenden Gewindefußbreite (14) andererseits entgegen der Vorschubrichtung abnimmt.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drückstollenachse (D) als Funktion der Werkzeugachse (A) im Längsschnitt des Werkzeugs und/oder die Außenfläche des Werkzeugkerns (5) als Funktion der Werkzeugachse (A) entgegen der Vorschubrichtung streng monoton ansteigt bzw. ansteigen.
Werkzeug nach Anspruch 20, wobei der Verlauf der Drückstollenachse (D) als Funktion der Werk zeugachse (A) und/oder der Verlauf der Außenfläche des Werkzeugkerns (5) als Funktion der Werkzeugachse (A) beschreibbar ist bzw. sind durch eine mathematische Funktion, insbesondere eine rationale oder gebrochen rationale Funktion n-ter Ordnung, eine Wurzel- oder Potenzfunktion, eine Exponentialfunktion oder eine logarithmische Funktion, oder durch eine numerische Approximation, insbesondere durch Lagrange'sche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, oder durch ein Punktraster.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formgebungsbereich (3) an einen Werkzeugschaft (2) zum Befestigen des Werkzeugs in einer Gewindeerzeugungseinrichtung angrenzt.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Führungsbereich (4) mit entlang einer um die Werkzeugachse (A) spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Kurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen (7) am Werkzeug vorgesehen ist.
Werkzeug nach Anspruch 23, wobei der Führungsbereich (4) entgegen der Vorschubrichtung an den Formgebungsbereich (3) angrenzt.
Werkzeug nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, wobei der radiale Abstand aufeinaderfolgender Drückstollenspitzen (10) von der Werkzeugachse (A) im Führungsbereich (4) gleich ist oder entgegen der Vorschubrichtung um einen vorbestimmten Betrag abnimmt und am Übergang von Formgebungsbereich (3) in den Führungsbereich (4) gleich dem größten radialen Abstand der Drückstollenspitzen (10) von der Werkzeugachse (A) des Formgebungsbereichs (3) ist.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 25, wobei die spiralförmig oder schraubenförmig umlaufende Kurve die gleiche Steigung der Spirale oder Schraube wie die Formgebungskurve aufweist.
Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Drückstollenquerschnitte aller Drückstollen (7) im Führungsbereich (4) gleich sind.
Werkzeug nach Anspruch 27, wobei die Drückstollenquerschnitte aller Drückstollen (7) im Führungsbereich (4) annähernd gleich den Querschnitten der Gewinderillen des zu erzeugenden Gewindes sind.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Umfang des Werkzeugs, vorzugsweise im Formgebungsbereich (3) und/oder im Führungsbereich (4) in Längsrichtung verlaufende Nuten vorgesehen sind zur Führung eines fluiden Mediums, insbesondere eines Kühl- und/oder Schmiermittel.
Werkzeug nach Anspruch 29, wobei die in Längsrichtung verlaufenden Nuten als Drallnuten ausgebildet sind.
Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Innern des Werkzeugs, vorzugsweise entlang der Werkzeugachse (A), ein Kanal vorgesehen ist zur Führung eines fluiden Mediums, insbesondere Kühl- und/oder Schmiermittel, der vorzugsweise an dem dem Werkzeugschaft (2) abgewandten Ende des Werkzeugs oder seitlich vor oder nach dem wenigstens einen Formgebungsbereich (3) und/oder Führungsbereich (4) austritt.
Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere in Rückbeziehung auf einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) wenigstens einen um eine Werkzeugachse (A) drehbaren oder drehenden Formgebungsbereich (3) mit b) entlang einer die Werkzeugachse (A) spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen (7) zum Erzeugen des Gewindes durch Eindrücken in eine Werkstückoberfläche, c) wobei der Formgebungsbereich so ausgebildet ist, dass auf jeden der Drückstollen (7) im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte (U) wirken.
Werkzeug nach Anspruch 32, wobei die Drückstollen (7) mit Kraft-Aktuatoren in Wirkverbindung stehen zum Steuern oder Regeln der Umformkräfte (U).
Verfahren zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere unter Verwendung des Werkzeugs nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, a) bei dem wenigstens ein Formgebungsbereich (3) um eine Werkzeugachse gedreht (A) wird, b) bei dem der Formgebungsbereich (3) mit entlang einer die Werkzeugachse (A) spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Formgebungskurve aufeinanderfolgend angeordneten Drückstollen (7) in eine Vorschubrichtung bewegt wird und c) bei dem die Drückstollen (7) während der Bewegung in Vorschubrichtung in eine Werkstückoberfläche eingedrückt werden zur Erzeugung von Gewinderillen, d) wobei entgegen der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinander folgende Drückstollen (7) eine Gewinderille jeweils um ein konstantes Eindrückvolumen vergrößern und/oder wobei auf jeden Drückstollen (7) im Wesentlichen die gleichen Umformkräfte (U) wirken.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem Drückstollen (7) eines entgegen der Vorschubrichtung an den Formgebungsbereich (3) angrenzenden Führungsbereichs (4) die Oberfläche des erzeugten Gewindes glätten und/oder das erzeugte Gewinde kalibrieren.