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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes,
insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes und ein Verfahren zur
Herstellung eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung.
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Die
spanlose 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.
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Bekannte
Gewindefurcher, insbesondere zur Innengewindeerzeugung, umfassen
einen Werkzeugschaft und einen an diesem ausgebildeten Arbeitsbereich.
Der Werkzeugschaft ist in der Regel zylindrisch ausgeführt und
mit seinem dem Werkstück abgewandten
Ende im Spannfutter einer Gewindeerzeugungseinrichtung aufgenommen
und gehalten. Der Arbeitsbereich ist mit einem entlang des Umfangs
spiralförmig
umlaufenden Gewinde versehen, das die Gegenform zu dem zu erzeugenden
Gewinde darstellt.
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Zur
Erzeugung eines Gewindes, beispielsweise in einer bereits vorhandenen
Bohrung wird der Gewindefurcher in der Regel mit dem Arbeitsbereich voran
mit einem entsprechenden Vorschub und unter Drehung um die Längsachse
des Werkzeugschafts in die Bohrung eingeführt. Dabei werden die Zähne bzw.
Formkeile des Gewindes am Gewindefurcher in die Oberfläche des
Werkstücks
bzw. der Bohrung gedrückt.
Der Werkstoff des Werkstücks
wird dabei vorwiegend radial, also senkrecht zur der Längsachse der
Bohrung weggedrückt.
Ein Teil des so verformten Materials wird verfestigt, ein anderer
Teil in die Vertiefungen bzw. Rillen zwischen den Formkeilen bzw. Zähnen des
Gewindefurchers gedrängt,
wodurch schließlich
ein Gewinde im Werkstück
erzeugt wird.
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Die
bei diesem Gewindeerzeugungsvorgang auftretenden hohen Umformkräfte, teilweise
verstärkt durch
abrasive Werkstückmaterialen,
können
zu einem Verschleiß der
Formkeile des Gewindes im Arbeitsbereich führen. Um diesen Verschleiß zu vermindern
ist es bekannt den Gewindefurcher aus einem Material mit hoher Härte anzufertigen.
In diesem Fall ist der Gewindefurcher jedoch aufgrund der damit
einhergehenden geringeren Zähigkeit
des Materials häufig
nicht in der Lage das Furchmoment prozesssicher aufzunehmen. Es
besteht dann die Gefahr eines Bruchs des Gewindeerzeugungswerkzeugs,
vornehmlich im Bereich des Werkzeugschafts.
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Es
ist ferner bekannt den Gewindefurcher bzw. den Arbeitsbereich des
Gewindefurchers an seiner Oberfläche
mit einem harten Material zu beschichten, um seine Verschleißfestigkeit
zu erhöhen. Dass
kann beispielsweise eine im PVD(physical vapour deposition)- oder
CVD(chemical vapour deposition)-Verfahren aufgetragene Verschleißschutzschicht,
zum Beispiel aus Titannitrit oder Titancarbonitrit, sein. Die Verschleißschutzschicht
ist jedoch in der Regel nur wenige Mikrometer dick und kann bei extremen
Belastungen beschädigt
werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
den Verschleiß der Formkeile
im Arbeitsbereich eines Gewindefurchers zu verringern beschreibt
DE 39 34 621 C2 .
Das Werkzeug zur spanlosen Formgebung eines Gewindes umfasst einen
zylindrischen Einspannschaft und einen Formgebungsbereich mit von
der Kreisform abweichendem polygonalem Querschnitt und dem herzustellenden
Gewinde entsprechenden Gewindefurchen am Außenumfang. Im Bereich der Querschnittsecken
des Formgebungsbereichs sind zylindrische Leisten aus besonders
hartem und verschleißfestem
Werkstoff in korrespondierende axial verlaufende Nuten des Formgebungsbereichs
eingelötet. Die
zylindrischen Leisten weisen eine den Gewindefurchen angepasste
Profilierung am Außenumfang auf.
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Allerdings
ist die Fertigung des Werkzeugs durch das Einsetzen der zylindrischen
Leisten sehr aufwändig
und teuer. Probleme ergeben sich auch beim Schleifen des Werkzeugs,
da sowohl Bereiche hoher Härte
als auch Bereiche hoher Zähigkeit gleichzeitig
zu bearbeiten sind, was hohe Anforderungen an des Schleifwerkzeug
stellt.
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Aus
DE 101 36 293 A1 ist
ein Gewindeformer mit einem Werkzeugschaft, der an einem Ende einen Einspannabschnitt
und am anderen Ende einen Formprofilabschnitt aufweist, bekannt.
Bei dem Gewindeformer ist der Formprofilabschnitt als separates Profilelement
ausgebildet, das außen
einen Einlaufkegel aufweist und mittels einer Befestigungsvorrichtung
zentrisch und unverdrehbar am Schaft befestigbar ist. Die Befestigungsvorrichtung
kann eine Schraube oder ein Gewindezapfen am Schaft sein. Ferner
kann das Profilelement auch am Schaft angelötet sein. Das Profilelement
ist vorzugsweise plattenförmig
ausgeführt
und an der Stirnseite des Schafts angesetzt. An der dem Schaft zugewandten Seite
des Profilelements und an der Stirnseite des Schafts können Vorsprünge oder
Vertiefungen ausgeformt sein, die formschlüssig ineinander greifen.
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Dieses
Werkzeug ist ebenfalls aufwändig
in der Herstellung, vor allem wenn eine Profilplatte mit Schraubverbindung
eingesetzt wird. Ferner weist das plattenförmige Profilelement in der
Regel nur wenige Profilgänge
auf, was sich in der Praxis als nachteilig erweisen kann.
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Als
weiterer Stand der Technik wird auf die
US 2369273 verwiesen.
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Es
ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Gewindeerzeugungswerkzeug anzugeben,
bei dem die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens
teilweise überwunden
oder zumindest vermindert werden.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Werkzeugs zur Gewindeerzeugung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens
zur Herstellung eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung mit
den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen ergeben sich aus den von Anspruch 1 und Anspruch
25 abhängigen
Ansprüchen.
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Das
Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere zur
Erzeugung eines Innengewindes, gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens
einen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Werkzeugschaft
und wenigstens ein den Werkzeugschaft in seinem Umfang umschließendes Formgebungselement
zum Erzeugen des Gewindes in einem Werkstück, wobei zumindest eine der
Werkzeugachse zugewandte oder von der Werkzeugachse abgewandte und
wenigstens teilweise um die Werkzeugachse umlaufende Kontaktinnenfläche (oder:
innere Umfangsfläche)
des Formgebungselements mit einer korrespondierenden Kontaktaußenfläche (oder: äußeren Umfangsfläche) des
Werkzeugschafts kraftschlüssig
oder kraft- und formschlüssig
verbunden und/oder verbindbar ist (und damit fest verbunden bzw.
fest verbindbar ist) zur Übertragung
eines Drehmoments vom Werkzeugschaft auf das Formgebungselement.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung,
gemäß Anspruch
25, wird ein Werkzeugschaft hergestellt oder bereitgestellt, der
um eine Werkzeugachse drehbar ist, wird auf den Werkzeugschaft wenigstens ein
Aufsatz mit zumindest einer der Werkzeugachse zugewandten oder von
der Werkzeugachse abgewandten und wenigstens teilweise um die Werkzeugachse
umlaufenden Kontaktinnenfläche
(oder: innere Umfangsfläche)
aufgesetzt, wird wenigstens eine Kontaktinnenfläche des Aufsatzes mit einer
korrespondierenden Kontaktaußenfläche (oder: äußeren Umfangsfläche) des
Werkzeugschafts fest verbunden und wird anschließend in einer von der Werkzeugsachse
weg weisenden, wenigstens teilweise um die Werkzeugsachse umlaufenden
Außenfläche des
Aufsatzes ein Formgebungsgewinde erzeugt. Die Kontaktinnenfläche des
Formgebungselements und die Kontaktaußenfläche des Werkzeugschafts sind
parallel zur Werkzeugachse ausgerichtet, das bedeutet, diese Umfangsflächen sind
in axialer Richtung äquidistant
oder in gleichbleibender Entfernung zur Werkzeugachse ausgebildet
oder angeordnet. Das Formgebungselement ist auf den Werkzeugschaft
geschrumpft und/oder es ist auf den Werkzeugschaft gelötet oder
geschweißt
oder geklebt.
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Das
Verfahren gemäß Anspruch
25 kann zur Herstellung eines Werkzeugs nach Anspruch 1 und der
von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüche
eingesetzt werden. Durch Anwenden des Verfahrens erhält der wenigstens
eine Aufsatz dann die Funktion eines Formgebungselements.
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Der
Werkzeugschaft ist in der Regel im Wesentlichen zylindrisch, also
im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig, geformt, und ist an einem Ende
in eine Einspannvorrichtung einer Gewindeerzeugungseinrichtung eingespannt
oder einspannbar. Der Werkzeugschaft kann neben der Kreisform auch beliebige
andere Querschnittsformen aufweisen. Die Werkzeugachse ist in der
Regel eine Längsachse des
Werkzeugschafts, also eine Achse entlang der Längsausdehnung des Werkzeugschafts,
vorzugsweise eine zentral durch das Werkzeug verlaufende Achse.
Der Werkzeugschaft kann entlang der Werkzeugachse einen sich vergrößernden
oder verkleinernden und/oder einen sich in seiner Form verändernden
Querschnitt aufweisen.
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Das
Formgebungselement bzw. der Aufsatz wird normalerweise in axialer
Richtung der Werkzeugachse auf den Werkzeugschaft aufgesteckt bzw. aufgeschoben,
bis es bzw. er die gewünscht
Position erreicht hat, in der es bzw. er mit dem Werkzeugschaft
verbunden werden soll. Die Kontaktinnenfläche des Formgebungselements
bzw. Aufsatzes weist in der Regel zu der Werkzeugachse hin oder
ist dieser zugewandt, es ist aber auch möglich die Kontaktinnenfläche von
der Werkzeugachse wegweisend bzw. abgewandt auszuführen.
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Als
Formgebungsgewinde kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Werkzeug
jedes beliebige, an sich bekannte Formgebungsgewinde erzeugt werden
bzw. das Werkzeug gemäß der Erfindung
kann jedes beliebige, an sich bekannte Formgebungsgewinde aufweisen.
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Auf
den Werkzeugschaft kann zur Erzeugung des Gewindes im Werkstück ein einzelnes Formgebungselement
bzw. ein Aufsatz mit Formgebungsgewinde aufgebracht sein, es kann
aber auch vorteilhaft sein mehrere Formgebungselemente bzw. Aufsätze entlang
der Werkzeugachse hintereinander am Schaft zu Positionieren, beispielsweise
wenn die Formgebungselemente unterschiedliche Funktionen übernehmen
sollen.
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Dass
der Aufsatz bzw. das Formgebungselement mit dem Werkzeugschaft kraftschlüssig oder form-
und kraftschlüssig
verbunden wird, bedeutet, dass er bzw. es fest am Werkzeugschaft
befestigt ist, so dass er bzw. es von diesem unlösbar oder nicht zerstörungsfrei
lösbar
ist.
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Ein
der Erfindung gemäß Anspruch
1 zugrundeliegender Gedanke ist, dass durch die relativ große Verbindungsfläche bzw.
Kontaktfläche
zwischen Formgebungselement und Werkzeugschaft, die dadurch entsteht,
dass das Formgebungselement mit seiner zur Werkzeugachse hin ausgerichteten
Kontaktinnenfläche
bzw. Umfangsfläche
am Schaft anliegt, eine große
Kraftübertragungsfläche zur
Verfügung
steht. Je mehr Formgebungsgewindegänge das wenigstens eine Formgebungselement umfasst,
desto größer kann
die Verbindungsfläche werden.
Dadurch wird gewährleistet,
dass sich auch ein sehr großes
Drehmoment vom Schaft auf das Formgebungselement und schließlich auf
das Werkstück übertragen
lässt,
ohne das Werkzeug dabei zu zerstören.
Dadurch ist es möglich
den Werkzeugschaft und das Formgebungselement aus unterschiedlichen
Werkstoffen zu fertigen und gleichzeitig eine lange Standzeit des
Werkzeugs zu erreichen.
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Ein
Hauptvorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist, dass die Fertigung des Werkzeugs aus den verschiedenen Komponenten
sehr einfach und damit kostengünstig
ist. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn das Formgebungselement
bzw. der Aufsatz aus einem anderen Material bestehen soll wie der
Werkzeugschaft. Der Aufsatz ist aus nahezu jedem der bevorzugten
Werkstoffe relativ einfach herzustellen. Das Formgebungsgewinde
wird dann erst nach dem Aufsetzen des Aufsatzes auf den Werkzeugschaft
in die Außenfläche eingebracht.
Das hat den weiteren Vorteil, dass das Gewindeerzeugungswerkzeug
mit derselben Werkzeugmaschine bearbeitet werden kann, wie herkömmliche
Gewindefurcher die in einem Stück
aus einem Werkstoff gefertigt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren gemäß der Erfindung
wird wenigstens ein Aufsatz in Form einer Hülse und/oder einer Kappe auf
den Werkzeugschaft aufgesetzt. Diese Formen sind in der Regel einfach
herzustellen und weisen eine relativ große innere Kontaktfläche auf, so
dass eine stabile Verbindung erzeugt werden kann. Die Hülse umfasst
eine die Werkzeugachse umschließende äußere und
innere Hülsenumfangsfläche und
ist an beiden Stirnseiten senkrecht zur Werkzeugachse offen. Die
Hülsenumfangsflächen können sich
in axialer Richtung in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse
erweitern oder verjüngen
oder auch die Querschnittform ändern.
Die innere Hülsenumfangsfläche dient
als Kontaktinnenfläche.
Die Stärke
bzw. Dicke der Hülse
ist wenigstens größer als
das in ihr zu erzeugende Formgebungsgewinde. Die Kappe kann grundsätzlich wie
die Hülse ausgeführt sein,
mit dem Unterschied, dass sie eine zumindest teilweise geschlossene
Stirnseite aufweist. Die wenigstens teilweise geschlossene Stirnseite
kann rechtwinklig zur Kappenumfangsfläche ausgebildet sein, sie kann
aber auch im Wesentlichen annähernd
halbkugelförmig
oder im Wesentlichen annähernd
kegel- oder kegelstumpfförmig
sein. Die Form des Aufsatzes ist jedoch nicht auf eine Hülse oder
Kappe beschränkt.
Der Aufsatz kann auch eine beliebig anderer geeignete Form aufweisen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren gemäß der Erfindung
wird wenigstens ein Aufsatz aus einem anderen Werkstoff als der
Werkstoff des Werkzeugschafts auf den Werkzeugschaft aufgesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn der Werkzeugschaft aus einem
Werkstoff mit hoher Zähigkeit
und der wenigstens eine Aufsatz aus einem Werkstoff mit hoher Härte und/oder
hoher Verschleißfestigkeit
gefertigt ist. Der Formgebungsbereich erhält dadurch eine hohe Härte, was
mit einem geringeren Verschleiß des
Formgebungsgewindes verbunden ist. Der Werkzeugschaft ist aufgrund
des sehr zähen
Materials sehr stabil und kann hohe Furchmomente aufnehmen, ohne
dabei beschädigt
zu werden.
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Der
wenigstens eine Aufsatz kann außen
auf den Werkzeugschaft aufgesetzt bzw. aufgeschoben werden. Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine Aufsatz in eine Aussparung
am Umfang des Werkzeugschafts eingesetzt bzw. aufgesetzt wird. Die
Aussparung befindet sich vorzugsweise an dem der Einspannvorrichtung
abgewandten Ende bzw. einem in einer Vorschubrichtung vorderen Ende
des Werkzeugschafts. 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 der Einspannvorrichtung.
Nach Beenden des Gewindeerzeugungsprozesses, wird das Werkzeug in
einer Rückholbewegung,
die entgegen der Vorschubrichtung erfolgt, aus dem erzeugten Gewinde
herausgedreht. Die Tiefe der Aussparung am Werkzeugschaft ist vorzugsweise
so zu wählen,
dass der wenigstens eine Aufsatz wenigstens um eine Formgebungsgewindetiefe
radial am Werkzeugschaft vorsteht.
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Insbesondere
vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine Aufsatz durch Löten oder
Schweißen oder
Kleben oder Pressen oder Schrumpfen am Werkzeugschaft befestigt
wird. So wird gewährleistet,
dass der wenigstens eine Aufsatz fest mit dem Werkzeugschaft verbunden
ist und sich beim Übertragen
des Drehmoments vom Schaft auf das Formgebungselement bzw. das Werkstück nicht
verdrehen oder lösen
kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn am Werkzeugschaft an der Stelle, an
der der wenigstens eine Aufsatz aufgesetzt wird, im Querschnitt
zur Werkzeugachse eine polygone Form und/oder wenigstens eine Erhöhung und/oder
wenigstens eine Vertiefung erzeugt werden bzw. wird, die in ihrer Form
mit der Kontaktinnenfläche
des wenigstens einen Aufsatzes korrespondieren bzw. korrespondiert. Dadurch
kann zusätzlich
ein Formschluss zwischen dem Werkzeugschaft und dem wenigstens einen
Aufsatz erreicht werden, der zur verbesserten Übertragung des Drehmoments
beiträgt.
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In
einer zweckmäßigen Ausführungsform wird
anschließend
an den wenigstens einen Aufsatz ein Formgebungsgewinde in dem Werkzeugschaft erzeugt,
das in das Formgebungsgewinde des wenigstens einen Aufsatzes übergeht
und eine gleiche Formgebungsgewindesteigung aufweist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
auf das oder die Formgebungsgewinde eine zusätzliche Verschleißschutzschicht
aufgebracht. Das ist besonders bei der Herstellung von Werkzeugen
für sehr
anspruchsvolle Anwendungen von Vorteil, bei denen sehr harte bzw. verschleißfeste Werkstoffe
für die
Formgebungselemente benötigt
werden, die jedoch schwer zu bearbeiten sind. Das Formgebungsgewinde
kann dann in einem weniger harten Werkstoff erzeugt, beispielsweise
eingeschliffen werden, und anschließend mit einer verschleißfesten
Schicht aus einem sehr hartem Werkstoff, zum Beispiel Titannitrit
oder Titancarbonitrit bis hin zu polykristallinem Diamant beschichtet
werden. Die Beschichtung kann auf herkömmliche Weise, beispielsweise
im PVD(physical vapour deposition)- oder CVD(chemical vapour deposition)-Verfahren
erfolgen.
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Bei
dem Werkzeug gemäß der Erfindung
ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform auf einer von der
Werkzeugsachse weg weisende, wenigstens teilweise um die Werkzeugsachse
umlaufenden Außenfläche des
Formgebungselements ein Formgebungsgewinde ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist das wenigstens eine Formgebungselement aus einem anderen Werkstoff
gebildet als der Werkzeugschaft, wobei der Werkzeugschaft insbesondere
aus einem Werkstoff mit hoher Zähigkeit
und das Formgebungselement insbesondere aus einem Werkstoff mit
hoher Härte
und/oder hoher Verschleißfestigkeit
ausgebildet ist. Auf das Formgebungsgewinde kann eine zusätzliche
Verschleißschutzschicht
aufgebracht sein, was vor allem, wie vorangehend beschrieben bei
der Gewindeerzeugung beispielsweise in sehr abrasiven Werkstücken von
Vorteil ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Werkzeugschaft aus einem Werkzeugstahl,
insbesondere einem Schnellarbeitsstahl gefertigt ist. Das kann beispielsweise
eine Hochleistungsschnellstahl (HSS-Stahl) oder ein cobaltlegierter
Hochleistungsschnellstahl (HSS-E-Stahl) sein. Diese Stähle eignen sich
aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihrer hohen Zähigkeit
besonders gut für
den Einsatz bei Werkzeugen.
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Das
Formgebungselement und/oder die Verschleißschutzschicht sind bzw. ist
vorzugsweise aus Hartmetall oder aus einer Hartmetalllegierung,
insbesondere P-Stahl oder K-Stahl oder Cermet, oder aus Sinterhartmetall,
insbesondere aus Wolframkarbid oder Titannitrid oder Titankarbid
oder Titankarbonitrid oder Aluminiumoxid, oder aus einer Schneidkeramik, insbesondere
polykristallines Bornitrid (PKB), oder aus polykristallinem Diamant
(PKD) gefertigt. Diese Werkstoffe weisen allesamt eine hohe Härte auf
und sind daher sehr verschleißfest.
Der am besten geeignete Werkstoff ist jeweils abhängig vom
Werkstoff des Werkstücks
sowie von der Wirtschaftlichkeit der Gewindeerzeugung auszuwählen.
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Das
Formgebungselement kann wenigstens annähernd die Form einer Hülse aufweisen.
Vorteilhaft kann es aber auch sein, wenn das Formgebungselement
wenigstens annähernd
die Form einer Kappe aufweist. Ein Formgebungselement in Form einer
Kappe kann auch mit einem oder mehreren Formgebungselementen in
Form einer Hülse
kombiniert werden. Die Formgebungselemente lassen sich dann nebeneinander
und aneinander angrenzend auf den Werkzeugschaft aufsetzen, wobei
das kappenförmige
Formgebungselement am vorderen Ende des Werkzeugschafts den Abschluss
bildet. Das Formgebungsgewinde ist dann vorzugsweise durchgehend
in allen Formgebungselementen ausgebildet.
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Die
Formgebungselemente können
auch eine beliebig andere geeignete Form aufweisen. So kann es zum
Beispiel auch vorteilhaft sein, wenn die Kontaktinnenfläche an wenigstens
einem zur Werkzeugachse rotationssymmetrischen Vorsprung gebildet
ist, der entgegen der Vorschubrichtung an dem Formgebungselement
hervor ragt und die Kontaktaußenfläche an wenigstens
einer korrespondierenden Ausnehmung im Werkzeugschaft gebildet ist.
Diese sehr einfach Ausführungsform
des Formgebungselements ist vor allem dann von Vorteil, wenn die
Gewindefurcher einen sehr kleinen Werkzeugdurchmessern aufweisen.
Die Kontaktinnenfläche
kann in diesem Fall auch an wenigstens einer zur Werkzeugachse rotationssymmetrischen
Ausnehmung gebildet sein, die in Vorschubrichtung in das Formgebungselement
hinein ragt. Die Kontaktaußenfläche ist
dann an wenigstens einem korrespondierenden Vorsprung am Werkzeugschaft
gebildet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn ein Abstand von der Kontaktinnenfläche bzw.
inneren Umfangsfläche
des Formgebungselements bis zu einer Hüllfläche um das Formgebungselement
größer als eine
Formgebungsgewindetiefe ist. Das bedeutet in anderen Worten, dass
die Wandstärke
des beispielsweise als Hülse
oder Kappe ausgebildeten Formgebungselements wenigstens etwas größer als
die Höhe
der in der Regel radial nach außen
spitz zulaufenden Formkeile bzw. Zähne des Formgebungsgewindes
ist. Die Hüllfläche um das
Formgebungselement ist die die Formkeilspitzen des Formgebungsgewindes
einhüllende
Umfangsfläche.
Die Kontaktinnenfläche
des Formgebungselements weist vorzugsweise einen Durchmesser mit
einer Größenordnung von
einem Außendurchmesser
des Formgebungselements minus 2,2 Mal bis 3,5 Mal eine Formgebungsgewindesteigung
auf. Der Außendurchmesser des
Formgebungselements kann als Durchmesser der die Formkeilspitzen
umhüllenden
Umfangsfläche bzw.
der Hüllfläche beschrieben
werden.
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Bei
dem Werkzeug gemäß der Erfindung weisen
bzw. weist die Hüllfläche um das
Formgebungselement und/oder die Außenfläche des Formgebungselements
und/oder die Kontaktinnenfläche des
Formgebungselements in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse
annähernd
eine polygone Form auf, vorzugsweise eine dreieckige Form oder eine
viereckige Form oder eine fünfeckige
Form oder eine sechseckige Form. Bei rundem Querschnitt des Formgebungsbereichs
wäre die
Klemmreibung bei einer Drehbewegung des Werkzeugs so hoch, so dass
die Gefahr bestünde,
dass das Werkzeug beispielsweise durch Abreißen des Werkzeugschafts zerstört würde. Aus
diesem Grund weist wenigstens die Hüllfläche um das Formgebungselement
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.
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Das
Formgebungselement ist vorzugsweise in einem in einer Vorschubrichtung
vorderen Bereich des Werkzeugschafts angeordnet. Dabei ist es zudem
vorteilhaft, wenn wenigstens ein Formgebungselement einen entgegen
der Vorschubrichtung zunehmenden Außendurchmesser aufweist. 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. Vorteilhaft kann es
auch sein, wenn wenigstens ein Formgebungselement einen entgegen
einer Vorschubrichtung gleichbleibenden Außendurchmesser aufweist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Formgebungselement entgegen der Vorschubrichtung
einen Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser und anschließend einen
Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser
aufweist. Der Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser, auch als Formgebungsbereich
bezeichnet, dient dann zur Erzeugung des Gewindes. Der Bereich mit
gleichbleibendem Außendurchmesser,
der auch als Führungsbereich
bezeichnet werden kann, 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 kann der Führungsbereich
die Funktion haben, die erzeugte Gewindeoberfläche bzw. die Gewindeflanken
zu glätten
und zu kalibrieren. Dadurch kann das Gewinde sehr genau gefertigt
werden.
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Der
Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
und der anschließende
Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser
können
auch durch zwei einzelne, aneinander angrenzende Formgebungselemente
mit durchgehend ausgeformtem Formgebungsgewinde gebildet sein. Dabei
ist es auch denkbar den Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
und den Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser aus unterschiedlichen Werkstoffen
zu fertigen. Beispielsweise kann für den Bereich mit zunehmendem
Außendurchmesser
ein härteres
und damit verschleißfesteres
Material verwendet werden und für
den Führungsbereich
ein kostengünstigeres,
weniger hartes Material, da auf diesen Bereich keine so großen Umformkräfte mehr
wirken.
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Besonders
vorteilhaft kann es auch sein, wenn ein Formgebungsgewinde am Werkzeugschaft ausgebildet
ist, insbesondere direkt im Anschluss an das Formgebungsgewinde
des Formgebungselements. Dieses Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft
kann dann die Aufgabe des Führungsbereichs übernehmen,
sprich Führung
des Werkzeugs sowie Glätten
und Kalibrieren des erzeugten Gewindes. Dadurch ist das Werkzeug
noch kostengünstiger. Das
Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft und das Formgebungsgewinde
des Formgebungselements sollten vorzugsweise ineinander übergehen und
eine gleiche Formgebungsgewindesteigung aufweisen.
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In
eine vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Werkzeugs
ist das wenigstens eine Formgebungselement kraftschlüssig oder
kraft- und formschlüssig
mit dem Werkzeugschaft verbunden. Das Formgebungselement ist vorzugsweise
auf den Werkzeugschaft gepresst oder geschrumpft. Zusätzlich kann
die Kontaktaußenfläche des
Werkzeugschafts in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse
annähernd
eine polygone Form aufweisen, die der polygonen Form des Querschnitts
der Kontaktinnenfläche
des Formgebungselements entspricht. Dadurch wird eine besonders
guter Halt des Formgebungselements auf dem Werkzeugschaft erzielt,
vor allem, wenn hohe Drehmomente übertragen werden sollen. Unterstützen lässt sich
der Formschluss durch wenigstens eine korrespondierende Vertiefung
und/oder wenigstens eine korrespondierende Erhöhungen, die an der Kontaktinnenfläche des
Formgebungselements und an der Kontaktaußenfläche des Werkzeugschafts ausgebildet
sind bzw. ist, insbesondere wenigsten eine Nase, Zacke, Rippe, Rille
oder Nut.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind am Umfang des
Formgebungselements im Wesentlichen 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 das oder die Formgebungselement(e) überströmen. Die
in Längsrichtung
verlaufenden Nuten können vorzugsweise
auch als Drallnuten, also verdrillt bzw. mit einer Drehung um den
Umfang des Werkzeugs, ausgebildet sein.
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Eine
weitere Möglichkeit
ein fluides Medium an die Werkzeugspitze oder zu dem oder den Formgebungselement(en)
zu leiten, ist im Innern des Werkzeugs, vorzugsweise entlang der
Längsachse einen
Kanal vorzusehen, der vorzugsweise an dem vorderen Ende des Werkzeugs,
also an der Werkzeugspitze, oder seitlich vor oder nach dem wenigstens
einen Formgebungselement austritt, oder in dessen Mitte.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Formgebungselement entgegen der Vorschubrichtung
einen Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser und anschließend einen
Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser
aufweist. Der Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser, auch als Formgebungsbereich
bezeichnet, dient dann zur Erzeugung des Gewindes. Der Bereich mit
gleichbleibendem Außendurchmesser,
der auch als Führungsbereich
bezeichnet werden kann, 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 kann der Führungsbereich
die Funktion haben, die erzeugte Gewindeoberfläche bzw. die Gewindeflanken
zu glätten
und zu kalibrieren. Dadurch kann das Gewinde sehr genau gefertigt
werden.
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Der
Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
und der anschließende
Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser
können
auch durch zwei einzelne, aneinander angrenzende Formgebungselemente
mit durchgehend ausgeformtem Formgebungsgewinde gebildet sein. Dabei
ist es auch denkbar den Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
und den Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser aus unterschiedlichen Werkstoffen
zu fertigen. Beispielsweise kann für den Bereich mit zunehmendem
Außendurchmesser
ein härteres
und damit verschleißfesteres
Material verwendet werden und für
den Führungsbereich
ein kostengünstigeres,
weniger hartes Material, da auf diesen Bereich keine so großen Umformkräfte mehr
wirken.
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Besonders
vorteilhaft kann es auch sein, wenn ein Formgebungsgewinde am Werkzeugschaft ausgebildet
ist, insbesondere direkt im Anschluss an das Formgebungsgewinde
des Formgebungselements. Dieses Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft
kann dann die Aufgabe des Führungsbereichs übernehmen,
sprich Führung
des Werkzeugs sowie Glätten
und Kalibrieren des erzeugten Gewindes. Dadurch ist das Werkzeug
noch kostengünstiger. Das
Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft und das Formgebungsgewinde
des Formgebungselements sollten vorzugsweise ineinander übergehen und
eine gleiche Formgebungsgewindesteigung aufweisen.
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2 ein
Längsschnitt
einer Ausführungsform
des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung gemäß der Erfindung,
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3 ein
Längsschnitt
einer abgewandelten Ausführungsform
des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung nach 2,
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4 ein
Längsschnitt
einer abgewandelten Ausführungsform
des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung nach 3,
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5 ein
Längsschnitt
einer weiteren, abgewandelten Ausführungsform des Werkzeugs zur spanlosen
Gewindeerzeugung gemäß der Erfindung,
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6 ein
Längsschnitt
eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung nach 3 mit
innenliegendem Kühl-/Schmiermittelkanal,
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7 ein
Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse A im Formgebungsbereich
des Werkzeugs nach 3.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in den 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen an sich bekannten Gewindefurcher 1 der einen Werkzeugschaft 2,
der um eine Werkzeugachse A drehbar ist, und einen Formgebungsbereich 3 sowie
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 Formgebungsbereich 3 und
der Führungsbereich 4 weisen
einen polygonen Querschnitt auf, der annähernd die Form eines Dreiecks
besitzt. Im Formgebungsbereich 3 und im Führungsbereich 4 ist
ein Formgebungsgewinde 5 mit Formkeilen 6 ausgebildet.
Die Formkeile 6 bilden schräge Drückflanken 7. Der oder
die Punkte der Formkeile 6 mit dem größten radialen Abstand zur Werkzeugachse
A bilden die Formkeilspitze 8.
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Wird
nun der Gewindefurcher 1 in einer Vorschubrichtung V in
eine Bohrung eingeführt,
so bilden die Formkeile 6 des entgegen der Vorschubrichtung V
in seinem Außendurchmesser
zunehmenden Formgebungsbereichs 3 ein Gewinde in der Innenwand
der Bohrung aus. Dabei dringen die entlang des Formgebungsgewindes 5 unmittelbar
aufeinanderfolgenden Formkeile 6 jeweils tiefer und/oder
breiter in die Werkstückoberfläche ein,
bis das Gewinde in seiner vollen Tiefe und Breite ausgeformt ist.
Bei weiterer rotierender Bewegung des Gewindefurchers 1 in
Vorschubrichtung kalibrieren und glätten die nachfolgenden Formkeile 6 des
in seinem Außendurchmesser
gleichbleibenden Führungsbereichs 4 die
erzeugten Gewinderillen.
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Ein
Gewindefurcher gemäß der Erfindung
ist in seiner Wirkung und in seinem Aufbau mit dem in 1 dargestellten,
an sich bekannten Gewindefurcher vergleichbar. Der Hauptunterschied
liegt darin, dass der Formgebungsbereich 3 und/oder der
Führungsbereich 4 durch
ein oder mehrere auf den Werkzeugschaft aufgebrachte Formgebungselemente 9 gebildet
werden, so dass der Formgebungsbereich 3 und/oder der Führungsbereich 4 aus
einem anderen Werkstoff ausgeführt
sein kann als der Werkzeugschaft 2. Die Formgebungselemente 9 können beispielsweise
die Form einer Hülse
oder einer Kappe aufweisen.
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2 zeigt
schematisch eine einfache Ausführungsform
eines Werkzeugs gemäß der Erfindung.
Das Formgebungselement ist auf den Werkzeugschaft 2 aufgesetzt
und mit diesem fest verbunden, beispielsweise durch aufpressen oder
-löten oder
-kleben. Das Formgebungselement 9 hat die Form einer Hülse mit
einem Formgebungsgewinde 5 und umfasst einen Formgebungsbereich 3,
der zur Ausformung der Gewinderillen dient, und einen Führungsbereich 4,
der dazu vorgesehen ist, den Gewindefurcher 1 im erzeugten
Gewinde zu führen
und die erzeugten Gewinderillen zu glätten und zu kalibrieren. Formgebungsbereich 3 und
Führungsbereich 4 weisen
eine gleiche Formgebungsgewindesteigung P auf. Der Formgebungsbereich 3 weist
einen entlang der Werkzeugachse A zunehmenden Außendurchmesser D auf, wobei
der Außendurchmesser
D im Führungsbereich 4 konstant
bleibt. Ein Führungsbereich 3 wird
jedoch nicht unbedingt für
jede Annwendung benötigt,
so dass das Formgebungselement 9 auch nur den in seinem
Außendurchmesser
D zunehmenden Formgebungsbereich 3 aufweisen kann. An seiner
Kontaktinnenfläche 10 ist
das Formgebungselement mit einer korrespondierenden Kontaktaußenfläche 11 des
Werkzeugschafts verbunden. Die Kontaktinnenfläche 10 und die Kontaktaußenfläche 11 können zusätzlich korrespondierende polygone
Formen sowie Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, so dass die Übertragung
des Drehmoments vom Werkzeugschaft 2 auf das Formgebungselement 9 verbessert
wird (vgl. auch 7).
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Das
in 3 dargestellte Werkzeug entspricht im Wesentlichen
dem in 2 gezeigten Gewindefurcher, mit dem Unterschied,
dass das Formgebungselement 9 in eine Aussparung 13 am
Werkzeugschaft eingesetzt ist. Dadurch wird eine stabilere Verbindung
von Formgebungselement 9 und Werkzeugschaft 2 im
Gewindeerzeugungsprozess erreicht vor allem bei Bewegung des Gewindefurchers 1 in
Vorschubrichtung V. Das Formgebungselement 9 kann sich
dabei nicht entlang der Werkzeugachse A verschieben.
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4 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Werkzeugs
nach 3. Hier sind in einer Aussparung 13 am
Werkzeugschaft 2 zwei hülsenförmige Formgebungselemente 9 aufgesetzt,
die einen Formgebungsbereich 3 und einen Führungsbereich 4 bilden.
Die Formgebungselemente 9 sind dazu direkt aneinander angrenzend,
hintereinander am Werkzeugschaft 2 befestigt. Das Formgebungsgewinde 5 ist
durchgängig in
beiden Formgebungselementen 9 ausgeführt mir einer konstanten Formgebungsgewindesteigung
P. Das am vorderen Ende des Werkzeugschafts in Vorschubrichtung
V angeordnete Formgebungselement 9 mit zunehmendem Außendurchmesser
D bildet den Formgebungsbereich 3. Das anschließend angeordnete
Formgebungselement 9 mit konstantem Außendurchmesser D bildet den
Führungsbereich 4. Es
ist ferner möglich
das Formgebungselement 9, das den Führungsbereich 4 bildet,
weg zu lassen und stattdessen den Führungsbereich 4 bzw.
das zugehörige
Formgebungsgewinde 5 direkt im Werkzeugschaft 2 auszubilden.
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Das
in 5 dargestellte Werkzeug unterscheidet sich von
dem in 4 gezeigten dahingehend, dass anstelle einer Hülse am vorderen
Ende des Werkzeugschafts 2 in Vorschubrichtung V ein kappenförmiges Formgebungselement 9 aufgesetzt wurde,
das den Formgebungsbereich 3 bildet. Dadurch kann die Kontaktinnenfläche vergrößert werden,
was vorteilhaft bei der Befestigung des Formgebungselements 9 am
Werkzeugschaft 2 ist. Der Werkzeugschaft 2 unterscheidet
sich gegenüber
dem in 4 dargestellten dadurch, dass er sich in zum vorderen
Ende hin in seinem Durchmesser verringert.
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6 zeigt
das Werkzeug nach 3 mit innenliegendem Kühl-/Schmiermittelkanal 12.
Der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 dient
dazu ein fluides Medium an die Werkzeugspitze oder zu dem oder den
Formgebungselement(en) 9 zu leiten, um die bei der Gewindeerzeugung
entstehende Wärme
abzuführen
und die Wärmeentwicklung
sowie die Reibung zu verringern. Der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 kann wie
hier gezeigt im Innern des Gewindefurchers 1 entlang der
Werkzeugachse A verlaufen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 einen
anderen Verlauf im Werkzeuginnern nimmt. Der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 tritt
vorzugsweise an dem vorderen Ende in Vorschubrichtung V aus dem
Werkzeugschaft 2 aus oder seitlich (hier nicht dargestellt)
vor oder nach dem wenigstens einen Formgebungselement 9 oder
in dessen Mitte. Eine weitere Möglichkeit
der Kühl-/Schmiermittelführung ist
Nuten (nicht dargestellt) am Umfang des Werkzeugschaft 2 und/oder
des wenigstens einen Formgebungselements 9 vorzusehen,
so dass das Kühl-/Schmiermittel
in Vorschubrichtung V von außen
an den Formgebungsbereich 3 und/oder Führungsbereich 4 herangeführt werden
kann.
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Aus 7 wird
deutlich, wie der Werkzeugschaft 2 und das Formgebungselement 9 miteinander
verbunden werden können,
so dass sich ein hohes Drehmoment übertragen lässt. Das Formgebungselement 9 kann
mit seiner Kontaktinnenfläche 10 an
die Kontaktaußenfläche 11 des
Werkzeugschafts angelötet,
geklebt, geschweißt
oder fest angepresst sein. Die Kontaktinnenfläche 10 und die Kontaktaußenfläche 11 sind
in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse im Wesentlichen
Dreieckig ausgebildet, wodurch ein zusätzlicher Formschluss erreicht
wird. Zusätzlich
sind an dem Werkzeugschaft 2 Nasen 14 vorgesehen,
die in Vertiefungen im Formgebungselement 9 eingreifen.
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- 1
- Gewindefurcher
- 2
- Werkzeugschaft
- 3
- Formgebungsbereich
- 4
- Führungsbereich
- 5
- Formgebungsgewinde
- 6
- Formkeile
- 7
- Drückflanken
- 8
- Formkeilspitze
- 9
- Formgebungselement
- 10
- Kontaktinnenfläche
- 11
- Kontaktaußenfläche
- 12
- Kühl-/Schmiermittelkanal
- 13
- Aussparung
- 14
- Nasen
- A
- Werkzeugachse
- D
- Außendurchmesser
- P
- Gewindesteigung
- V
- Vorschubrichtung