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Befestigung einer Schraube in einem Blech sowie Werkzeug zur Herstellung
der Befestigung Die Erfindung bezieht sich auf eine Befestigung einer Schraube in
einem Blech sowie auf ein Werkzeug zur Herstellung eines mit einem Loch versehenen
Höckers zur Aufnahme einer Schraube in einem Blech.
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Soll eine Metallschraube in die Bohrung eines Stück Bleches fest eingeschraubt
werden, so muß die Kante der Bohrung entsprechend der Steigung des Schraubengewindes
schraubenförmig verlaufen. Die Gestaltung kann nur dadurch erreicht werden, daß
das Metall um die Öffnung herum deformiert wird. Eine Art der Deformierung, wie
sie zu diesem Zweck benutzt wird, besteht aus einem konischen Höcker, der aus dem
Metall konzentrisch zu der Bohrung herausgedrückt wird. Ein radialer Schlitz im
Metall des Höckers, der von der Bohrung ausgeht, gestattet es, daß die Kante der
Bohrung an der einen Seite des Schlitzes höher liegt als an der anderen Seite, um
den notwendigen schraubenförmigen Verlauf der Kante der Bohrung zu erzeugen. Die
axiale Entfernung zwischen den Kanten des Schlitzes und der Kante der Öffnung muß
gleich der Steigung des Schraubengewindes sein.
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Die einfachste und billigste Weise zur Erzeugung von Höckern mit Öffnungen
liegt darin, ein Werkzeug zu verwenden, welches in einem Arbeitsgang arbeitet und
bei dem der Stempelteil sowie der Teil zur Formung des Höckers fest miteinander
verbunden sind. Der Patrizenteil eines solchen Werkzeuges besitzt einen mittleren
zylindrischen Zapfenteil, der axial über eine ihn umgebende im wesentlichen konisch
gestaltete Erhöhung hervorsteht. Der Matrizenteil besitzt eine mittlere Bohrung,
in die der Zapfenteil der Patrize eingreift, sowie ein konische Ausnehmung, in die
der den Höcker erzeugende Teil der Patrize eingreift.
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Obgleich das in einem Arbeitsgang arbeitende Werkzeug einfach und
billig arbeitet, stellt es ein Problem dar, welches nicht bei der Herstellung von
Werkzeugen zur schrittweisen Produktion von Höcker und Bohrung auftritt. Bei der
Arbeit in einem Arbeitsgang wird das Metall nach dem Austreiben des Materials aus
der mittleren Bohrung deformiert. Hierdurch wird die Bohrung während der nachfolgenden
Bildung der konischen Eindrückung aufgeweitet. Praktisch streckt sich das Metall
der Eindrückung bei der Deformierung nicht, und da das Metall des Höckers aus der
Ebene des Bleches nach einem Windungsradius ausgebogen wird, der den Winkel der
konischen Oberfläche der Eindrückung darstellt, so nimmt die Horizontalprojektion
des eingedrückten Metalls mehr oder weniger ab, und zwar rund um die Bohrung herum,
wodurch die Bohrung eine radiale Vergrößerung erfährt. Diese Vergrößerung der Bohrung
bei der Bildung des Höckers wird nachfolgend Aufweitung genannt.
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Da der Winkel, unter dem der Höcker nach oben aus der Metallebene
herausgebogen wird, von Radius zu Radius rund um den Höcker verschieden ist, wenn
man einen konischen Höcker mit einer vollkommen kreisförmigen Grundlinie annimmt,
würde die Aufweitung von Punkt zu Punkt rund um die Kante der Bohrung sich ändern.
Die Bohrung würde auf diese Weise unrund werden und würde keine gute Verbindung
mit der einzuschraubenden Schraube haben. In gewissem Maße kann die Tendenz der
Bohrung, unrund zu werden, dadurch ausgeglichen werden, daß der Höcker unrund ausgebildet
wird, z. B. als Schraubenflächenkörper, dessen Grundlinie ein einzige Spiralwindung
ist, die an dem Schlitz anfängt und endigt. Ein schraubenflächenförmiger Höcker
ergibt einen gleichförmigeren Windungsradius des Metalls um die Bohrung als ein
konischer Höcker. Infolgedessen ist die Aufweitung gleichförmig, und die Bohrung
ist im wesentlichen kreisförmig.
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Selbst wenn ein schraubenflächenförmiger Höcker durch ein Werkzeug
hergestellt wird, so ist die Aufweitung von Punkt zu Punkt rund um die Kante der
Bohrung nicht gleichförmig. Daher war die Herstellung von Werkzeugen zur Produktion
der Höcker in einem Arbeitsgang bisher stets eine Angelegenheit des Ausprobierens.
Es war keine Methode bekannt, ein Werkzeug so auszurichten, daß eine gleichförmige
Aufweitung
in sämtlichen Radien zugleich erzeugt wurde. Die Werkzeugmacher mußten probieren,
so gut sie konnten, um ein Werkzeug herzustellen, welches den zu stellenden Anforderungen
genügte. Sie mußten das Werkzeug oder die Modellform stark bearbeiten und konnten
nur eine Ausbildung erzielen, mit der ein Höcker erzeugt wurde, dessen Bohrung eine
Unrundheit aufwies, die innerhalb annehmbarer Grenzen lag.
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Im Gegensatz dazu lehrt die Erfindung die optimale Raumform für den
Höcker und die zugehörigen Werkzeuge, mit denen der Höcker mit der Öffnung in einem
Arbeitsgang hergestellt werden kann. Das Werkzeug ergibt einen Höcker mit gleichförmiger
Aufweitung in allen Radien rund um die Bohrung, so daß die Bohrung kreisförmig wird
und die Metallschraube sicher erfaßt.
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Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
eine Methode zur Ausbildung eines Werkzeuges zu schaffen, durch das ein mit einer
Bohrung versehener Höcker in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann, wobei das
Werkzeug einen mittleren zylindrischen Zapfenteil aufweist, der fest auf einem ihn
umschließenden schraubenflächenförmigen Teil angeordnet ist. Der Zapfenteil erzeugt
eine kreisförmige Bohrung in dem Blech, sobald er eingetrieben wird, und der schraubenflächenförmige
Teil deformiert alsdann das Metall um die Bohrung herum, um einen schraubenflächenförmigen
Höcker derart zu erzeugen, daß sich eine im wesentlichen gleichförmige Aufweitung
in allen Umfangspunkten der hergestellten Bohrung ergibt, so daß die Bohrung in
dem Höcker im wesentlichen kreisförmig ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mit einer
Bohrung versehenen Höcker zu schaffen, der schraubenflächenförmig ist und eine kreisförmige
Bohrung ergibt, bei der die Grundlinie keinen unzweckmäßig großen Radius aufweist.
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Die Erfindung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinie
des Höckers als Spirale ausgebildet ist, deren Abstand von der Lochachse in jedem
Umfangspunkt gleich
ist, wobei P die Steigung des Schraubengewindes, a der Umfangswinkel zwischen dem
Schlitz und dem jeweils zu berechnenden Umfangsabstand und Rd der Kerndurchmesser
des Schraubengewindes ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher
erläutert. In der Zeichnung zeigt ; Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Blechstück mit
einem mit einer Bohrung versehenen Höcker gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Seitenansicht
eines Blechstückes gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie III-III der
Fig. 1, Fig.4 eine Leitfigur für eine mathematische Betrachtung, Fig. 5 die Patrize
und die Matrize eines Werkzeuges zur Herstellung eines Höckers gemäß der Erfindung.
In der Zeichnung Fig. 1 bezeichnet 5 ein Blechstück mit einer Oberfläche 6. Auf
der einen Seite des Blechstückes steht ein im wesentlichen konisch gestalteter Höcker
7 hervor, der aus dem Metall herausgepreßt ist. Dieser besitzt eine Bohrung 8, deren
Durchmesser gleich dem Kerndurchmesser einer Metallschraube ist, die in die Bohrung
einschraubbar ist. Aus Fig.3 ist erkennbar, daß das Metall des Höckers in stumpfem
Winkel zur Oberfläche des Bleches nach oben gebogen ist. Die Erzeugende des Höckers
ist eine Gerade. Der Zweck des Höckers ist es, die Kante der Bohrung 8 schraubenförmig
zu gestalten, so daß die Kante der Bohrung der Steigung des Schraubengewindes der
Metallschraube, die in die Öffnung eingeschraubt werden soll, angepaßt ist. Zu diesem
Zweck ist ein Radialschlitz 10 vorgesehen, der von der Bohrung 8 ausgeht. Die eine
Schlitzkante 12 liegt am inneren Ende höher als die andere Schlitzkante. Das Metall
ist an der einen Seite des Schlitzes aus der Ebene der flachen Oberfläche in einem
größeren Windungsradius auswärts gebogen als das Metall an der anderen Seite des
Schlitzes.
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Da das Metall keine wesentliche Streckung während der Bildung des
Höckers erfährt und da die Bohrung vor der Eindrückung des Höckers in der Metalloberfläche
hergestellt wird, biegt sich jeder Punkt an der Kante der Bohrung aufwärts und nach
außen, und zwar in einem Bogen, wie er in Fig. 4 mit 14 bezeichnet ist. Das Metall
biegt sich um die Grundlinie des Höckers. Der Durchmesser der Bohrung ist hierdurch
mit Bezug auf die Horizontalprojektion in jedem Punkt vergrößert.
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Wäre der Höcker genau konisch, d. h. bei kreisförmiger Grundlinie,
so würde die Aufweitung um die Bohrung herum verschieden sein, da der Radius der
Metallwindung nicht gleichmäßig wäre. Da aber die Grundlinie des Höckers eine Spirale
ist, so ist der Höcker eher eine Schraubenfläche als eine genauer Konus.
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Fig. 5 zeigt ein Schnitt- und Drückwerkzeug für die Herstellung eines
mit einer Bohrung versehenen Höckers, mittels dessen der Höcker mit der Bohrung
in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann. Die Patrize dieses Werkzeuges ist
mit 16 bezeichnet. Sie besitzt einen zylindrischen Zapfenteil 18, der an dem Werkzeugkörper
festsitzt. Er steht axial aus einem ihn umschließenden, den Höcker formenden Teil
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hervor. Der Teil, der den Höcker bildet, ist schraubenflächenförmig und
hat eine scharfe Stufe 20, durch die der Schlitz in dem Höcker gebildet wird. Der
schraubenflächenförmige Teil wird umgeben von einem flachen Grundteil 21, von dem
aus der schraubenflächenförmige Teil aufsteigt, um in der Mitte in den zylindrischen
Teil überzugehen.
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Die Matrize ist mit 23 bezeichnet. Sie besitzt eine mittlere Bohrung
24, in die der Zapfenteil 18 der Patrize eingreifen kann. Diese Bohrung 24 ist durch
eine schraubenflächenförmige Vertiefung 26 umschlossen. In dieser wird der schraubenflächenförmige
Höckerteil des Werkzeuges aufgenommen.
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Bei der Benutzung wird die Matrize an der Oberfläche des Bleches angelegt
und die Patrize in die Matrize von der anderen Seite des Bleches aus hereingetrieben.
Dabei durchdringt die Patrize das Blech, ehe eine wesentliche Deformation stattgefunden
hat. Nachdem dann der zylindrische Teil der Patrize durch das Blech zwecks Bildung
der Bohrung hindurchgetreten ist, drückt der schraubenflächenförmige Teil der Patrize
einen bestimmten Flächenteil in die schraubenflächenförmige Ausnehmung der Matrize
hinein, um den Höcker herzustellen. Infolge der Zugwirkung wird die Bohrung bei
der Herstellung des Höckers aufgeweitet, so daß der Zapfen frei aus der Bohrung
zurückgezogen werden kann.
Um nun sicherzustellen, daß die Aufweitung
an sämtlichen Radien rund um die Bohrung gleichförmig wird, so daß die Bohrung im
fertiggestellten Höcker nicht unrund verläuft, muß der schraubenförmige Höcker nach
einer Formel gemäß der vorliegenden Erfindung geformt werden.
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In der in Fig. 4 dargestellten Leitfigur, die die Verhältnisse an
der Oberfläche des Metalls an der Stelle des Schlitzes 10 wiedergibt, ist die Achse
des Höckers mit 28 bezeichnet. 29 bezeichnet die untere Schlitzkante, während 30
die obere Schlitzkante darstellt.
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Es sei ein radiales Umfangselement der Bohrung bei der Deformation
betrachtet. Es bezeichnet X den Betrag der Aufweitung des Metalls an den Elementen,
H die Höhe von der Grundlinie des Höckers zur Bohrungskante an den Elementen, Y
die Schräghöhe, d. h. den Radiusabschnitt des betrachteten Höckerelementes, A die
Horizontalentfernung der Bohrungskante nach der Herstellung bis zum Mittelpunkt
des Radiusabschnittes des Elementes, x das betrachtete Höckerelement, ausgedrückt
in Winkelgraden um die Bohrungsachse, ausgehend von dem Element niedrigster Höhe,
R,1 den Kerndurchmesser der Schraube, die in die Bohrung eingeschraubt werden soll,
d. h. den gewünschten Durchmesser der fertigen Bohrung, C die Höhe des niedrigsten
Elementes (das ist die Vertikalentfernung von der Oberfläche des Metalls bis zu
dem untersten Teil der Kante der Bohrung), Dl den Durchmesser der Bohrung, wie er
zunächst ausgestanzt wird, P die Steigung der Schraube, die in die Bohrung eingeschraubt
werden soll, Z die Horizontalentfernung des Elementes und der Windungsachse zur
Bohrungsachse.
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Aus der Leitfigur kann abgeleitet werden:
demnach
sodann ergibt sich:
In der abgeleiteten Formel können gewisse Vereinfachungen vorgenommen werden. Da
der Betrag X zwischen zwei tausendstel und zwei hundertstel Millimetern liegt (0,00l
Inch to 0,010), kann der Ausdruck
vernachlässigt werden. Außerdem setzt die Gleichung einen Höcker mit einer weitgehend
exzentrischen Grundlinie voraus, insbesondere daß deren dritte und vierte Quadranten
übermäßig lange Radien aufweisen. Hierdurch wird der Höcker in diesen Quadranten
geschwächt, und es würde ein Höcker entstehen, der eine praktisch unmögliche große
Fläche einnähme.
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Aus diesem Grunde wurde aus der Gleichung (1) die folgende für praktische
Zwecke ausreichende Gleichung abgeleitet: Gleichung (2)
In dieser Gleichung bezeichnen die Buchstaben die gleichen Ausdrücke wie in Gleichung
(1). Die Gleichung (2) stellt eine Vereinfachung der Gleichung (1) dar. Sie basiert
auf der Voraussetzung, daß die Dimensionen P und X beide sehr klein sind und daß
ein wesentliches Anwachsen der Dimension Y (des Windungsradius) die Aufweitung nicht
wesentlich ändert. Der durch Gleichung (2) erzeugte Höcker ergibt einen geometrischen
Ort für die Windungsachsen, der auf einer Spirale von wesentlich kleinerem Radius
liegt als bei einem Höcker nach Gleichung (1), d. h., der Höcker nach Gleichung
(2) ist kleiner.
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Die Gleichung (2) gleicht also zwischen der Theorie und der Praxis
aus. Bei der Ableitung der Gleichung (1) wurde angenommen, daß das Metall vor dem
Eindringen des Zapfenteiles des Werkzeuges in das Metall zwecks Bildung der Bohrung
keine Deformation erfährt. Diese Annahme ist nur zum Teil richtig, und Gleichung
(2) gleicht demgegenüber mit Bezug auf die Anfangsdeformation des Metalls aus, die
vor der Bildung der Bohrung auftritt.
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Bei der Benutzung der obigen Gleichung sind die Werte für den in dem
Metall zu formenden Höcker ausgearbeitet. Der Wert C muß gewählt werden. Er liegt
normalerweise zwischen 0,05 und 0,07 mm (0,020 and 0,032 inch). Er hängt ab von
dem Kerndurchmesser der Metallschraube, die in die Bohrung eingeschraubt werden
soll. Die Formel paßt sich den Werten an, die für die obere, d. h. erhabene Fläche
des Höckers gelten. Die Matrize, insbesondere deren Hohlraum, wird im wesentlichen
entsprechend den durch die Rechnung ermittelten Werten ausgebildet, während die
Patrize mit dem konischen den Höcker erzeugenden Teil nach den gleichen Werten geformt
wird im Hinblick auf die zu verarbeitende Materialstärke.
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Aus der Beschreibung und den Zeichnungen ist ersichtlich, daß die
Erfindung einen Höcker mit einer Bohrung in einem Blech erzeugt, in die eine Metallschraube
einschraubbar ist und die in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann. Die Bohrung
erhält an ihrem Umfang eine gleichförmige Aufweitung, so daß sie im wesentlichen
vollständig rund ist. Die Erfindung
gestattet es, Werkzeuge zur
Herstellung solcher Höcker herzustellen, ohne daß erst langwierige Schnittversuche
gemacht werden müssen.