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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von Gewinden, insbesondere
von Innengewinden, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, auf eine Vorrichtung zur Gewindeherstellung unter Verwendung
eines solchen Werkzeugs, sowie auf einen Sinterrohling zur Herstellung
eines solchen Werkzeugs nach Anspruch 21.
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Es
sind verschiedene Methoden zur Herstellung von sogenannten Muttergewinden,
d.h. Innengewinden bekannt. Weit verbreitet ist das Gewindeschneiden,
bei dem ein Gewindebohrwerkzeug, das mit Schneidstollen und Spannuten
ausgestattet ist, mit dem durch die Steigung des Werkzeugs vorbestimmtem
Vorschub und synchronisierter Drehzahl in eine Werkstückbohrung
mit vorbestimmtem Kernmaß eingefahren
wird. Dabei erfolgt eine spanabhebende Bearbeitung des Werkstücks.
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Um
insbesondere in den tragenden Gewindeflanken eine höhere Festigkeit
zu erzielen, wendet man das sogenannte Gewindeform-Verfahren an,
bei dem ein Gewindeformer oder Gewindefurcher – auch Gewindedrücker genannt – zum Einsatz
kommt und mit dem der Werkstoff kalt verformt wird, ohne dass – wie beim
Gewindeschneiden – der
sogenannte „Faserverlauf" im Werkstoff unterbrochen
wird. Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zum Gewindeschneiden
besteht ferner darin, dass beim Gewindeformen keine Späne entstehen.
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Beim
Gewindeformen wird ein schraubenförmiger, zur Ausbildung von
Drückstollen
mit einem Polygon versehener Gewindeteil mit einem gleichmäßigen, der
Steigung des Gewindes entsprechenden Vorschub in das vorgebohrte
Werkstück
eingeschraubt. Dabei drückt
sich das Gewindeprofil stufenweise über den Anlauf des Gewindeteils
in den Werkstoff des Werkstücks,
wodurch in der Stauchzone die Spannung so hoch wird, dass die Stauchgrenze überschritten
und der Werkstoff plastisch verformt wird. Das Material weicht radial
aus, fließt
entlang des Gewindeprofils in den freien Zahngrund und bildet so
den Kerndurchmesser des Muttergewindes. Der Ausformgrad des Gewindes
lässt sich über den Vorbohrdurchmesser
steuern.
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Der
besondere Vorteil besteht darin, dass die erzielbare Gefügeverbesserung
dazu führt,
dass die Belastbarkeit des Gewindes auch bei 50 % Tragtiefe noch
ausreichend ist. Weil für
dieses Verfahren die Schmierung von entscheidender Bedeutung ist,
müssen
aber im Werkzeug zwischen den Drückstollen Schmiernuten
ausgebildet werden.
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Ein
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass für jedes Gewinde ein entsprechend
dem Gewindedurchmesser gesondertes Formwerkzeug erforderlich ist,
die Geometrie des Anlaufs zur Steuerung der Arbeitsleistung des
Gewindeformers relaiv schwer zu optimieren ist, und die Schnittgeschwindigkeits-
und Vorschubwerte nicht unabhängig
voneinander gewählt
werden können.
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Schließlich ist
es bekannt, Innengewinde zu fräsen.
Hier wird das Gewinde durch die Aneinanderreihung der Schnittlinien
des Gewindefräsers
erzeugt. Die Gewindesteigung wird durch die Maschine realisiert,
sie entspricht der sogenannten „Teilung" des Gewindefräsers, d.h. dem axialen Abstand
der Fräser-Zahnreihen.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sich
mit ein und demselben Fräser
Gewinde mit verschiedenen Durchmessern und gleicher Steigung herstellen
lassen. Im Vergleich zu geschnittenen Gewinden ergibt sich der weitere
Vorteil, dass das gefräste
Gewinde über
nahezu die gesamte eingesetzte Werkzeuglänge voll ausgebildet ist. Von
Nachteil ist bei diesem Herstellungsverfahren, dass aufgrund der
zerspanenden Bearbeitung das Gefüge
im Bereich der geschnittenen Zähne quasi
zerstört
wird, wodurch die Tragkraft des Gewindes beschränkt bleibt.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug und eine
Vorrichtung zur Verwendung eines solchen Werkzeugs zur Herstellung von
Gewinden, insbesondere von Innengewinden bereit zu stellen, mit
dem Gewinde unterschiedlicher Nenndurchmesser besonders wirtschaftlich
und mit verbesserter Gefügequalität im Bereich
des Gewindes hergestellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Werkzeugs durch die Merkmale des Anspruchs
1, gelöst. Die
Ansprüche
15 bis 20 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen einer Vorrichtung
zur Gewindeherstellung, wobei das erfindungsgemäße Werkzeug verwendet wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen, neu
gestalteten Werkzeug Werkzeug kann das Gewinde – wenn es entsprechend Anspruch
16 ff. verwendet wird – quasi
in die Innenoberfläche
der Werkstückbohrung „gehämmert" werden. Das Werkzeug
hat einen Formkopf, der die Gestaltungsmerkmale eines Gewindefräsers mit
denjenigen eines Gewindeformers kombiniert, und zwar derart, dass
der Formkopf mit zumindest einem, vorzugsweise aber zumindest zwei nach
der Art eines Gewindefräsers
ausgebildeten und in konstantem axialen Abstand zueinander stehenden Profilvorsprüngen bzw.
Zähnen
ausgestattet wird, die über
den Umfang durchgehend, aber mit sich über den Umfang verändernder
radialer Erstreckung ausgebildet sind, so dass im Bereich eines
jeden Profilvorsprungs über
den Umfang zumindest ein Drückstollen ähnlich wie
bei einem Gewindeformer entsteht. Die Drückstollen benachbarter Profilvorsprünge sind
dabei in Umfangsrichtung zueinander versetzt.
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Es
hat sich überraschender
Weise gezeigt, dass die bei dieser Art der spanlosen Bearbeitung
mit Fräskinematik
auf den Schaft des Werkzeugs einwirkenden Radialkräfte ohne
weiteres ohne übermäßige radiale
Auslenkung des Formkopfs aufgenommen werden können, und zwar selbst dann,
wenn der Formkopf eine Vielzahl von Profilvorsprüngen hat und damit in der Lage
ist, selbst relativ lange Gewinde mit einer einzigen Zirkularbewegung
herzustellen. Denn schon allein über
die Drehzahl des Formkopfs und die davon unabhängige Geschwindigkeit der Zirkularbewegung
des Werkzeugs lässt
sich die von einem Drückstollen
zu leistende Verformungsarbeit einfach steuern und damit ausreichend
klein halten, um den Schaft des Werkzeugs nicht übermäßig beanspruchen zu müssen. Weitere
Möglichkeiten
der Eingrenzung der auf den Formkopf einwirkenden Radialkräfte bestehen
darin, die Zahl der Drückstollen pro
Profilvorsprung zu variieren.
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Neben
der Sicherstellung einer verbesserten Tragkraft des Gewindes aufgrund
besserer Gefügestrukturen
hat das erfindungsgemäße Konzept
der Gewindeherstellung mit dem neuartigen Werkzeug den zusätzlichen
Vorteil, dass über
die Maschinensteuerung die Möglichkeit
geschaffen wird, auf die Durchmesser-Toleranzen im Bereich des Nenn- und/oder des Flankendurchmessers
bei der Herstellung Einfluss zu nehmen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Konzepts
der Gewindeherstellung besteht darin, dass keine Späne entstehen.
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Wenn
die die radial nach außen
gerichtete Bewegung des Formkopfs, d.h. die Eintauchbewegung in
das Werkstück,
entlang einer bogenförmigen Kurve
erfolgt, vorzugsweise in Form einer 180°-Einfahrschleife, so dass die
bogenförmige
Kurve beim Eintreten der Profilvorsprünge in das Werkstück eine Bewegungskomponente
in Richtung der sich anschließenden
Zirkularbewegung hat, wird die Werkzeugbelastung beim Eintauchen
das Werkstück
am niedrigsten. Weil die Drückstollen
axial benachbarter Profilvorsprünge
in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, zum Beispiel in Form
einer Wendel, kann die Gesamt-Radialkraft, die beim Drückvorgang
des Innengewindes auf den Formkopf einwirkt, weiter verringert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wenn
die Profilvorsprünge,
d.h. die geometrische Auslegung des Polygons, mit der sich über den
Umfang ändernden
radialen Erstreckung über den
Umfang jeweils mehrere Drückstollen
ausbilden, wird die Effektivität
des Werkzeugs gesteigert.
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Die
Drückstollen
können über den
Umfang gleichmäßig, aber
auch ungleich verteilt sein, was den Vorteil der Verringerung der
Schwingungsneigung hat.
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Die
Verringerung der Gesamt-Radialkraft, die beim Drückvorgang des Innengewindes
auf den Formkopf einwirkt, kann dann herstellungstechnisch einfach
sichergestellt werden, wenn – entsprechend Anspruch
5 – die
axial benachbarten Drückstollen des
Formkopfs jeweils entlang einer Wendel liegen.
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Die
Parameter des Verfahrens, gemäß dem das
erfindungsgemäße Werkzeug
vorteilhafterweise verwendet wird, können entsprechend dem zu bearbeitenden
Werkstoff in weiten Grenzen optimiert werden. Durch geeignete Einstellung
der Kinematik lassen sich in Verbindung mit wechselnder axialer
Vorschubbewegung des Werkzeugs links- bzw. rechtsgängige Gewinde mit ein und demselben
Werkzeug herstellen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Werkzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis
14, vorteilhafte Vorrichtungen zur Gewindeformung unter Verwendung
des Werkzeugs Gegenstand der Ansprüche 15 bis 20.
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Mit
der Weiterbildung des Anspruchs 2 wird die Effektivität des Werkzeugs
gesteigert und die Beanspruchung des Werkzeugs gleichzeitig herabgesetzt.
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Die
Weiterbildung des Anspruchs 4 hat den Vorteil, dass die Einfahrbewegung
zur Zentrierung des Werkzeugs genutzt werden kann und dass die Einformung
des Gewindes mit einer einzigen Zirkularbewegung fertig gestellt
werden kann.
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Wenn
die Tiefe der Nuten zwischen benachbarten Profilvorsprüngen über den
Umfang variiert, kann man in vorteilhafter Weise Einfluß auf das
Fließverhalten
des plastischen Werkstoffs nehmen.
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Für gewisse
Werkstoffe kann es von Vorteil sein, die Tiefe der Nuten zwischen
benachbarten Profilvorsprüngen über den
Umfang im Wesentlichen gleich zu halten.
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Wenn
das Werkzeug – entsprechend
Anspruch 9 – insgesamt
aus einem hochfesten Werkstoff, vorzugsweise aus einem Hartstoff,
insbesondere einem Hartmetall-Werkstoff
oder einem amderen hochfesten Sinterwerkstoff besteht, wird die
Stabilität des
Werkzeugs besonders hoch, was sich besonders günstig auf die Biegeverformung
aufgrund der einwirkenden Gesamt-Radialkraft auswirkt.
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Ebenso
könnten
diese Werkzeuge aus einer Kombination von verschiedenen Werkstoffen
hergestellt werden. Z.B. ist es möglich in geeignete Aufnahmen
in einem Träger
aus einem Trägermaterial, beispielsweise
gehärtetem
oder weichen Stahl (oder Schwermetall), Schnellarbeitsstahl HSS
oder HSSE, Aluminiumlegierungen, Hartmetall oder andere Sinterwerkstoffe
Leisten aus einem anderen Werkstoff einzusetzen. Beispielhaft erwähnt seien
hier nur Hartmetalle, Cermets, PkD, CBN, Keramik etc. Mit diesen
Werkstoffen werden am fertigen Werkzeug die Drückstollen gebildet.
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Die
eingesetzten Leisten können
in ihrer Form unterschiedlich ausgeführt sein, z.B. zylindrisch,
konisch, rund etc. Die Verbindung der Leisten mit dem Träger kann
dabei in unterschiedlicher Weise erfolgen, wie z.B. Löten Schrauben,
Klemmen, Kleben oder Schweißen.
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Vorzugsweise
ist der Formkopf zumindest im Bereich der Drückstollen mit einer Beschichtung
versehen. Es können
alle gängigen
Beschichtungen verwendet werden, mit denen eine Reibungsverminderung
und/oder eine Verschleißminderung
erzielbar ist. Besonders bevorzugt ist eine Hartstoffschicht, wie z.B.
aus Diamant, vorzugsweise nanokristallinem Diamant, aus TiN, TiAlN
oder aus TiCN, oder eine Mehrlagen-Schicht. Auch eine Schmierschicht,
beispielsweise aus dem unter der Bezeichnung "MOLYGLIDE" bekannten MoS2 wäre denkbar.
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Besonders
gute Standzeiten und Bearbeitungsparameter ergeben sich mit einer
Beschichtung nach den Ansprüchen
11 bis 14.
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Vorzugsweise
wird das Werkzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16
verwendet, die sich in besonderer Weise zur Durchführung des Gewinde-Herstellungsverfahrens
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs eignet. Die erforderlichen
Funktionen der Vorrichtung lassen sich beispielsweise mit einer
Dreiachsensteuerung einer 3-D-CNC-Werkzeugmaschine verwirklichen
lassen.
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Im
Einzelnen lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug besonders wirtschaftlich Hartstoffe,
insbesondere Sinterwerkstoffe einsetzen, besonders bevorzugt Vollhartmetall,
aber auch sogenannte Cermet-Werkstoffe.
Dabei ist für
ein besonders wirtschaftliches Herstellungsverfahren gesorgt. Denn
die Polygonform des Querschnitts des Formkopfs kann bereits im Sinterrohling
ausgebildet werden, so dass die Nachbearbeitung im Wesentlichen auf
den Bereich der Gewindefurchen beschränkt bleiben kann.
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Es
können
auch Cermets verwendet werden, d. h. Sinterwerkstoffe, die als wesentlichen
Härteträger die
Carbide und Nitride des Titans (TiC, TiN) besitzen und bei denen
als Bindephase überwiegend Nickel
zum Einsatz kommt. Bei diesem Werkstoff wirken sich die Kriterien
wie geringe chemische Affinität zu
Stahllegierungen, geringer Wärmeleitkoeffizient, höhere Warmhärte und
Feinkörnigkeit
des Gefüges besonders
vorteilhaft auf das Einsatzgebiet aus. Der Gefügeaufbau von Cermets ist inzwischen
soweit erforscht, dass es durch geeignete Steuerung der Prozessparameter
gelingt, sehr feinkörniges
Gefüge
mit hoher Zähigkeit
bereitzustellen. Dabei kann von Vorteil sein, in den Werkstoff Titannitrid
einzubringen, was aufgrund seiner hohen thermodynamischen Stabilität eine geringe
Löslichkeit
in Eisen aufweist und damit das Diffusions- und Reibverhalten positiv
beeinflusst.
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Selbständiger Gegenstand
der Erfindung ist darüber
hinaus ein Sinterrohling für
den Formkopf eines Gewindeformers, der im gleichmäßigen Axialabstand
zueinander liegende Profilvorsprünge
mit vorgeformten Drückstollen
hat, so dass die Endbearbeitung des Formkopfs nach dem Fertigsintern – in der Regel
das Schleifen auf Endmaß – auf ein
Minimum beschränkt
bleiben kann. Diese von Sinterrohlingen gebildeten Formköpfe können vom
Hersteller als Halbzeuge bezogen werden. Vorteilhafter Weise werden
diese Formköpfe
dann mit Aufmaßen
in der Größenordnung
von lediglich 0.5 mm bezogen auf Nennmaß geschliffen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Nachstehend
werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Werkzeugs zur Einformung eines
Innengewindes nach einem neuen Verfahren;
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2 den
schematischen Schnitt gemäß II-II in 1;
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3 eine
schematische perspektivische Ansicht einer besonders vorteilhaften
Variante des für
das Werkzeug verwendeten Formkopfs als Rohling vor dem Einbringen
von Gewindeprofilvorsprüngen;
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4 eine Darstellung zur Verdeutlichung, wie
die einzelnen Arbeitsschritte zur Herstellung eines Innengewindes
mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
aneinander gereiht werden; und
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5 eine
schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer bevorzugten Einfahrschleife
für das
Formwerkzeug.
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In
den 1 und 2 ist schematisch ein Werkzeug
gezeigt, mit dem ein besonderes Verfahren zur Herstellung von Gewinden,
insbesondere von Innengewinden, durchgeführt werden kann und das grundsätzlich vom
Aufbau her dem erfindungsgemäßen Werkzeug
entspricht.
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Es
handelt sich um einen um eine Schaftachse 14 drehantreibbaren
Gewindeformer 10, mit dem die Gewindegänge spanlos durch Druckumformung aus
der Oberfläche
des Werkstücks,
nämlich
aus der Innenoberfläche
einer Werkstückbohrung,
die in 1 mit strichpunktierter Linie 16 angedeutet
ist, heraus getrieben wird.
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Das
Werkzeug 10 hat einen Schaft 12 und einen Formkopf 18.
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Der
Formkopf 18 hat eine Vielzahl von nach der Art eines Gewindefräsers ausgebildeten
und in konstantem axialen Abstand T (Teilung) zueinander stehenden
Profilvorsprüngen 20,
die – wie
sich aus der 2 ersehen lässt – über den Umfang durchgehend
sind. Sie haben – wie
ebenfalls aus 2 erkennbar – eine sich über den
Umfang verändernde radiale
Erstreckung, die zwischen ERMAX und ERMIN liegt, so dass im Bereich
eines jeden Profilvorsprungs 20 über den Umfang zumindest ein
Drückstollen 22 (bei
der Ausführungsform
nach 1 und 2 sind es vier Drückstollen 22)
entsteht.
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Die
Profilvorsprünge 20 sind
axial zueinander um das Maß der
herzustellenden Gewindsteigung versetzt, d.h. das Maß T entspricht
der Gewindesteigung des herzustellenden Gewindes.
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Man
erkennt aus der Darstellung der 2, dass
der Kernquerschnitt des Formkopfs 18 eine Polygonform hat
und dass die radiale Tiefe RT der Profilvorsprünge 20 über den
gesamten Umfang im Wesentlichen gleich bleibt. Es soll aber bereits
an dieser Stelle hervor gehoben werden, dass dieses Detail nicht
unabdingbar ist. Auch kann die Umfangskontur des Kernquerschnitts
und/oder die Kontur der Einhüllenden
der Profilvorsprünge 20 ohne
weiteres variiert werden, so lange die Funktion der Drückstollen 22 aufrecht
erhalten bleibt.
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Der
Formkopf 18 hat eine axiale Erstreckung EA, die im Wesentlichen
der Länge
TG (siehe Position 4.5 der 4)
des zu erzeugenden Gewindes entspricht.
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Man
erkennt aus der 2, dass die Drückstollen 22 über den
Umfang gleichmäßig verteilt
sind. Sie können
aber auch ungleich verteilt sein, um die Schwingungsneigung des
Werkzeugs zu verringern.
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Das
Herstellungsverfahren unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Gewindeformwerkzeugs wird
unter Bezug auf die 4 näher beschrieben:
Das
Gewinde wird dadurch gebildet, dass das nach der Art eines Gewindefräsers mit
den zumindest zwei in konstantem Abstand T zueinander stehenden
Profilvorsprüngen 20 ausgestattete
Schaftwerkzeug 10 in Drehbewegung versetzt und – wie in 4A auf der
linken Seite unter Position 4.1 dargestellt – zentrisch
oberhalb der Werkstückbohrung 16 positioniert wird.
Das Werkzeug 10 kann so ausgebildet sein, dass im Übergangsbereich
zum Schaft 12 eine Schneide 24 zur Anbringung
einer Fase 26 vorhanden ist, was in der Position 4.2.
angedeutet ist.
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Anschließend wird
das Werkzeug 10 axial so weit aus dem Zentrum parallel
zu sich selbst heraus gefahren, bis die Werkzeugspitze 28 – wie in
Position 4.3 gezeigt – das
Sollmaß TG
der Gewindetiefe erreicht hat. Dann erfolgt die radiale Zustellung
des Werkzeugs 10, und zwar in der Weise, dass es – wie in
Position 4.4 gezeigt – zunächst an
einer Umfangsstelle SU eine Radialposition erreicht, die für das Eindrücken des
Gewindes unter plastischer Verformung des Werkstücks auf Sollmaß des Flanken- und/oder Nenndurchmessers
erforderlich ist. Dieses Maß wird in
der Regel empirisch bestimmt und hängt u.a. von den Werkstoffparametern
(Fließverhalten)
des Werkstücks
und den Parametern des Formvorgangs ab.
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Die
Bahn, auf der das Werkzeug 10 aus dem Zentrum der Werkstückbohrung 16 heraus
in die Position SU gebracht wird ist mit dem Pfeil ES bezeichnet.
Diese Kurve beschreibt quasi eine Art Einfahrschleife, auf die später noch
näher eingegangen
werden soll.
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Nachdem
das Werkzeug 10 somit auf volle Bearbeitungs- bzw. Gewindetiefe
gebracht ist, führt es
unter Beibehaltung der zur Achse 30 der Werkstückbohrung 16 eingestellten
Exzentrizität
EX der Drehachse 14 eine 360° durchlaufende Kreisbewegung
(Zirkularbewegung BZ, siehe Pfeil in Position 4.5) um die
Achse 30 der Werkstückbohrung 16 aus, während der
Formkopf 18 gleichzeitig eine konstante axiale Vorschubbewegung
BV um das Maß der
herzustellenden Gewindsteigung P ausführt. Dabei wird das Material
des Werkstücks
durch die sukzessive in Eingriff tretenden Drückstollen quasi einer kontinuierlichen
Druckumformung nach der Art einer Hämmerbearbeitung unterworfen,
die das Material zum Fließen
bring, so dass es gesteuert in die Nuten 42 zwischen den
Profilvorsprüngen 20 eindringen
kann. Das Gewinde erhält
auf diese Weise eine ähnliche Qualität und Geometrie
im Bereich der Gewindezähne
wie beim Gewindeformen.
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Wenn
diese Zirkularbewegung (BZ) abgeschlossen ist, ist das Gewinde fertig
eingeformt. Durch Korrektureingriffe im Bereich der Steuerung für die Zirkularbewegung
kann während
des Ausformvorgangs gezielt und laufend Einfluss auf die Toleranz
des Flanken- und des Nenndurchmessers genommen werden, was der Einsatzdauer
des Werkzeugs 10 zugute kommt.
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Wenn
das Werkzeug 10 die Position SU wieder erreicht hat, wird
es auf einer Kurve AS radial nch innen gefahren – wie in Position 4.6 gezeigt –, so dass
die Profilvorsprünge 20 des
Formkopfs 18 außer
Eingriff mit dem hergestellten Innengewinde 34 gelangen.
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Anhand
der 1, 2 und 4 ist
das Verfahren zum „spanlosen
Gewindefräsen" mittels eines Werkzeugs 10 beschrieben
worden, das eine sich in axialer Richtung unveränderten Querschnitt hat. Damit
kommen die Drückstollen 22 aller
Profilvorsprünge 20 jeweils
gleichzeitig in Eingriff mit dem zu verdrängenden Werkstoff des Werkstücks. Zur
Beherrschung der dadurch auftretenden und vom Schaft 12 des
Werkzeugs 10 aufzunehmenden Kräfte wird der Vorschub in Zirkularrichtung
derart auf die Drehzahl des Werkzeugs abgestimmt, dass die Verformungsarbeit
der im Eingriff befindlichen Drückstollen 22 möglichst
klein bleibt.
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Um
diese Kräfte
noch gleichmäßiger auf
das Werkzeug 10 einbringen zu können, sind – entsprechend der 3 – erfindungsgemäß die Drückstollen 122 benachbarter
Profilvorsprünge
in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Vorteilhafter Weise liegen die
axial benachbarten Drückstollen 122 des
Formkopfs 118 jeweils entlang einer Wendel, die in 3 mit
der gestrichelten Linie W angedeutet ist. Mit anderen Worten, die 3 zeigt
einen vorgefertigten oder vorbearbeiteten Rohling für eine Formkopf 118, in
den dann die Profilnuten 142 eingearbeitet werden, um den
Formkopf fertig zu stellen.
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5 schließlich zeigt
in etwas vergrößertem Maßstab ein
Detail der Ausbildung der Einfahrschleife ES. Man erkennt, dass
die Bewegung entlang einer durch 180° geführten Kreisbewegung erfolgt,
was sich positiv auf die Werkzeugbelastung auswirkt. Es ist jedoch – insbesondere
bei größerer Durchmesserdifferenz
zwischen Werkzeug und Gewinde gleichermaßen vorteilhafte, eine Viertelkreiseinfahrschleife
zu wählen,
die leichter zu programmieren ist.
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Das
vorstehend beschriebene Werkzeug kann gleichermaßen für die Herstellung von Rechts-, wie
von Linksgewinden verwendet werden, wobei diesbezüglich nur
die Vorschubrichtung BV und ggf. die Drehrichtung des Werkzeugs
umgekehrt werden muß,
so dass im Gleichlauf- und/oder
Gegenlauf verformt werden kann.
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Zur
zusätzlichen
Verbesserung der Bearbeitungsqualität kann der Formkopf zumindest
im Bereich der am höchsten
beanspruchten Abschnitte, d.h. im Bereich der Drückstollen 22, 122 mit
einer Beschichtung versehen sein, die vorzugsweise als Hartstoffschicht
ausgebildet ist. Für
diese Hartstoffschicht kommt z.B. Diamant, vorzugsweise nanokristalliner Diamant
in Frage, Titan-Nitrid- oder Titan-Aluminium-Nitrid. Besonders geeignet
sind u.a. eine Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht und eine sogenannte Mehrlagen-Schicht,
die unter der Bezeichnung "Fire I" von der Firma Gühring oHG
vermarktet wird. Dabei handelt es sich um eine TiN-/(Ti,Al)N-Mehrlagen-Schicht.
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Besonders
bevorzugt kann es sich hier um eine Verschleißschutzschicht handeln, die
im wesentlichen aus Nitriden mit den Metallkomponenten Cr, Ti und
Al und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen zur Kornverfeinerung
besteht, wobei der Cr-Anteil bei 30 bis 65 %, vorzugsweise 30 bis
60 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 %, der Al-Anteil bei 15 bis
80 %, beispielsweise 15 bis 35 % oder 17 bis 25 % und der Ti-Anteil
bei 16 bis 40 %, vorzugsweise 16 bis 35 %, besonders bevorzugt 24
bis 35 %, liegt, und zwar jeweils bezogen auf alle Metallatome in
der gesamten Schicht. Dabei kann der Schichtaufbau eilagig sein
mit einer homogenen Mischphase oder er kann aus mehreren in sich
homogenen Lagen bestehen, die abwechselnd einerseits aus (TixAlyYz)N mit
x = 0,38 bis 0,5 und y = 0,48 bis 0,6 und z = 0 bis 0,04 und andererseits
aus CrN bestehen, wobei vorzugsweise die oberste Lage der Verschleißschutzschicht
von der CrN-Schicht gebildet ist.
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Der
Formkopf 18, 118 und/oder der Schaft bzw. das
das gesamte Werkzeug 10 der gezeigten Ausführungsbeispiele
kann aus unterschiedlichsten Materialien bestehen, besonders vorteilhaft
ist aber ein Material, das eine große Stabilität und Verschleißfestigkeit
aufweist. Der Schaft des Werkzeugs sollte eine besonders hohe Biegefestigkeit
haben, damit die radial auf den Formkopf 18, 118 einwirkenden Kräfte gut
abgefangen werden können,
was der Herstellungsgenauigkeit des Gewindes zugute kommt.
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Auch
bei dem hier vorliegenden Beanspruchungsprofil können die Kriterien Abriebverschleiß und Warmhärte von
entscheidender Bedeutung sein, so dass auch Cermet-Sorten, wie z.B.
ein Cermet der Sorte „HTX", das von der Firma
Kennametal-Hertel vermarktet wird, gut eingesetzt werden kann. Gute Ergebnisse
erzielt man darüber
hinaus mit den Sorten „SC30" der Herstellerfirma
Cerasiv GmbH (Feldmühle)
und „Tungaly
NS530" der Firma
Toshiba Europa GmbH.
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Besonders
bevorzugt als Material für
das Werkzeug ist die Verwendung eines Hartstoffs, wie z. B. eines
Carbids, eines Nitrids, eines Borids oder eines nichtmetallischen
Hartstoffs bzw. eines Hartstoffsystems, wie es beispielsweise auch
in Form von Mischcarbiden, Carbonnitriden, Carbid-Borid-Kombinationen
oder Mischkeramik und Nitridkeramik bekannt geworden ist. Dabei
können
auch diejenigen Hartstoffe eingesetzt werden, die als Sinter-Formteile herstellbar
sind.
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Der
Formkopf 18, 118 besteht bei der Ausgestaltung
nach den 1 bis 5 aus Vollhartmetall, er
kann aber auch aus einem anderen Hartstoff, also auch beispielsweise
aus einem Cermet-Sinter-Formteil hergestellt sein, in das die Geometrie
des Formkopfs, d.h. die Polygonform des Kerns und/oder die Formrillen
bereits vor dem Sintern eingebracht sind. Dies kann beispielsweise
durch geeignete Formen beim Pressvorgang geschehen oder aber durch
eine geeignete Nachbearbeitung des Sinterrohlings vor dem Sintervorgang.
Damit kann also der Sinter-Rohling mit einem geringen Aufmaß bezogen
auf den Nenndurchmesser vorgefertigt sein. Dabei genügt es beispielsweise,
das Aufmaß im
Bereich von etwa 0.5 mm bezogen auf die Endmaße zu beschränken. Es ist
sogar möglich,
die polygonform des Kernabschnitts des Formkopfs im Bereich zwischen
den Polygonkanten bereits im Urformprozess mehr oder weniger auf
Endmaß vor
zu formen, so dass eine Schleif-Bearbeitung auf Endmaß in diesem
Bereich nach dem Sintervorgang sogar entfallen kann. Ein Schleifen
auf Endmaß ist
somit lediglich noch im Bereich der Formzähne 18, 118 erforderlich.
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Aufgrund
der sehr hohen Werte von Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und E-Modul
von Hartstoffen, insbesondere von Hartmetall oder Cermet, verformt
sich der Schaft, wenn er aus derartigen Werkstoffen hergestellt
ist, auch bei sehr großen
Radialkräften,
die über
die gesamte Länges
des Formkopfs einwirken, nur sehr geringfügig, so dass die Formgenauigkeit
auch dann auf einem sehr guten Niveau gehalten werden kann, wenn
besonders schwer zu verformende Werkstoffe bearbeitet werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass auch der Werkstoff Cermet für den Formkopf 18, 118 besonders
geeignet ist. Der Werkstoff hat eine geringe chemische Affinität zu Stahllegierungen,
einen geringeren Wärmeleitkoeffizient,
eine höhere
Wärmhärte und
ein verhältnismäßig feinkörniges Gefüge, so dass
kleine Formkantenradien erzielbar sind. Der im Vergleich zu Hartmetall
um den Faktor 7 kleinere Wärmeleitkoeffizient
von Cermet bewirkt, dass die erzeugte Verformungswärme nicht
unmittelbar in den Formkopf fließt und somit niedrigere Betriebstemperaturen
am Werkzeug auftreten, was wiederum eine höhere Maßkonstanz über den gesamtem Formprozess
ermöglicht.
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Die
Erfindung ist aber nicht auf ein bestimmtes Material für den Formkopf
und/oder Schaft oder auf eine bestimmte Hartstoff- wie z.B. Cermet-Qualität beschränkt, die
der Durchschnittsfachmann je nach Einsatzgebiet des Werkzeugs aus
dem inzwischen breitgefächerten
Angebot der Hartstoffe auswählt.
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Insbesondere
die Sorte „HTX" zeigt besonders
hohe Standzeiten, d. h. einen sehr geringen Volumenverschleiß, gegenüber anderen
Cermet-Sorten beim Formvorgang, insbesondere beim Formen ohne Schmierung.
Der Sinterwerkstoff kann aber ebenso nach anderen Kriterien ausgewählt werden, wie
z. B. nach der erwünschten
Biegefestigkeit oder nach dem jeweiligen zu bearbeitenden Werkstoff.
So hat sich beispielsweise für
die Bearbeitung von Guss und Aluminium der Werkstoff Hartmetall
in der sogenannten K-Qualität
als besonders günstig
bezüglich der
erzielbaren Standzeit erwiesen.
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Der
Werkstoff für
den Schaft kann entsprechend einer Variante auch so ausgewählt werden, dass
sich eine geringe Schwingungsneigung ergibt. Hier können deshalb
auch herkömmliche
Vergütungsstähle und
Werkzeugstähle
zur Anwendung kommen, beispielsweise der Vergütungsstahl 42CrMo4 mit Zugfestigkeiten
1000 N/mm2 < sigma < 1500 N/mm2.
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Selbstverständlich sind
Abweichungen von den vorstehend beschriebenen Varianten des Werkzeugs
und des Verfahrens möglich,
ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
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So
kann die Kinematik der Bewegung des Werkzeugs bezüglich des
Werkstücks
selbstverständlich
umgekehrt werden, so dass beispielsweise das Werkstück die Bewegung
der Einfahrschleife und/oder der Zirkularbewegung ausführt.
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Die
Polygonform im Formkopf muß auch nicht
zwingend bereits vor einem Sintervorgang eingebracht werden. Es
ist gleichermaßen
möglich,
die Rohfrom des Kopfs mit seiner Polygonquerschnittsgesteltung und/oder
der Profilvorsprünge
nach dem Sintervorgang in den Schneidkopf einzubringen.
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Der
Formkopf bzw. das gesamte Werkzeug kann auch aus anderen Materialien
bestehen, vorteilhafterweise aus einem hochfesten Werkstoff, wie
z. B. aus Hartmetall, Schnellstahl wie z. B. HSS, HSSE oder HSSEBM,
Keramik, Cermet oder aus einem anderen Sintermetall-Werkstoff.
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Ferner
ist es möglich,
eine Kühl-
und Schmiermittel-Versorgung – auch innenliegend – vorzusehen.
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Die
Erfindung ist ferner auch dann anwendbar, wenn die axiale Länge des
zu formenden Gewindes die Länge
des Formkopfes 18, 118 überschreitet. In diesem Fall
wird die Bewegungskinematik der 4 mehrfach
hintereinander, d.h. mit axialer Staffelung der Gewindeformung durchgeführt.
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Grundsätzlich ist
das vorstehend beschriebene Formprinzip auch auf die Herstellung
von Außengewinden
anwendbar.
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Die
Erfindung schafft demnach ein Werkzeug zur Herstellung von Gewinden,
insbesondere von Innengewinden, das ein Herstellungsverfahren ermöglicht,
bei dem die Innenoberfläche
(16) einer Werkstückbohrung
mittels spanloser Druckumformung bearbeitet wird. Das Werkzeug hat
einen Formkopf (18; 118) mit zumindest zwei nach
der Art eines Gewindefräsers
ausgebildeten und in konstantem axialen Abstand (T) zueinander stehenden
Profilvorsprüngen
(20), die über
den Umfang durchgehend und mit sich über den Umfang verändernder
radialer Erstreckung (ERMIN, ERMAX) ausgebildet sind, so dass im
Bereich eines jeden Profilvorsprungs (20) über den
Umfang zumindest ein Drückstollen (22; 122)
entsteht. Die Profilvorsprünge
(20) bilden mit der sich über den Umfang ändernden
radialen Erstreckung (ERMIN, ERMAX) über den Umfang jeweils mehrere
Drückstollen
(22; 122) aus. Die Drückstollen (122) benachbarter
Profilvorsprünge
sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Um Gewinde unterschiedlicher
Nenndurchmesser besonders wirtschaftlich und mit verbesserter Gefügequalität im Bereich
des Gewindes herstellen zu können,
wird das Gewinde dadurch gebildet, dass das Werkzeug zunächst an
einer Umfangsstelle der Werkstückbohrung
in das Werkstück
eingefahren wird, vorzugsweise auf volle Gewindetiefe gebracht wird,
und unter Beibehaltung der zur Achse der Werkstückbohrung eingestellten Exzentrizität der Drehachse
eine 360° durchlaufende
Relativ-Kreisbewegung (Zirkularbewegungs) bezüglich der Achse der Werkstückbohrung
ausführt,
während
der Formkopf gleichzeitig eine konstante axiale Relativ-Vorschubbewegung
um das Maß der
herzustellenden Gewindsteigung ausführt.