-
Verfahren zur Herstellung eines selbst-bohrenden Befestigungselements
und selbst-bohrendes Befestigungselement Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung eines selbst-bohrenden Befestigungselements, z.B. einer selbst-bohrenden
Schraube, und auf ein selbstbohrendes Befestigungselement.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ausführungsform
einer selbst-bohrenden Schraube und ein Verfahren zur Herstellung derselben sowie
zur Bildung eines Bohrabschnitts an einem Rohling eines Befestigungselements anzugeben.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bohrabschnitts
an einem Rohling eines Befestigungselements umfaßt die folgenden schritte: Am allgemein
zylindrischen freien Endabschnitt eines Schafts oder Zapfens des Rohlings werden
durch Warm- oder Kaltverformung zwischen zusammenwirkenden Gesenken zwei einander
diametral gegenüberliegende, in entgegengesetzten Richtungen unter gleichen spitzen
Winkeln gegenüber der Schaftachse geneigte gerade Drallnuten ausgebildet; es wird
ein Kreuzungspunkt gewählt, an dem die Drailnuten über den Schaft am engsten aneinander
angenähert sind; und es werden zwei ebene Flächen am Schaft ausgebildet, die auf
einander gegenüberliegnden - Seiten unter gleichen Winkeln zur Achse des Schafts
geneigt angeordnet sind und einander auf einer die Achse an oder nahe dem Kreuzungspunkt
durchstoßenden Schnittlinie schneiden, wobei die Schnittlinie um die Schaftachse
gegenüber der Schneidkante jeder Drallnut vorlaufend winkelversetzt angeordnet wird
und durch die Neigung der von der Schnittlinie nach außen abgehenden Fläche ein
Schneidkanten- bzw.
-
Freiwinkel hinter der Schneidkante jeder Drallnut gebildet wird.
-
Vorzugsweise verläuft die Bewegungsrichtung jedes Gesenkteils beim
Formen der Drallnuten unter einem spitzen Winkel
zu den Vorder-
und Rückflanken der von dem Gesenkteil ausgebildeten Drallnut.
-
In Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß an dem Teil des
Bohrabschnitts mit dem größten Durchmesser zwei weitere ebene Flächen parallel zur
Schaftachse geformt werden. Die beiden weiteren ebenen Flächen können von den Gesenkteilen
während der Warm- oder Kaltverformung gebildet oder durch Bearbeitung hergestellt
werden.
-
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
daß die äußeren Kanten der Drallnuten abgedreht werden, wobei eine schmale Fase
hinter der Schneidkante in jeder Drallnut gebildet wird.
-
Der Bohrabschnitt kann in der Zone der Drallnuten gleicht verjüngt
ausgebildet werden, wobei der dem Schacht benachbarte Teil kleinere Querschnittsabmessungen
als der dem freien Ende benachbarte Teil hat.
-
Ausgehend von einem selbstbohrenden Befestigungselement mit einem
Kopf und einem Schaft bzw. Zapfen, dessen dem Kopf benachbarter Abschnitt mit einem
Außengewinde und dessen freies Ende mit einem Bohrabschnitt versehen ist, wobei
am Bohrabschnitt zwei einander diametral gegenüberliegende, in entgegengesetzten
Richtungen unter gleichen spitzen Winkeln gegenüber der Schaftachse geneigte Drallnuten
ausgebildet
sind, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Drallnuten gerade sind und über
dem Schaft an einem Kreuzungspunkt einander am nächsten kommen, daß am Bohrabschnitt
zwei ebene Flächen ausgebildet sind, die auf einander gegenüberliegenden Seiten
unter gleichen Winkeln zur Achse des Schafts geneigt angeordnet sind und einander
auf einer die Achse an oder nahe dem Kreuzungspunkt durchstoßenden Schnittlinie
schneiden, und daß die Schnittlinie um die Schaftachse gegenüber der Schneidkante
jeder Drallnut vorlaufend winkelversetzt angeordnet ist, wobei durch die Neigung
der von der Schnittlinie nach außen abgehenden Fläche ein Schneidkanten- bzw. Freiwinkel
hinter der Schneidkante jeder Drallnut gebildet ist.
-
Bei diesem Befestigungselement können in Weiterbildung der Erfindung
an dem Teil des Bohrabschnitts, der den größten Durchmesser hat, zwei etwa parallel
zur Achse des Befestigungselements verlaufende ebene Flächen ausgebildet sein. Ferner
kann hinter der Schneidkante jeder Drallnut eine schmale Fase ausgebildet sein.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Bohrabschnitt
in der Drallnutenzone derart querschnittsverjüngt, daß der dem Schaft benachbarte
Teil geringere Querabmessungen als der dem freien Ende benachbarte Teil hat.
-
Die ebenen Flächen können einander oberhalb, unterhalb oder im Bereich
des imaginären Kreuzungspunktes schneiden.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht auf
einen Abschnitt eines Rohlings eines Befestigungselements nach der anfänglichen
Nutausbildung; Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 1; Fig. 3 eine
Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1; Fig. 4 eine Seitenansicht auf einen
Bohrabschnitt nach einer weiteren Bearbeituns; Fig. 5 eine Ansicht von unten auf
den Bohrabschnitt gemäß Fig. 4; Fig. 6 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeils
C der Fig. 5; Fig. 7 eine Seitenansicht ähnlich der Fig. 4 auf eine alternative
Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Bohrabschnitts Fig. 8 eine Ansicht
von unten - ähnlich der Ansicht.
-
gemäß Fig. 5 - auf den Bohrabschnitt gemäß Fig. 7;
Fig.
9 eine schematische Seitenansicht auf einen Bohr abschnitt nach Ausführung einer
weiteren Bearbeitungsoperation; Fig. 10 eine Ansicht von unten auf die Bohrabschnittsausführung
gemäß Fig. 9; Fig. 11 eine Ansicht in Richtung des Pfeils D derFig. 10; Fig. 12
eine zur Ansicht gemäß Fig. 9 rechtwinklige Ansicht; Fig. 13 eine Ansicht von unten
auf eine Bohrabschnittsausführung ähnlich derjenigen gemäß Fig 8 nach Durchführung
einer weiteren Bearbeitung; Fig. 14 eine Ansicht von unten ähnlich derjenigen gemäß
Fig. 13 nach einer Drehbearbeitung; Fig. 15 eine Schnittansicht ähnlich der Fig.
3, in der die Wirkung der Drehbearbeitung veranschaulicht ist; Fig. 16 die Bildung
eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des .Bohrabschnitts in einem Gesenk; und
Fig. 17 einen Teilschnitt auf der Linie E-E der Fig. 14.
-
Die Herstellung des Bohrabschnitts bzw. -endes beginnt mit der Bildung
eines Rohlings 10. Der Rohling kann bolzenförmig oder mit einem Kopf ausgebildet
sein und kann entweder einen
mit Außengewinde versehenen Zapfen
bzw. Schaft aufweisen oder einen solchen Durchmesser haben, daß ein Gewinde der
gewünschten Form nachträglich aufgebracht werden kann. Das freie Ende des Rohlings
10, an welchem der Gewindeabschnitt ausgebildet werden soll, wird im folgenden als
"freier Endabschnitt" 11 bezeichnet. Dieser freie Endabschnitt kann je nach Bedarf
zylindrisch, gestuft oder konisch ausgebildet sein.
-
Zwei zusammenwirkende Gesenke bzw. Formen werden in einem Warm- oder
Kaltverformungsprozeß dazu verwendet, zwei gerade Drallnuten 12 in der in den Fig.
1 bis 4 der Zeichnung dargestellten Weise auszubilden.
-
Während der Verformung wird der freie Endabschnitt des Schafts zwischen
den zusammenwirkenden Gesenken bzw. Formwerkzeugen gestaucht, wobei die Gesenke
so geformt sind, daß das Material des Schafts unter Bildung von zwei geraden, einander
diametral gegenüberliegenden Nuten 12, die in entgegengesetzten Richtungen unter
gleichen spitzen Winkeln b zur Achse 13 des Schafts geneigt sind, zum Fließen gebracht
wird. Die Nuten sind bei dieser Formung gerade und nicht schraubenlinienförmig.
-
Der Formgebungsvorgang wird weiter unten genauer beschrieben.
-
Das bei der Formgebung aus den Nuten. 12 verdrängte Material bildet
zwei Wulste 14, welche die maximale Querabmessung des Bohrabschnitts rechtwinklig
zur Schaftachse darstellen, wobei diese Querabmessung etwas größer als der vorgesehene
Kerndurchmesser des Gewindeabschnitts des Schafts ist. Nach der Ausführung weiterer
Bearbeitungen bis zur Endbearbeitung des Bohr abschnitts am freien Endabschnitt
des Befestigungselements kann mit dem Bohrabschnitt ein Loch gebohrt werden, dessen
Querschnitt zum Eindringen des Befestigungselements ausreicht, jedochnicht so groß
ist, daß das am Schaft 10 vorgesehene selbst schneidende Gewinde nicht mehr greift.
-
Aus Fig. 2, in der ein teilweise geformtes Befestigungselement entlang
einer der Nuten 12 gezeigt ist, ist zu sehen, daß die Nut etwa V-förmig ausgebildet
ist und zwei Seitenwände bzw. Flanken 15 hat, welche einander auf einer geraden
Linie 16 schneiden. Diese Vorder- und Rückflanken sind unter einem Winkel 2a gegeneinander
geneigt. Die zuvor bezeichneten Winkel a und b sind so gezeigt, daß sie dem fertigen
Bohrabschnitt in einer nachfolgend noch zu beschreibenden Weise den richtigen "Spanwinkel"
geben.
-
Da die Nuten als gerade Nuten ausgebildet und mit entgegengesetzten
Drallwinkeln angeordnet sind, gibt es einen mit dem Pfeil X in Fig. 1 bezeichneten
Punkt, bei dem die Mittellinie 16 jeder Nut über die Schaftachse der gegenüberliegenden
anderen Nut am nächsten kommt. An diesem Punkt ist der Kern bzw. die Seele zwischen
den beiden
Nuten am dünnsten, und die Lage dieses Kreuzungspunkts
X muß festgelegt werden, bevor der nächste Schritt bei der Herstellung des Bohrabschnitts
begonnen wird.
-
Um einen zufriedenstellenden Bohrabschnitt herzustellen, ist es notwendig,
das in den Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung gezeigte freie Ende 11 des Rohlings einer
Weiterbearbeitung zu unterziehen. Zwei unter gleichen Winkeln geneigte ebene Flächen
müssen durch Abarbeiten oder Entfernen von Metall vom freien Ende 11 des Schafts
bis zu einem Punkt an oder nahe dem Kreuzungspunkt X der Nuten geformt werden, um
einen Bohrabschnitt mit einem meißelförmigen Ende und zwei von diesem konisch ablaufenden
Nuten zu bilden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6 schneiden sich
die ebenen Flächen über dem Kreuzungspunkt; in den Fig. 7, 8, 13 und 14 schneiden
sie sich unterhalb und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 9 bis 12 schneiden
sie sich im wesentlichen am Kreuzungspunkt.
-
Daher dient die Bearbeitung oder andere Formgebungsoperation der Entfernung
von Metall unter der Schnittlinie B-B in Fig. 1, wodurch die in Fig. 4 dargestellte,
zwischenbearbeitete Bohrspitze entsteht.
-
Die Bearbeitung erfolgt auf geeignete Weise so, daß zwei geneigte,
flache Oberflächen geschaffen werden. So kann beispielsweise ein V-förmiges Räum<Nadel
)Werkzeug derart am Ende des Befestigungselements zum Angriff gebracht werden,
daß
es in derRichtung der vorgesehenen Schnittlinie der beiden flachen Flächen, d.h.
der Querschneide der fertigen Bohrschraube wirksam ist. In alternativer Verfahrensweise
können die Flächen durch Fräsen oder Schleifen gebildet werden, sofern sie im wesentlichen
flach sind. Die Flächen schließen mit der Achse des Befestigungselements gleiche
Winkel ein, und in Fig. 6 ist der Komplementärwinkel d angegeben, der bei der späteren
Berechnung des Spanwinkels der Nuten verwendet wird.
-
In den Fig. 4, 5 und 6 sind die ebenen Flächen mit 17 bezeichnet,
und ihre Schnittlinie, die Querschneide bzw.
-
Meißel spitze der Schraube, ist mit 18 bezeichnet.
-
Die Lage der Schnittlinie 18 ist für die ordnungsgemäße Funktion des
shrakschnitts von weaentliçher Bedeut Wenn die Schraube zur Bildung der flachen
Flächen 17 richtig ausgerichtet ist, liegt die Schnittlinie 18 winkelmäßig kurz
vor jeder Schneidkante der Nuten 12. Daher liegt die Schneidkante 19 mit Winkelabstand
hinter der die Querschneide definierenden Linie 18, so daß das Metall der Schraube
von der Linie 18 aus geneigt abgeht und einen Schnittkanten- bzw. Freiwinkel hinter
der Schneidkante 19 jeder Nut zu Bohrzwecken bildet.
-
Vor der Bearbeitung ist es notwendig, die Rohlinge genau zu orientieren,
damit ein vorgegebener Winkel c zwischen der Richtung des Pfeils C (entlang der
Schnittlinie 18) und
dem Teil der Schraube mit der rechtwinklig
zur Schraubenachse größten Querabmessung genau definiert. wird. Hierdurch wird sichergestellt,
daß die Querschneide die richtige Lage in Bezug auf die Schneidkanten 19 der Nuten
einnimmt. Bei Verwendung eines Räumwerkzeugs zur Bildung der Bohrspitze wirkt das
Werkzeug in Richtung des Pfeils C.
-
Bei dem in den Fig. 1 bis 6 der Zeichnung dargestellten vorgeformten
bzw. vorbearbeiteten Bohrabschnitt schneiden sich die ebenen Flächen 17 kurz oberhalb
des Kreuzungspunkts X der Nuten 12.
-
Bei dem vorbearbeiteten Bohrabschnitt der in den Fig. 7 und 8 dargestellten
Ausführung schneiden sich die ebenen Flächen 17a kurz unterhalb des Kreuzungspunkts
X (sShe Fig. 7.
-
Bei dieser Ausführung sind die Schneidkanten der Nuten gerade und
stoßen direkt auf die Querschneide 18a der Schraube, wodurch gegenüber dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem ein kleiner Radius zwischen den Schneidkanten
und der Querschneide vorhanden ist, etwas verbesserte Schneideeigenschaften erzielt
werden. Dieses Merkmal ist bei Vergleich des leicht abgerundeten Zentralabschnitts
der Schneidkante 19 in Fig. 5 mit der vollständig geraden Schneidkante 19a des Ausführungsbeispiels
gemäß Fig. 8 zu erkennen.
-
Weitere Bearbeitungsvorgänge werden vorzugsweise an dem vorläufigen
Bohrabschnitt durchgeführt, um gute Bohreigenschaften zu gewährleisten. Die als
erstes nachfolgende Bearbeitung ist ein Abarbeiten oder eine sonstige Entfernung
des Metalls von den bei der Formung des Bohrabschnitts nach außen gedrückten Wülsten.
Die Wirkung dieses Vorgangs ist in den Fig. 9 bis 11 dargestellt, welche auch die
einander im wesentlichen am Kreuzungspunkt X schneidenden, geneigten und ebenen
Flächen 17b zeigen.
-
Auch in diesem Falle sind die Schneidkanten 19b des Bohrabschnitts
an ihrer Schnittstelle mit der Querschneide 18b leicht gekrümmt.
-
Gemäß den Fig. 9 bis Ii sind zwei weitere ebene Flächen 20 am Bohrabschnitt
ausgebildet, und zwar an dessen dicksten Teil 14, der während der Formung der Drallnuten
(Fig. 1) nach außen gedrückt worden ist. Diese Flächen 20 können genau parallel
zu einander und mit gleichem Abstand an entgegengesetzten Seiten der Schaftachse
angeordnet sein, oder sie können unter einem kleinen Winkel derart geneigt zueinander
verlaufen, daß der dickste Teil des Bohrabschnitts an der in der Zeichnung mit 21
bezeichneten Stelle gebildet ist. In alternativer Ausführung können die Flächen
20 hinter der mit 21 bezeichneten Stelle einwärts gestuft ausgebildet sein.
-
Die am Bohrabschnitt der Schraube ausgebildeten Umflächen 20 und die
Stirnflächen 17b verlaufen rechtwinklig zu einer
in der Zeichnung
mit 22 angegebenen, mit der Schaftachse zusammenfallenden imaginären Ebene. Diese
imaginäre Ebene fällt mit der Papierebene in Fig. 11 der Zeichnung z-usammen. Aufgrund
dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Stirnflächen 17b und die Umflächen 20 ggf.
gleichzeitig auszubilden. Es ist jedoch nicht von wesentlicher Bedeutung, daß die
Umflächen 20 parallel zur Schnittlinie -18 der flachen Flächen 17b-verlaufen, wenn
diese separat hergestellt werden.
-
Um übermäßige Abnutzung oder Beschädigung der Schneidkanten der drei
Nuten zu vermeiden, kann eine Drehbearbeitung entsprechend den Fig13und 14 folgen.
Durch diese Drehbearbeitung wird der anderenfalls an den Nutkanten verbleibende
spitze Winkel durch Ausbildung der ebenen Seiten -flächen 20 abgearbeitet. Es ist
zu sehen, daß der Winkel zwischen der abgedrehten Flasche 23 und der Schneidkante
19 größer als 900 ist, so daß die Schneidkante eine-vergleichsweise hohe Stabilität
besitzt. Vorzugsweise wird bei der Drehbearbeitung nicht die gesamte flache Oberfläche
(Umfläche) 20 abgetragen, so daß hinter den Nutkanten ein die Reibung verringernder
Zwischenraum verbleibt.
-
Wenn die durch die Bearbeitung oder andersartige Formung der Flachseiten
20 gebildeten spitzwinkligen Kanten an der Schraube verbleiben würden, wäre mit
Schwierigkeiten beim Bohren tiefer Löcher insbesondere aufgrund fortschreitender
Abnutzung
der Schneidkanten der Nuten am Ende des Bohrabschnitts zu rechnen, so daß sich eine
nach außen konische Form des Bohrabschnitts mit fortschreitendem Bohren ergibt.
Durch Abarbeiten wird das außerhalb des in der Zeichnung mit 23 bezeichneten Kreises
liegende Metall entfernt, wodurch die äußeren Kanten der Nuten abgetragen und eine
schmale Fase hinter der Schneidkante der Nut gebildet werden.
-
Mit der gleichen Bearbeitung kann der Durchmesser hinter der äußeren
Spitze des Bohrabschnitts verringert werden, um eine gewisse Spanlücke zu schaffen
und den der Drehbewegung entgegenstehenden Reibwiderstand zu verringern.
-
Dies kann zur Ausbildung einer Schulter in oder nahe der mit 24 in
den Fig. 9 und 11 bezeichneten Zone oder zu einer geraden Konizität in Richtung
des Vor der endes der Schraube führen, wobei der Teil 21 die dickste Stelle des
Bohrabschnitts bleibt.
-
Anstelle oder vor der Bearbeitung der ebenen Seitenflächen 20 können
die Seiten des Bohrabschnitts während der Formung der Nuten abgeflacht werden. Die
Gesenkteile, welche bei der Nutformung verwendet werden, können ähnlich der schematisch
in Fig. 16 der Zeichnung dargestellten Anordnung ausgebildet sein, bei der das Untergesenk
25 zwei abgeflachte Gegenflächen 26 aufweist, welche einer Materialverdrängung
nach
außen in der Zone 14 entgegenwirken. Durch diese Maßnahme wird die Möglichkeit eines
Risses oder Bruches im Bereich der engsten Stelle X der Nuten ausgeschlossen und
das Maß der Ausbauchung der WUlste 14 begrenzt. Bei Verwendung von Gesenken mit
den flachen Oberflächen 26 wird u.U. eine spätere Bearbeitung zur Herstellung der
ebenen Seitenflächen (Umflächen) 20 überflüssig. Wie in Fig. 16 zu erkennen ist,
werden die Gesenkteile in einer Richtung aufeinander zubewegt, welche unter einem
spitzen Winkel zu den Vorder- und Rückflanken der an einem Bohrabschnitt ausgebildeten
Nuten verläuft. Dies ist im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Methode der Nutbildung,
bei der die Gesenkteile in einer Richtung senkrecht zu einem Flächenpaar der Nuten
zusammenbewegt wurden.
-
Bei Verwendung von, Gaenkteilen ntspre-chend der Prinzipdarstellung
in Fig. 16 ist es möglich, einen gewünsdten Spanwinkel an der Vorderflanke der Nut
geeignet auszubilden.
-
Die Geometrie der Schraubenspitze kann so gewählt werden, daß sich
ein geeigneter Spanwinkel und auch ein geeigneter Schneidkanten- bzw. Freiwinkel
hinter der Schneidkante 19 der Nut ergibt.
-
Die Winkel a, b, c und d, auf die vorstehend Bezug genommen wurde,
sind wählbar, und es ist durch einfache
trigonometrische Berechnungen
möglich, gewisse Zwischenwinkel p, q abzuleiten, die zur Berechnung des Spanwinkels
und des Freiwinkels bei Verwendung der gewählten Werte von a, b, c und d benutzt
werden können.
-
Fig. 17 ist eine Schnittansicht entlang der Linie E-E der Fig. 14
und zeigt die Lage des Spanwinkels x und des Freiwinkels y. Dieser Schnitt ist durch
eine parallel zur Schraubenachse verlaufende Ebene gelegt, welche die Vorderflanke
unter einem Winkel von 900 schneidet. Der Spanwinkel x ermöglicht die Abführung
der Späne von der Bohrspitze nach oben, und der Freiwinkel y ermöglicht die Reduktion
des Reibwiderstands bei Umlauf des Bohr abschnitts auf ein Minimum, und zwar selbst
dann, wenn an der äußersten Schneidkante Abnutzungserscheinungen auftreten.
-
Die Beziehung zwischen den gewählten Winkeln a, b, c und d und den
abgeleiteten Zwischenwinkeln p und q ist wie folgt: Tan p = Tan a Cos b q = c +
p - 900 Nach der Bestimmung der Zwischenwinkel p und q kann der Spanwinkel x unter
Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: Tan x n Tan b Cos p
Der
Freiwinkel y kann aus der folgenden Beziehung berechnet werden: Tan y = Tan d Cos
q Wenn beispielsweise a = 60° b = 200 c = 700 d = 300 so ergibt sich für x = 10°
(angenähert) y = 23 (angenähert) Es versteht sich, daß eine Änderung einer der gewählten
Variablen a, b, c oder d zu einer Änderung des Spanwinkels und des Freiwinkels führt.