DE3909725C1 - Hole- and thread-forming screw - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine loch- und gewindeformende Schraube bis ca. 6 mm Gewindedurchmesser zum Eindrehen in Metallblech einer Dicke bis etwa 1 mm mit einem eine Werk­ zeugaufnahme aufweisenden Kopf, einem Gewindeschaft und einem daran anschließenden Zylinderteil mit einem unter dem Flankendurchmesser des Gewindeschaftes liegenden Durchmesser, der in ein sich verjüngendes Lochformteil übergeht.

Eine derartige Schraube ist aus der DE-PS 25 37 446 bekannt. Bei dieser als selbstschneidende Blechschraube bezeichneten Schraube dient der Lochformteil dazu, das die Schraube später aufnehmende Loch durch Zerspanung zu bohren, wozu der Loch­ formteil in einer ausgeprägten Spitze ausläuft, die die Spitze der Pyramide bildet, deren Kanten der Zerspanung des betreffenden Blechteils dienen. Gemäß Figur 18 dieser Patentschrift ist zwischen dem durchgehenden zylindrisch ausgebildeten Gewindeschaft und dem nach Art einer Pyramide ausgebildeten Lochformteil ein Zylinderteil angeordnet, dessen Durchmesser gleich dem Flankendurchmesser der Gewin­ degänge oder kleiner ist. Die Aufgabe dieses Zylinderteils besteht darin, das gebohrte Loch an die Zylinderform anzupas­ sen und dessen Achsrichtung senkrecht zum Loch auszurichten, um den Gewindeschaft ohne Verkantung in das Blech hineinführen zu können.

Eine weitere loch- und gewindeformende Schraube ist aus der DE-PS 27 32 695 bekannt. Auch diese Schraube beruht auf dem Prinzip, mit einer scharfen Spitze ihres kegelförmig ausgebil­ deten Lochformteils zunächst in das Material des Blechs einzudringen und in diesem einen Führungskanal aufzubohren. Der Lochformteil dieser Schraube ist darüber hinaus mit einem Gewindegang großer Steigung versehen, von dem bei weiterem Eindringen der Schraube in das Material des Blechs eine Aufweitung des von der scharfen Spitze zunächst gebohrten Führungskanals bewirkt werden soll, die sich in Form einer Ausstülpung öffnet. Das Gewinde des Gewindeschaftes geht bei dieser Schraube direkt in den Lochformteil über.

Aufgrund der feinen Zerspanung des Blechmaterials beim Eindrehen der bekannten Schrauben ergeben sich verschiedene Nachteile. Feine Metallspäne setzen sich im Inneren von Gehäusen und dergleichen ab, wo sie z. B. im Fall elektrischer Geräte unerwünschte und gefährliche Kontaktbrücken bilden können. Außerdem lassen sich feine Späne schlecht entfernen und führen insbesondere im Falle des Zutritts von Feuchtigkeit bzw. feuchter Luft zu unerwünschter Korrosion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schraube so zu gestalten, daß das Spanproblem vermieden und ein besonders fester Sitz der eingedrehten Schraube im Metallblech geschaffen wird.

Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß der Gewindeschaft über eine sich etwa über vier Gewindegänge erstreckende Verjüngung in den Zylinderteil übergeht, dessen Länge etwa der vierfachen Blechdicke entspricht, das der Lochformteil in einer balligen Reibfläche endet, die einem Radius von etwa 0,5 mm entspricht, und daß die gesamte Schraube einstückig aus vergütetem Stahl mit einer Zugfestigkeit bis etwa 1400 N/mm² bzw. einsatzgehärtetem Stahl besteht.

Die erfindungsgemäße Schraube schafft sich das Loch im Metall­ blech durch Reibung der balligen Reibfläche gegenüber dem Metallblech, das hierdurch so erhitzt wird, daß das Material in seinen plastischen Bereich überführt wird, in dem es radial so nachgiebig wird, daß sich eine erwünschte Lochauf­ weitung mit Materialverdrängung zu einer Düse ergibt. Es hat sich dabei ergeben, daß bei einem Radius von ca. 0,5 mm der Balligkeit der Reibfläche sich eine günstige Zentrierfähig­ keit, ausreichend schnelle Wärmeentwicklung bei hoher Ein­ dringgeschwindigkeit und guter Wärmefluß durch die Schraube ergeben. In die Düse dringt dann beim weiteren Eindrehen der Schraube deren Zylinderteil ein, womit die Ausformung des Loches mit der Düse beendet ist. Nunmehr greift die Verjüngung des Gewindeschaftes in das Loch ein, wodurch das Muttergewinde in dem Loch ausgeformt wird, was durch die Verjüngung ent­ sprechend erleichtert wird. Dabei ermöglicht der Zylinderteil gewissermaßen eine Abstufung der Drehzahl der einzudrehenden Schraube, da für das zunächst erfolgende Ausformen des Loches aufgrund von Reibung eine wesentlich höhere Drehzahl als für das Ausformen des Gewindes erforderlich ist. Es wird hierdurch vermieden, daß etwa während des Endes des Ausformvorganges des Loches die Gewindegänge der Verjüngung des Gewindeschaftes bereits greifen müssen.

Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Gestaltung der Schraube ergibt sich ein besonders großes Lösemoment, da die erhitzte Düse am Ende des Eindrehvorganges um den demgegenüber kälteren Gewindeschaft schrumpft. Hierdurch erhält man einen besonders erwünschten Sicherungseffekt für die eingedrehte Schraube.

Werkzeuge zum Ausformen eines Loches in einem Metallblech, die durch Reibung das Blech erhitzen und durch konische Gestaltung ihrer Vorderseite ein Loch mit düsenartigen Fortsätzen erzeugen, sind z. B. aus der DE-AS 25 52 665 und DE-AS 28 02 229 bekannt. Diese Werkzeuge bestehen aus einem schnell um ihre Achse drehbaren Dorn, der mit einer Zentrierspitze bzw. Dornspitze auf das Blech aufgesetzt wird und das Material des Bleches aufgrund von Reibungshitze so plastifiziert, daß der sich an die Spitze anschließende kegelige Teil des Werkzeugs eine Aufweitung des Lochs bis zum maximalen Durch­ messer des Kegels bewirken kann, an den sich dann ein zylind­ rischer Dornteil anschließt. Es ist auch aus der FR-PS 11 89 384 bekannt, die vorderste Stelle eines solchen Kegels abzurunden.

Die Technik dieser Werkzeuge ist bisher auf loch- und gewin­ deformende Schrauben nicht angewendet worden. Der Grund liegt offenbar darin, daß man befürchtet hat, daß die er­ hebliche Erwärmung des auf das Blech auftreffenden Werkzeug­ teils das Werkzeug bis zur Zerstörung gefährdet. Aus diesem Grunde bestehen die in der Praxis bekanntgewordenen Werkzeu­ ge, sogenannte Fließbohrer, aus warmfesten Werkstoffen, insbesondere Hartmetall. Derartige Werkstoffe kommen sowohl aus Kostengründen als auch aus technischen Gründen für die hier in Rede stehenden Schrauben nicht in Frage, da diese vor allem erheblichen Zugspannungen ausgesetzt werden, für die insbesondere Hartmetall ungeeignet ist. Es hat sich nun gezeigt, daß in Metallbleche, insbesondere Stahlbleche, bis zu einer Dicke von 1 mm, Löcher unter Verwendung eines Lochformteiles mit der erwähnten balligen Reibfläche unter Ausnutzung der dabei entstehenden erheblichen Reibungswärme geformt werden können, wenn für die Schraube als Ganzes ver­ güteter Stahl mit einer Zugfestigkeit bis etwa 1400 N/mm² bzw. einsatzgehärteter Stahl verwendet wird. Beide Materialien eignen sich aufgrund ihrer Zugfestigkeit in hohem Maße für die Verwendung als Schrauben. Dabei ergibt sich beim Formen des Loches im Metallblech aufgrund der balligen Reibfläche eine hohe Reibungswärme, die in dem relativ dünnen Metallblech schlecht abfließen kann, so daß sich im Metallblech ein dessen Plastifizierung begünstigender Wärmestau ergibt. Wegen der relativ geringen Dicke des Metallblechs findet dabei praktisch noch keine mechanische Beeinträchtigung der balligen Reibfläche statt, so daß das Loch mit solcher Geschwindigkeit ausgeformt wird, daß die Reibfläche praktisch erhalten bleibt. Selbst wenn dabei die Reibfläche beeinträch­ tigt wird, so spielt dies für das Eindringen der Schraube praktisch keine Rolle, da mit der Schraube das Formen des Loches nur ein einziges Mal erforderlich ist und anschließend daran die weitgehend problemlose Ausformung des Gewindes erfolgt.

Zweckmäßig bildet man den Lochformteil einem Kegel ähnlich aus. Der Kegel sorgt aufgrund seiner Geometrie für eine kontinuierliche Materialförderung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung.

Es kann dabei erwünscht sein, die Reibung der Kegeloberfläche gegenüber dem Material des Blechs zu vermindern, was dadurch erfolgt, daß der Kegel mit mehreren, symmetrisch angeordneten Abflachungen versehen ist, die im Querschnitt kegelig abgerun­ det ineinander übergehen. Die Verformung des Blechmaterials wird hierdurch erleichtert.

Die Materialumformung läßt sich weiter dadurch erleichtern, daß Kegel und Abflachungen in axialer Abrundung in den Zylinderteil übergehen. Aufgrund der axialen Abrundung ergibt sich bis zum Erreichen des Zylinderteils eine gleichmäßige Aufweitung des umzuformenden Materials und damit ein günstiger Materialfluß. Die Schraube kann daher hinsichtlich ihres Lochformteils zweckmäßig so gestaltet sein, daß der Kegelwinkel im Mittel etwa bei 30° bis 40° liegt.

Die Ausbildung der durch plastische Verformung gebildeten Düse ermöglicht es, in die Düse Muttergewinde einer Steigung einzuformen, die wesentlich kleiner ist als die übliche Steigung bei bekannten sogenannten Blechschrauben.

Die Schraube kann daher zweckmäßig so gestaltet sein, daß die Steigung P des Gewindes in bezug auf dessen Außendurchmesser d der Formel P = 0,15 bis 0,20 d entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schraube in Seiten­ sicht,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in vergrößertem Maßstab aus Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 einzelne Phasen des Einformens in ein Metallblech.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schraube weist den Kopf 1 auf, der hier mit dem Kreuzschlitz 2 versehen ist, der als Werkzeugaufnahme dient. An den Kopf 1 schließt sich der Gewindeschaft 3 an, der an seiner dem Kopf 1 abgewandten Seite die Verjüngung 4 aufweist. Diese Verjüngung erstreckt sich hier über vier Gewindegänge. Es ist natürlich auch möglich, die Anzahl der Gewindegänge geringfügig zu erhöhen oder zu reduzieren. Die Verjüngung ergibt sich dadurch, daß die betreffenden Gewindegänge in ihrem Außendurchmesser abnehmen. Das Gewinde des Gewindeteils 3 ist vorzugsweise gerollt.

An den Gewindeschaft 3 mit der Verjüngung 4 schließt sich der Zylinderteil 5 an, dessen Durchmesser dem Kerndurchmesser des Gewindeschaftes 3 entspricht. Der Durchmesser des Zylin­ derteils 5 kann auch geringfügig größer oder kleiner gewählt werden. Er soll jedoch unter dem Flankendurchmesser des Gewindeteils 3 liegen. Die axiale Länge des Zylinderteils 5 entspricht etwa der vierfachen Blechdicke, wenn davon aus­ gegangen wird, daß die Schraube in zwei Bleche mit einer Dicke von je 1 mm eingebracht werden soll, wobei dann noch zu berücksichtigen ist, daß sich pro Blech eine Ausformung einer Düse ergibt, deren Länge ebenfalls im Bereich von 1 mm liegt.

An den Zylinderteil 5 schließt sich der Lochformteil 6 an, der schließlich in der balligen Reibfläche 7 endet, deren Ballig­ keit einem Radius R von etwa 0,5 mm entspricht.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der Lochformteil einem Kegel ähnlich ausgebildet ist, der in axialer Abrundung 9 in den Zylinderteil 5 übergeht.

Aus Fig. 2, die einen Schnitt längs der Linie A-A aus Fig. 1 darstellt, ist ersichtlich, daß längs des Lochform­ teils 6 vier symmetrische Abflachungen 10 verlaufen, so daß sich gegenüber den Abflachungen 10 schärfere Abrundungen 11 ergeben, die beim Eindrehen des Lochstreifens 6 in ein Metall­ blech 12 (in Fig. 3 bis 5) dessen Material sowohl radial als auch axial wegdrücken.

Anhand der Fig. 3, 4 und 5 sei nunmehr das Eindrehen der Schraube in ein Metallblech 12, z. B. ein Stahlblech, er­ läutert.

Zunächst wird der Lochformteil 6 mit seiner Reibfläche 7 auf das Blech 12 aufgedrückt und mit einer Drehzahl von ca. 4000 Umdrehungen/min in Drehung versetzt. Es wird dabei davon ausgegangen, daß es sich um ein Metallblech 12 von einer Dicke von 1 mm und eine Schraube mit einem Zylinderteil mit einem Durchmesser von 5 mm handelt. Aufgrund des Druckes der Reibfläche 7 auf das Blech 12 und der hohen Drehzahl ergibt sich zwischen Reibfläche 7 und der berührten Oberfläche des Bleches 12 eine so erhebliche Reibungswärme, daß das Material des Bleches 12 plastifiziert wird, wobei es sowohl in Richtung auf die Schraube als auch von dieser weg ausweicht und schließlich, wie Fig. 4 zeigt, die Düse 13 bildet, die sich sowohl oberhalb als auch unterhalb des Bleches 12 erstreckt. Der Kegelwinkel des Lochformteils 6 beträgt hier 35°. Bei diesem Winkel bilden sich Längen der Düse 13 oberhalb und unterhalb des Bleches 12 aus, die sich derart unterscheiden, daß die Länge unterhalb des Bleches 12 etwa das Doppelte der Länge oberhalb des Bleches 12 ist. Mit demgegenüber abnehmendem Kegelwinkel wird die Länge der Düse 13 unterhalb des Bleches 12 weiterhin gegenüber der Länge oberhalb des Bleches 12 verlängert.

Der Vorgang der plastischen Verformung des Bleches 12 mit der Düse 13 schreitet dann fort, bis die Düse 13 den Zylinder­ teil 5 erreicht hat, wo dann die Verjüngung 4 des Gewindeteils 3 in die Düse 13 eindringt. Bereits im Bereich der axialen Abrundung 9 ergibt sich für das weitere Eindringen der Schraube ein stark zunehmendes Drehmoment, so daß bei ent­ sprechend dimensioniertem Antriebsorgan für das Eindreh­ werkzeug dieses seine Drehzahl verringert und nunmehr die Verjüngung 4 des Gewindeschafts 3 in die Düse 13 eindringt und in dieser das entsprechende Gewinde furcht. Dieser Vorgang führt zu dem weiteren Eindringen des Gewindeschaftes 3 in die Düse 13 (Fig. 5), bis schließlich (nicht dargestellt) die Düse 13 an dem in Fig. 1 dargestellten Kopf 1 anläuft. Die Schraube ist damit vollständig in das Blech 12 mit seiner Düse 13 eingedreht. Der Kopf 1 bildet dabei gegenüber der Düse 13 eine Abdichtung, da diese sich relativ leicht durch die Unterseite des Kopfes 1 verformen läßt und sich an den Kopf entsprechend anpaßt.

Claims (6)

1. Loch- und gewindeformende Schraube bis ca. 6 mm Gewin­ dedurchmesser zum Eindrehen in Metallblech einer Dicke bis etwa 1 mm mit einem eine Werkzeugaufnahme aufweisenden Kopf (1), einem Gewindeschaft (3) und einem daran an­ schließenden Zylinderteil (5) mit einem unter dem Flanken­ durchmesser des Gewindeschaftes (3) liegenden Durchmesser, der in einen sich verjüngenden Lochformteil (6) übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeschaft (3) über eine sich etwa über vier Gewindegänge erstreckende Verjüngung (4) in den Zylinderteil (5) übergeht, dessen Länge etwa der vierfachen Blechdicke entspricht, daß der Lochformteil (6) in einer balligen Reibfläche (7) endet, die einem Radius (R) von etwa 0,5 mm entspricht und daß die gesamte Schraube einstückig aus vergütetem Stahl mit einer Zugfestigkeit bis etwa 1400 N/mm² bzw. einsatzgehär­ tetem Stahl besteht.

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochformteil (6) einem Kegel ähnlich ausgebildet ist.

3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel mit mehreren, symmetrisch angeordneten Abflachungen (10) versehen ist, die im Querschnitt kegelig abgerundet ineinander übergehen.

14. Schraube nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kegel und Abflachungen (10) in axialer Abrundung (9) in den Zylinderteil (5) übergehen.

5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kegelwinkel im Mittel etwa bei 30° bis 40° liegt.

6. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steigung P des Gewindes in bezug auf dessen Außendurchmesser d der Formel P = 0,15 bis 0,20 dentspricht.