DE4400001A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gewindes mit veränderlich modifzierbarem Gewindeprofil und bevorzugte Anwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Gewindes mit veränderlich modifzierbarem Gewindeprofil und bevorzugte Anwendung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein spezielles Verfahren für die spanende
Herstellung von Gewinden, bei welchen mindestens in einem Teil
bereich ihrer Erstreckung die mehr oder weniger gleitende Beein
flussung bzw. Korrektur des Gewindeprofils erwünscht ist. Eine
derartige Gestaltung kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft
sein. Eine solche bevorzugte Anwendung des Verfahrens wird vorge
schlagen.
Gewinde sind als konstruktive Elemente des allgemeinen Maschinen
baus weit verbreitet. Gewöhnlich sind Gewinde zylinderförmig ge
staltet, daneben sind auch konische Gewinde z. B. für Ölfeldrohre
verbreitet. Eine große Anzahl verschiedener Gewindeprofile sind
bekannt und in Normen festgelegt. Üblicherweise ist das Gewinde
profil an einem Werkstück unveränderlich, das heißt, daß das Ge
windeprofil am Gewindeanfang identisch mit dem am Gewindeende
ist. Es sind jedoch Ausnahmen vorstellbar, bei denen eine zumin
dest in einem Teilbereich des Gewindes fließend sich ändernde
Formgestalt des aus Gewinderille und Gewindezahn gebildeten Ge
windeprofils von Vorteil sein könnte, z. B. um das Einführen eines
Schraubengewindes in ein Mutterngewinde zu erleichtern.
Besondere geometrische Verhältnisse in Bezug auf das Gewinde be
stehen jedoch vor allem bei Gewinden auf gekrümmten Flächen, wie
sie insbesondere bei einschraubbaren künstlichen Hüftgelenkpfan
nen vorkommen. Hier sind hinsichtlich der Mantelform des Schalen
körpers z. B. hypo-, hemi- oder hypersphärische, konisch-sphäri
sche, parabolische, toroidische, elliptische und ähnliche Geome
trien bekannt. Bei spanenden Herstellungsverfahren für die Gewin
de derartiger Schraubpfannen ergeben sich teilweise zwangsläufig
fließend sich verändernde Verzerrungen des Gewindeprofils, welche
in den meisten Fällen weder beabsichtigt noch erwünscht sind.
Insbesondere bei der Benutzung von Gewindezähnen mit unsymmetri
schen Flankenwinkeln ergibt sich das Phänomen, daß je nach Kipp
richtung des resultierenden Gewindezahns die Zahnhöhe vom Pfan
nenäquator in Richtung zum Pfannenpol hin fließend zu- bzw. ab
nimmt, woraus sich dann am polnahen Gewindeanfang entweder viel
zu große oder nahezu verkümmerte Gewindezähne ergeben. Im ersten
Fall führen die extrem großen Gewindezähne dazu, daß zum Ein
schrauben der Pfanne sehr große Kräfte erforderlich werden, bzw.
das Implantat nicht bis zum vollständigen Knochenkontakt einge
schraubt werden kann. Im zweiten Fall wird lediglich eine sehr
dürftige Primärfixation zu erreichen sein. In beiden Fällen be
steht die Gefahr des Auslockerns des Implantats, welche als Kon
sequenz eine nochmalige Operation des Patienten bedeuten würde.
Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer spanend her
stellbaren Hüftgelenkpfanne mit einem auf der gekrümmten Mantel
fläche liegenden Gewinde mit unsymmetrischen Flankenwinkeln des
Gewindezahns und einer entlang der Gewindeerstreckung anpaßbaren
Gewindezahnhöhe, sowie eines Verfahrens zur Herstellung solch ei
nes speziellen Gewindes für diese und andere Anwendungen.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ge
winderille eines auf einer gekrümmten Mantelfläche liegenden Ge
windes in mindestens zwei streifenförmige Teilflächen unter
schiedlicher Steigung so aufgegliedert wird, daß sich die in der
radialen Projektion gemessene Breite des Gewindegrundes entlang
der Erstreckung des Gewindes fließend in der Weise ändert, daß
die jeweils resultierende Gewindezahnhöhe der konstruktiven Vor
gabe angepaßt ist. Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren
zur Herstellung solch eines speziellen Gewindes zur Verfügung
gestellt.
Dabei wird vorgeschlagen, die Gewinderille entlang der gleichen
Kontur in dem zur Anpassung des Gewindeprofils vorgesehenen Be
reich mindestens in zwei Herstellungsgängen mit mindestens zwei
unterschiedlichen Steigungen zu bearbeiten. Dazu können wahlweise
entweder dasselbe Werkzeug oder zwei bzw. mehrere unterschiedli
che Werkzeuge Verwendung finden. Soll nur ein Werkzeug eingesetzt
werden, so müssen seine beiden Flanken der Formgestalt der beiden
Gewindeflanken entsprechen. Die Erfindung eröffnet hier die Wahl
möglichkeit entweder ein Werkzeug zu verwenden, welches in seinem
Profil dem Profil der Gewinderille an ihrer engsten Stelle ent
spricht, oder ein Werkzeug, welches generell schmaler als die Ge
winderille ist. Im zweiten Fall wird vorgeschlagen, für den Ge
windeschnitt neben der Benutzung von mindestens zwei unterschied
lichen Steigungen für die Bearbeitungsgänge zusätzlich einen ent
sprechend angepaßten Offset-Wert einzubeziehen, um den Unter
schied zwischen Werkzeug- und Gewinderillenbreite auszugleichen.
Diese Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft, weil damit z. B.
eine kleinere Spitzenverrundung des Bearbeitungswerkzeugs ermög
licht wird. Dadurch kann der Gewindegrund feiner aufgelöst und
der angestrebten gekrümmten Mantelfläche besser angepaßt werden.
Mit der Erfindung wird ferner die Wahlmöglichkeit angeboten, die
Gewindebearbeitung mit mehr als zwei Herstellungsgängen, bzw. mit
zwei oder mehreren Werkzeugen durchzuführen. Werden z. B. drei
Herstellungsgänge angewandt, so wird empfohlen, bei einem der
Herstellungsgänge im wesentlichen die eine Seite der Gewinderil
le, bei einem weiteren im wesentlichen die andere Seite der Ge
winderille, und bei einem dritten Herstellungsgang im wesentli
chen den Gewindegrund zu bearbeiten. Dabei wird für die die Sei
ten der Gewinderille und die jeweiligen Flanken der Gewindezähne
schneidenden Werkzeuge der Maximal- bzw. Minimalwert der Steigung
benutzt, während vorgeschlagen wird, für das im wesentlichen die
Mitte des Gewindegrundes schneidende Werkzeug eine zwischen die
sen beiden Werten liegende Steigung zu benutzen. Mit steigender
Zahl der Bearbeitungsgänge bzw. Werkzeuge ist es so bei entspre
chend kleiner Verrundung der jeweiligen Werkzeugspitze möglich,
eine ungünstig grobe Verrundung des Gewindezahnfußes zu vermeiden
und eine noch bessere Anpassung des Gewindegrundes an die ange
strebte Kontur zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf verschiedenen Maschinen
mittels unterschiedlicher Zerspanungstechniken anwendbar, z. B.
mittels Drehen, Drehfräsen oder Fräsen. Beim Gewindedrehen ist es
üblich, die Gewinderille in mehreren Durchgängen mittels eines
Drehmeißels zu bearbeiten. Der Herstellungsgang wird dann als Ge
windeschneidzyklus bezeichnet. Bei einem einzigen Durchgang wird
nur wenig Material abgetragen, dafür kann jedoch mit hohen Vor
schüben gearbeitet werden. Demgegenüber kann ein Herstellungsgang
beim Gewindefräsen aus einem einzigen Durchlauf bestehen, wofür
sich jedoch aufgrund des erforderlichen kleinen Vorschubs in der
Regel ein im Vergleich zum Drehen etwas höherer Zeitaufwand er
gibt. Für das Schneiden des erfindungsgemäßen Gewindes sind mo
derne rechnergesteuerte Maschinen, sogenannte CNC-Maschinen, er
forderlich. Im entsprechenden CNC-Programm muß die von dem je
weiligen Werkzeug relativ zum Werkstück zu beschreibende Bahn ab
gelegt sein. Im Programm ist ferner die beim Schneiden für den
jeweiligen Herstellungsgang zu berücksichtigende unterschiedliche
Steigung anzugeben. Zur Synchronisation der Herstellungsgänge
bzw. Werkzeuge ist es erforderlich, die unterschiedlichen Start
punkte für die einzelnen Herstellungsgänge bzw. Schneidzyklen
genau zu berechnen.
Die Berechnung zweier solcher Startpunkte soll anhand eines Bei
spiels für die drehtechnische Herstellung erklärt werden. Ein auf
einer gekrümmten Mantelfläche zu schneidendes Gewinde soll sich
von z₃ = -8 bis z₄ = -27 erstrecken. Es wird für ein Werkzeug A
eine zu fahrende Steigung s₁ von 4 mm angenommen. Aufgrund der
erforderlichen Synchronisationsstrecke (üblicherweise 2× Gewin
desteigung) von 8 mm wird der Startpunkt für den Gewindeschneid
zyklus mit z₂ = 0 festgelegt, während der Endpunkt auf z₄ = -27
verbleibt. Es ergibt sich so ein Verfahrweg in z von 27 mm. Zur
Erzielung einer bestimmten fließenden Anpassung der Gewindezahn
höhe wurde für ein zweites Werkzeug B die zu berücksichtigende
Steigung s₂ auf 4,2 mm festgelegt. Am Punkt z₄ = -27 sollen beide
Werkzeuge synchron stehen. Der Startpunkt z₁ für das Werkzeug B
errechnet sich dann wie folgt:
Im Falle der Benutzung eines Offset-Wertes für den axialen Paral
lelverschub eines einzigen Werkzeugs oder bei einer in keinem
Punkt des Gewindes deckungsgleichen Position zweier Werkzeuge ist
dieser Offset-Wert mit dem gemäß obiger Formel ermittelten z-Wert
für den Startpunkt zu verrechnen.
Als besonders vorteilhaft wird vorgeschlagen, das oben näher er
läuterte Verfahren zur Herstellung eines Gewindes mit veränder
lich modifizierbarem Gewindeprofil mit einem vom Anmelder bereits
zum Patent beantragten Verfahren zur Anpassung des Gewindegrun
des an gekrümmte Flächen zu kombinieren. In der genannten Anmel
dung (Europäische Patentanmeldung 91250274.7, Veröffentlichungs
nummer 0 480 551 A1) wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem
der Gewindegrund einem gekrümmten Verlauf nahezu perfekt anpaßbar
ist, indem für die Herstellung Schneidwerkzeuge mit in Bezug auf
den Gewindegrund unterschiedlichen Stirnwinkeln verwendet werden.
Diese werden auf unterschiedlichen Bahnen, jedoch mit gleicher
Steigung relativ zum Werkstück bewegt. Bei unterschiedlichen (un
symmetrischen) Zahnflankenwinkeln sind die dann normalerweise
fließend sich ändernden Zahnhöhen derartiger Gewinde dadurch auf
die angestrebten Werte korrigierbar, daß die einzelnen Werkzeuge
zusätzlich mit unterschiedlichen Steigungen relativ zum Werkstück
verfahren werden.
Zum besseren Verständnis soll die Erfindung nachfolgend anhand
der beiden Zeichnungsfiguren näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt in einer geschnitten und halbseitig gezeichneten Dar
stellung ein etwas vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer künst
lichen hemisphärischen Hüftgelenkpfanne mittlerer Größe mit einem
konventionell hergestellten Schraubgewinde in einem Maßstab von
ungefähr 2,5 : 1. Dabei wurde für die Gewindesteigung ein Wert
von 4 mm gewählt. Die Gewindezähne wurden leicht überhöht darge
stellt, um die Details besser sichtbar machen zu können. Die
Hüftgelenkpfanne (1) ist mit einem Bodenloch (2) versehen. Ihre
innere Kontur gliedert sich in einen Kugelabschnitt (3) und einen
zylindrischen Bereich (4) auf. Die sechs Gewindezähne (5, 6, 7, 8, 9
und 10) besitzen ein unsymmetrisches Profil. Ihre zum Pol der
Pfanne zeigende Flanke weist einen Winkel von 0°, und ihre zum
Äquator der Pfanne zeigende Flanke einen solchen von 20° auf. Da
durch ergibt sich ein Kippwinkel der Gewindezähne von 10° in
Richtung zum Pfannenpol. Diese Kipprichtung der Gewindezähne er
scheint für die angestrebte Verwendung bei einer Hüftgelenkpfanne
besonders günstig, weil sich dadurch aufgrund der vorgegebenen
Belastungsrichtung bessere Krafteinleitungsverhältnisse in das
menschliche Becken erzielen lassen. Da das Gewinde mit nur einem
Werkzeug und mit konstanter Steigung auf herkömmliche Weise ge
schnitten wurde, ist der Gewindegrund (11) in Äquatornähe mit dem
Gewindegrund (12) in Polnähe identisch. Aus dem Kippwinkel der
Gewindezähne und dem benutzten Herstellungsverfahren für das Ge
winde resultiert eine fließende Veränderung der Gewindezahnhöhe.
Es ist gut zu erkennen, daß die radial gemessene Gewindezahnhöhe
h 2 in Polnähe etwa doppelt so groß ist, wie die Gewindezahnhöhe
h 1 in Äquatornähe. Obwohl fließende Zu- oder Abnahmen der Gewin
dezahnhöhen bis zu einem gewissen Grad besonders bei Hüftgelenk
pfannen durchaus gewollt sein können und dafür auch verschiedene
Argumente ins Feld geführt werden, so ist doch eine solch starke
Vergrößerung der Gewindezahnhöhe ausgesprochen nachteilig, weil
damit unnötig tief in das Knochenmaterial eingegriffen wird. Der
art große Gewindezähne am polnahen Gewindeanschnitt führen ferner
insbesondere bei selbstschneidenden Schraubpfannen zu sehr hohen
Einschraubkräften, da sich in dem Bereich des abrupten Anstiegs
der Gewindezahnhöhe am Gewindebeginn die Zerspanungsarbeit beim
Einschrauben in das Becken auf nur wenige Schneidkanten verteilt.
Dadurch wird ein Einbringen der Hüftgelenkpfanne bis zum voll
ständigen Knochenkontakt in Frage gestellt.
Fig. 2 zeigt in einer mit Fig. 1 identischen Darstellungsweise das
vereinfachte und leicht verzerrte Ausführungsbeispiel einer er
findungsgemäßen Hüftgelenkpfanne mit Schraubgewinde. Die gezeigte
Hüftgelenkpfanne (13) entspricht mit ihrem Bodenloch (14), ihrer
inneren Kontur aus Kugelabschnitt (15) und zylinderförmigem Be
reich (16) sowie der Zahl ihrer Gewindezähne jener aus Fig. 1. So
wohl der äquatornahe Gewindezahn (17) mit seiner Form und dem Be
trag seiner Höhe h 1, als auch der Gewindegrund (23) der benach
barten Gewinderille sind identisch mit dem entsprechenden Gewin
dezahn (5) bzw. dem benachbarten Gewindegrund (11) aus Fig. 1.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Bearbeitung des Gewindes mittels
zweier Herstellungsgänge mit unterschiedlicher Steigung, wobei
die mit 0° gezeichnete Flanke des Gewindezahns wie zuvor mit ei
ner Steigung von 4 mm, jedoch abweichend davon die mit 20° ge
zeichnete Flanke des Gewindes mit einer Steigung von etwa 4,16 mm
geschnitten ist, wird nunmehr für den polnahen Gewindezahn (22)
eine radial gemessene Zahnhöhe h 3 realisiert, welche der Zahnhö
he h 1 des äquatornahen Zahns (17) entspricht. Es fällt auch auf,
daß der Gewindegrund (25) der polnahen Gewinderille (24) jetzt
insgesamt breiter ist als der äquatornahe Gewindegrund (23) und
einen von diesem abweichenden und besser dem Kugelmantel der
Pfannenschale nahe kommenden Verlauf angenommen hat. Im Bereich
des Bezugspunktes für die Bezugsziffer 25 ist im Gewindegrund
(25) der polnahen Gewinderille (24) eine leicht außermittig lie
gende Kante schwach angedeutet, welche sich aufgrund der erfin
dungsgemäßen Bearbeitungsweise längs der Gewinderille erstreckt
und sich in ihrem abgewickelten Verlauf in Richtung zum Pfannen
äquator langsam ausdünnt. Die maximale Höhe dieser Erhebung ist
abhängig von der Geometrie bzw. Verrundung der entsprechenden
Werkzeugschneide. So lange die Höhe dieser rippenartigen Erhebung
nur moderate Werte annimmt, wirkt sie sich nicht nachteilig auf
die Funktion des Gewindes aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht darauf beschränkt, über
den gesamten Erstreckungsbereich des Gewindes eine einheitliche
Gewindezahnhöhe zu realisieren. Im Gegenteil eröffnet es dadurch
zahlreiche Variationsmöglichkeiten, daß entweder durch entspre
chende Festlegung der zur Anwendung kommenden unterschiedlichen
Gewindesteigungen exakt bestimmbare Zu- oder Abnahmen der Gewin
dezahnhöhen verwirklicht werden können, oder diese Modifikationen
partiell in Teilbereichen der Gewindeerstreckung bzw. auch glei
tend mittels der Programmierung einer kontinuierlich sich ändern
den Steigung einbringbar sind. Damit wird mit der Erfindung ein
sehr flexibel einsetzbares Mittel für die optimale Anpaßbarkeit
von Spezialgewinden, insbesondere von gekrümmten Spezialgewinden,
zur Verfügung gestellt.
Claims (6)
1. Verfahren zur spanenden Herstellung eines Gewindes mit sich
mindestens in einem Teilbereich im wesentlichen kontinuierlich
veränderndem Gewindeprofil, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge
winde mindestens in diesem Teilbereich mit dem gleichen Werkzeug
mindestens zweimal bearbeitet wird und für diese mindestens zwei
Schneidgänge bzw. Schneidzyklen zwei unterschiedliche Steigungen
benutzt werden.
2. Verfahren zur spanenden Herstellung eines Gewindes mit sich
mindestens in einem Teilbereich im wesentlichen kontinuierlich
veränderndem Gewindeprofil, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge
winde mindestens in diesem Teilbereich mit mindestens zwei ver
schiedenen Werkzeugen bearbeitet wird, wobei das eine Werkzeug
im wesentlichen die eine Flanke des Gewindezahns sowie einen Teil
des benachbarten Gewindegrundes, bzw. ein anderes Werkzeug im we
sentlichen die andere Flanke des Gewindezahns sowie einen Teil
des dieser anderen Flanke benachbarten Gewindegrundes schneidet,
und mindestens für die beiden die Flanken schneidenden Werkzeuge
zwei unterschiedliche Steigungen benutzt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gewinde in dem genannten Teilbereich mit drei verschiedenen Werk
zeugen bearbeitet wird, wovon mit dem dritten Werkzeug im wesent
lichen die Mitte des Gewindegrundes bearbeitet wird, und für die
ses dritte Werkzeug eine Steigung benutzt wird, welche zwischen
den für die beiden anderen Werkzeuge benutzten Steigungen liegt.
4. Verfahren zur spanenden Herstellung eines Gewindes auf einer
gekrümmten Mantelfläche mit sich mindestens in einem Teilbereich
im wesentlichen kontinuierlich veränderndem Gewindeprofil, wobei
das Gewinde mit verschiedenen Werkzeugen mit in Bezug auf den Ge
windegrund unterschiedlicher Schnittkantengeometrie auf unter
schiedlichen Bahnen so bearbeitet wird, daß die den Gewindegrund
bildenden Teilflächen den Oberflächenverlauf der von der Pfannen
schale gebildeten gekrümmten Mantelfläche möglichst weitgehend
angeglichen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die verschiede
nen Werkzeuge bei der Gewindebearbeitung unterschiedliche Stei
gungen benutzt werden.
5. Einschraubbare Hüftgelenkpfanne mit gekrümmter äußerer Kon
tur (z. B. konisch-sphärisch, hyper-, hemi- oder hyposphärisch,
parabolisch, elliptisch, toroidisch oder dergleichen), welche mit
einem vorzugsweise selbstschneidenden Gewinde zur zementfreien
Verankerung im Acetabulum versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens in einem Teilbereich des Gewindes die rechte
Flanke des Gewindezahns und der sich anschließende Bereich des
Gewindegrundes, bzw. die linke Flanke des Gewindezahns und der
sich dieser linken Flanke anschließende Bereich des Gewindegrun
des in mindestens zwei separaten Arbeitsgängen bzw. Arbeitszyklen
so bearbeitet sind, daß der Gewindegrund in seiner Abwicklung in
mindestens zwei streifenförmige Teilflächen unterschiedlicher
Steigung aufgegliedert ist.
6. Einschraubbare Hüftgelenkpfanne mit gekrümmter äußerer Kon
tur (z. B. konisch-sphärisch, hyper-, hemi- oder hyposphärisch,
parabolisch, elliptisch, toroidisch oder dergleichen), welche mit
einem vorzugsweise selbstschneidenden Gewinde zur zementfreien
Verankerung im Acetabulum versehen ist, wobei der Gewindegrund in
seiner Abwicklung durch winkelmäßig in Stufen aufgelöste, parallel
zueinander und schräg zur Abwicklung des Gewindegrundes ver
laufende streifenförmige Teilflächen der gekrümmten Mantelfläche
der Hüftgelenkpfanne weitestgehend angeglichen ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die in der radialen Projektion gemessene
axiale Breite des Gewindegrundes entlang der Erstreckung des Ge
windes fließend ändert und die vorgenannten streifenförmigen
Teilflächen unterschiedliche Steigung besitzen.
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