Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines
Gewindes, insbesondere zur Erzeugung eines Innengewindes und ein Verfahren zur Herstellung
eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung.
Die spanlose Gewindeerzeugung basiert auf einer Umformung des Werkstücks.
Hierfür sind Gewindeerzeugungswerkzeuge bekannt und im Einsatz, die durch Druck
eine Kaltverformung des Werkstückes erzielen. Unter diese spanlosen Gewindeerzeuger
fallen die sogenannten Gewindefurcher.
Bekannte Gewindefurcher, insbesondere zur Innengewindeerzeugung, umfassen
einen Werkzeugschaft und einen an diesem ausgebildeten Arbeitsbereich. Der Werkzeugschaft
ist in der Regel zylindrisch ausgeführt und mit seinem dem Werkstück abgewandten
Ende im Spannfutter einer Gewindeerzeugungseinrichtung aufgenommen und gehalten.
Der Arbeitsbereich ist mit einem entlang des Umfangs spiralförmig umlaufenden Gewinde
versehen, das die Gegenform zu dem zu erzeugenden Gewinde darstellt.
Zur Erzeugung eines Gewindes, beispielsweise in einer bereits vorhandenen
Bohrung wird der Gewindefurcher in der Regel mit dem Arbeitsbereich voran mit einem
entsprechenden Vorschub und unter Drehung um die Längsachse des Werkzeugschafts
in die Bohrung eingeführt. Dabei werden die Zähne bzw. Formkeile des Gewindes am
Gewindefurcher in die Oberfläche des Werkstücks bzw. der Bohrung gedrückt. Der Werkstoff
des Werkstücks wird dabei vorwiegend radial, also senkrecht zur der Längsachse der
Bohrung weggedrückt. Ein Teil des so verformten Materials wird verfestigt, ein anderer
Teil in die Vertiefungen bzw. Rillen zwischen den Formkeilen bzw. Zähnen des Gewindefurchers
gedrängt, wodurch schließlich ein Gewinde im Werkstück erzeugt wird.
Die bei diesem Gewindeerzeugungsvorgang auftretenden hohen Umformkräfte,
teilweise verstärkt durch abrasive Werkstückmaterialen, können zu einem Verschleiß
der Formkeile des Gewindes im Arbeitsbereich führen. Um diesen Verschleiß zu vermindern
ist es bekannt den Gewindefurcher aus einem Material mit hoher Härte anzufertigen.
In diesem Fall ist der Gewindefurcher jedoch aufgrund der damit einhergehenden geringeren
Zähigkeit des Materials häufig nicht in der Lage das Furchmoment prozesssicher aufzunehmen.
Es besteht dann die Gefahr eines Bruchs des Gewindeerzeugungswerkzeugs, vornehmlich
im Bereich des Werkzeugschafts.
Es ist ferner bekannt den Gewindefurcher bzw. den Arbeitsbereich des
Gewindefurchers an seiner Oberfläche mit einem harten Material zu beschichten, um
seine Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Dass kann beispielsweise eine im PVD (physical
vapour deposition)- oder CVD (chemical vapour deposition)-Verfahren aufgetragene
Verschleißschutzschicht, zum Beispiel aus Titannitrit oder Titancarbonitrit, sein.
Die Verschleißschutzschicht ist jedoch in der Regel nur wenige Mikrometer dick und
kann bei extremen Belastungen beschädigt werden.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Gewindeerzeugungswerkzeug anzugeben,
bei dem die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise überwunden
oder zumindest vermindert werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Werkzeugs zur Gewindeerzeugung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung
eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung mit den Merkmalen des Anspruchs 28
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den von
Anspruch 1 und Anspruch 28 abhängigen Ansprüchen.
Das Werkzeug zur spanlosen Erzeugung eines Gewindes, insbesondere
zur Erzeugung eines Innengewindes, gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens einen um
eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Werkzeugschaft und wenigstens ein den
Werkzeugschaft in seinem Umfang umschließendes Formgebungselement zum Erzeugen des
Gewindes in einem Werkstück, wobei zumindest eine der Werkzeugachse zugewandte oder
von der Werkzeugachse abgewandte und wenigstens teilweise um die Werkzeugachse umlaufende
Kontaktinnenfläche (oder: innere Umfangsfläche) des Formgebungselements mit einer
korrespondierenden Kontaktaußenfläche (oder: äußeren Umfangsfläche) des Werkzeugschafts
fest verbunden bzw. fest verbindbar ist zur Übertragung eines Drehmoments vom Werkzeugschaft
auf das Formgebungselement.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung,
gemäß Anspruch 28, wird ein Werkzeugschaft hergestellt oder bereitgestellt, der
um eine Werkzeugachse drehbar ist, wird auf den Werkzeugschaft wenigstens ein Aufsatz
mit zumindest einer der Werkzeugachse zugewandten oder von der Werkzeugachse abgewandten
und wenigstens teilweise um die Werkzeugachse umlaufenden Kontaktinnenfläche (oder:
innere Umfangsfläche) aufgesetzt, wird wenigstens eine Kontaktinnenfläche des Aufsatzes
mit einer korrespondierenden Kontaktaußenfläche (oder: äußeren Umfangsfläche) des
Werkzeugschafts fest verbunden und wird anschließend in einer von der Werkzeugsachse
weg weisenden, wenigstens teilweise um die Werkzeugsachse umlaufenden Außenfläche
des Aufsatzes ein Formgebungsgewinde erzeugt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28 kann zur Herstellung eines Werkzeugs
nach Anspruch 1 und der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche eingesetzt werden. Durch
Anwenden des Verfahrens erhält der wenigstens eine Aufsatz dann die Funktion eines
Formgebungselements.
Der Werkzeugschaft ist in der Regel im Wesentlichen zylindrisch, also
im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig, geformt, und ist an einem Ende in eine
Einspannvorrichtung einer Gewindeerzeugungseinrichtung eingespannt oder einspannbar.
Der Werkzeugschaft kann neben der Kreisform auch beliebige andere Querschnittsformen
aufweisen. Die Werkzeugachse ist in der Regel eine Längsachse des Werkzeugschafts,
also eine Achse entlang der Längsausdehnung des Werkzeugschafts, vorzugsweise eine
zentral durch das Werkzeug verlaufende Achse. Der Werkzeugschaft kann entlang der
Werkzeugachse einen sich vergrößernden oder verkleinernden und/oder einen sich in
seiner Form verändernden Querschnitt aufweisen.
Das Formgebungselement bzw. der Aufsatz wird normalerweise in axialer
Richtung der Werkzeugachse auf den Werkzeugschaft aufgesteckt bzw. aufgeschoben,
bis es bzw. er die gewünscht Position erreicht hat, in der es bzw. er mit dem Werkzeugschaft
verbunden werden soll. Die Kontaktinnenfläche des Formgebungselements bzw. Aufsatzes
weist in der Regel zu der Werkzeugachse hin oder ist dieser zugewandt, es ist aber
auch möglich die Kontaktinnenfläche von der Werkzeugachse wegweisend bzw. abgewandt
auszuführen.
Als Formgebungsgewinde kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in
dem Werkzeug jedes beliebige, an sich bekannte Formgebungsgewinde erzeugt werden
bzw. das Werkzeug gemäß der Erfindung kann jedes beliebige, an sich bekannte Formgebungsgewinde
aufweisen.
Auf den Werkzeugschaft kann zur Erzeugung des Gewindes im Werkstück
ein einzelnes Formgebungselement bzw. ein Aufsatz mit Formgebungsgewinde aufgebracht
sein, es kann aber auch vorteilhaft sein mehrere Formgebungselemente bzw. Aufsätze
entlang der Werkzeugachse hintereinander am Schaft zu Positionieren, beispielsweise
wenn die Formgebungselemente unterschiedliche Funktionen übernehmen sollen.
Dass der Aufsatz bzw. das Formgebungselement mit dem Werkzeugschaft
fest verbunden werden, bedeut, dass sie kraftschlüssig oder form- und kraftschlüssig
oder auf eine andere Weise am Werkzeugschaft befestigt sind, so dass sie von diesem
unlösbar oder nicht zerstörungsfrei lösbar sind.
Ein der Erfindung gemäß Anspruch 1 zugrundeliegender Gedanke ist,
dass durch die relativ große Verbindungsfläche bzw. Kontaktfläche zwischen Formgebungselement
und Werkzeugschaft, die dadurch entsteht, dass das Formgebungselement mit seiner
zur Werkzeugachse hin ausgerichteten Kontaktinnenfläche bzw. Umfangsfläche
am Schaft anliegt, eine große Kraftübertragungsfläche zur Verfügung steht. Je mehr
Formgebungsgewindegänge das wenigstens eine Formgebungselement umfasst, desto größer
kann die Verbindungsfläche werden. Dadurch wird gewährleistet, dass sich auch ein
sehr großes Drehmoment vom Schaft auf das Formgebungselement und schließlich auf
das Werkstück übertragen lässt, ohne das Werkzeug dabei zu zerstören. Dadurch ist
es möglich den Werkzeugschaft und das Formgebungselement aus unterschiedlichen Werkstoffen
zu fertigen und gleichzeitig eine lange Standzeit des Werkzeugs zu erreichen.
Ein Hauptvorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, dass die
Fertigung des Werkzeugs aus den verschiedenen Komponenten sehr einfach und damit
kostengünstig ist. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn das Formgebungselement
bzw. der Aufsatz aus einem anderen Material bestehen soll wie der Werkzeugschaft.
Der Aufsatz ist aus nahezu jedem der bevorzugten Werkstoffe relativ einfach herzustellen.
Das Formgebungsgewinde wird dann erst nach dem Aufsetzen des Aufsatzes auf den Werkzeugschaft
in die Außenfläche eingebracht. Das hat den weiteren Vorteil, dass das Gewindeerzeugungswerkzeug
mit derselben Werkzeugmaschine bearbeitet werden kann, wie herkömmliche Gewindefurcher
die in einem Stück aus einem Werkstoff gefertigt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren gemäß
der Erfindung wird wenigstens ein Aufsatz in Form einer Hülse und/oder einer Kappe
auf den Werkzeugschaft aufgesetzt. Diese Formen sind in der Regel einfach herzustellen
und weisen eine relativ große innere Kontaktfläche auf, so dass eine stabile Verbindung
erzeugt werden kann. Die Hülse umfasst eine die Werkzeugachse umschließende äußere
und innere Hülsenumfangsfläche und ist an beiden Stirnseiten senkrecht zur Werkzeugachse
offen. Die Hülsenumfangsflächen können sich in axialer Richtung in ihrem Querschnitt
senkrecht zur Werkzeugachse erweitern oder verjüngen oder auch die Querschnittform
ändern. Die innere Hülsenumfangsfläche dient als Kontaktinnenfläche. Die Stärke
bzw. Dicke der Hülse ist wenigstens größer als das in ihr zu erzeugende Formgebungsgewinde.
Die Kappe kann grundsätzlich wie die Hülse ausgeführt sein, mit dem Unterschied,
dass sie eine zumindest teilweise geschlossene Stirnseite aufweist. Die wenigstens
teilweise geschlossene Stirnseite kann rechtwinklig zur Kappenumfangsfläche ausgebildet
sein, sie kann aber auch im Wesentlichen annähernd halbkugelförmig oder im Wesentlichen
annähernd kegel- oder kegelstumpfförmig sein. Die Form des Aufsatzes ist jedoch
nicht auf eine Hülse oder Kappe beschränkt. Der Aufsatz kann auch eine beliebig
anderer geeignete Form aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren gemäß
der Erfindung wird wenigstens ein Aufsatz aus einem anderen Werkstoff als der Werkstoff
des Werkzeugschafts auf den Werkzeugschaft aufgesetzt. Besonders vorteilhaft ist
es dann, wenn der Werkzeugschaft aus einem Werkstoff mit hoher Zähigkeit und der
wenigstens eine Aufsatz aus einem Werkstoff mit hoher Härte und/oder hoher Verschleißfestigkeit
gefertigt ist. Der Formgebungsbereich erhält dadurch eine hohe Härte, was mit einem
geringeren Verschleiß des Formgebungsgewindes verbunden ist. Der Werkzeugschaft
ist aufgrund des sehr zähen Materials sehr stabil und kann hohe Furchmomente aufnehmen,
ohne dabei beschädigt zu werden.
Der wenigstens eine Aufsatz kann außen auf den Werkzeugschaft aufgesetzt
bzw. aufgeschoben werden. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine
Aufsatz in eine Aussparung am Umfang des Werkzeugschafts eingesetzt bzw. aufgesetzt
wird. Die Aussparung befindet sich vorzugsweise an dem der Einspannvorrichtung abgewandten
Ende bzw. einem in einer Vorschubrichtung vorderen Ende des Werkzeugschafts. Die
Vorschubrichtung des Werkzeugs ist die Richtung, in die das Werkzeug während des
Gewindeerzeugungsprozesses bewegt wird. Die Vorschubrichtung weist in der Regel
stets in Richtung des Werkstücks bzw. weg von der Einspannvorrichtung. Nach Beenden
des Gewindeerzeugungsprozesses, wird das Werkzeug in einer Rückholbewegung, die
entgegen der Vorschubrichtung erfolgt, aus dem erzeugten Gewinde herausgedreht.
Die Tiefe der Aussparung am Werkzeugschaft ist vorzugsweise so zu wählen, dass der
wenigstens eine Aufsatz wenigstens um eine Formgebungsgewindetiefe radial am Werkzeugschaft
vorsteht.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine Aufsatz
durch löten oder schweißen oder kleben oder pressen oder schrumpfen am Werkzeugschaft
befestigt wird. So wird gewährleistet, dass der wenigstens eine Aufsatz fest mit
dem Werkzeugschaft verbunden ist und sich beim Übertragen des Drehmoments vom Schaft
auf das Formgebungselement bzw. das Werkstück nicht verdrehen oder lösen kann.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn am Werkzeugschaft an der Stelle,
an der der wenigstens eine Aufsatz aufgesetzt wird, im Querschnitt zur Werkzeugachse
eine polygone Form und/oder wenigstens eine Erhöhung und/oder wenigstens eine Vertiefung
erzeugt werden bzw. wird, die in ihrer Form mit der Kontaktinnenfläche des wenigstens
einen Aufsatzes korrespondieren bzw. korrespondiert. Dadurch kann zusätzlich ein
Formschluss zwischen dem Werkzeugschaft und dem wenigstens einen Aufsatz erreicht
werden, der zur verbesserten Übertragung des Drehmoments beiträgt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird anschließend an den wenigstens
einen Aufsatz ein Formgebungsgewinde in dem Werkzeugschaft erzeugt, das in das Formgebungsgewinde
des wenigstens einen Aufsatzes übergeht und eine gleiche Formgebungsgewindesteigung
aufweist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
auf das oder die Formgebungsgewinde eine zusätzliche Verschleißschutzschicht aufgebracht.
Das ist besonders bei der Herstellung von Werkzeugen für sehr anspruchsvolle Anwendungen
von Vorteil, bei denen sehr harte bzw. verschleißfeste Werkstoffe für die Formgebungselemente
benötigt werden, die jedoch schwer zu bearbeiten sind. Das Formgebungsgewinde kann
dann in einem weniger harten Werkstoff erzeugt, beispielsweise eingeschliffen werden,
und anschließend mit einer verschleißfesten Schicht aus einem sehr hartem Werkstoff,
zum Beispiel Titannitrit oder Titancarbonitrit bis hin zu polykristallinem Diamant
beschichtet werden. Die Beschichtung kann auf herkömmliche Weise, beispielsweise
im PVD (physical vapour deposition)- oder CVD (chemical vapour deposition)-Verfahren
erfolgen.
Bei dem Werkzeug gemäß der Erfindung ist in einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform auf einer von der Werkzeugsachse weg weisende, wenigstens teilweise
um die Werkzeugsachse umlaufenden Außenfläche des Formgebungselements ein Formgebungsgewinde
ausgebildet.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Formgebungselement aus einem
anderen Werkstoff gebildet als der Werkzeugschaft, wobei der Werkzeugschaft insbesondere
aus einem Werkstoff mit hoher Zähigkeit und das Formgebungselement insbesondere
aus einem Werkstoff mit hoher Härte und/oder hoher Verschleißfestigkeit ausgebildet
ist. Auf das Formgebungsgewinde kann eine zusätzliche Verschleißschutzschicht aufgebracht
sein, was vor allem, wie vorangehend beschrieben bei der Gewindeerzeugung beispielsweise
in sehr abrasiven Werkstücken von Vorteil ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Werkzeugschaft aus einem Werkzeugstahl,
insbesondere einem Schnellarbeitsstahl gefertigt ist. Das kann beispielsweise eine
Hochleistungsschnellstahl (HSS-Stahl) oder ein cobaltlegierter Hochleistungsschnellstahl
(HSS-E-Stahl) sein. Diese Stähle eignen sich aufgrund ihrer hohen Festigkeit und
ihrer hohen Zähigkeit besonders gut für den Einsatz bei Werkzeugen.
Das Formgebungselement und/oder die Verschleißschutzschicht sind bzw.
ist vorzugsweise aus Hartmetall oder aus einer Hartmetalllegierung, insbesondere
P-Stahl oder K-Stahl oder Cermet, oder aus Sinterhartmetall, insbesondere aus Wolframkarbid
oder Titannitrid oder Titankarbid oder Titankarbonitrid oder Aluminiumoxid, oder
aus einer Schneidkeramik, insbesondere polykristallines Bornitrid (PKB), oder aus
polykristallinem Diamant (PKD) gefertigt. Diese Werkstoffe weisen allesamt eine
hohe Härte auf und sind daher sehr verschleißfest. Der am besten geeignete Werkstoff
ist jeweils abhängig vom Werkstoff des Werkstücks sowie von der Wirtschaftlichkeit
der Gewindeerzeugung auszuwählen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktinnenfläche
des Formgebungselements und die Kontaktaußenfläche des Werkzeugschafts parallel
zur Werkzeugachse ausgerichtet, das bedeutet, diese Umfangsflächen sind in axialer
Richtung äquidistant oder in gleichbleibender Entfernung zur Werkzeugachse ausgebildet
oder angeordnet.
Das Formgebungselement kann wenigstens annähernd die Form einer Hülse
aufweisen. Vorteilhaft kann es aber auch sein, wenn das Formgebungselement wenigstens
annähernd die Form einer Kappe aufweist. Ein Formgebungselement in Form einer Kappe
kann auch mit einem oder mehreren Formgebungselementen in Form einer Hülse kombiniert
werden. Die Formgebungselemente lassen sich dann nebeneinander und aneinander angrenzend
auf den Werkzeugschaft aufsetzen, wobei das kappenförmige Formgebungselement am
vorderen Ende des Werkzeugschafts den Abschluss bildet. Das Formgebungsgewinde ist
dann vorzugsweise durchgehend in allen Formgebungselementen ausgebildet.
Die Formgebungselemente können auch eine beliebig andere geeignete
Form aufweisen. So kann es zum Beispiel auch vorteilhaft sein, wenn die Kontaktinnenfläche
an wenigstens einem zur Werkzeugachse rotationssymmetrischen Vorsprung gebildet
ist, der entgegen der Vorschubrichtung an dem Formgebungselement hervor ragt und
die Kontaktaußenfläche an wenigstens einer korrespondierenden Ausnehmung im Werkzeugschaft
gebildet ist. Diese sehr einfach Ausführungsform des Formgebungselements ist vor
allem dann von Vorteil, wenn die Gewindefurcher einen sehr kleinen Werkzeugdurchmessern
aufweisen. Die Kontaktinnenfläche kann in diesem Fall auch an wenigstens einer zur
Werkzeugachse rotationssymmetrischen Ausnehmung gebildet sein, die in Vorschubrichtung
in das Formgebungselement hinein ragt. Die Kontaktaußenfläche ist dann an wenigstens
einem korrespondierenden Vorsprung am Werkzeugschaft gebildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Abstand von der Kontaktinnenfläche
bzw. inneren Umfangsfläche des Formgebungselements bis zu einer Hüllfläche um das
Formgebungselement größer als eine Formgebungsgewindetiefe ist.
Das bedeutet in anderen Worten, dass die Wandstärke des beispielsweise als Hülse
oder Kappe ausgebildeten Formgebungselements wenigstens etwas größer als die Höhe
der in der Regel radial nach außen spitz zulaufenden Formkeile bzw. Zähne des Formgebungsgewindes
ist. Die Hüllfläche um das Formgebungselement ist die die Formkeilspitzen des Formgebungsgewindes
einhüllende Umfangsfläche. Die Kontaktinnenfläche des Formgebungselements weist
vorzugsweise einen Durchmesser mit einer Größenordnung von einem Außendurchmesser
des Formgebungselements minus 2,2 Mal bis 3,5 Mal eine Formgebungsgewindesteigung
auf. Der Außendurchmesser des Formgebungselements kann als Durchmesser der die Formkeilspitzen
umhüllenden Umfangsfläche bzw. der Hüllfläche beschrieben werden.
Bei dem Werkzeug gemäß der Erfindung weisen bzw. weist die Hüllfläche
um das Formgebungselement und/oder die Außenfläche des Formgebungselements und/oder
die Kontaktinnenfläche des Formgebungselements in ihrem Querschnitt senkrecht zur
Werkzeugachse annähernd eine polygone Form auf, vorzugsweise eine dreieckige Form
oder eine viereckige Form oder eine fünfeckige Form oder eine sechseckige Form.
Bei rundem Querschnitt des Formgebungsbereichs wäre die Klemmreibung bei einer Drehbewegung
des Werkzeugs so hoch, so dass die Gefahr bestünde, dass das Werkzeug beispielsweise
durch Abreißen des Werkzeugschafts zerstört würde. Aus diesem Grund weist wenigstens
die Hüllfläche um das Formgebungselement in der Praxis im Querschnitt annähernd
eine polygone Form auf. Dadurch wird erreicht, dass das Formgebungsgewinde, das
dann der ploygonen Form folgend spiralförmig um das Werkzeug verläuft, lediglich
mit seinen Eckbereichen in die Werkstückoberfläche eindringt, wodurch die Klemmreibung
bei der Drehbewegung stark reduziert wird.
Das Formgebungselement ist vorzugsweise in einem in einer Vorschubrichtung
vorderen Bereich des Werkzeugschafts angeordnet. Dabei ist es zudem vorteilhaft,
wenn wenigstens ein Formgebungselement einen entgegen der Vorschubrichtung zunehmenden
Außendurchmesser aufweist. Dass sich der Formgebungsbereich in Vorschubrichtung
verjüngt, hat zum Beispiel den Vorteil, dass das Eindringen der ersten Drückstollen
in die Werkstückoberfläche bzw. die Innenwand der Bohrung erleichtert wird. Vorteilhaft
kann es auch sein, wenn wenigstens ein Formgebungselement einen entgegen einer Vorschubrichtung
gleichbleibenden Außendurchmesser aufweist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Formgebungselement entgegen der
Vorschubrichtung einen Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser und anschließend
einen Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser aufweist. Der Bereich mit zunehmendem
Außendurchmesser, auch als Formgebungsbereich bezeichnet, dient dann zur Erzeugung
des Gewindes. Der Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser, der auch als Führungsbereich
bezeichnet werden kann, dient vornehmlich zur Führung des Werkzeugs in dem Gewinde,
so dass die für die Gewindeerzeugung bereitgestellte Kraft im Formgebungsbereich
gleichmäßig und dadurch möglichst verlustfrei auf die Oberfläche des Werkstücks
übertragen wird. Gleichzeitig kann der Führungsbereich die Funktion haben, die erzeugte
Gewindeoberfläche bzw. die Gewindeflanken zu glätten und zu kalibrieren. Dadurch
kann das Gewinde sehr genau gefertigt werden.
Der Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser und der anschließende
Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser können auch durch zwei einzelne, aneinander
angrenzende Formgebungselemente mit durchgehend ausgeformtem Formgebungsgewinde
gebildet sein. Dabei ist es auch denkbar den Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
und den Bereich mit gleichbleibendem Außendurchmesser aus unterschiedlichen Werkstoffen
zu fertigen. Beispielsweise kann für den Bereich mit zunehmendem Außendurchmesser
ein härteres und damit verschleißfesteres Material verwendet werden und für den
Führungsbereich ein kostengünstigeres, weniger hartes Material, da auf diesen Bereich
keine so großen Umformkräfte mehr wirken.
Besonders vorteilhaft kann es auch sein, wenn ein Formgebungsgewinde
am Werkzeugschaft ausgebildet ist, insbesondere direkt im Anschluss an das Formgebungsgewinde
des Formgebungselements. Dieses Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft kann dann die
Aufgabe des Führungsbereichs übernehmen, sprich Führung des Werkzeugs sowie Glätten
und Kalibrieren des erzeugten Gewindes. Dadurch ist das Werkzeug noch kostengünstiger.
Das Formgebungsgewinde im Werkzeugschaft und das Formgebungsgewinde des Formgebungselements
sollten vorzugsweise ineinander übergehen und eine gleiche Formgebungsgewindesteigung
aufweisen.
In eine vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs
ist das wenigstens eine Formgebungselement kraftschlüssig oder kraft- und formschlüssig
mit dem Werkzeugschaft verbunden. Das Formgebungselement ist vorzugsweise auf den
Werkzeugschaft gepresst oder geschrumpft. Zusätzlich kann die Kontaktaußenfläche
des Werkzeugschafts in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse annähernd eine
polygone Form aufweisen, die der polygonen Form des Querschnitts der Kontaktinnenfläche
des Formgebungselements entspricht. Dadurch wird eine besonders guter Halt des Formgebungselements
auf dem Werkzeugschaft erzielt, vor allem, wenn hohe Drehmomente übertragen werden
sollen. Unterstützen lässt sich der Formschluss durch wenigstens eine korrespondierende
Vertiefung und/oder wenigstens eine korrespondierende Erhöhungen, die an der Kontaktinnenfläche
des Formgebungselements und an der Kontaktaußenfläche des Werkzeugschafts ausgebildet
sind bzw. ist, insbesondere wenigsten eine Nase, Zacke, Rippe, Rille oder Nut.
Das Formgebungselement kann auch auf den Werkzeugschaft gelötet oder
geschweißt oder geklebt sein. Hierbei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn das Formgebungselement
und der Werkzeugschaft an der Verbindungsfläche bzw. Kontaktfläche zusätzlich formschlüssig
ineinander greifen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind am Umfang des
Formgebungselements im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufende Nuten vorgesehen
zur Führung eines fluiden Mediums, insbesondere eines Kühl- und/oder Schmiermittels.
Beim Gewindeerzeugungsprozess kann sich der Arbeitsbereich durch die Reibung zwischen
dem Werkzeug und der Oberfläche des Werkstücks stark erwärmen. Um die Reibung und/oder
die Wärmeentwicklung zu reduzieren und die entstehende Wärme abzuführen kann dann
ein Kühl- und/oder Schmiermittel in den Nuten vom Werkzeugschaft an die Spitze des
Werkzeugs geführt werden und von dort aus das oder die Formgebungselement(e) überströmen.
Die in Längsrichtung verlaufenden Nuten können vorzugsweise auch als Drallnuten,
also verdrillt bzw. mit einer Drehung um den Umfang des Werkzeugs, ausgebildet sein.
Eine weitere Möglichkeit ein fluides Medium an die Werkzeugspitze
oder zu dem oder den Formgebungselement(en) zu leiten, ist im Innern des Werkzeugs,
vorzugsweise entlang der Längsachse einen Kanal vorzusehen, der vorzugsweise an
dem vorderen Ende des Werkzeugs, also an der Werkzeugspitze, oder seitlich vor oder
nach dem wenigstens einen Formgebungselement austritt, oder in dessen Mitte.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 eine perspektivische Ansicht eines
an sich bekannten Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung,
2 ein Längsschnitt einer Ausführungsform
des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung gemäß der Erfindung,
3 ein Längsschnitt einer abgewandelten
Ausführungsform des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung nach 2,
4 ein Längsschnitt einer abgewandelten
Ausführungsform des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung nach 3,
5 ein Längsschnitt einer weiteren, abgewandelten
Ausführungsform des Werkzeugs zur spanlosen Gewindeerzeugung gemäß der Erfindung,
6 ein Längsschnitt eines Werkzeugs zur
spanlosen Gewindeerzeugung nach 3 mit innenliegendem
Kühl-/Schmiermittelkanal,
7 ein Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse
A im Formgebungsbereich des Werkzeugs nach 3.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1
bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen an sich bekannten Gewindefurcher
1 der einen Werkzeugschaft 2, der um eine Werkzeugachse A drehbar
ist, und einen Formgebungsbereich 3 sowie einen Führungsbereich
4 umfasst. Der Gewindefurcher 1 dient zur spanlosen Innengewindeherstellung.
Der Werkzeugschaft 2 kann beispielsweise zylindrisch ausgeführt sein und
trägt in der Regel an der im Spannfutter eingebrachten Seite einen Vierkant (hier
nicht dargestellt) zur Furchmomentübertragung. Der Formgebungsbereich
3 und der Führungsbereich 4 weisen einen polygonen Querschnitt
auf, der annähernd die Form eines Dreiecks besitzt. Im Formgebungsbereich
3 und im Führungsbereich 4 ist ein Formgebungsgewinde
5 mit Formkeilen 6 ausgebildet. Die Formkeile 6 bilden
schräge Drückflanken 7. Der oder die Punkte der Formkeile 6 mit
dem größten radialen Abstand zur Werkzeugachse A bilden die Formkeilspitze
8.
Wird nun der Gewindefurcher 1 in einer Vorschubrichtung V
in eine Bohrung eingeführt, so bilden die Formkeile 6 des entgegen der
Vorschubrichtung V in seinem Außendurchmesser zunehmenden Formgebungsbereichs
3 ein Gewinde in der Innenwand der Bohrung aus. Dabei dringen die entlang
des Formgebungsgewindes 5 unmittelbar aufeinanderfolgenden Formkeile
6 jeweils tiefer und/oder breiter in die Werkstückoberfläche ein, bis das
Gewinde in seiner vollen Tiefe und Breite ausgeformt ist. Bei weiterer rotierender
Bewegung des Gewindefurchers 1 in Vorschubrichtung kalibrieren und glätten
die nachfolgenden Formkeile 6 des in seinem Außendurchmesser
gleichbleibenden Führungsbereichs 4 die erzeugten Gewinderillen.
Ein Gewindefurcher gemäß der Erfindung ist in seiner Wirkung und in
seinem Aufbau mit dem in 1 dargestellten, an sich bekannten
Gewindefurcher vergleichbar. Der Hauptunterschied liegt darin, dass der Formgebungsbereich
3 und/oder der Führungsbereich 4 durch ein oder mehrere auf den
Werkzeugschaft aufgebrachte Formgebungselemente 9 gebildet werden, so dass
der Formgebungsbereich 3 und/oder der Führungsbereich 4 aus einem
anderen Werkstoff ausgeführt sein kann als der Werkzeugschaft 2. Die Formgebungselemente
9 können beispielsweise die Form einer Hülse oder einer Kappe aufweisen.
2 zeigt schematisch eine einfache Ausführungsform
eines Werkzeugs gemäß der Erfindung. Das Formgebungselement ist auf den Werkzeugschaft
2 aufgesetzt und mit diesem fest verbunden, beispielsweise durch aufpressen
oder -löten oder -kleben. Das Formgebungselement 9 hat die Form einer Hülse
mit einem Formgebungsgewinde 5 und umfasst einen Formgebungsbereich
3, der zur Ausformung der Gewinderillen dient, und einen Führungsbereich
4, der dazu vorgesehen ist, den Gewindefurcher 1 im erzeugten
Gewinde zu führen und die erzeugten Gewinderillen zu glätten und zu kalibrieren.
Formgebungsbereich 3 und Führungsbereich 4 weisen eine gleiche
Formgebungsgewindesteigung P auf. Der Formgebungsbereich 3 weist einen
entlang der Werkzeugachse A zunehmenden Außendurchmesser D auf, wobei der Außendurchmesser
D im Führungsbereich 4 konstant bleibt. Ein Führungsbereich 3
wird jedoch nicht unbedingt für jede Annwendung benötigt, so dass das Formgebungselement
9 auch nur den in seinem Außendurchmesser D zunehmenden Formgebungsbereich
3 aufweisen kann. An seiner Kontaktinnenfläche 10 ist das Formgebungselement
mit einer korrespondierenden Kontaktaußenfläche 11 des Werkzeugschafts
verbunden. Die Kontaktinnenfläche 10 und die Kontaktaußenfläche
11 können zusätzlich korrespondierende polygone Formen sowie Vertiefungen
und Erhöhungen aufweisen, so dass die Übertragung des Drehmoments vom Werkzeugschaft
2 auf das Formgebungselement 9 verbessert wird (vgl. auch
7).
Das in 3 dargestellte Werkzeug entspricht
im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Gewindefurcher,
mit dem Unterschied, dass das Formgebungselement 9 in eine Aussparung
13 am Werkzeugschaft eingesetzt ist. Dadurch wird eine stabilere Verbindung
von Formgebungselement 9 und Werkzeugschaft 2 im Gewindeerzeugungsprozess
erreicht vor allem bei Bewegung des Gewindefurchers 1 in Vorschubrichtung
V. Das Formgebungselement 9 kann sich dabei nicht entlang der Werkzeugachse
A verschieben.
4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Werkzeugs nach 3. Hier sind in
einer Aussparung 13 am Werkzeugschaft 2 zwei hülsenförmige Formgebungselemente
9 aufgesetzt, die einen Formgebungsbereich 3 und einen Führungsbereich
4 bilden. Die Formgebungselemente 9 sind dazu direkt aneinander
angrenzend, hintereinander am Werkzeugschaft 2 befestigt. Das Formgebungsgewinde
5 ist durchgängig in beiden Formgebungselementen 9 ausgeführt
mir einer konstanten Formgebungsgewindesteigung P. Das am vorderen Ende des Werkzeugschafts
in Vorschubrichtung V angeordnete Formgebungselement 9 mit zunehmendem
Außendurchmesser D bildet den Formgebungsbereich 3. Das anschließend angeordnete
Formgebungselement 9 mit konstantem Außendurchmesser D bildet den Führungsbereich
4. Es ist ferner möglich das Formgebungselement 9, das den Führungsbereich
4 bildet, weg zu lassen und stattdessen den Führungsbereich 4
bzw. das zugehörige Formgebungsgewinde 5 direkt im Werkzeugschaft
2 auszubilden.
Das in 5 dargestellte Werkzeug unterscheidet
sich von dem in 4 gezeigten dahingehend, dass anstelle
einer Hülse am vorderen Ende des Werkzeugschafts 2 in Vorschubrichtung
V ein kappenförmiges Formgebungselement 9 aufgesetzt wurde, das den Formgebungsbereich
3 bildet. Dadurch kann die Kontaktinnenfläche vergrößert werden, was vorteilhaft
bei der Befestigung des Formgebungselements 9 am Werkzeugschaft
2 ist. Der Werkzeugschaft 2 unterscheidet sich gegenüber dem in
4 dargestellten dadurch, dass er sich in zum vorderen
Ende hin in seinem Durchmesser verringert.
6 zeigt das Werkzeug nach 3
mit innenliegendem Kühl-/Schmiermittelkanal 12. Der Kühl-/Schmiermittelkanal
12 dient dazu ein fluides Medium an die Werkzeugspitze oder zu dem oder
den Formgebungselement(en) 9 zu leiten, um die bei der Gewindeerzeugung
entstehende Wärme abzuführen und die Wärmeentwicklung sowie die Reibung zu verringern.
Der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 kann wie hier gezeigt im Innern des Gewindefurchers
1 entlang der Werkzeugachse A verlaufen. Es ist jedoch auch möglich, dass
der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 einen anderen Verlauf im Werkzeuginnern
nimmt. Der Kühl-/Schmiermittelkanal 12 tritt vorzugsweise an dem vorderen
Ende in Vorschubrichtung V aus dem Werkzeugschaft 2 aus oder seitlich (hier
nicht dargestellt) vor oder nach dem wenigstens einen Formgebungselement
9 oder in dessen Mitte. Eine weitere Möglichkeit der Kühl-/Schmiermittelführung
ist Nuten (nicht dargestellt) am Umfang des Werkzeugschaft 2 und/oder des
wenigstens einen Formgebungselements 9 vorzusehen, so dass das Kühl-/Schmiermittel
in Vorschubrichtung V von außen an den Formgebungsbereich 3 und/oder Führungsbereich
4 herangeführt werden kann.
Aus 7 wird deutlich, wie der Werkzeugschaft
2 und das Formgebungselement 9 miteinander verbunden werden können,
so dass sich ein hohes Drehmoment übertragen lässt. Das Formgebungselement
9 kann mit seiner Kontaktinnenfläche 10 an die Kontaktaußenfläche
11 des Werkzeugschafts angelötet, geklebt, geschweißt oder fest angepresst
sein. Die Kontaktinnenfläche 10 und die Kontaktaußenfläche 11
sind in ihrem Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse im Wesentlichen Dreieckig
ausgebildet, wodurch ein zusätzlicher Formschluss erreicht wird. Zusätzlich sind
an dem Werkzeugschaft 2 Nasen 14 vorgesehen, die in Vertiefungen
im Formgebungselement 9 eingreifen.