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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Betonschraube mit einem Schaft und einem an der Mantelfläche des Schafts angeordneten Gewinde, wobei in einem Spitzenbereich der Betonschraube zumindest eine Schneidausnehmung in der Mantelfläche des Schafts vorgesehen ist, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einem solchen Verfahren ist vorgesehen, dass
- – ein Drahtstück als Werkstück bereitgestellt wird,
- – an der Mantelfläche des Werkstücks zumindest eine Gewindewendel angeformt wird, und
- – zumindest eine Vertiefung in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht wird.
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Ein gattungsgemässes Verfahren ist aus der
US 2011274516 A bekannt. Diese Schrift lehrt ein Herstellungsverfahren für eine Betonschraube, bei dem zunächst ein Gewinde an einem Schaft angeformt wird, und bei dem anschliessend mittels schräggestellter Fräsräder Kerben aus dem Schaft herausgefräst werden. Die ausgefrästen Kerben, welche ein Abbild der Fräsräder darstellen, werden von scharfen Kanten begrenzt. Wie beispielsweise in der
EP 2 233 757 A2 erläutert ist, können diese Kanten als Schneidkanten dienen, die ein nicht ideal zylindrisches Bohrloch beim Eindrehen der Schraube aufweiten können, und die es daher ermöglichen können, Betonschrauben mit relativ grossem Kerndurchmesser und somit mit relativ hohen Traglasten zu setzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Betonschrauben anzugeben, mit dem leistungsfähige Betonschrauben besonders einfach und günstig herstellbar sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemässes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch Umformen in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht wird, insbesondere durch Kaltumformen.
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Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, die Vertiefung in der Mantelfläche des Werkstücks, welche bei der fertigen Betonschraube die Schneidausnehmung bildet, nicht durch einen spanenden Fräsvorgang zu formen, sondern durch einen Umformprozess, also durch einen spanlosen Fertigungsprozess, bei dem das Werkstück plastisch und unter Beibehaltung seiner Masse und seines Zusammenhalts bleibend in seiner Form geändert wird. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der in der
US 2011274516 A gelehrte Fräsprozess zur Herstellung der Schneidausnehmungen für die Funktionalität der fertigen Schraube in der Regel allenfalls eine untergeordnete eine Rolle spielt. Auf dieser Erkenntnis aufbauend schlägt die Erfindung vor, zumindest eine Vertiefung nicht in einem spanenden Fräsprozess zu fertigen, sondern in einem spanlosen Umformprozess. Ein solcher spanloser Umformprozess hat mehrere Vorteile. So kann zum einen ein spanloser Umformprozess besonders einfach in die Fertigungssequenz der Schraube integriert und mit anderen Schritten kombiniert werden. Beispielsweise kann die Vertiefung im selben Schritt geformt werden, in dem auch der Schraubenkopf geformt wird. Ein separater spanender Fertigungsschritt zum Einformen der Vertiefung kann daher entfallen, was die Fertigungssequenz deutlich verkürzen und die Herstellungskosten reduzieren kann. Darüber hinaus ist ein spanloser Umformprozess weniger rohstoff- und abfallintensiv, was die Herstellungskosten weiter reduzieren kann. Schliesslich kann bei einem Kaltumformprozess der Bereich der Schneidausnehmungen ohne zusätzliche Fertigungsschritte durch Kaltverfestigung gehärtet werden, so dass mit geringem Aufwand eine besonders gute Schnitthaltigkeit und damit Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
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Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine Betonschraube hergestellt, also eine Schraube mit einem selbstschneidenden Gewinde, die unter Bildung eines Gegengewindes in ein Betonsubstrat eindrehbar ist. Vorzugsweise bildet die zumindest eine Gewindewendel, gegebenenfalls nach einer Nachbearbeitung, bei der fertigen Schraube das Gewinde, und/oder bildet die Vertiefung in der Mantelfläche des Werkstücks, gegebenenfalls nach einer Nachbearbeitung, bei der fertigen Betonschraube die Schneidausnehmung. Besonders geeignet ist die Erfindung zur Herstellung von Betonschrauben mit relativ dickem Schaft, also zum Beispiel für solche Schrauben, bei denen das Verhältnis des Aussendurchmessers des Gewindes zum Aussendurchmesser des Schafts 1,1 bis 1,4 beträgt. Das Werkstück und/oder die Betonschraube bestehen vorzugsweise aus einem Metallmaterial.
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Zweckmässigerweise weist der Schaft und/oder das Werkstück zumindest bereichsweise eine zylindrische Mantelfläche auf. Unter dem Spitzenbereich der Betonschraube kann insbesondere der Bereich verstanden werden, welcher bei der bestimmungsgemässen Verwendung der Betonschraube zuerst in das Bohrloch eingebracht wird, also der Bereich, an dem das selbstschneidende Gewinde beginnt.
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Vorzugsweise können nach der Erfindung sämtliche Vertiefungen, die zur Bildung von Schneidausnehmungen in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht werden, durch Umformen eingebracht werden. Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, einen Teil der Vertiefungen spanlos durch Umformen und einen anderen Teil spanend, beispielsweise durch Fräsen, einzubringen. Erforderlichenfalls kann die erfindungsgemäss durch Umformen in die Mantelfläche des Werkstücks eingebrachte Vertiefung auch nachbearbeitet werden, dies entweder nichtspanend oder auch spanend.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zuerst die Vertiefung in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht wird und anschliessend die Gewindewendel an der Mantelfläche des Werkstücks angeformt wird. Die Gewindewendel wird also erst dann angeformt, wenn die Vertiefung schon vorhanden ist. Da gemäss dieser Ausführungsform im Anschluss an die Fertigung der Gewindewendel keine hohen und damit für die Gewindewendel potenziell schädlichen Kräfte mehr auf das Werkstück wirken müssen, können hiermit eine besonders hohe Gewindepräzision und somit eine besonders gute Setzbarkeit und besonders gute Traglasten erreicht werden. Darüber hinaus kann, wie weiter unten im Detail erläutert, bei dieser Ausführungsform der Fertigungsprozess für die Gewindewendel zugleich zur Nachbearbeitung der Vertiefung genutzt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Geometrie der Vertiefung beim Anformen der Gewindewendel verändert wird. Gemäss dieser Ausführungsform wird beim Anformen der Gewindewendel nicht nur der Bereich der Gewindewendel, sondern auch die Vertiefung deformiert, so dass besonders vorteilhafte Bauteilformen besonders einfach erhalten werden können.
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Grundsätzlich könnte die Gewindewendel durch Gewindeschneiden angeformt werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass die Gewindewendel in einem Gewindewalzprozess angeformt wird. Dies kann im Hinblick auf die Kosten und die Fertigungsgeschwindigkeit vorteilhaft sein. Darüber hinaus können durch Gewindewalzen Gewindewendeln erhalten werden, die für Betonschrauben besonders gut geeignet sind. Bei einem Gewindewalzprozess wird die Gewindewendel spanlos, insbesondere durch Kaltumformung gebildet. Bei einem Gewindewalzprozess wirkt bzw. wirken zumindest ein profiliertes Walzwerkzeug, vorzugsweise zumindest zwei profilierte Walzwerkzeuge, auf das Werkstück, und versetzt bzw. versetzen das Werkstück in einer Werkstückdrehrichtung in Drehung. Die Umformung basiert auf Druckspannungen, die vom Walzwerkzeug im Werkstück erzeugt werden, wobei sich die Profilierung des Walzwerkzeugs auf dem Werkstück abbildet.
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Vorzugsweise ist als Gewindewalzprozess ein Flachbacken-Walzprozess vorgesehen, bei dem zwei flache Walzbacken, die linear zueinander bewegt werden, als Walzwerkzeuge auf das Werkstück wirken. In einer alternativen Verfahrensführung können zumindest zwei Rollen als Walzwerkzeuge auf das Werkstück wirken. In einer weiteren alternativen Verfahrensführung können eine Rolle und ein korrespondierendes Segment als Walzwerkzeuge auf das Werkstück wirken.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Walzwerkzeug auf zumindest einen Teilbereich des Randes der Vertiefung wirkt und diesen deformiert. Gemäss dieser Ausführungsform wird während des Gewindewalzprozesses nicht nur die Gewindewendel gefertigt, sondern es werden auch Druckkräfte im Randbereich der Vertiefung erzeugt, die den Rand der Vertiefung deformieren. Das Walzwerkzeug ist also so gross ausgebildet, dass es zur Vertiefung hin reicht, so dass die Vertiefung beim Gewindewalzprozess überwalzt wird. Es wurde beobachtet, dass hierbei der Werkstoff an der Vertiefung teilweise tangential zur Walzrichtung fliessen kann. Weiter wurde in überraschender Weise beobachtet, dass hierdurch am Rand der Vertiefung eine scharfkantige Schneide erzeugt werden kann, welche eine Hinterschneidung bildet und welche unter Umständen die Vertiefung radial nach aussen hin teilweise überdeckt. In Versuchen wurde festgestellt, dass die Schneide einen Radius von lediglich 0,1 bis 0,4 mm aufweisen kann. Die scharfe Kante der Schneide kann gewährleisten, dass ein raues und nicht ideal zylindrisches Bohrloch besonders zuverlässig begradigt und aufgeweitet wird. Somit können insbesondere Betonschrauben mit einem Verhältnis von Bohrer-Nenndurchmesser zu Gewindekerndurchmesser von 0,9–1,1 sehr gut setzbar sein.
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Eine weitere zweckmässige Variante des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass die Vertiefung, welche in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht wird, im Querschnitt des Werkstücks betrachtet asymmetrisch ist. Insbesondere kann die Vertiefung bezogen auf die Radialrichtung des Werkstücks und/oder der Schraube asymmetrisch sein. Durch die asymmetrische Ausgestaltung der Vertiefung kann die Vertiefung im Hinblick auf die nachfolgende Deformation im Walzprozess hin optimiert werden, so dass eine besonders brauchbare Endform der Vertiefung, und somit eine besonders brauchbare Form der hieraus gebildeten Schneidausnehmung, erhalten werden kann. Durch eine asymmetrische Ausgestaltung der Vertiefung kann auch der Umformwiderstand beim Einformen der Vertiefung reduziert werden, ohne dass es zu wesentlichen Funktionseinbussen bei der fertigen Schraube kommt. Unter einem Querschnitt kann insbesondere ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Werkstücks und/oder der Schraube verstanden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass eine in Einschraubrichtung der Gewindewendel vorauslaufende Flanke der Vertiefung im Querschnitt des Werkstücks betrachtet flacher bezüglich der Mantelfläche des Werkstücks verläuft als eine in Einschraubrichtung nachlaufende Flanke der Vertiefung. Die in Einschraubrichtung nachlaufende Flanke ist diejenige Flanke, die bei der fertigen Betonschraube den Beton beim Einschrauben schneidet. An dieser Flanke ist für eine gute Schneidwirkung ein steiler Winkel vorteilhaft. Die gegenüberliegende, in Einschraubrichtung der Gewindewendel vorauslaufende Flanke der Vertiefung hat hingegen in der Regel allenfalls eine nachrangige Schneidfunktion. Diese Flanke wird bevorzugt flach ausgeführt, da hiermit die Vertiefung mit einer grosse Oberfläche ausgestaltet werden kann, so dass die aus der Vertiefung resultierende Schneidausnehmung besonders zuverlässig Betonmehl aufnehmen kann, selbst wenn die Flanken beim Überwalzen der Vertiefung deformiert werden. Unter einem flachen Flankenverlauf kann insbesondere verstanden werden, dass die besagte Flanke im Querschnitt des Werkstücks betrachtet mit einer Tangente an die Mantelfläche des Werkstücks, welche am Übergang der Mantelfläche in die besagte Flanke entspringt, nur einen kleinen Winkel einschliesst.
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Besonders zweckmässig ist es, dass die Betonschraube einen gegenüber dem Schaft verbreiterten Schraubenkopf aufweist. Dieser Schraubenkopf kann zur drehfesten Kopplung mit einem Setzwerkzeug dienen. Der Schraubenkopf kann zur drehfesten Kopplung mit einem Setzwerkzeug beispielsweise eine Polygonalstruktur, vorzugsweise einen Aussensechskant, aufweisen.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, dass das Werkstück gestaucht und dabei eine endseitige Verdickung gefertigt wird. Die endseitige Verdickung kann zum Schraubenkopf der fertigen Schraube geformt werden oder den Schraubenkopf schon unmittelbar bilden.
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Der Fertigungsaufwand kann dadurch reduziert werden, dass zeitgleich mit dem Einbringen der Vertiefung in die Mantelfläche des Werkstücks die endseitige Verdickung gefertigt oder umgeformt wird. Hierzu kann mit einem Stempel eine Axialkraft auf das Ende des Werkstücks aufgebracht werden, an dem die Verdickung geformt wird, wobei die Axialkraft das Werkstück in eine Matrize treibt, welche die Vertiefung formt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Vertiefung durch Druckumformen, insbesondere durch Fliesspressen eingebracht wird. Auch dies ist im Hinblick auf den Fertigungsaufwand vorteilhaft. Definitionsgemäss wird unter einem Druckumformprozess ein Umformen bei vorherrschender Druckbeanspruchung verstanden. Zum Einbringen der Vertiefung wird das Werkstück geeigneterweise in oder durch eine Matrize gepresst.
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Die Vertiefung wird zweckmässigerweise in einem Endbereich des Werkstücks in die Mantelfläche des Werkstücks eingebracht, insbesondere in einem Endbereich, welcher der Verdickung gegenüberliegt. Es ist bevorzugt, dass die Vertiefung zur Stirnseite des Werkstücks hin offen ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung mittels einer Matrize. Demgemäss ist es besonders bevorzugt, dass die Schneidausnehmung der fertigen Schraube zur Stirnseite der Schraube hin offen ist.
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Nach der Erfindung können beispielsweise zwei bis sechs, vorzugsweise vier, Vertiefungen im Werkstück, entsprechend zwei bis sechs, vorzugsweise vier, Schneidausnehmungen in der Betonschraube, vorgesehen werden. Insbesondere kann eine gerade Zahl von Vertiefungen, entsprechend einer geraden Zahl von Schneidausnehmungen, vorgesehen werden. Die hieraus resultierende relativ hohe Symmetrie kann zur Kraftaufnahme besonders vorteilhaft sein.
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Das Drahtstück, von welchem das erfindungsgemässe Verfahren ausgeht, weist nach der Erfindung zweckmässigerweise einen kreisrunden Querschnitt auf. Vorzugsweise ist das Drahtstück zylindrisch, vorzugsweise kreiszylindrisch, insbesondere in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft auch eine Betonschraube, die in einem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere kann eine solche Schraube am Rand der Schneidausnehmung eine Schneidkante aufweisen, welche einen Hinterschnitt bildet, d.h. welche die Schneidausnehmung nach aussen teilweise abdeckt. Das Gewinde ist bevorzugt ein Rechtsgewinde.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den beiliegenden Figuren dargestellt sind, wobei einzelne Merkmale der nachfolgend gezeigten Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Erfindung einzeln oder in beliebiger Kombination realisiert werden können. In den Figuren zeigen schematisch:
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1 bis 5: ein Werkstück in verschiedenen aufeinanderfolgenden Stadien während der Fertigungssequenz einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens, in 1 bis 4 in Seitenansicht und in 5 in perspektivischer Darstellung, wobei 5 eine erfindungsgemässe Betonschraube als Endprodukt zeigt;
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6: die Walzbackenanordnung aus 4 in perspektivischer Darstellung, wobei der Übersichtlichkeit halber die endseitige Verdickung, welche den Schraubenkopf bildet, nicht dargestellt ist;
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7: eine Querschnittsansicht A-A des Werkstücks im Bereich der Vertiefungen im Stadium der 3 und, beispielhaft an einer Vertiefung in Punktlinie überlagert hierzu, im Stadium der 5; und
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8: eine Querschnittsansicht analog 7 gemäss einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens.
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Die 1 bis 7 illustrieren ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die 1 bis 5 eine Stadienfolge vom unbearbeiteten Drahtstück (1) bis hin zum fertigen Endprodukt (5) zeigen.
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Wie 1 zeigt, beginnt das Verfahren damit, dass ein gerades Stück Metalldraht als Werkstück 11 bereitgestellt wird.
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Im folgenden Verfahrensschritt wird an einem Ende des Werkstücks 11 eine Verdickung 19 mit einer Aussensechskantstruktur angestaucht und dabei das in 2 gezeigte Vorprodukt erhalten.
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Im nächsten Verfahrensschritt wird die Verdickung 19 weiter zu einem Schraubenkopf 39 umgeformt. Im selben Verfahrensschritt werden an dem Ende des Werkstücks 11, welches der Verdickung 19 entgegengesetzt ist, mittels eines Umformprozesses vier Vertiefungen 16 in die Zylindermantelfläche des Werkstücks 11 eingeformt, beispielsweise indem das Ende des Werkstücks 11, welches der Verdickung 19 entgegengesetzt ist, in eine Matrize eingepresst wird. Das hierbei erhaltene Vorprodukt ist in 3 und mit durchgezogener Linie in 7 dargestellt.
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Sodann wird das Werkstück 11, wie in den 4 und 6 gezeigt, zwischen zwei Walzwerkzeuge 61 und 62 eingebracht, welche als profilierte Gewindewalzbacken ausgebildet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Walzwerkzeug 61 ortsfest, wohingegen das zweite Walzwerkzeug 62 in Richtung des Pfeils von 6 linear bewegt wird. Hierdurch wird das Werkstück 11 in der in 6 dargestellten Werkstückdrehrichtung in Drehung versetzt.
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Mittels der Walzwerkzeuge 61 und 62 wird an der Zylindermantelfläche des Werkstücks 11 eine Gewindewendel 13 oder auch mehrere Gewindewendeln angeformt. Das hierbei erhaltene Produkt ist in 5 dargestellt. Die Walzwerkzeuge 61 und 62 wirken aber auch auf die Randbereiche der Vertiefungen 16. Hierdurch kommt es an den Randbereichen der Vertiefungen 16 zu einem Materialfluss in die Vertiefungen 16 hinein. Als Folge entstehen Querschnittsformen, wie sie in 7 am Beispiel der oberen Vertiefung 16 in Punktlinie dargestellt sind. Insbesondere können scharfe Schneidkanten 17 und 17‘, vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel kleiner 10°, entstehen, die Hinterschneidungen bilden und die Vertiefung 16 teilweise nach aussen abdecken.
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Das in 5 und punktiert in 7 gezeigte Stadium stellt zugleich das Endprodukt dar. Beim Endprodukt, d.h. bei der Betonschraube, bildet die Verdickung 19 den Schraubenkopf 39 und die Gewindewendel 13 das Gewinde 33 der Betonschraube. Die umgeformten Vertiefungen 16 bilden die Schneidausnehmungen 36 im Schaft 31. Somit finden sich die scharfen Schneidkanten 17 und/oder 17‘ vorzugsweise auch an den Schneidausnehmungen 36, d.h. die Schneidausnehmungen 36 werden vorzugsweise von zumindest einer Schneidkante 17 oder 17‘ bereichsweise nach aussen abgedeckt.
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Eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist in 8 gezeigt. Wie 8 zeigt, können die Vertiefungen 16 im Mantel des Werkstücks 11 auch asymmetrisch im Querschnitt des Werkstücks 11 ausgebildet sein. Insbesondere kann diejenige Flanke 18, welche in der durch die Gewindewendel 13 definierte und in 5 und 8 mit einem Pfeil gekennzeichnete Eindrehrichtung nachläuft, steiler ausgeführt sein als die gegenüberliegende Flanke 18‘. Damit kann diejenige Flanke 18, die beim Einschrauben der fertigen Schraube gegen das umgebende Substrat wirkt, eine gute Schneidwirkung entfalten, wobei aufgrund der flachen Ausführung der zweiten Flanke 18‘ auch nach dem Überwalzen der Vertiefung 16 (Punktlinie in 8) eine grosse Zugangsfläche in die Schneidausnehmung 36 gegeben ist, die einen zuverlässigen Materialtransport von Betonmehl in die Schneidausnehmung 36 erlaubt. Die Eindrehrichtung kann insbesondere der Werkstückdrehrichtung beim Gewindewalzen entgegengesetzt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011274516 A [0002, 0006]
- EP 2233757 A2 [0002]