DE2543369A1

DE2543369A1 - Verfahren zum herstellen von gewinde und danach hergestelltes gewindeteil

Info

Publication number: DE2543369A1
Application number: DE19752543369
Authority: DE
Inventors: J D Ditson
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1976-04-15
Also published as: US4063837A; US4016801A

Description

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HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

INGERSOLL-RAND COMPANY ir-44

L/Bi. 29. Sept. 1975

Verfahren zum Herstellen von Gewinde und danach hergestelltes Gewindeteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein danach hergestelltes Gewindeteil. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen nicht-symmetrischer Gewindeformen mit Hilfe eines als Gewindewirbeln bekannten Verfahrens.

Zum Herstellen von Gewinde sind viele Techniken bekannt und angewendet worden. Diese Techniken benutzten verschiedene Maschinen, die von einer verhältnismäßig einfachen Drehbank bis zu komplizierten Gewindewalz- und -fräsmaschinen reichen. Im allgemeinen haben diese Techniken den Nachteil, daß mehrere Bearbeitungsvorgänge des Schneidwerkzeugs an dem Werkstück notwendig sind, um die endgültige Gestalt des Gewindes auszubilden.

Diese wiederholten Arbeitsvorgänge können zu einem zeit- und kostenaufwendigen Verfahren zum Herstellen von Gewinden führen. Wenn nur ein einziger Längsdurchgang des Schneidwerkzeuges längs des Werkstücks angewendet wird, kann die Herstellungszeit stark verringert werden. Ein anderer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, daß Gewinde nicht in sehr harte Materialien geschnitten wercfen können. Es ist daher notwendig, erst das Gewinde herzustellen und dann das Material zu härten.

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D-'O7 SCHWA.' SCH CMÜND GEMEINSAME KONTEN: D-8 MÜNCHEN Telefon: (07171) 56 90 Deut«!·,.· Bank München 70/37 369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 89) 77 89 H. SCHROETER Telegramme; Schroep*·. Schwäbisch Gmünd 02/00 535 (BLZ 613 700 86) K.LEHMANN Telegramme: Sdiroepat Bocksguje 49 Telex: 7248 868 pi,6 d Postscheckkonto München 1679 41-804 Lipowskystraße 10 Telex: 5 212 248 p»we d

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Um bei gehärteten Metallen ein Gewinde mit einem einzigen Längsdurchgang des Werkzeuges längs des Werkstückes herzustellen, wurde eine Technik entwickelt, die als "Gewindewirbeln" bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren ist das Schneidwerkzeug ständig in Umfangsbertihrung mit dem Werkstück, wodurch es möglich ist, härtere Metalle als mit anderen Gewindeherstellungsverfahren zu bearbeiten. Beim Gewindewirbeln rotiert das Schneidwerkzeug mit hoher Geschwindigkeit um eine Achse, die parallel und exzentrisch zu der Achse des Werkstücks ist.

Zwischen dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug wird eine Relativdrelmng erzeugt, so daß der kreisförmige Weg des Schneidwerkzeugs mit einer geringeren Geschwindigkeit um das Werkstück herum kreist. Das Schneidwerkzeug wird längs dem Werkstück in zeitlicher Abstimmung auf die Relativbewegung zwischen dem·Werkstück und dem Schneidwerkzeug vorwärtsbewegt, so daß ein Gewinde gebildet wird. Die Steigung oder Ganghöhe der durch das Schneidwerkzeug erzeugten Nut ist nur ein kleiner Bruchteil der Steigung oder Ganghöhe des herzustellenden Gewindes. Das sich hierbei ergebende Gewinde hat eine glatte Oberfläche, die mit anderen Gewindeherstellungsverfahren nicht oder nicht leicht erreicht werden kann.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen nicht-symmetrischer Gewinde an einem Werkstück zu schaffen. Dabei soll ein abgewandeltes Verfahren zum Gewindewirbeln geschaffen werden, mit dem ein nicht-symmetrisches Gewinde nach Art eines umgekehrten Sägezahngewindes gebildet werden kann. Dabei soll auch ein verhältnismäßig einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Herstellen von Gewinden in gehärtetem Metall oder an anderen bearbeiteten oder mit Maschinen bearbeitbaren Werkstücken gefunden werden. Schließlich soll durch

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die Erfindung eine Gewindeausbildung geschaffen werden, mit der es möglich ist, ein wahlweise lösbares Kupplungssystem mit einer Gewindestange, insbesondere mit Schraubengewinde, zu verwirklichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Anspruch 7 kennzeichnet das fertige Gewindeteil.

Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der hergestellten Gewindeteile werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Elemente, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt werden.

Fig. 2 und 3 zeigen schematisch zwei verschiedene Gewindeteile.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Teiles einer Bohrgestängekupplung und veranschaulicht den Umriß des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Gewindes.

Wie Figur 1 zeigt, ist die Wirbelachse 4 eine Achse, um die das Wirbelwerkzeug 5 rotiert und die sich senkrecht zu der Ebene 6 erstreckt, in der das Werkzeug 5 rotiert.

Eine Ebene 7 ist durch die Gewindeachse 3 gelegt, um die

herum das Gewinde gebildet werden soll; diese Ebene ist parallel zu der Wirbelachse 4.

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Der Wirbelachsenversatz d ist der senkrechte Abstand zwischen der Wirbelachse 4 und der Ebene 7 der Gewindeachse.

Der Wirbelversatz a ist der senkrechte Abstand zwischen der Gewindeachse 3 und dem Rotationsmittelpunkt des Wirbelwerkzeuges 5.

Die senkrechte Projektion der Wirbelachse 4 auf die Ebene 7 der Gewindeachse 3 ergibt eine Spur 8 unter einem Winkel oC gegenüber der Gewindeachse 3· Dieser sich ergebende Winkel wird als Versatzwinkel bezeichnet.

Durch Veränderung des Versatzwinkels σ(, des Wirbelversatzes a und des Wirbelachsenversatzes d können verschiedene Gewindeformen erzeugt werden. Jede dieser Veränderlichen trägt eine besondere Charakteristik zu der Form des Gewindes bei und kann unabhängig von den anderen Veränderlichen verändert werden, um gewünschte Ergebnisse zu erzielen.

Die mit Gewinde zu versehende Stange wird um die Gewindeachse

3 rotiert. Das Wirbelwerkzeug 5 rotiert um die Wirbelachse 4. Das Wirbelwerkzeug 5 enthält eine Schneidspitze 9* die die äußere Oberfläche der Stange berührt und die auf einer Kreisbahn um die Wirbelachse 4 rotiert, wobei sie das Gewinde auf der Stange um die Achse 3 herum einschließt und gegenüber der Achse 3 versetzt ist.

Bei dem herkömmlichen Gewindewirbeln zur Herstellung symmetrischer Gewindeformen ist die Gewindeachse 3 zu der Wirbelachse

4 parallel. Die Erfindung lehrt nun, daß eine nicht-symmetrische Gewindeform dadurch geschaffen werden kann, daß man die ver-

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setzte Wirbelachse 4 unter einem Winkel gegenüber der Achse des Werkstücks, insbesondere einer Bohrstange, neigt.

Beim Stand der Technik als auch beim erfindungsgemäßen Verfahren werden das Gewindewirbelwerkzeug 5 und/oder das Werkstück (Bohrstange) relativ zueinander linear längs der Achse des Werkstücks bewegt. Das Werkstück (Bohrstange) wird gleichzeitig gedreht, während es dem Wirbelwerkzeug 5 zugeführt wird, so daß die Schneidspitze 9 in ständigem Schneideingriff mit unterschiedlicher Tiefe mit dem Werkstück ist. Das Wirbelwerkzeug 5 schneidet bei seiner Bewegung eine kreisförmige Bahn, und die Kombination von Versatz und Vorschubgeschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Wirbelwerkzeug 5 bewirkt, daß eine Gewindeform erzeugt wird. Bei der Erfindung erzeugt der Versatz oder die Neigung der Achse 4 des Wirbelwerkzeuges 5 gegenüber der Achse 3 des Werkstücks eine nicht-symmetrische Gewindeform.

Figur 2 zeigt einen Abschnitt einer Bohrstange 10 mit der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Gewindeform. Es ist ersichtlich, daß der Winkel A der Verriegelungsflanke und der Winkel θ der freien Flanke des Gewindes vom umgekehrten Sägezahntyp durch die Größe des Versatzes (Winkel oC) erreicht werden. Durch Änderung der Richtung des Versatzes in Bezug auf die Richtung des Gewindes ergibt sich, wie in Figur 3 gezeigt ist, eine Umkehrung der relativen Größe des Verriegelungsflankenwinkels Λ und des Freiflankenwinkels Θ. Die sich durch die Bearbeitung ergebende Form ist im Querschnitt in der Wirbelebene noch immer kreisförmig. Jedoch ist ein Schnitt durch das Gewinde senkrecht zu der Gewindeachse 3 elliptisch, und zwar proportional zu dem Betrag, um den die Achse 4 des Wirbelwerkzeuges 5 gegenüber dem Werkstück (Bohrstange 10) versetzt

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oder geneigt ist. Im allgemeinen ist ein Versatzwinkel oC von 2 bis 6 ° ausreichend, um ein zufriedenstellendes Gewinde vom umgekehrten Sägezahntyp zu bilden.

Figur 4 zeigt eine Schnittansicht von zwei Abschnitten 10 und 11 einer Bohrstange und die dazu passende Kupplung 12 mit Gewinde vom umgekehrten Sägezahntyp, wie es durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt werden kann.

Ein wichtiges Merkmal der Gewindeform besteht darin, daß jede der beiden Flanken wahlweise verwendet werden kann. Wenn der Flankenwinkel· verkleinert wird, steigt die Längskraft, die mit einem bestimmten Drehmoment aufgebracht werden kann. Daher wird in einer Verbindung, in der ein Abschnitt einen kleinen Arbeitsflankenwinke1 hat und in der der andere Abschnitt einen größeren Flankenwinkel hat, das aufgebrachte Drehmoment das System einer Druckbelastung aussetzen, die durch den kleinen Winkel bestimmt wird. Der größere Flankenwinkel bewirkt dann, daß ein größeres Drehmoment benötigt wird, um die Verbindung zu lösen. Durch Vereinigung beider Flankenwinkel in einer Kupplungsanordnung zum Verbinden von Werkzeugen wird die Festigkeit der Verbindung durch das zwischen den beiden Bohrstangen wirkende Drehmoment bestimmt. Eine Umkehrung des Drehmomentes zum Lösen der Verbindung bewirkt, daß sich die Verbindung an dem kleinen Flankenwinkel zuerst löst, und da die beiden Bohrstangen normalerweise lotrecht angeordnet sind, wirkt die Belastung durch das Gewicht des Systems in derselben Richtung wie die anfängliche Verbindungslast, und das darauf folgende Lösen begünstigt das Gewinde an dem kleinen Flankenwinkel. Dieses wahlweise Lösen ist bei Bohrstangen ein erwünschtes Merkmal.

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Die glatte Gewindeoberfläche, die im allgemeinen durch das Gewindewirbeln erzeugt wird, und die wirtschaftliche Herstellungsweise wirken zusammen, um dieses Verfahren für die Herstellung von Bohrstangen besonders geeignet zu machen. Jedoch kann das beschriebene Herstellungsverfahren auch für andere Gewindeteile angewendet werden, wo eine Gewindeform vom umgekehrten Sägezahntyp oder eine andere nicht-symmetrische Gewindeform verwendet wird.

Obwohl nur ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben wurde, kann dieses Verfahren sowohl für die Herstellung von Innengewinde als auch für die Herstellung von Außengewinde an zylindrischen Teilen oder anderen Werkstücken mit gleich guten Ergebnissen eingesetzt werden. Die Gewindeform kann erreicht werden entweder durch Vorschub des Werkstücks relativ zu dem Wirbelwerkzeug und durch Drehung des Werkstücks oder durch Vorschub des Wirbelwerkzeugs relativ zu dem Werkstück und Drehung des Werkstücks oder auch dadurch, daß das Wirbelwerkzeug vorgeschoben wird, während das Werkstück festgehalten wird und die dazu parallele Vorschubachse um die Achse des Werkstückes herum rotiert wird.

Auch andere Anordnungen sind möglich, bei denen die Wirbelachse und die Gewindeachse nicht parallel sind und sich nicht schneiden.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist es nicht möglich, alle möglichen Abwandlungen der Gewindeform darzustellen, die sich durch die Erfindung verwirklichen lassen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1.Jverfahren zum Herstellen eines fortlaufenden, nichtsymmetrischen Gewindes an einem zylindrischen Werkstück durch Gewindewirbeln, dadurch gekennzeichnet , daß das Werkstück um eine erste Achse (3) rotiert wird, die der Achse des Werkstücks entspricht, und daß um die Oberfläche des zylindrischen Werkstückes herum ein kontinuierlicher Schnitt (6) mit Hilfe eines Werkzeuges (9) erzeugt wird, das um eine zweite Achse (4) rotiert, die gegenüber der ersten Achse versetzt und nicht parallel zu dieser ist, und daß eine relative Linearbewegung zwischen dem Werkstück und dem rotierenden Werkzeug parallel zu der ersten Achse und in zeitlicher Abstimmung mit der Rotation des Werkstücks erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks die äußere Oberfläche eines Zylinders ist und daß das sich ergebende Gewinde ein Außengewinde ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine innere Oberfläche eines Hohlzylinders ist und daß das sich ergebende Gewinde ein Innengewinde ist.

K. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde vom umgekehrten Sägezahntyp ist und unterschiedliche Verriegelungs- und Freiflankenwinkel hat.

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5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Außengewinde an einer Bohrstange.

6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Innengewinde an einer Kupplung für Bohrstangen oder an einem anderen Bauteil für Gesteinsbohrer.

7. Gewindeteil bestehend aus einem Werkstück und einem daran durch ein Schneidwerkzeug erzeugten nicht-symmetrischen Gewinde, gekennzeichnet durch eine Spur (6) des Schneidwerkzeugs (9) auf dem nfcht-symmetrischen Gewinde, die kreisförmig um die Gewindeform in einer Ebene herum liegt,die unter einem Winkel (dC.) gegenüber der Achse (3) des Teils geneigt oder versetzt ist, wobei der Winkel nicht gleich 90° ist.

8. Gewindeteil nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Bohrstange ist.

9. Gewindeteil nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß es eine Kupplung für Bohrstangen ist.

10. Gewindeverbindung gekennzeichnet durch zwei Gewindeteile mit Gewinde vom umgekehrten Sägezahntyp mit unterschiedlichen Verriegelungs- und Freiflankenvinkeln, wobei die beiden Gewindeteile durch ein drittes Gewindeteil mit wahlweiser Orientierung derart miteinander gekuppelt sind, daß eines der beiden Gewindeteile der Gewindeverbindung wahlweise freigegeben wird, wenn auf die Verbindung ein Drehmoment in einer Richtung ausgeübt wird, die entgegengesetzt zu derjenigen ist, in der ein Drehmoment zum Befestigen der Verbindung ausgeübt wird.

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