DE3404118A1

DE3404118A1 - Verfahren und vorrichtung zum anbringen einer mutter an einem plattenfoermigen werkstueck

Info

Publication number: DE3404118A1
Application number: DE19843404118
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1984-02-07
Filing date: 1984-02-07
Publication date: 1985-08-14
Also published as: US4642869A; IT1182176B; CA1256723A; US4724610A; IT8547640A0; GB2153950A; DE3404118C2; GB8501763D0; GB2153950B; IT8547640A1; JPS60238045A

Description

340A 11

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere an einem Blech. Sie betrifft auch die Mutter selbst, nämlich eine an einem plattenförmigen Werkstück zu befestigende Mutter mit einem Befestigungsteil und einem in Richtung der Mutternachse daran anschließenden Grundkörper, der auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Mutter gemeinsam mit Mutternschultern eine Druckfläche bildet. Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Anbringen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere einem Blech, mit einem druckbeaufschlagten Stößel und einer gegenüberliegend unterhalb des Bleches angeordneten Matrize.

Zu den im vorliegenden Zusammenhang angesprochenen Muttern gehören insbesondere Niet- und Stanzmuttern, aber auch Schweißmuttern. Ein Beispiel für sowohl eine Nietals auch Stanzmutter wird in der DE-PS 1 253 521 dargestellt und beschrieben; diese Mutter wird auch als "UP"-Mutter (Universal Pierce Nut) bezeichnet. Ein weiteres Beispiel für eine im Rahmen der Erfindung zu verwendende Stanzmutter ist die sogenannte "HS"-Mutter (Hi Stress Pierce Nut). Schließlich gehören hierzu auch noch die sogenannte "TM"-Mutter (Thick Metal Nut) sowie die "BUP"-Mutter, die eine Variante der "UP"-Mutter darstellt.

Lösbare Schraubenverbindungen müssen häufig neben den Betriebslasten auch noch Kräfte aus Vibrationen in einer oder mehreren Achsen aufnehmen. Diese Kräfte wirken sich infolge Passungsrost entweder verkeilend auf die verbindenden Gewindeteile aus, oder aber sie erzeugen, bedingt

durch die Vibrationsmassenkräfte, ein Losdrehmoment, welches ein Lösen der Gewindeteile der Mutter und/oder der Schraube zur Folge hat.

Die Gefahr eines Losdrehens der ineinander bzw. miteinander verschraubten Teile besteht insbesondere bei Rotationsmomenten aus wechselnden Verbindungslasten und rnehrachsigen Schwingungsbewegungen. Sehr häufig tritt das bei dünnwandigen, mittels Schraube und Mutter verbundenen Bauelementen auf, da sich hier wechselnde Betriebslasten und Schwingungen zu besonders ungünstigen Losdrehmomenten entwickeln. Gewindeverbindungen, die sich selbständig und unbeabsichtigt lösen, stellen neben allen anderen schädlichen Auswirkungen hauptsächlich ein erhöhtes Schadensund Unfallrisiko dar, weil beispielsweise bei stationär angeordneten Maschinen, wie Waschmaschinen, durch Lösen von Verbindungselementen Schaden durch Undichtigkeit entstehen kann.

Damit ein selbständiges Lösen der miteinander verschraubten Teile erschwert oder gar unmöglich wird, sind kraftschlüssige Sicherungen bekannt, die durch die nach dem Festziehen der Verbindungselemente wirkende Reaktionskraft der verbundenen Teile ein durch das vorhandene Reibmoment zwischen den Gewindeteilen der Schraube und der Mutter selbst bzw. zwischen einem der Gewindeteile und einem der verbundenen Teile hervorgerufenes Lösen ausschließt (vgl. DE-OS 3 011 957). Kraftschlüssige Gewindesicherungen bieten beim gleichmässigen Einhalten der Montagebedingungen einen guten Schutz. Nachteilig ist jedoch, daß sie im Anlieferungszustand nicht mehr lehrenhaltig sind, was sich einschränkend auf die Belastbarkeit auswirkt, die beispielsweise beim Wareneingang immer kontrolliert wird.

Bei bekannten kombinierten kraft- und forrnschlüssigen Sicherungen lassen sich der Schraube oder der Mutter zugeordnete Teile oder Hilfswerkstoffe beim Verbinden sowohl in die zu verbindenden Werkstoffe als auch in die Verbindungselemente selbst einformen. Das erschwert ein Losdrehen unter Betriebsbedingungen mit überlagerten Vibratlonsschwingungen. (vgl. DE-AS 2 638 937; DE-OS 3 015 078). Derartige Gewindesicherungen wirken aber nur dann sicher, beispielsweise die angeformte Wellenscheibe gemäß DE-OS 3 015 078, wenn die Sicherungswerkstoffe den Anforderungen entsprechen bzw. auch tatsächlich vorhanden sind. Beschädigte Werkstoffe oder verlorene Sicherungseleniente bergen eine nicht auszuschließende Gefahr in sich. Hinzu kommt oftmals ein Beschädigen der Sicherungselernente durch falsches Montagewerkzeug oder durch zu hohe Anziehdrehmomente, wodurch beim Überdrehen zum Beispiel vorgesehene Zähne oder dergleichen zerstört werden. Solche zerstörten Zähne oder deren Formabdrücke in den zu verbindenden Bauteilen erzeugen Kerbwirkungseffekte, die die Dauerfestigkeit der Verbindungselemente und/oder der verbundenen Teile außerordentlich stark reduzieren. Auch läßt sich bei derartigen Sicherungen die Lehrenhaltigkeit nur aufwendig feststellen.

Einen weitgehend sicheren Losdrehschutz bieten ordnungsgemäß angebrachte formschlüssige Gewindesicherungen. Bei dieser Art der Gewindesicherung werden nach dem Festziehen der Verbindungselemente in einem nachfolgenden Arbeitsgang zusätzliche Hilfsmittel, zum Beispiel Splinte oder ein Draht, an der Schraube oder der Mutter befestigt und entweder miteinander oder an den die Schraubverbindung zusammenhaltenden Teilen befestigt, wofür sich beispielsweise Kronenmuttern und Muttern mit Sicherungsblechen bzw. einer Drahtsicherung eignen (vgl. Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage, 1981, Seiten

382 und 383). Auch hierfür gilt allerdings, daß ein unsachgemäßes Anbringen der die Formschlüssigkeit bewirkenden Teile die Losdrehsicherheit einschränkt. Solche Fehler treten nicht selten und besonders in Verbindung mit Reparaturarbeiten vor allen in den Fällen auf, wo Reparaturen außerhalb von Werkstätten oder nicht entsprechend eingerichteten Montageplätzen durchzuführen sind. Grundsätzlich haftet allen diesen Elementen der Nachteil an, daß sie sich nicht universell verwenden, d.h. nicht für normale Verwendungszwecke, die keine gesicherte Schraubverbindung benötigen, einsetzen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem in einfacher Weise das Anbringen von Muttern möglich ist, die ohne zusätzliche Hilfsmittel oder Teile selbstsichernde Eigenschaften besitzen sollen. Dabei sollen Muttern zur Anwendung kommen, die wahlweise sichernd oder nichtsichernd einzusetzen sind.

Ausgehend von dem Gedanken, den beim Anbringen einer Mutter, insbesondere einer Schweiß-, Niet- oder Stanzmutter an einem Blech benötigten Befestigungsschritt für eine Gewindeverformung des Mutterngewindes zu nutzen, wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die die Mutter befestigende, auf eine freie Druckfläche der Mutter wirkende Kraft in mindestens zwei Wirkkomponenten zerlegt wird, die im Mutternmaterial eine Schubspannung erzeugen, wobei eine Querdeformation eines dem Werkstück abgewandten Teiles der Mutter ausgelöst und der Gewindedurchmesser im zum Zwecke der Selbstsicherung verformten Gewindebereich bei gleichzeitiger Neigung der Gewindegänge zur Mittelachse hin reduziert wird.

Mit diesen Maßnahmen wird das überraschende Ergebnis erreicht, daß die zum Befestigen der Mutter benötigte Kraft zusätzlich für eine gezielte Deformation in genau vorherbestimmten Mutternbereichen genutzt werden kann, wodurch d.i e eingebaute Mutter dann im entsprechenden Gewindebereich eine Formgebung erhält, die eine selbstsichernde Aufnahme einer Schraube bewirkt, d.h. beim Einschrauben der Schrauben ein beispielsweise um 1/6 höheres Anschraubiiioment für die erfindungsgemäß gesicherte Gewindeverbindung erzeugt werden muß als bei einer nichtgesicherten Gewindeverbindung.

Durch die Erfindung werden somit nicht nur zusätzliche Teile oder Hilfsmittel eingespart sondern auch Rüstzeiten vermieden, die beim Stand der Technik zur Vorbereitung und zum Zusammenbau der Verbindungen erforderlich sind.

Vorzugsweise wird die Kraft durch einen Stößel aufgebracht bzw. auf die Mutter übertragen, wobei, wie eingangs bereits erwähnt, das Verfahren sich insbesondere zur Befestigung von mit zumindest einen Teil der Druckfläche bildenden Schultern versehenen Muttern, insbesondere Schweiß-, Niet- oder Stanzmuttern, eignet, wobei der Stößel die Schultern erst nach beendeter Bildung des selbstsichernden Abschnittes des Gewindes berührt. Dadurch wird sichergestellt, daß die eigentliche Befestigung der Mutter erst beginnt, wenn die gewünschte Verformung des selbstsichernden Abschnitts beendet worden ist, da erst dann die Kraft über die Schultern derart auf den Befestigungsteil der Mutter übertragen wird, daß in der gewünschten Weise gestanzt, vernietet bzw. verschweißt wird. Dabei ist die Materialart der Mutter nicht ohne Bedeutung, so daß in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Beginn der Verformung im Verhältnis zum endgültigen Berühren der Schultern durch den Stößel in

Abhängigkeit vorn Material der Mutter gewählt wird, d.h. der Weg des Stößels von seiner ersten Berührung mit der Mutter bis zu seinem Berühren ihrer Schultern stellt die maßgebliche Verformungsstrecke dar, die der Stößel zurücklegt. Da das Mutternmaterial einerseits gewisse Federeigenschaften besitzt andererseits aber auch unterschiedlich widerstandsfähig ist, ergibt sich für diesen genannten Verformungsweg des Stößels für verschiedene Materialarten eine unterschiedliche Länge, die durch geeignete Formgebung des Stößels sowie der diesem zugekehrten Mutternbereiche einzustellen ist.

Die vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach der Erfindung an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere an einem Blech zu befestigenden Muttern weisen daher ein Befestigungsteil und einen in Richtung der Mutternachse daran anschließenden Grundkörper auf, der auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Mutter gemeinsam mit Mutternschultern eine Druckfläche bildet, die erfindungsgemeß krafturr.-lenkend ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Mutter erhält somit ein Profil, das bei entsprechender Ausbildung des Stößels dessen Einwirkung auf bestimmte Bereiche des Gewindes zun Zwecke der Verformung zuläßt, bevor der Stößel die zum Befestigen der Mutter erforderlichen Kräfte über die Druckfläche einleitet. Bei planebener Ausbildung der Stößeldruckfläche läßt sich somit ein weiterer erheblicher Verteil der Erfindung res.1 :i sieren, daß narrlich dann die Muttern befestigt werden kenren, ohne selbstsicherrxde Eigenschaften zu erhalten. Dies bedeutet für die Praxis die enorme Vereinfachung, daß nunmehr nur nech eine I-lutternart erforderlich ist, die sich scwoiil für eine- selbstsichernde Befestigung als auch eine nicht, sichernde Befestigung eignet, was nicht nur die Lagerhaltung vore i η Γοο"ι I sondern auch c .· e Flexibilität im y,c^rA\ei--

ten Einsatz erhöbt. In einfacher Weise läßt sich die kraf tum.l enkende Ausbildung der Druckfläche durch einen erhabenen Ansatz der Schultern mit Formschrägen erreichen.

Der Ansatz kann bevorzugt koaxial zur Gewind.ebohrung angeordnet sein und einen trapezförmigen Querschnitt mit in freie Schulternf]ächen übergehenden Formschregen aufwei-Gor¹·. ,.ο.'. e:'.ner rechteckigen Mutter reicht der trapezförmige Ansatz quer über die gesamte Breite, und die Formschrägen verlaufen unter einem Winkel von ungefähr 10 bis 30 zur Vertikalen; er muß größer sein als der Selbsthemmunr;s- oder Reibungswinkel. Der so erreichte Mutternquerschnitt ermöglicht nicht nur ein leichteres Zuführen der Mutter, da sich der Ansatz als Zuführungshilfe für einen Formschluß durch eine Bereitstellungsvorrichtung eignet, sondern er bietet insbesondere Formflächen an, mit denen sich eine von außen einwirkende Kraft zum Beeinflussen zumindest der Form der obersten Gewindegänge aufteilen läßt. Eine in das verformte Gewinde eingeschraubte Schraube verbleibt ohne weitere Zusatzteile in einer gesicherten Lage. Andererseits läßt, wie bereits erwähnt, der Mutternquerschnitt das Anbringen an einem Blech auch ohne Gewindeverformung zu; in diesem Fall wird die zum Befestigen benötigte Kraft ausschließlich über die ebene obere Fläche des Trapezansatzes eingeleitet. Die Kraft geht dann senkrecht in den Mutternkörper; seitliche Wirkkomponenten der Kraft entstehen dabei nicht.

Bei einer Vorrichtung zum Anbringen einer Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere einem Blech, mit einem druckbeaufschlagten Stößel und einer gegenüberliegend unterhalb des Bleches angeordneten Matrize, besitzt der Stößel erfindungsgemäß eine zur Mutter negative Kontur, d.h. eine nach innen ausgeschnittene trapezförmige

3A0A118

Stöße!ausnehmung, deren schräge Seitenwände von Formschrägen gebildet werden, wobei die Fo.rmschrägen vorzugsweise zusätzliche Formhöcker aufweisen. Es bietet sich auch eine Ausnehmung mit gegenüber der Höhe des Ansatzes größerer Tiefe an. "Auf jeden Fall muß durch die Kontur bzw. Form des Ansatzes und der darübergreifenden Ausnehmung gewährleistet sein, daß die Kraft beim Kontakt der gegenüberliegenden korrespondierenden Flächen verformend auf das Gewinde der Mutter einwirkt, beispielsweise durch zur Vertikalen unterschiedliche Winkel der Formschrägen der Stöße!ausnehmung und der Formschrägen des Ansatzes.

Ein in eine derartig mit einem Blech verbundene Mutter eingeschraubte Schraube erhält ohne weitere Sicherungsmaßnahmen einen selbstsicheren Sitz in dem teilweise verformten Gewinde der Mutter.

Eine solche Mutter weist durch ihre besondere Ausbildung an der dem Blech abgekehrten Seite eine Form auf, die unter der Wirkung des Preßstempels bzw. der beim Schweißen mittels der Elektrode erreichten Werkstoffaufweichung oder auch der beim Nieten aufzubringenden Kraft eine Formänderung erfährt, welche sich als Gewindesicherung auswirkt. Diese Formänderung läßt sich je nach Art und Weise des möglichen Befestigungsvorganges wählen, ohne daß zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich sind. Es wirkt in allen Fällen eine ausreichende Kraft auf die Seite der Mutter ein, die der Anlagefläche der Mutter zum Blechmaterial gegenüberliegt, also auf die beidseits des trapezförmigen Vorsprungs vorhandenen Oberseiten der Mutternschulter. Die von der Oberseite der Mutternschulter aufzunehmenden Druckkräfte erzeugen Flächendrücke, die bei dicken Blechen an den zulässigen Grenzwerten des Mutternwerkstoffes liegen.

3A0A118

Die beim Aufbringen der Kraft durch die aufgeteilten Wirkkomponenten hervorgerufene Materialverschiebung innerhalb des Sicherungsabschnittes der Stanzmutter ergibt eine Gewindeform, deren aus der Einschraubrichtung gesehener Flankendurchmesser in den letzten zwei Gewindegängen kegelrnantelförmig nach innen läuft. Die erreichten Maße sind kleiner als die zulässigen Kleinstmaße der für die Gewindeverbindung vorgesehenen Schraube. Die Gewindegänge selbst sind als solche jedoch nicht verformt worden; sie erhalten vielmehr in der Radialebene eine Wellenform mit Federeffekt, d.h. sie richten sich beim Einschrauben der Schraube in Übereinstimmung mit dem übrigen Gewinde aus und stellen sich dann allerdings beim Herausschrauben der Schraube wieder in die nach innen geneigte Position zurück .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt' eine erfindungsgemäße Stanzmutter vor dem Befestigen, positioniert in axialer Übereinstimmung mit einer Matrize auf einem Blech;

Fig. 2 eine Phase des Befestigungsvorganges mit einem Stanzgerät im unteren Totpunkt und einer tief in das Blech eingeformten erfindungsgemäßen Stanzmutter;

F1g. 3 eine eingestanzte Mutter im einbaufertigen Bauteil aus Blechmaterial;

Fig. 4 eine unter Verwendung des Gegenstandes gemäß Fig. 3 hergestellte Schraubverbindung mit Sicherungseffekt;

15

Fig. 5 eine Einzelheit des Gegenstandes gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Mutter;
Fig. 7 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung von Mutter

und Stößel vor deren gegenseitiger Berührung; und
Fig. 8 die Erfindung am Beispiel einer Schweißmutter.

Die Erfindung wird zunächst am Beispiel einer Stanzmutter gemäß DE-PS 1 253 521 näher erläutert. Die mit 1 bezeichnete Mutter besitzt eine untere, sich an das zu verbindende Blech 2 anlegende ebene Bodenfläche 3 mit einem sich daran anschließenden hinterschnittenen Befestigungsabschnitt 4 mit Nuten 11, der in Mutternschultern 5 mit senkrecht zur Mutterachse verlaufenden Anlageflächen 10 übergeht. Die vieleckige, vorzugsweise rechteckige Mutter 1 weist eine axial durch den Mutternkörper hindurchgehende Gewindebohrung 6 mit einem Gewinde 7 auf und erhält an der dem Blech 2 abgekehrten Seite der Mutternschultern 5 einen um das Maß H erhabenen Ansatz 8, der als trapezförmiger Vorsprung mib Formschrägen 9 ausgebildet ist, die an der Oberseite der Mutternschultern 5 in gleichgroße freie Schulternflächen 12 übergehen. Der Ansatz 8 liegt mit seinen Formschrägen 9 symmetrisch zur Gewindebohrung 6. Das Kleinstmaß der Breite am oberen Ende des Ansatzes errechnet £ich vorzugsweise in etwa aus dem Gewindeaußendurchmesser plrus 1,5 χ Gewindesteigung; z.B. beträgt dieses Maß für eine Mutter mit einem Gewinde M6 = 6 mm plus 1,5 χ 1,0 mfn = 7,5 mm. Die Höhe H des Ansatzes beträgt vorzugsweise 1 bis 1,2 χ Gewindesteigung, z.B. für M6 mit einer Gewindesteigung von 1 mm maximal 1,2 mm. t

Vor dem Befestigen liegt die Futter 1 positioniert in axialer Übereinstimmung mit eine/r Matrize 13 auf dem Blech. Von oberhalb greift ein /lutternstößel IA mit einer dem trapezförmigen Ansatz 8 de/ Mutter 1 angepaßten Aus-

nehmung 15 entsprechender Tiefe T über die Mutter 1 und legt sich mit seinen Formschrägen 16 und daran angebrachten zusätzlichen Formhöckern 17 gegen die gegenüberliegenden Formschrägen 9 der Mutter 1. Die Teile der Formschrägen 16 des Mutternstößels 14 ist größer als die Höhe der Formschrägen 9 des Ansatzes 8. Damit wirkt die Haupteinpreßkraft im unteren Totpunkt des Werkzeuges über die freien Enden des Mutternstößels auf die freien Enden bzw. die freien Schulterflächen 12 der Mutter 1. Der Luftspalt zwischen dem Mutternstößel und der freien Stirnfläche des Ansatzes 8 1st auch vorhanden, wenn das Werkzeug durch den unteren Totpunkt läuft.

Dieser Sachverhalt geht besonders gut aus Fig. 7 hervor, in der zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis für die Maßnahmen nach der Erfindung der Zustand vor dem Befestigen der Mutter an einer Tafel im Detail mit Winkel- und Abmessungsangaben sowie mit den Ausgangsmaßen des Sicherungsabschnittes der Mutter und den dazugehörenden des Mutternstößels dargestellt werden. Aus dem dortigen Schnitt A-A wird außerdem ersichtlich, wie gegebenenfalls die Formhöcker aussehen und wie sie angeordnet werden können. Die "schraffierte Darstellung im linken Teil des formgebenden Abschnittes des Mutternstößels soll verdeutlichen, daß der Winkel C^₁ um zweimal ^v <&., erweitert werden kann, wenn es das Fließverhalten des Mutternwerkstoffes erforderlich macht. Die Winkelsumme aus «»- ₁ und zweimal <ä.cC-i wird so begrenzt, daß der Schnittpunkt S. der Winkelschenkel mit der Stößeldruckfläche senkrecht über dem Schnittpunkt S„ der Formschräge 9 mit der Schulternfläche 12 liegt.

Die Formhöcker 17 gemäß dem Schnitt A-A sind zur Herstellung der Sicherungseigenschaften des Gewindes nicht in jedem Fall erforderlich, sondern nur bei Werkstoffen mit guten Fließeigenschaften. Der größere Anteil der gewindesichernden Eigenschaften wird durch eine schiebende Verformung zur Mutternachse hin durch die entsprechenden Formschrägen 16 des Stößels 14 erreicht.

Wichtig ist, daß die Druckfläche des Stößels 14 zum Zwecke der Mutternbefestigung auf die Schulterflächen 12 der Mutter wirkt. Dazu trägt auch bei, wie deutlich aus Fig. 7 und Fig. 1 hervorgeht, daß der von den Schrägen des Sicherungsansatzes 8 eingeschlossene Winkel oC _? kleiner ist als der von den Schrägen der Ausnehmung im Mutternstößel gebildete Winkel oC -,. Außerdem ist die Tiefe h. der Stößelausnehmung 15 größer als die Höhe h₀ des Ansatzes 8. Aus den erwähnten, erfindungsgemäß unterschiedlich vorgesehenen Winkelschrägen und Abmessungen für den Sicherungsansatz 8 und die Stößelausnehmung 15 ergeben sich die gewünschten Maßänderungen in den letzten zwei Gewindegängen der Mutter (siehe auch Fig. 5), die den gewünschten Sicherungseffekt gewährleisten.

In diese Ausgangslage ist die Mutter durch bekannte und geeignete, dem erfindungsgemäßen Ansatz 8 angepaßte Sortier- und Fördereinheiten dem ebenfalls entsprechend angepaßten Werkzeug/Mutternstößel 14 zugeführt worden. Auf jeden Fall ist gewährleistet, daß die Mutter 1 axial genau über der Matrize 13 steht und der Stanz- bzw. Nietabschnitt sich mit dem Durchbruch 18 der Matrize 13 deckt. Zwischen Mutter 1 und Matrize 13 befindet sich das an der Mutter zu befestigende Blech 2.

Durch die Schließbewegung des Werkzeuges löst der Mutternstößel 14 die Mutter aus der Halteposition und treibt sie vertikal auf die Oberfläche des Bleches 2 zu. Unter dem

340A11

Einfluß der Kraft F , des Stößels 14 trennt sich infolge des mit der Durchbrechung 18 der Matrize 13 übereinstimmenden Stanzvierkantes der Mutter 1 ein Putzen 19 aus dem Blech 2 heraus. (vgl. Fig. 2). Der Stanzvierkant entspricht der rechteckigen Bodenfläche 3 und dem sich daran anschließenden Befestigungsabschnitt 4 der Mutter 1. Beim Eintreiben der Mutter 1 in das Blech 2 haben die Forrnschrägen 16 des Stößels 14 über ihre Formhöcker 17 Kontakt mit den Forrnschrägen 9 des Ansatzes 8 der Mutter

1. Daraus leitet sich eine Aufteilung der Stößelkraft F ,

in die gemäß Fig. 1 angegebenen Reaktionskräfte F , _T

.sowie F ,„ ab. Diese verursachen im weiteren Verlaufe des stQ

Befestigens am Ansatz 8 der Mutter 1 eine Formänderung der Gewindemaße/Gewindeform.

Die Endphase des Befestigungsvorganges ist in Fig. 2 dargestellt. Der Mutternstößel 14 durchläuft den unteren Totpunkt und hat infolge der Kraftwirkung die Mutter 1 so tief in das Blech 2 eingeformt, daß die Anlageflächen 10 der Mutternschultern 5 formschlüssig auf dem Blech 2 aufliegen. Es wird ersichtlich, daß der Mutternstößel 14 nicht nur über die Formschrägen 16 bzw. Formhöcker 17, sondern auch über den oberen Schulterflächen 12 entsprechende Flächen der Mutter 1 anliegt. Matrizenhöcker 22 haben dabei das Blech 2 so verformt, daß ein entsprechendes Volumen des Blechmaterials in die Nuten 11 des hinterschnittenen Befestigungsabschnittes 4 der Stanzmutter 1 eingedrungen ist.

Bedingt dadurch, daß der Mutternstößel 14 der negativen Kontur der Mutter 1 an deren den Ansatz 8 aufweisenden Oberseite bis auf die Formhöcker 17 entspricht, lassen sich über die Druck- und Formfläche des Stößels 14 Teile der Formschrägen 9 des Sicherungsansatzes 8 so verformen,

_ ₁₉ _ 340A 1 1

daß die Formhöcker 17 in den Sicherungsansatz 8 der Mutter eindringen und die gewünschte Formänderung an den oberen beiden Gewindegängen erzielen. Diese Verformung ist bei jeder im Blech eingestanzten Mutter gleichen Typs gleich groß. Es ergibt sich eine außerordentlich hohe Umformkonstanz, die einen immer gleichen und ausreichenden Gewindesicherungseffekt sicherstellt. Es kommt nämlich im Verlaufe des Befestigens beim Durchgang durch den unteren, genau definierten Totpunkt des Stößels 14 zu einem vorbestimmbaren Formschluß zwischen Mutter 1 und Stößel 14.

Die V/ahl entsprechender Formkanten und Winkel schließt ein Hängenbleiben des Mutternstößels 14 an der Oberseite der Mutter 1 aus.

Eine auf diese Weise erreichte Befestigung zwischen der Mutter 1 und dem Blech 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Mutter 1 besitzt im Bereich des Ansatzes 8 eine veränderte Gewindeform. Der als Fl und K angegebene Flankenbzw. Kerndurchmesser entspricht dem Normalzustand des Gewindes 7, während der mit Fl . und K ^ angegebene Flanken- bzw. Kerndurchmesser das Maß bzw. die Abweichung der veränderten Gewindeform verdeutlicht. Flanken- und Kerndurchmesser liegen auf einem Kege lmantel segment, wobei. der Kegelwinkel T spitz in Einschraubrichtung zur Gewindeachse 23 ausläuft. Das bei der Formänderung verdrängte Volumen der Mutter 1 ist mit 24 gekennzeichnet.

Das Gewinde 7 einer solchen Mutter 1 ist im Anlieferungszustand lehrenhaltig, und es wird der Sicherungseffekt erst während des Verbindens mit dem Blech 2 erzielt. Dem Verarbeiter bietet sich somit die Möglichkeit, Bauteile mit Iluttern zu bestücken, die eine Gewindesicherung haben

340A118

sollen und andere, die eine Gewindesicherung nicht benötigen durch einfachen Austausch des Mutternstößels herzustellen, ohne eine andere Mutter zu verwenden.

Bei einem später erfolgenden Zusammenbau des Bauteiles, das die Mutter 1 trägt, mit einem oder mehreren Teilen, welche mit Durchgangslöchern zur Aufnahme einer Schraube versehen sind, werden gemäß Fig. 4 beim Eindringen einer Schraube 25 in das Mutterngewinde 7 die nach innen geneigten Gewindegänge der oberen Gewindegänge wieder zurückgetrieben. Dabei kommt es zu einem sehr intensiven Reibkontakt zwischen den Gewindegängen der Schraube 25 und der Mutter 1. Infolge der Elastizität des Muttern- und Schraubenwerkstoffes wirkt sich ein hoher Radialdruck auf die Gewindeflanken aus. Dieser Radialdruck stellt über den spezifischen Reibbeiwert M> eine ausgezeichnete Losdrehsicherung dar, die noch dadurch verstärkt wird, daß der Gewirideausgang an der Oberseite der hier als Ausführungsbeispiel angegebenen Stanzmutter 1 keine Ansenkung besitzt. Das scharf auslaufende Gewindeende erzeugt dabei einen Verkeileffekt, der formschlüssig zusätzlich gegen ein mögliches Losdrehen wirkt. Eine auf diese Weise hergestellte Schraubverbindung (Fig. A), beispielsweise mit einem Bauteil 26 zwischen der Mutter 1 mit dem Blech 2 und einer dem Schraubenkopf 27 der Schraube 25 vorgeschalteten Unterlegscheibe 28 gewährleistet somit ohne weitere Hilfsmaßnahme bzw. Zusatzteil den gewünschten Sicherungseffekt. Die in Fig. 5 dargestellte Einzelheit läßt deutlich das beidseitige Umfassen der Schraubengewindeflanken durch die Mutterngewindeflanken in den beiden oberen Gewindegängen erkennen. Hierdurch wird ein Reibschluß erzeugt, der jeder Losdrehtendenz entgegenwirkt.

Die beidseitige Anlage wird dadurch erreicht, daß durch das Eindrehen der Schraube der zum Zwecke der Selbstsicherung verformte Gewindebereich der Mutter wieder nach außen gedrückt wird.

In Fig. 8 wird schließlich eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung dargestellt, nämlich die Montagesituation, wie sie sich beim Anschweißen einer Schweißmutter an eine Tafel ergibt. Dabei wird eine Schweißelektrode 31 wie im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel quasi als auf- und abwärts bewegbarer Stößel ebenfalls mit einer Ausnehmung 32 versehen, deren Formschrägen 33 im solben Verhältnis gegenüber den Schrägen 34 eines Ansatzes 35 der Schweißmutter 36 gestaltet und diesen zugeordnet sind wie im zuvor beschriebenen Beispiel. Der wesentliche Unterschied besteht hier darin, daß die Schweißmutter 36 an ihrer dem Werkstück 37, an dem sie befestigt werden soll, im vorliegenden Fall ein Blechteil, zugekehrten Seite mit Schweißwarzen 38 versehen ist, die vorzugsweise als in sich geschlossener Schweißrand ausgebildet werden.

Das Gegenwerkzeug, also die Matrize, ist als feststehender Amboß eine zweite Schweißelektrode 39, die hohl ausgebildet ist, so daß sie Kühlmittel 41 aufnehmen kann, das über eine Leitung 42 zu- und über eine Leitung 43 abgeführt wird, und zwar vorzugsweise kontinuierlich, um eine gleichmäßige Kühlung zu erzielen.

Die bewegliche, die Stößelfunktion ausübende Schweißelektrode 31 darf bei dieser Ausführungsform nicht mit Formhöckern sondern lediglich mit Formschrägen ausgeruhte I werden, da im Moment der Berührung zwischen Mutter und

Elektrode im Bereich der Formhöcker an der Schweißelektrode eine derart starke Erwärmung aufträte, daß es zum Schmelzen von Teilen der Mutter sowie auch Bereichen der Elektrode käme. Im Falle der Herstellung einer selbstsichernden Schweißmutternverbindung verformt sich nur durch die Wirkung der ohnehin entstehenden Erwärmung der Mutter der Sicherungsabschnitt nach innen zur Gewindeachse hin in den durch die Schrägenausbildung vorherbestimmbaren Grenzen. Selbstverständlich ist im Fall einer Schweißmutter das Werkstück, d.h. im vorliegenden Fall das Blechteil, koaxial zum Gewindedurchgang für den Schraubendurchtritt vorgelocht (s. Fig. 8, Bezugsziffer 44) .

Die erfindungsgemäße Gewindesicherung erfolgt somit durch die Wirkung der sogenannten Spannmomente, die sich aus der Klemmwirkung infolge verformter Gewindegänge ergibt. Die verformten Gewindegänge werden durch den eingeschraubten Schraubenbolzen zurückverformt, wobei ein erheblich höherer Reibungsfaktor zwischen den Gewindegängen von Mutter und Schraube wirksam wird als bei normalem Durchgang. Das Elastizitätsverhalten des Mutternwerkstoffes bestimmt dabei die verbleibende Klemmkraft, die das vorerwähnte Spannmoment erzeugt.

Wie bereits erwähnt, soll das Rückdrehmoment einer gesicherten Schraubenverbindung, auch als Prüfmoment bezeichnet, im Normalfall ca. 16 % über dem Anziehdrehmoment einer nichtgesicherten Schraubverbindung liegen. Zur Herstellung einer erfindungsgemäß gesicherten Gewindeverbindung muß und wird somit ein um 1/6 höheres Anschraubmoment erzeugt als bei einer nichtgesicherten Gewindeverbindung .

Claims

□r.-lng. Reimar König · DiplHng:-Klaus Bergen

Wilhelm-Teil -Str. 14 <4OOO Düsseldorf Λ Telefon 39 7O SB Patentsanwälte

6. Februar 1984
3404118 35 129 B

PROFIL-Verbindungstechnik GmbH & Co. KG,
Otto-Hahn-Straße 22-24, 6382 Friedrichsdorf

"Verfahren und Vorrichtung zum Anbringen einer Mutter an einem plattenförmigen Werkstück"

Patentansprüche:

tIyVerfahren zum Anbringen einer Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere an einem Blech, dadurch gekennzeichnet, daß die die Mutter befestigende, auf eine freie Druckfläche der Mutter wirkende Kraft in mindestens zwei Wirkkomponenten zerlegt wird, die im Mutternmaterial eine Schubspannung erzeugen, wobei eine Ouerdeformation eines dem Werkstück abgewandten Teile der Mutter ausgelöst und der Gewindedurchmesser im zum Zwecke der Selbstsicherung verformten Gewindebereich bei gleichzeitiger Neigung der Gewindegänge zur Mittelachse hin reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft durch einen Stößel aufgebracht bzw. auf die Mutter übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Befestigung von mit zumindest einen Teil der Druckfläche bildenden Schultern versehenen Muttern, insbesondere Schweiß-, Niet- oder Stanzmuttern, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel die Schultern erst nach beendeter Bildung des selbstsichernden Abschnittes des Gewindes berührt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gewindegröße unabhängig vom Material der Mutter gleich viel Mutternmaterial verformt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Verformung im Verhältnis zum endgültigen Berühren der Schultern durch den Stößel in Abhängigkeit vom Material der Mutter gewählt wird.

6. An einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere an einem Blech (2), vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zu befestigende Mutter (1) mit einem Befestigungsteil und einem in Richtung der Mutternachse daran anschließenden Grundkörper, der auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Mutter gemeinsam mit Mutternschultern eine Druckfläche bildet, gekennzeichnet durch eine kraftumlenkende Ausbildung der Druckfläche.

7. Mutter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen erhabenen Ansatz (8) der Schultern (5) mit Formschrägen (9).

8. Mutter nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ■ einen zur Gewindebohrung (6) koaxial angeordneten, trapezförmigen Ansatz (8) mit in freie Schulternflächen (12) übergehenden Formschrägen (9).

9. Mutter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine rechteckige Mutter (1) mit einem quer über die gesamte Breite (B) reichenden trapezförmigen Ansatz (8) (Fig. 6).

10. Mutter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch unter einem Winkel von ungefähr 10 bis 30 zur Vertikalen verlaufende Formschrägen (9).

11. I-Iutter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil (4) als Stanzteil ausgebildet ist und die Mutternschultern (5) vom Befestigungsteil (4) abgesetzte, senkrecht zur Mutternachse verlaufende Anlageflächen (10) besitzen, zwischen denen und einer Stirn- bzw. Bodenfläche (3) des Befestigungsteils (4) Nuten (11) liegen, in die Plattenmaterial fließt.

12. Vorrichtung zum Anbringen einer vorzugsweise gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 ausgebildeten Mutter an einem plattenförmigen Werkstück, insbesondere einem Blech, mit einem druckbeaufschlagten Stößel (14) und einer gegenüberliegend unterhalb des Bleches (2) angeordneten Matrize (13), gekennzeichnet durch eine zur Mutter (1) negative Kontur des Stößels (14), d.h. eine nach innen ausgeschnittene trapezförmige Stößelausnehmung (15), deren schräge Seitenwände von Formschrägen (16) gebildet werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Formhöcker (17) der Formschrägen (16) der Stöße!ausnehmung (15).

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet

durch zur Vertikalen unterschiedliche Winkel der Formschrägen (16) der Stößelausnehmung (15) und der Formschrägen (9) des Ansatzes (8).

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Formschrägen (16) der Stößelausnehmung (15) eingeschlossene Winkel (o(.. ) stumpfer als der Winkel (OC_?) ist, den die Formschrägen (9) des Ansatzes (8) einschließen.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Weite (a₁ ) der Stößelausnehmung (15) kleiner oder gleich der größten Breite (a~) des Ansatzes (8) ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (h₁ ) der Stößelausnehmung (15) größer ist als die Höhe (h_? ) des Ansatzes (8).

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der Winkel in Abhängigkeit des Muttermaterials so gewählt wird, daß nur eine ganz bestimmte Menge Muttermaterial im Verformungsbereich auf die Mutternachse hin verschoben wird.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch eine gegenüber der Höhe (H) des Ansatzes (8) größere Tiefe (T) der Stößelausnehmung (15), so daß eine Berührung der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stößels verlaufenden Stirnfläche des Stößels mit der Korrespondierenden, ebenfalls senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Druckfläche (12) der Schultern nach Verformungsarbeit der Formschrägen (16) und/oder der Formhöcker (17) bzw. nach Verformung des Ansatzes (8) erreicht wird.

20. Muttern-, Schrauben- und Blechverbindung unter Verwendung einer Mutter und ihrer Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch einen ohne weitere Sicherungsmaßnahmen selbstsichernden Sitz einer in das teilweise verformte Gewinde (7) der Mutter (1) eingeschraubten Schraube (25).