Die Bibliothek des Gewinderollens - 3/9

Grundlegendes zu gerollten Gewinden

Fachthema Gewinderollen spannend erzählt …. Grundlagen, Verfahren, Werkzeuge, Anwendungen von gerollten Hightech-Gewinden

Physikalisch gesehen ist ein Gewinde eine spiralförmige schiefe Ebene; eine Schraube und die passende Mutter stellen eine Gleitkombination dar. Für den Einsatz von Gewinden gilt folgende Faustregel: Gewinde mit kleiner Steigung werden für die Befestigung und Gewinde mit grösserer Steigung für die Bewegung verwendet.

Gewindesysteme

Wie bei Gewinden allgemein konkurrieren auch bei gerollten Gewinden drei Gewindesysteme miteinander:

  • Das metrische ISO-Gewinde
  • Das zöllige Whitworth-Gewinde
  • Das ISO-Zollgewinde

In allen drei Gewindesystemen gibt es sowohl Regel- als auch Feingewinde.

Zwar ist eine weltweit vereinheitlichte Gewindenormung nicht in Sicht, dennoch gilt das Gewinde als das am umfassendsten normierte Maschinenelement. Neben allgemein gültigen Normen existieren spezielle "Angaben" für Bewegungsgewinde. Diese sind aber meist vom Hersteller abhängig.

Gewindeprofile

Die im Folgenden beschriebenen Gewindeprofile gelten für alle bekannten Herstellungsarten wie Fräsen, Drehen, Wirbeln oder Rollen. Bei gerollten Gewinden darf der Hersteller das Normprofil teilweise modifizieren.

 

Abb. 4

Abb. 2: Grundprofil des metrischen ISO-Gewindes nach DIN 13

 

Für den Flugzeugbau wird das metrische Gewinde mit einem vergrösserten Kerndurchmesser und Radius am Gewindegrund gefertigt. Die Kurzbezeichnung dieses speziellen Profils lautet MJ. Die folgende Definition des metrischen Gewindeprofils gilt für Aussengewinde am Bolzen.

  • N = Nenndurchmesser (Aussendurchmesser)
  • P = Steigung
  • h3 = 0.61343P (Gewindetiefe)
  • R = 0.14431P (Radius am Gewindegrund)
  • R = 0.15…0.18P (für MJ-Gewinde)
Whitworth-Gewinde

Beim Profil des nach British Standard 84 genormten Whitworth-Gewindes (Abb. 5) werden die Spezifikationen BSW (Whitworth-Regelgewinde), BSF (Feingewinde) und BSP (Rohrgewinde; nach DIN ISO 228 beginnt die Bezeichnung mit "G") unterschieden.

Anders als beim metrischen ISO-Gewinde beträgt der Flankenwinkel des Whitworth-Gewindes 55°.
Die Steigung P errechnet sich aus der in den Masstabellen angegebenen Gangzahl (Zahl der Windungen pro Zoll). Die folgende Grobdefinition gilt für Aussengewinde am Bolzen.

 

Abb. 5

Abb. 5: Grundprofil des Whitworth-Gewindes nach BS 84

  • N = Nenndurchmesser (Aussendurchmesser)
  • P = Steigung (Angabe in der Praxis in Gängen pro Zoll)
  • h3 = 0.64033P (Gewindetiefe)
  • R = 0.13733P (Radius am Gewindegrund)
ISO-Zollgewinde

Bei den amerikanischen ISO-Zollgewinden (UST-Gewinde nach ASME B 1.1 und B 1.2) werden die Spezifikationen UNC (Grobgewinde), UNF (Feingewinde), UNEF (Extrafeingewinde), UNS ("freies" Spezialgewinde mit zusätzlichen Angaben) und UNJ (ISO-Zollgewinde mit vergrössertem Kerndurchmesser und Radius am Gewindegrund) unterschieden.

 

Abb. 6

Abb. 6: Grundprofil des ISO-Zollgewindes

Die Angaben für den Aussendurchmesser und die in den Masstabellen abgegebene Gangzahl basieren auf der Längeneinheit Zoll. Der Flankenwinkel beträgt wie beim metrischen ISO-Gewinde 60°. Das in Abbildung 6 gezeigte Profil des ISO-Zollgewindes entspricht somit dem des metrischen ISO-Gewindes.

  • N = Nenndurchmesser (Aussendurchmesser)
  • P = Steigung (Angabe in der Praxis in Gängen pro Zoll)
  • h3 = 0.61343P (Gewindetiefe)
  • R = 0.14434P (Radius am Gewindegrund)
  • R = 0.15…0.18P (für UNJ-Gewinde)
Spezielle gerollte Gewinde

In diesem Abschnitt werden weitere Gewindeprofile beschrieben, die für das Gewinderollen von Bedeutung sind.

Beim Trapezgewinde nach DIN 103 entspricht der Nenndurchmesser und die Steigung der Definition des metrischen ISO-Gewindes; die Gewindetiefe h3 beträgt 0,5P, der Flankenwinkel 30° (Abb. 7). Beim Trapezgewinde nach DIN 380 (geringere Tragtiefe) wird der Kerndurchmesser um 0,4P angehoben, im Übrigen ist das Profil identisch mit dem nach DIN 103. Für das Gewinderollen ist am Kerndurchmesser ein Radius zulässig (P/2 0,15).

 

Abb. 7

Abb. 7: Grundprofil des Trapezgewindes nach DIN 103

 

Rundgewinde nach DIN 405 eignen sich besonders für Armaturen. So verfügen Feuerwehrrohre und -schläuche über Gewinde, die unempfindlich gegen Schlag und Schmutz sind (Abb. 8). Der Aussendurchmesser wird in Millimeter angegeben, die Steigung in Zoll. Erwähnenswert ist, dass das Gewinde der Mutter einen anderen Radius hat als das der Schraube.

  • N = Nenndurchmesser
  • P = Steigung
  • h3 = 0.5P (Gewindetiefe)
  • R1 = 0.238P (gleicher Radius am Aussendurchmesser und Gewindegrund des Bolzens)

 

Abb. 8

Abb. 8: Grundprofil des Rundgewindes nach DIN 405

Das Profil des gotischen Kugelgewindes (Abb. 9) wird für Gewindespindeln in Kugelgewindetrieben eingesetzt und ist zur Entstehungszeit dieses Buches nicht genormt.

 

Abb. 9

Abb. 9: Gotisches Gewindeprofil für Kugelgewindespindeln
P Steigung, x Radiusversatz

 

Der Schmiegungswinkel zwischen den Kugeln und den Gewindeflanken beeinflusst die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs entscheidend. Deshalb hütet jeder Hersteller seine Erfahrungswerte.

Sondergewinde

Neben den aufgeführten und im Bereich der Technik gängigen Gewindeprofilen gab und gibt es noch unzählige Sondergewinde mit eigenem Profil:

  • Das Löwenherzgewinde hat einen Flankenwinkel von 53° 8' und ist als Feinmechanikgewinde bekannt; mittlerweile wurde es vom metrischen Grundprofil nach DIN 13 abgelöst.
  • Das E-Gewinde (Edison-Gewinde nach DIN 49689) ist als Lampenfassungsgewinde in jedem Haushalt bekannt. Zwei speziell ineinanderlaufende Radien sorgen für guten elektrischen Kontakt.
  • Das Thurygewinde nach Professor Thury aus Genf ist ein spezielles Uhren-Feinstgewinde.
  • Das BA-Gewinde, ein englisches Feingewinde mit einem Flankenwinkel von 47° 30', gibt es bis 6mm Durchmesser. Es wurde etwas nach 1900 für die Uhrenindustrie und Feinmechanik entwickelt.
  • Das Schweizer NHS-Gewinde ist ein weiteres Spezialgewinde für die Uhrenindustrie. Es hat sogar den Sprung nach Amerika geschafft, allerdings ist sein Profil dort in der Masseinheit Zoll definiert.
  • Sondergewinde für Benzin- und Ölleitungen besitzen oft Profile, die ein besseres Abdichtverhalten aufweisen.
Masse und Messen

Die Passgenauigkeit eines Aussengewindes in einem Mutterelement mit Innengewinde wird durch fünf Masse bestimmt:

  • Aussendurchmesser (Nenndurchmesser)
  • Kerndurchmesser
  • Steigung
  • Flankenwinkel
  • Flankendurchmesser

Die Steigung von Regelgewinden hängt direkt mit dem Aussendurchmesser zusammen (Durchmesser-Steigungs-Reihe). Der Flankendurchmesser ist deshalb wesentlich, weil er die Toleranzbasis (Nulllinie) darstellt (Abb. 10).

Gewindebezeichnungen setzen sich aus einem Kennbuchstaben für das Gewindeprofil und den Angaben des Aussendurchmessers sowie gegebenenfalls weiteren Angaben zusammen. So steht z.B. die Bezeichnung M 10 für ein metrisches Regelgewinde mit einem Aussendurchmesser von 10mm und einer Steigung von 1,5mm. Folgt nach M 10 noch das Kürzel LH (left hand), handelt es sich um ein linksgängiges Gewinde.

Gewindetoleranzen

ISO-Gewindetoleranzen setzen sich, wie dies auch beim Toleranzsystem für Passungen der Fall ist, aus einer Angabe für die Toleranzlage und einer für die Grösse des Toleranzfelds zusammen.

Die Toleranzlage wird durch einen der Kennbuchstaben a bis h bestimmt, die Grösse des Toleranzfelds wird durch eine Ziffer zwischen 3 und 9 angegeben (Abb. 10). Zur besseren Unterscheidung von den Passungstoleranzen wird die Ziffer – die Grösse des Toleranzfelds – beim Gewinde zuerst genannt, also z.B. 6h und nicht h6.

 

Abb. 10

Abb. 10: Toleranzlage (x) und Grösse des Toleranzfelds (y) bei einem Gewinde

Bei einem Gewinde können der Flankendurchmesser und der Aussendurchmesser unterschiedliche Toleranzen aufweisen. So bedeutet M 10-4h-6g, dass die Toleranz des Flankendurchmessers 4h und die des Aussendurchmessers 6g beträgt. Enge Toleranzen eines Gewindes erlauben grössere Toleranzen des zugehörigen Mutterelements und umgekehrt.

Die Toleranzlagen a bis g eignen sich besonders dann, wenn ein Oberflächenschutz (Feuerverzinken, galvanisches Verzinken oder Verchromen) mit den heute gebräuchlichen Schichtdicken vorgesehen ist.

Messverfahren und Messmittel

Beim Dreidraht-Prüfverfahren werden zwei zylindrische Prüfdrähte auf der einen und ein Prüfdraht auf der gegenüberliegenden Seite in die Gewindegänge gelegt (Abb. 11). Dann wird mit den ebenen und parallelen Prüfflächen eines Messgeräts, z.B. einer Messschraube, der äussere Abstand zwischen den Prüfdrähten, das Prüfmass M, gemessen und aus diesem der Flankendurchmesser d2 des Aussengewindes bestimmt. Für den Prüfdrahtdurchmesser sind zwei Bedingungen zu erfüllen: Der Durchmesser der Prüfdrähte muss so gross sein, dass sie über die Gewindespitzen herausragen. Die Prüfdrähte müssen möglichst nahe am theoretischen Flankendurchmesser anliegen, damit vorhandene Flankenwinkelabweichungen das Messerergebnis nicht wesentlich beeinflussen können. Der theoretische Messdrahtdurchmesser wird rechnerisch bestimmt.

 

Abb. 11

Abb. 11: Dreidraht-Prüfverfahren zum Messen eines Gewindes:
M Mass über Messdraht

Gewindemessen mit Messeinsätzen

Beim Gewindemessen mit Messeinsätzen wird das Gewinde mit einer Bügelmessschraube direkt auf der Gewindeflanke gemessen (Abb. 12). Die Messeinsätze sind geschliffen und weisen den Gewindeflankenwinkel auf. Das Messwerkzeug – eine Bügelmessschraube mit Bohrungen für die Einsätze – ist serienmässig für metrische und zöllige Gewinde erhältlich. Mit Lehrringen wird die Gewindetoleranz (Gängigkeit) geprüft: Der Gutlehrring muss auf dem Gewinde laufen, der Ausschusslehrring darf nicht laufen.

 

Abb. 12

Abb. 12: Bügelmessschraube

Mit der Gewinderachenlehre prüft man den Flankendurchmesser eines Gewindes. Die Gutseite der Rachenlehre verkörpert das zulässige Grösstmass und muss aufgrund ihres Eigengewichts über die Prüfstelle gleiten. Die Ausschussseite ist um die Toleranz kleiner und verkörpert das Kleinstmass und muss dem Eigengewicht standhalten.

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Technische Grundlagen Gewinderollen

 

Dienstleister in der Entwicklung

Mit modernsten Fertigungsmethoden, langjährigem Know-how und unserem Werkzeugbestand von über 1000 Rollwerkzeugen realisieren wir gerollte Gewinde, die selbst aussergewöhnlichste Anforderungen erfüllen:

  • Steigungen bis 6 × Durchmesser 
  • Spindellängen bis zu 6 m
  • Spindeldurchmesser von 2 bis 160 mm
  • Sämtliche Normprofile (M, Tr, UNC, UNF, UNEF, Whitworth)
  • Mehrgängige Gewinde, auch als Rechts-/Linksgewinde
  • Steilgewinde-Profile
  • Kugelgewinde-Profile
  • Sonderprofile
  • Schneckenprofile (besondere Qualitäts- und Preisvorteile!)
  • Kerbverzahnungen und Rändelungen
  • Konische Gewinde
  • Gewinde auf vorgefertigten und/oder unförmigen Teilen, z. B. auch auf Schmiedeteilen

Steilgewinde-Profil

Steilgewinde-Profil
Mehrgängige Gewinde mit Steigungen bis 6 x Durchmesser, Muttern aus Kunststoff oder Bronze

 

In den 9 Blogs sind Auszüge aus der - Bibliothek der Technik -, Band 286, Gewinderollen, enthalten.

Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützung von Kurt Husistein erarbeitet und vom Verlag Moderne Industrie veröffentlicht, ISBN 978-3-937889-30-6. 

 

Literatur und Quellen

Kübler, Karl-Heinz, Mages Walter J. Handbuch der hochfesten Schrauben, 1. Aufl. Essen: W. Girardet Buchverlag, 1986.

http://www.hp-gramatke.de: Hans-Peters Mathematisch-Technisch-Algorithmisch-Linguistisches Sammelsurium.Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl, Bd. 1 Berlin: Springer, 1984. Apel, Heinz: Gewindewalzen: Kaltverformen von Präzisionsgewinden und Spindeln, München: Hanser 1952.

 

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Abbildungen: Nr. 1, 23-25 RWT Rollwalztechnik GmbH, Engen; Nr. 2 Foto Deutsches Museum, München; Nr. 3 Musée du tour automatique et d'histoire de Moutier, Moutier (Schweiz); Nr. 16 Fette GmbH, Schwarzenbek; Nr. 18 Meinrad Plaz, Staufen (Schweiz); Nr. 26 Habegger SA, Court (Schweiz); Nr. 34-36 FBT Fahrzeug- und Maschinenbau AG, Thörigen (Schweiz); Nr. 37, 38 Schleuniger AG, Thun (Schweiz); Nr. 39, 40 Max-Planck-Institut für Physik (Heisenberg-Institut), München; Nr. 41 Saurer AG, Arbon (Schweiz); Nr. 42 Line Tech AG, Glattbrugg (Schweiz); alle übrigen Eichenberger Gewinde AG, Burg (Schweiz). Satz: abavo GmbH, D-86807 Buchloe. Druck und Bindung: Sellier Druck GmbH, D-85354 Freising. Printed in Germany 889030.

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Ursula Schädeli

Marketing, Eichenberger Gewinde AG

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