Die Bibliothek des Gewinderollens - 6/9

Gewinderollen in der Praxis - Herstellung von Hightech-Gewinden


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

Unabhängig von den einzelnen Verfahren oder Varianten des Gewinderollens ist es immer eine keilförmige Werkzeuggeometrie, die in den Rohteilwerkstoff eindringt. Das Werkzeug verdrängt dabei das Material, das in die Freiräume der Werkzeugkontur fliesst. Der Vorgang ist beendet, wenn entweder die beabsichtigte Auffliesshöhe des Werkstoffs erreicht oder die Werkzeugkontur mit Grundmaterial ausgefüllt ist.

Rohmaterial

Das Rohmaterial muss rotationssymmetrisch sein, also zylindrisch mit konstantem Durchmesser. Auch dickwandige Rohre und andere Hohlkörper lassen sich unter Umständen rollen. Filigrane Werkstücke wie z.B. dünnwändige Rohre eignen sich jedoch nicht, denn der Werkstoff fliesst bei grosser Änderung der Materialstärken in alle Raumrichtungen.

Der benötigte Durchmesser des Rohteils wird auf der Grundlage von Erfahrungswerten festgelegt oder rechnerisch ermittelt. Entscheidend sind zwei Parameter: die Abwicklerverhältnisse zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug sowie das für die beabsichtigte Endform erforderliche Fliessvolumen des Werkstoffs.

Mindestens 6 % Dehnung

Grundsätzlich ist jeder Werkstoff für das Gewinderollen geeignet unter der Voraussetzung, dass er sich überhaupt plastisch verformen lässt. Mit anderen Worten, das Material muss eine Dehnung von über 6 % zulassen, ohne zu Bruch zu gehen.

Max. 1200N/mm2 Werkstofffestigkeit

Bei den Angaben über die maximal zulässige Werkstofffestigkeit – z.B. kf0 = 1200N/mm2 – stellt sich weniger die Frage nach der Verformbarkeit des Werkstoffs, sondern vielmehr die nach einer vernünftigen Lebensdauer des Werkzeugs. Zu berücksichtigen ist, dass der zu rollende Werkstoff den Ablauf der Umformung sowie die von der Maschine aufgebrachte Rollkraft und die Standzeit der Werkzeuge massgeblich mitbestimmt.

Ursächlich für die Verformbarkeit von Metallwerkstoffen sind ihr kristalliner Aufbau und ihre chemische Zusammensetzung. So verändert der Kohlenstoffgehalt die Verformbarkeit von Stählen wesentlich: Mit zunehmendem Gehalt nimmt die Möglichkeit der Formgebung ab und die Tendenz zur Kaltverfestigung steigt.

Verlauf der Materialfasern in gerolltem Gewinde

Die Verfestigung des Werkstoffs während der Verformung ist bei der Beantwortung der Frage nach den für das Gewinderollen geeigneten Werkstoffen besonders zu berücksichtigen. Die Verfestigung basiert auf komplexen plastomechanischen Vorgängen in der Kristallstruktur und ist am geschliffenen Querschnitt eines gerollten Gewindes nachweisbar. Man kann nicht genügend darauf hinweisen, dass Werkstoffe, die sich verfestigen, zwar hochbelastbare Bauteile ergeben, der Rollvorhang jedoch besondere Massnahmen und viel Erfahrung erfordert.

Phasen des Gewinderollvorgangs

Vorbereitungsphase

Der Fachmann unterscheidet drei Phasen des Gewinderollvorhangs. Zu Beginn der Umformung berührt das keilförmige Werkzeug die Oberfläche des zylindrischen Werkstücks. Die Kontaktzone ist punkt- oder linienförmig, je nach Geometrie des Rollwerkzeugs.

Phasen des Rollvorgangs

Die Kontaktfläche des Werkstücks mit dem Werkzeug ist zu diesem Zeitpunkt – unter Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der Werkstoffe – klein. Die von der Maschine aufgebrachte Kraft führt damit zu einer Flächenpressung, die in der Regel weit über der Festigkeit des Werkstoffs liegt. In dieser ersten Rollphase, der Vorbereitungsphase, werden derart hohe Druckspannungen in das Rohteil eingebracht, dass sich das Material plastisch zu verformen beginnt.

In der nächsten Phase des Rollvorgangs, der ersten Eindringphase, drückt sich das kielförmige Werkzeugprofil noch relativ geringfügig in den Werkstoff ein. Das aufgeflossene Grundmaterial verändert seine innere Struktur und verfestigt sich nach den beschriebenen Mechanismen des Umformens. In dieser Phase wächst die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück und wird deutlich grösser als in der Vorbereitungsphase. Mit dem grösser werdenden Kontaktbereich sinkt jedoch die Flächenpressung, sodass die Maschine eine deutlich grössere Rollkraft aufbringen müsste, um die Eindringgeschwindigkeit beizubehalten. Meist arbeitet die Maschine aber bereits in der Vorbereitungsphase mit maximaler Rollkraft. Daher nimmt die Eindringgeschwindigkeit während des Eindringvorgangs in der Regel ab.

In der letzten Rollphase, der zweiten Eindringphase, nimmt die Kontaktfläche zu und ist damit deutlich grösser als in der ersten Eindringphase. Die einsetzende Werkstoffverfestigung erschwert den Eindringvorgang zusätzlich.

Zeitlicher Verlauf beim Gewinderollen

Der durch die Lücken des Rollwerkzeugs vorgegebene maximale Eindringweg wird je nach Werkstoff unterschiedlich schnell erreicht. Die kontinuierliche Abnahme der Flächenpressung bei gleichbleibender Rollkraft der Maschine und die mit der Umformung einhergehende Werkstoffverfestigung beeinflussen den zeitlichen Verlauf des Eindringvorgangs ganz wesentlich.

Rolldauer

Um bewertbare Aussagen zu Rolldauer verschiedener Werkstoffe zu erhalten, müssen alle werkstoffunabhängigen Einflüsse, besonders die Maschinenparameter und die Werkzeuggeometrie, gleich sein.

Temperaturverhalten und Kühlung beim Gewinderollen

Die Temperaturerhöhung – sie resultiert aus der äusseren und inneren Reibung während des Rollvorgangs – hängt direkt vom Werkstoff und von den eingestellten Maschinenparametern ab.

Einsatz eines Kühlmediums

Die Temperaturerhöhung – sie resultiert aus der äusseren und inneren Reibung während des Rollvorgangs – hängt direkt vom Werkstoff und von den eingestellten Maschinenparametern ab. In der Praxis wird die Umformung nicht trocken, sondern unter Einsatz eines Kühlschmierstoffs durchgeführt, der über das Werkstück und das Werkzeug fliesst. Die chemische Zusammensetzung des Kühlmediums und dessen Einsatzparameter sind ein gut gehütetes Geheimnis des Herstellers, denn die daraus entstehenden Qualitätsunterschiede können erheblich sein.

Insbesondere bei Durchlaufmaschinen zum Herstellen von Gewindespindeln mit sehr kleinen Steigungstoleranzen sind gleichbleibende Temperaturbedingungen am Werkstück und Werkzeug während des Rollens von entscheidender Bedeutung. Gelingt dies nicht, kommt es zu einem undefinierten Steigungsverzug.

Kühlmittelaufbereitung 

Solche Maschinen werden mit Aufbereitungssystemen ausgestattet, die das zugeführte Kühlmittel in reproduzierbarer Menge, Temperatur und Reinheit zur Verfügung stellen. Die Temperatur des Kühlmittels wird im Bereich von ±1,5 °C konstant gehalten.

Die Temperaturveränderung des Werkstücks verrät, wie gut der Fliessvorgang getroffen wurde. Tendenziell sollte sich der Grundwerkstoff nicht oder nur wenig erwärmen. Der Könner weiss aus Erfahrung, wann er welches Medium zum Kühlen einsetzen muss.

Überwachung

Die Steuerung und Kontrolle des Rollvorgangs erfolgen mit unterschiedlichen Strategien. Zu unterscheiden ist die Produktion auf konventionellen Gewinderollmaschinen, auf denen etwa 90% der gerollten Gewindeteile hergestellt werden, und die CNC-Fertigung (CNC: Computerized Numerical Control), deren Anteil unter 10% liegt. Die heute in der Praxis verwendeten Mess- und Überwachungssysteme erfassen Grössen, deren zeitliche Veränderung den Umformvorgang beeinflusst. Die gemessenen Parameter können Kräfte, Drehmomente oder Leistungen sein.

Werkstückvermessung

Um in der konventionellen Fertigung ein optimales Werkstück zu erhalten, ist der Vorbearbeitungsdurchmesser, auf den die Verformung aufsetzt, genau einzuhalten. Dazu werden die Werkstücke an geeigneten Stellen des Produktionsprozesses mehrmals vermessen.

Erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks auf einer CNC-Maschine, werden die Eindringtiefe und die Eindringgeschwindigkeit des Werkzeugs in das Werkstück über die jeweilige Benutzeroberfläche vorgegeben und in einem Programm hinterlegt. Die Steuerung überprüft die Werte bei der Bearbeitung stetig und regelt entsprechend nach. Dies ermöglicht eine Kompensation von Homogenitätsdifferenzen im Material, die einen unterschiedlichen Belastungszustand der Maschine verursachen.

Bildverarbeitungssysteme und mechanische Messeinrichtungen

In der industriellen Praxis finden dazu Bildverarbeitungssysteme oder mechanische Masseinrichtungen Anwendung. Diese lassen sich auch zur Bewertung der Werkstücke nach der Bearbeitung einsetzen.

Rollkraft-Erfassungssysteme

Ein Sonderfall sind Anlagen zur Décolletage, mit denen Klein- und Kleinstteile für die Uhrenindustrie in Millionenserien gefertigt werden. Bei diesen speziellen Anlagen wird das zu bearbeitende Material vollautomatisch als Stangenrohlinge zugeführt. Der Umformvorgang im Einstechverfahren wird durch den Einsatz von Rollkraft-Erfassungssystemen geprüft und bewertet. Diese Systeme erfassen den Kraft- oder Drehmomentverlauf über einen definierten Weg oder auch über eine vorgegebene Zeitspanne. Anschliessend erfolgt eine Bewertung der beiden aufgezeichneten Parameter. Daraus ergeben sich Hüllkurven, die weder über- noch unterschritten werden dürfen.

Eine weitere Möglichkeit der automatisierten Überwachung ist die Definition von Fenstern, durch die der Kraftverlauf zwingend führen muss. Erfüllen die Werkstücke diese Kriterien nicht, werden sie ausgeschleust. Diese Verfahren geben indirekt Auskunft darüber, ob der Vorbearbeitungsdurchmesser oder das Material den Vorgaben entsprachen. Sie können sogar einen beginnenden Werkzeugbruch signalisieren.

 

170726 Einstechverfahren HurterSpanlose Gewindefertigung durch Gewinderollen: Einstechverfahren

 

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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

 

Raendelung

Rändelungen nach DIN 82, achsparallel, links/rechts, Kerbverzahnung nach DIN 5481


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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