Verfahren zur Herstellung eines Außenantriebs eines Verbindungselements

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Außenantriebs eines Verbindungselements, insbesondere eines Antriebs einer Düsenspannmutter für einen Injektor, aus einem Werkstück mittels wenigstens eines Werkzeugs und ferner einen nach einem derartigen Verfahren hergestellten Außenantrieb eines Verbindungselements.

Stand der Technik

Verbindungselemente wie beispielsweise Schrauben, Muttern oder dergleichen weisen kopfseitig jeweils einen Kraftangriff auf, welcher üblicherweise als Mehr kantprofil ausgebildet ist. Typischerweise werden derartige Mehrkantprofile von Verbindungselementen mit zerspanenden Fertigungstechniken hergestellt. Bei Verbindungselementen, welche als jeweiligen Kraftangriff bzw. Antriebskopf gleichmäßig über den Umfang des Kraftangriffs verteilte, gekrümmte Flächen aufweisen, erfolgt typischerweise die Herstellung von derart profilierten Flächen durch Umformen. Nachteilig bei der Herstellung von gekrümmt profilierten Flä chen ist, dass sich in der Regel an den Fertigungsschritt des Kaltumformens des Werkstücks noch eine gesondert davon durchzuführende Wärmebehandlungs stufe zum Härten des Werkstücks anschließt und dadurch die Herstellungskosten aufgrund der zusätzlichen Fertigungsstufe erhöhen.

Die DE 42 06 222 C2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von gekrümmt profilierten Flächen eines Antriebskopfs, wobei ein Presswerkzeug benutzt wird, um mittels Kaltumformung die profilierten Flächen des Antriebskopfs auszubil den.

Offenbarung

Vorteile der Erfindung Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es kostengünstig durchführbar ist, da sich Verbindungselemente bzw. Schrau belemente aufgrund der zerspanenden Arbeitsweise in einer Fertigungsstufe produzieren lassen, was mit lediglich einer Aufspannung möglich ist, so dass ei ne sehr hohe Genauigkeit bei der Einhaltung von Form- und Lagetoleranzen für die Antriebsgeometrie erzielbar ist. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auch mit vorvergüteten Werkstoffen durchführbar. Dazu ist vorgese hen, dass mittels Schlagdrehen an einem Außenumfang des Werkstücks konkav gekrümmte Flächen als den Außenantrieb bildende Profilflächen ausgebildet werden, wobei das Werkstück um eine Drehachse rotiert wird, während das Werkzeug um eine zur Drehachse des Werkstücks beabstandete Drehachse ro tiert wird, und das Werkzeug unter sukzessive erfolgenden translatorischen Rela tivbewegungen in jeweiligen Bearbeitungsphasen spanabhebend in das Werk stück eingreift, wobei wenigstens eine jeweilige Bearbeitungsphase innerhalb ei ner Umdrehung des Werkstücks erfolgt, wobei das Verhältnis der Winkelge schwindigkeiten von Werkzeug und Werkstück so gewählt wird, dass die Rotati on des Werkzeugs mit deutlich höherer Winkelgeschwindigkeit als die Rotation des Werkstücks erfolgt. Dadurch lässt sich eine Antriebsgeometrie erzielen, die aufgrund ihrer konkaven Profilflächen im Falle eines Antriebskopfes mit sechs Angriffsflächen auch als hexalobulärer Kraftangriff bezeichnet wird und mit wel cher - mittels einer geeigneten Antriebswerkzeuges - ein höheres Antriebsmo ment als bei plan ausgebildeten Mehrkantprofil-Antrieben übertragbar ist. Vorteil haft ist dies insbesondere bei dünnwandigen Schraubhülsen, wie beispielsweise bei Düsenspannmuttern für Kraftstoff- Injektoren, da dadurch die Gefahr einer ra dialen Verformung während des Antriebsvorgangs deutlich vermindert wird. Es sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Antriebsgeometrien mit einer anderen - von sechs abweichenden - Anzahl von Angriffsflächen herstellbar.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass das Werkzeug in derselben Drehrichtung wie das Werkstück rotiert wird. Dadurch bewegen sich die beiden Körper im Gleichlauf. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Werkzeugs und der Winkelgeschwindigkeit des Werkstücks etwa 2.24 : 1 beträgt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die konkav gekrümmten Flächen gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandet ausgebildet werden. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Antrieb.

Eine dazu alternative Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die konkav gekrümmten Flächen ungleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandet ausgebildet werden, wodurch sich ein asymmetrischer Antrieb erzie len lässt, mit dem vorteilhaft ein definiertes Anzugsmoment in einer bestimmten Vorzugsrichtung anbringbar ist.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ei ne ungeradzahlige Anzahl von konkav gekrümmten Flächen ausgebildet wird.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenspannmutter, welche einen Außenan trieb umfasst, der gemäß einem derartigen Verfahren hergestellt wird, ermöglicht den Einsatz eines Düsenspannmuttertyps, der aufgrund seines auf konkaven Profilflächen beruhenden Antriebs höhere Anzugsmomente im Vergleich zum herkömmlichen Mehrkantantrieb zulässt.

Bei einem insbesondere nach einem derartigen Verfahren hergestellten Außen antrieb mit gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandet ausgebil deten Profilflächen ist vorgesehen, dass gekrümmt verlaufenden Profilflächen Vorsprünge zwischengeordnet sind, wobei zwischen jeweils einander unmittelbar benachbarten Profilflächen jeweils ein radial nach außen vorstehender Vor sprung als breite Nase ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich insgesamt eine Struk turverstärkung des Außenantriebs bzw. der Antriebsgeometrie. Zweckmäßiger weise sind die Vorsprünge gleichmäßig in Umfangsrichtung des Außenantriebs voneinander beabstandet, wobei die Anzahl der Vorsprünge der Anzahl der ge krümmten Profilflächen entspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:

Fig. 1 eine stark schematisch gehaltene Ansicht einer Anordnung aus einem Werkzeug und einem Werkstück, deren Drehachsen voneinander beabstandet sind, wobei das Werkzeug einen Rotationskörper und wenigstens ein radial aus dem Außenumfang des Rotationskörpers vorstehend angeordnetes Messer auf weist, welches in einer unteren Winkelstellung spanabhebend in das Werkstück eintaucht, und

Fig. 2 eine Draufsicht eines aus einem Werkstück hergestellten Antriebskopfs eines Verbindungselements mit in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet angeordneten und konkav nach innen gekrümmten Außenflächen.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt - zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens - eine im Ganzen mit 100 bezeichnete Anordnung, welche ein zylinderförmiges Werk stück 101 und ein zur Bearbeitung des Werkstücks vorgesehenes Werkzeug 102 aufweist, in einer unteren Winkelstellung eines Messers 102 ^' des Werkzeugs 102 während einer Umlaufperiode des Werkzeugs, in denen das Messer 102 ^' des Werkzeugs 102 spanabhebend in das Werkstück 101 entlang einer bogenförmi gen Bahn 103 eingreift, wobei sich das Werkzeug 102 in seiner maximalen Zu stelltiefe bezüglich des Werkstücks 101 befindet. Im Ausführungsbeispiel drehen sich beide Körper 101, 102 im Uhrzeigersinn, d.h. im Gleichlauf. In Fig. 1 ist eine untere Winkelstellung des Werkzeugs 102 dargestellt, in der das Messer 102 ^' während der bei der maximalen Zustelltiefe dargestellten Umlaufperiode zu Be ginn einer Bearbeitungsphase spanabhebend in das Material des Werkstücks 101 eintaucht bzw. eintritt. Im weiteren Verlauf dieser Bearbeitungsphase durch fährt das Messer 102 ^' der Bahn 103 folgend in zeitlich nachfolgende Winkelstel lungen (nicht dargestellt). Das Ende der dieser Umlaufperiode zugeordneten Be arbeitungsphase ist in einer oberen Winkelstellung (nicht dargestellt) erreicht, in welcher das Messer 102 ^' entlang der bogenförmigen Bahn 103 aus dem Material des Werkstücks 101 austritt. Danach ist bei der hier dargestellten maximalen Zu stelltiefe die gewünschte konkav gekrümmte Fläche gemäß der Bahn 103 am Umfang des Werkstücks 101 ausgebildet. Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 der bei den zuvor erfolgten Umlaufperioden bei jeweils geringeren Zustelltiefen ent sprechende Materialabtrag 101 ^” anhand einer gestrichelten Kurve dargestellt, welche dem ursprünglichen Verlauf des Umfangsrands folgt; es versteht sich, dass am Anfang der iterativ durchgeführten Prozedur das rotierende Messer 102 ^' bei einem ursprünglich eingestellten relativen Abstand zwischen den beiden Drehachsen, d.h. bei einer anfänglichen Zustelltiefe, mit seiner Spitze 102 ^” den Umfangsrand 101 ^' des Werkstücks 101 gerade noch berührt, wobei der Um fangsrand der Außenumfangsfläche bzw. Mantelfläche des zylindrischen Roh lings bzw. Werkstücks entspricht. Bei jeder jeweils nachfolgenden Umlaufperiode wird aufgrund einer sukzessive erfolgenden translatorischen Relativbewegung der relative Abstand zwischen den beiden Drehachsen sukzessive verringert, al so die Zustelltiefe sukzessive erhöht, so dass sich laufend die Bogenlänge der von der Spitze 102 ^” des Messers 102 ^' in das Material des Werkstücks 101 ge frästen Bahn 103 vergrößert, bis bei Ende der Iteration die maximale Zustelltiefe erreicht wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel können bei Verwendung eines einzigen Werkzeug- Messers zwei konkave Profilflächen am Werkstück erzeugt werden, welche in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzt einander gegenüberlie gen, wenn das Messer pro Umlaufperiode des Werkstücks zweimal spanabhe bend in das Werkstück einfährt. Um beispielsweise einen hexalobulären An triebskopf mit sechs gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstande- ten konkaven Profilflächen aus dem Werkstück zu erzeugen, können drei Messer am Werkzeug vorgesehen werden, die in Umfangsrichtung gleichmäßig vonei nander beabstandet sind und während einer Umlaufperiode des Werkstücks je weils zweimal in das Material des Werkstücks spanabhebend eingreifen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verfahrensparame ter so gewählt, dass das Verhältnis von Außenradius des Werkzeugs 102 mit Messer 102 ^' zum Außenradius des Werkstücks 2.24 : 1 beträgt, während das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten von Werkzeug 102, 102 ^' zu Werkstück 101 ebenfalls 2.24 : 1 beträgt. Dabei ist unter dem Außenradius des Werkzeugs 102, 102 ^' der Abstand von der Rotationsachse bis zur radial nach außen wei senden Begrenzungs- bzw. Schneidkante des Messers 102 ^' bzw. der Wende schneidplatte zu verstehen.

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem zylinderförmigen Werkstück 101 hergestellten Antriebskopf 110 als Teil eines Verbindungselements, das beispielsweise als Schraube oder Mutter, be vorzugt als Düsenspannmutter, die eine Komponente eines Kraftstoff- Injektors bildet, ausgebildet sein kann, wobei der Antriebskopf 110 in seiner Umfangsrich tung gleichmäßig voneinander beabstandete Außenflächen bzw. Profilflächen 111 aufweist, welche konkav nach innen gekrümmt ausgebildet sind und zum Angreifen eines - nicht dargestellten - Antriebswerkzeugs mit komplementär ge formten Angriffsflächen dienen. Jede der zum Zentrum des Antriebskopfs 110 hin konkav gekrümmten Außenflächen 111 entspricht einer Kontur, die durch eine bei maximaler Zustelltiefe erfolgte bogenförmige Bahn definiert ist. Aufgrund der sechs konkav gekrümmten Profilflächen 111 ist der Antriebskopf 110 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel als hexalobulärer Kraftangriff ausgebildet.

Zwischen unmittelbar zueinander benachbarten Außen- bzw. Profilflächen 111 sind jeweils Vorsprünge 112 ausgebildet, die ebenfalls in Umfangsrichtung gleichmäßig angeordnet sind und radial nach außen vorstehen. Da jeder Vor sprung 112 jeweils einander unmittelbar benachbarten Außenflächen 111 zwi schengeordnet ist, dienen die Vorsprünge 112 in ihrer Gesamtheit der Struktur festigkeit des Antriebskopfes 110. Dazu sind die Vorsprünge jeweils identisch ausgebildet. Wird gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sechskantprofil- Rohling als Ausgangsmaterial bzw. Werkstück verwendet, so weist jeder Vorsprung eine radial spitz nach außen vorstehende Nase auf, von deren Spitze zu deren beiden Seiten gerade und stumpfwinklig zurückweichende Flanken ausgehen, die symmetrisch zur Spitze ausgebildet sind, wobei jede Flanke an ihrem der Spitze abgewandten Ende in eine angrenzende, gekrümmt verlaufende Außenfläche 111 übergeht. Wird hingegen im Standardfall ein zylind risch geformter Rohling als Ausgangsmaterial bzw. Werkstück (Halbzeug) ver wendet, so ist - gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel - jeder Vor sprung als breite Nase ausgebildet, welche gerundet radial nach außen ragt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzugsweise zur seriellen Ferti gung von Außenantrieben von Verbindungselementen mit relativ großer Schlüs selweite, mithin zur Fertigung von Düsenspannmuttern, deren Ausführungsarten bzw. Schlüsselweiten sich hinsichtlich der Verwendung in Personenkraftfahrzeu- gen oder Nutzkraftfahrzeugen voneinander unterscheiden.

Zusammenfassend ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass mittels Schlagdrehen an einem Außenumfang des Werkstücks 101 konkav gekrümmte Flächen 111 als den Außenkraftangriff bildende Profilflächen ausge- bildet werden, wobei das Werkstück 101 um eine Drehachse rotiert wird, wäh rend das Werkzeug 102, 102 ^' um eine zur Drehachse des Werkstücks 101 be- abstandete Drehachse rotiert wird, und das Werkzeug 102, 102 ^' unter sukzessi ve erfolgenden translatorischen Relativbewegungen in jeweiligen Bearbeitungs phasen spanabhebend entlang bogenförmiger Bahnen 103 in das Werkstück 101 eingreift, wobei eine jeweilige Bearbeitungsphase innerhalb einer Umdrehung des Werkstücks 101 erfolgt, wobei das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten von Werkzeug 102, 102 ^' und Werkstück 101 so gewählt wird, dass die Rotation des Werkzeugs 102, 102 ^' mit deutlich höherer Winkelgeschwindigkeit als die Ro tation des Werkstücks 101 erfolgt.