Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstbohrende Schraube bestehend aus mindestens einem Antriebs-, einem Gewinde- und einem Bohrteil, die einen oder mehrere quer zur Schraubenachse frei auskragende(n) Flügel oder Lappen am Bohrteil aufweist, dessen bzw. deren der Bohrspitze zugewandte Begrenzung als Schneidkante ausgebildet ist bzw. sind.

Selbstbohrende Schrauben der vorgenannten Art sind für diverse Spezialan- wendungen bekannt. Eine selbstbohrende Schraube mit Flügeln ist aus der EP 0 049 218 A2 bekannt. Die Flügel werden im vorderen Bereich der Bohrschraube so angebracht, dass diese vor dem Gewindegang das Bohrloch aufweiten. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Bohren in einem ersten, weicheren Material die erzeugten Späne nicht zwischen dem Bohrloch und dem Gewinde eingeklemmt werden und so das Gewinde unnötig erhitzen, was zu einem Versagen des Gewindes in einem zweiten, härteren Material führen könnte. Im zweiten, härten Material muss die Schraube nach dem Bohren das Gewinde des Loches einformen und eine sichere Befestigung herstellen. Dazu ist es nötig, dass die Flügel vor dem Bohren in diesem Material abbrechen und nur noch der Kerndurchmesser des Bohrteils aufgebohrt wird. Dieses Abbrechen der Flügel wird bisher durch einen Durchtrittsschock sichergestellt. Dazu werden die Flügel hinter der Bohrspitze so angebracht, dass zuerst der Kernbohrdurchmesser fertig gebohrt wird und der Bohrteil durch die erzeugte Bohrung "durchfällt" und die Flügel vor dem Gewindeanfang auf den Rand der Bohrung auftreffen. Die Flügel treffen dabei mindestens mit dem zum Bohren benötigten Bohrdruck auf. Dadurch wird in den Flügeln ein Durchtrittsschock ausgelöst, durch welchen die Flügel abgebrochen werden. Nachteilig an dieser Art der Flügelanordnung ist es, dass der Bohrdruck abhängig von der Person ist, die diese Schraube setzt. Besonders routinierte Personen neigen dazu, vor dem Durchbohren den Bohrdruck zu reduzieren, was auch den Durchtrittsschock reduziert. Ein prozesssicheres Abbrechen der Flügel ist damit nicht mehr garantiert. Es kann vorkommen, dass ein oder mehrere Flügel nicht oder nicht korrekt brechen und ein zu großer Kerndurchmesser gebohrt wird. Das Gewinde kann damit nicht mehr korrekt eingeformt werden. Die Schraube kann nicht oder nur ungenügend angezogen werden.

Aus der EP 1 445 498 A1 und der EP 0 849 474 A1 sind weitere Bohrschrauben bekannt, deren Flügel durch einen Durchtrittsschock abgebrochen werden, was ebenfalls zu den oben beschriebenen Unsicherheiten bezüglich eines prozesssicheren Abbrechens der Flügel führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine selbstbohrende Schraube mit Flügeln so zu gestalten, dass die Flügel durchtrittsschockfrei prozesssicher abbrechen.

Dies gelingt ausgehend von einer selbstbohrenden Schraube der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass die Schneidkante mindestens teilweise axial bis mindestens in den Bereich der Höhe des Kernbohrkonus reicht. Anstelle des bisher bekannten Durchtrittsschocks wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Flügel ein Erstschock provoziert. Der Erstschock wird dadurch ausgelöst, dass vor oder während des Kernlochbohrvorgangs der oder jeder Flügel auf das härtere Material auftrifft und schockartig ein Torsionsmoment auf den Flügel einwirkt. Beginnt der Bohrteil in einem härteren Material zu bohren, wird der oder werden die Flügel vor dem Erreichen des Kernbohrdurchmessers prozesssicher abgebrochen, da die Schneidkantenspitze(n) vor der Bohrspitze oder gleichzeitig mit der Bohrspitze oder nur unmerklich nach der Bohrspitze auf das härtere Material auftreffen. Anschließend erfolgt das Bohren eines Loches mit dem den Kernbohrdurchmesser aufweisenden Teil des Bohrteils, welcher für das Gewinde den optimalen Durchmesser aufweist. Dadurch, dass kein Durchtrittsschock mehr benötigt wird, um die Flügel prozesssicher abzubrechen, wird auch die Spanabfuhr verbessert. Der Bohrteil kann über die ganze Länge der Bohrflut, dem Raum, der den Spänen zur Verfügung steht, für das Bohren beispielsweise eines Metallträgers verwendet werden. Durch den Einsatz der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung können die Material- und H erstell kosten optimiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Dadurch, dass in einer Ausgestaltung der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung die Schneidkante des oder jedes Flügels in einer Spitze ausläuft, die außerhalb des Außendurchmessers des Gewindeteils liegt, wird erreicht, dass beim Bohren mit den Flügeln ein Freiraum zwischen dem Gewinde und dem Bohrloch geschaffen wird. In diesem Freiraum werden die Bohrspäne aus der Bohrung herausgeführt. Eine Erwärmung des Gewindes durch die Reibung an der Bohrungswand oder durch die Späne wird verhindert. Vor dem Einformen des Gewindes in das härtere Material werden so die Gewindegänge nicht unnötig erwärmt oder bereits einem Verschleiß durch Reibung ausgesetzt.

In einer weiteren Ausgestaltung bestimmt die Spitze der Schneidkante mindestens annähernd den Aufbohrdurchmesser. Die Schneidkantenspitze ist somit weit möglichst von der Schraubenachse entfernt. Damit wird ein maximales Bruchmoment des Flügels erreicht, was wiederum die Prozesssicherheit erhöht. Gleichzeitig wird dadurch eine klarer definierte Bruchkante gebildet.

Dadurch, dass in einer weiteren Ausgestaltung der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung der oder jeder Flügel eine Sollbruchstelle aufweist, die innerhalb eines virtuellen Zylinders liegt, dessen Durchmesser dem Kernbohrdurchmesser des Bohrteils entspricht, wird erreicht, dass der Kernbohrdurchmesser einzig durch die Hauptschneide(n) des Bohrteils bestimmt wird. Durch das Abbrechen der Flügel wird sichergestellt, dass der durch die Hauptschnei- de(n) bestimmte Kernbohrdurchmesser nicht größer aufgebohrt wird. Ein größerer Kernbohrdurchmesser würde die Setzsicherheit des Gewindes im härteren Material reduzieren oder bei einem sehr groß aufgebohrten Kernbohrdurchmesser sogar unmöglich machen. Wird die gesamte Sollbruchstelle in den durch den Kernbohrdurchmesser gebildeten Zylinder gelegt, wird verhindert, dass einzelne Bruchstellen außerhalb dieses Zylinders liegen. Dieser Fehlerursache kann damit verhindert werden.

Dadurch, dass in einer weiteren Ausgestaltung der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung die Sollbruchstelle maximal eine Länge aufweist, die dem Kernbohrdurchmesser entspricht, wird das maximale Bruchmoment des oder jedes Flügels maßgeblich mitbestimmt. Je länger die Flügel ausgelegt werden, umso größer wird das Bruchmoment für die Flügel. Die Länge der Flügel bestimmt aber auch die Wärmeentwicklung an der Außenseite der Flügel beim Aufbohren auf den Aufbohrdurchmesser. Kürzere Flügellängen verbessern auch den Spänefluss. Idealerweise entspricht daher die Länge der Flügel maximal dem Kernbohrdurchmesser.

In einer weiteren Ausgestaltung der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung ist der Bohrteil ein gezwickter oder gefräster Bohrteil mit Flügeln. Unter Berücksichtigung des Fließverhaltens können der Bohrteil und die Geometrie des oder jedes Flügels durch ein Zwickwerkzeug festgelegt werden. Durch das Einstellen der Zwickbacken kann neben der optimalen Hauptschneide auch die optimale Dicke der Sollbruchstelle eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, durch Fräsen die Form des Bohrteils und des oder jedes Flügels festzulegen. Durch die Wahl des Herstellverfahrens können beinahe beliebige Formen von Bohrteil und Flügel(n) mit der notwendigen Sollbruchstelle geschaffen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung ist der Bohrteil eine Bohrplatte mit einer Bohrspitze und Flügeln. Auch eine Ausführungsform mit einer aus einem anderen Material als die übrige Schraube hergestellten Bohrplatte kann die gestellte Aufgabe lösen. Dabei kann ein Stanzwerkzeug die Form der Bohrplatte und der Flügel festlegen. Solche Lösungen können vor allem für Bohrplatten aus rostfreiem Stahl und für spezielle Aufgaben verwendet werden. Es sind auch Kombinationen aus gezwicktem Bohrteil und plattenförmigen Flügeln, die an dem Bohrteil angebracht werden, denkbar. Bei solchen Lösungen ist auf eine prozesssichere Auslegung besonders zu achten.

Ferner wird vorgeschlagen, die selbstbohrende Schraube für eine Verbindung von Holz auf Metall auszulegen. Erfindungsgemäße Schrauben eignen sich besonders für eine Befestigung von einem ersten, weichen Material wie Holz od. dgl. auf einem zweiten, härteren Material wie Stahl. Im weichen Material wird mit dem Aufbohrdurchmesser, der durch die Flügel bestimmt wird, aufgebohrt, woraufhin dann bei oder vor dem Bohren in dem härteren Material, aber auf jeden Fall vor dem Erreichen des Kernbohrdurchmessers die Flügel an dem Bohrteil abgebrochen werden, also bevor ein Durchtrittsschock auftreten kann. Das härtere Material wird anschließend auf den Kernbohrdurchmesser fertig aufgebohrt und dann mit Hilfe des Gewindeteils mit einem Gegengewinde versehen. Als letzter Schritt wird dass weiche Material zwischen dem härteren Material und dem Antriebsteil, der üblicherweise einen Kopf aufweist, eingeklemmt, wenn die Schraube angezogen wird.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung, Fig. 2 als eine Einzelheit in vergrößerter Darstellung den Bohrteil und einen Teil des Gewindeteils der Schraube nach Fig. 1 ,

Fig. 3 als eine Einzelheit den Bohrteil eines zweiten Ausführungsbeispiels der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung,

Fig. 4 als eine Einzelheit den Bohrteil eines dritten Ausführungsbeispiels der selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung,

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung mit einem Bohrteil, das eine Bohrplatte mit einer Bohrspitze und Flügeln ist,

Fig. 6 die selbstbohrende Schraube nach Fig. 5 in Seitenansicht und

Fig. 7 - 9 einen Bohrverlauf mit einer selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung, die dem ersten Ausführungsbeispiel derselben entspricht.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer selbstbohrenden Schraube nach der Erfindung, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die selbstbohrende Schraube 10 besteht in dem hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel aus einem Antriebsteil 20, einem Gewindeteil 30 und einem Bohrteil 40. Das Gewinde des Gewindeteils 30 ist ein selbstschneidendes Gewinde. An dem Bohrteil 40 weist die selbstbohrende Schraube 40 zwei quer zur Schraubenachse 12 frei auskragende Flügel oder Lappen (im Folgenden als Flügel bezeichnet) auf, die jeweils mit 42 bezeichnet sind. Der Bohrteil 40 besitzt an seinem freien Ende eine Bohrspitze 44 mit einer stumpfwinkeligen Bohroder Hauptschneide 46. Die der Bohrspitze 44 zugewandte Begrenzung jedes Flügels 42 ist als eine Schneidkante 48 ausgebildet. Der die Hauptschneide 46 und die Bohrspitze 44 umfassende Teil des Bohrteils 40 an dem freien Ende desselben bildet einen Kernbohrkonus 50, der eine in Fig. 2 mit S bezeichnete Höhe aufweist. Die Schneidkante jedes Flügels 42 läuft in einer Spitze 49 aus, die außerhalb des mit Dg bezeichneten Außendurchmessers des Gewindeteils 30 liegt. Die Schneidkante 48 jedes Flügels 42 setzt oberhalb der Höhe S an dem Bohrteil 40 an und reicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel der selbstbohrenden Schraube 10 nach den Fig. 1 und 2 axial in den Bereich der Höhe S des Kernbohrkonus 50 hinein. Bei diesem Ausführungsbeispiel reicht die Seite des Flügels 42, mit welcher dieser mit dem Bohrteil 40 verbunden ist, also nicht bis an den Kernbohrkonus 50 heran.

Bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der selbstbohrenden Schraube 10 nach den Fig. 3 und 4 reicht hingegen jeder Flügel mit der genannten Seite bis an den Kernbohrkonus 50 heran. Das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass die Schneidkanten 48 der Flügel 42 unterschiedlich gegen die Schraubenachse 12 abgewinkelt sind, so dass die Schneidkanten 48 in Fig. 3 in den Bereich der Höhe S des Kernbohrkonus 50 reichen, hingegen die Schneidkanten 48 in Fig. 4 axial über die Höhe S und somit über die Bohrspitze 44 hinaus reichen. Die Flügel 42 werden in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 demgemäß abbrechen, nachdem bzw. bevor die Bohrspitze 44 mit dem Bohren des Kernloches begonnen hat.

Die Spitze 49 der Schneidkante 48 jedes Flügels 42 bestimmt mindestens annähernd den Aufbohrdurchmesser 110 der selbstbohrenden Schraube 10. Mit anderen Worten, der radiale Abstand der Spitze 49 der Schneidkante 48 ist für den Aufbaudurchmesser 110 maßgebend, weil die Flügel 42 so ausgebildet sind, dass deren maximaler radialer Abstand von der Schraubenachse 12 nicht größer ist als der radiale Abstand der Flügel 42 von der Schraubenachse 12. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Außenseiten der Flügel zu der Schraubenachse 12 parallel.

Auf ihrer Innenseite, mit der die Flügel 42 jeweils an dem Bohrteil 40 befestigt, insbesondere angeformt sind, weisen die Flügel 42 jeweils eine Sollbruchstelle 47 auf, wie es in der Darstellung in Fig. 4 links beispielshalber angedeutet ist. Die Sollbruchstellen 47 liegen bei dem Bohrteil 40 innerhalb eines virtuellen Zylinders, dessen Durchmesser dem Kernbohrdurchmesser 100 (Fig. 2) des Bohrteils 40 entspricht. Das gewährleistet, dass der Kernbohrdurchmesser 100 allein durch die Hauptschneide 46 des Bohrteils 40 bestimmt wird. Die Flügel 42 werden so wegbrechen, dass der Kernbohrdurchmesser 100 nicht vergrößert wird. In Fig. 9, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, ist das zu erkennen. Jede Sollbruchstelle 47 weist maximal eine Länge auf, die dem Kernbohrdurchmesser 100 entspricht. Dadurch wird das Bruchmoment, das zum Abbrechen eines Flügels 42 erforderlich ist, auf einen zweckmäßig niedrigen Wert begrenzt.

Bei den drei Ausführungsbeispielen, die mit Bezug auf die Fig. 1 - 4 beschrieben worden sind, ist der Bohrteil 40 jeweils ein gezwickter oder gefräster Bohrteil mit Flügeln 42. Stattdessen kann der Bohrteil 40 aber auch als eine Bohrplatte 60 mit einer Bohrspitze 44 und Flügeln 42 ausgebildet sein, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Die mit 10' bezeichnete selbstbohrende Schraube nach den Fig. 5 und 6 endet an dem zu dem Antriebsteil 20 entgegengesetzten Ende in einem Schaftteil 52, der einen nicht mit Gewinde versehenen zylindrischen Teil 52a und einen ebenfalls nicht mit Gewinde versehenen kegelstumpfförmi- gen Teil 52b aufweist. Am freien Ende des Schaftteils 52 ist ein Schlitz 54 vorhanden, in den ein plättchenförmig ausgebildetes Bohrteil, nämlich die Bohrplatte 60 eingesetzt ist. Durch entsprechende Querschnittsform des eingesetzten Endes der Bohrplatte 60 und durch Verformungen 56 an dem freien Ende des Schaftteils 52 besteht eine formschlüssige Verbindung zwischen der Bohrplatte 60 und dem Schaftteil 52. Die Bohrplatte 60 besitzt an ihrem freien Ende die Bohrspitze 44 mit der stumpfwinkeligen Bohr- oder Hauptschneide 46. Die selbstbohrende Schraube 10' kann wie die selbstbohrende Schraube 10 aus rostfreiem Stahl oder einem sonstigen Metall bestehen. Die Bohrplatte 60 ist aus einem Bohrstahl oder einem Hartmetall gefertigt, so dass auf einfache Weise auch Stähle höchster Festigkeit durchbohrt werden können. An die Hauptschneide 46 schließen sich nach oben hin außen an den Schmalseiten der Bohrplatte 60 zwei einander gegenüberliegend nach entgegengesetzten Richtungen quer zur Schraubenachse 12 frei auskragende Flügel 42 an, wie bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der selbstbohrenden Schraube 10. Die der Bohrspitze 44 zugewandten Begrenzungen der Flügel 42 sind als Schneidkanten 48 ausgebildet. Der Kernbohrdurchmesser 100 der Bohrplatte 60 wird an deren Stelle größten Durchmessers gemessen. Er schließt die Flügel 42 nicht ein, weil diese bereits abgebrochen sein werden, wenn die Bohrplatte 60 das Kernloch bohrt. Die Flügel 42 liegen in einer Ebene mit der Bohrplatte 60. An der Anschlussstelle der Flügel 42 an der Bohrplatte 60 ist eine annähernd parallel zur Schraubenachse 12 verlaufende Sollbruchstelle 47 vorhanden.

Die Fig. 7 - 9 zeigen einen Bohrverlauf mit einer selbstbohrenden Schraube 10, die dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 entspricht. Dabei zeigt Fig. 7 die Bohrphase in einer weicheren Schicht 64, bei der es sich beispielshalber um Holz handeln kann. Die Flügel 42 erweitern das von der Hauptschneide 46 erzeugte Kernloch in der weicheren Schicht 64 so, dass das an dem Gewindeteil 30 angebrachte Gewinde frei in einer Bohröffnung 68 steht. Es bleibt zusätzlich zwischen Gewinde und Kernloch ein Freiraum. Dieser Freiraum wird zur Spanabfuhr benutzt. In einer weiteren Bohrphase, die in Fig. 8 abgebildet ist, wird in einer zweiten, härteren Schicht 66, die insbesondere aus Metall besteht, eine Bohröffnung 70 hergestellt, die in Fig. 8 in einem Anfangsstadium ist. Die Flügel 42 sind an dem Bohrteil 40 so angebracht, dass sogleich nach dem Eindringen der Bohrspitze 44 in die härtere Schicht 66 die Flügel 42 abbrechen. Bei dem Auftreffen der Flügel 42 auf die härtere Schicht 66 werden die Flügel 42 so hoch belastet, dass sie abbrechen. Nun wird, wie in Fig. 9 gezeigt, die härtere Schicht 66 vollends durchbohrt, ein Gegengewinde in der härteren Schicht 66 durch das selbstschneidende Gewinde der selbstbohrenden Schraube 10 eingeformt und die Schraube angezogen. Durch das Anziehen der selbstbohrenden Schraube 10 wird die weichere Schicht 64 zwischen der härteren Schicht 66 und dem Antriebsteil 20 der Schraube 10 eingeklemmt. Bezugszeichenliste

10, 10' Selbstbohrende Schraube

12 Schraubenachse

20 Antriebsteil

30 Gewindeteil

40 Bohrteil

42 Flügel

44 Bohrspitze

46 Bohr- oder Hauptschneide

47 Sollbruchstelle

48 Schneidkante

49 Schneidkantenspitze

50 Kernbohrkonus

52 Schaftteil

54 Schlitz

56 Verformungen

60 Bohrplatte

64 weichere Schicht

66 härtere Schicht

68 Bohröffnung

70 Bohröffnung

100 Kernbohrdurchmesser

110 Aufbohrdurchmesser

S Höhe

Dg Außendurchmesser des Gewindeteils