Mechanismen: Das Schraubengewinde

Sie halten alles zusammen, von der filigransten Uhr bis zur größten Brücke. Die Welt wird durch Schrauben und Bolzen buchstäblich davor bewahrt, auseinanderzufallen, und doch denken wir nicht oft über diese Mechanismen nach. Das liegt wahrscheinlich zum Teil daran, dass wir so gut darin geworden sind, sie herzustellen, dass sie als billige Ware gelten, aber die Physik und Technik hinter dem Schraubengewinde ist interessant.

Wir alle erinnern uns wahrscheinlich an eine frühe naturwissenschaftliche Lektion, in der die Grundbausteine ​​aller Mechanismen dargelegt wurden. Bei den einfachen Maschinen handelt es sich um Mechanismen, die eine ausgeübte Kraft nutzen, um Arbeit zu verrichten, beispielsweise die schiefe Ebene, der Hebel und die Riemenscheibe. Beispielsweise lenkt eine schiefe Ebene in Form eines Spaltkeils die Kraft von Schlägen gegen ihre flache Seite in ein Holzstück und drückt das Holz auseinander.

Schraubengewinde sind eine weitere einfache Maschine und können als eine lange, leicht geneigte, schiefe Ebene betrachtet werden, die um einen Zylinder gewickelt ist. Schneiden Sie ein langes rechtwinkliges Dreieck aus Papier aus, wickeln Sie es beginnend am großen Ende um einen Bleistift und die Hypotenuse bildet eine spiralförmige Rampe, die wie ein Faden aussieht. Damit ein Schraubengewinde funktionieren kann, muss es natürlich mehr als die Dicke eines Blattes Papier herausragen, und die Form des Vorsprungs bestimmt die mechanischen Eigenschaften der Schraube.

Das gebräuchlichste Gewindeprofil ist das einfache V-Gewinde, bei dem gegenüberliegende Gewindeflächen einen Winkel von 60° bilden. Dieser Gewindewinkel ist ein Kompromiss, der die Effizienz, die Verschleißrate, die Festigkeit und vor allem die Reibung der Gewinde in Einklang bringt. Zusammen mit der Steigung oder der Anzahl der Gewindegänge pro Längeneinheit trägt die Gewindereibung zur Selbsthemmung oder „Nichtüberholung“-Eigenschaft der meisten Schraubengewinde bei. Selbstsichernde Gewinde wandeln eine Rotationskraft problemlos in eine Axialkraft um, umgekehrt jedoch nicht. Man kann diese Eigenschaft leicht in Aktion sehen – eine Mutter lässt sich mit Fingerdruck leicht auf einer Schraube drehen, aber wenn man die Mutter so fest wie möglich entlang der Längsachse der Schraube drückt, fängt die Schraube nicht an, sich zu drehen. Die Selbsthemmung verhindert, dass sich Werkzeuge wie Spindelhubgetriebe unter Last lösen.

Schraubengewindeprofile können gegenüber dem Standard-V-Profil geändert werden, um eine bessere Leistung bei unterschiedlichen Belastungen zu erzielen. Das Acme-Profil, eine trapezförmige Form mit Flächen, die einen eingeschlossenen Winkel von 29° bilden, und mit großen flachen Spitzen und Wurzeln, eignet sich besonders für Hochlastanwendungen wie Schraubstöcke und Klemmen. Man findet es auch in Leitspindeln, wie sie beispielsweise in Linearaktuatoren zum Einsatz kommen, die in allen Bereichen zu finden sind, von DVD-Playern bis hin zu CNC-Maschinen. Das Acme-Profil findet sich auch in den Leitspindeln der meisten Metalldrehmaschinen, da es gut mit geteilten Muttern funktioniert. Geteilte Muttern sind genau das, wonach sie klingen – ein Element mit Innengewinde, das der Länge nach geteilt wurde und um eine Leitspindel herum geöffnet und geschlossen werden kann. Dies kommt bei Gewindeschneidvorgängen zum Einsatz, bei denen sich die geteilte Mutter zu Beginn des Gewindeschneidens um die Leitspindel schließt und am Ende des Schnitts öffnet, wodurch die Bewegung des Schneidwerkzeugs gegen das Werkstück an wiederholbaren Stellen gestartet und gestoppt wird.

Für Präzisionsgewinde und Kleinserienproduktion sind geschnittene Gewinde üblich. Geschnittene Gewinde werden entweder auf einer Drehmaschine oder einer CNC-Maschine hergestellt, indem Material entfernt wird, um das Gewindeprofil zu bilden, entweder mit einem Gewindeschneidwerkzeug, das in Längsrichtung gegen ein rotierendes Werkstück verschoben wird, oder mit einem Gewindebohrer (für Innengewinde) oder einer Matrize (für Außengewinde). ).

Da das Schneiden von Gewinden jedoch zeitaufwändig ist, werden Außengewinde für die Massenproduktion in der Regel durch einen Rollvorgang geformt. Ein geschmiedeter Rohling wird fest zwischen zwei gerillten Matrizen eingespannt, von denen eine stationär ist. Der Gegenstempel bewegt sich senkrecht zur Längsachse auf dem Rohling und drückt das Gewindeprofil hinein. Da vom Rohling kein Material abgetragen wird und das Material kaltverfestigt ist, können gerollte Gewinde stärker sein als geschnittene Gewinde. Der Walzprozess ist zudem automatisierungsfreundlich und Walzmaschinen können Tausende von Teilen pro Minute herstellen.

Das Innengewinde von Muttern lässt sich nicht walzen, daher werden die meisten in Massenproduktion hergestellten Muttern im Warmschmiedeverfahren geformt. Heiße Metallbutzen werden von Matrizen geschlagen, die das Kopfprofil formen und das Mittelloch stanzen. Später werden die abgekühlten Rohlinge zu einer Gewindeschneidmaschine geschickt, die mit einem Gewindebohrer die Innengewinde schneidet.

Natürlich gibt es zum Thema Schraubengewinde noch viel mehr als nur diese kurze Tour. Die Einfachheit von Schraubengewinden und die Allgegenwärtigkeit von Befestigungselementen mit Gewinde täuschen über die Physik hinter diesen Mechanismen hinweg, aber das Verständnis der Grundlagen ist ein guter Anfang.