Wie kommen eigentlich Gewinde ins Blech? Ein Ausflug in die Gehäusekonstruktion

Sollen Bauteile schnell und sicher miteinander verbunden werden, scheint das auf den ersten Blick eine mit Mutter und Schraube leicht zu lösende Aufgabe zu sein. So kommt zusammen, was zusammengehört oder zumindest zusammengehören sollte, damit am Ende ein schickes Metallgehäuse oder ein anderes Produkt auf dem Tisch steht.

Allerdings stehen auch diese Verbindungen vor so manchen Herausforderungen. Schließlich gilt es, abgerissene oder ausgerissene Gewinde zu vermeiden, dünnwandige Bleche zu verbinden oder ein präzises Nachschneiden der Gewinde nach der Oberflächenbehandlungen sicherzustellen.

Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe unterschiedliche Verfahren, um Gewinde für eine Schraubverbindung in Bleche zu bekommen. Da sich die Verfahren für ganz unterschiedliche Anwendungsfälle eignen lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die gängigen Verfahren zu werfen. So werden Ihre Verbindungen kostenoptimal und stabil.

Mit diesen Verfahren kommen Gewinde ins Blech (klicken, um direkt zum Abschnitt zu springen):

1. Gewinde formen auf der Stanzmaschine
2. Gewinde einpressen
3. Gewinde nieten
4. Gewinde schweißen
5. Gewinde (manuell) schneiden (Gewinde bohren)
6. Gewinde fräsen

In nur einem Arbeitsgang und ganz ohne lästige Späne entstehen Gewinde im Blech auf unseren Trumpf Stanz- und Stanz-Laser-Maschinen.

Mit dem ein oder anderen Kniff gelingt das übrigens auch bei superdünnen Blechen. Wie das genau funktioniert, erzählt Ihnen Christian in einem kurzen Video.

Nochmal ganz langsam: Gewinde entstehen auf der Stanzmaschine indem zuerst ein Loch vorgestanzt und dann je nach Blechstärke ein Gewindedurchzug eingebracht wird. So entstehen auch in dünnen Blechen längere und damit ganz schön tragfähige Normgewinde.

Der Kniff ist, dass wir auf unseren Stanzmaschinen gleich noch eine Senkung mit einbringen können. So lässt sich die Schraube sauber vollständig hereindrehen und steht nicht über!

Rangezoomt: Bei dünnen Blechen sorgt ein Durchzug für genug Raum für das Gewinde

Ein Durchzug ist bei stärkeren Blechen nicht notwendig und der Gewindeformer kann dann direkt in das vorgestanzte Loch gedreht werden. Bei diesem Vorgang wird das Material durch die rotierende Bewegung des Werkzeugkopfes in die Lücken der Werkzeugform gedrängt. Diese geben exakt die Gewindekontur vor. Das Gewinde wird also nicht in das Blech geschnitten, sondern per Umformung eingebracht. Das ist übrigens auch der Grund, warum bei diesem Verfahren keine Späne entstehen!

Das Werkstück (rot) wird in die Werkzeugform (grau) gedrückt. So entsteht im Werkstück-Material ein Gewinde.

Genau diese Umformung und Verdrängung des Werkstück-Materials führt dazu, dass sich die Oberfläche des Materials verfestigt (Kaltverfestigung). Das Gewinde erhält so seine besonders hohe Belastbarkeit.

Die kleine Schließfalte an der Gewindespitze ist übrigens ein Zeichen dafür, dass ein Gewinde perfekt in das Blech geformt wurde. Der Funktion schadet diese Gewindelücke nicht.

Werfen wir doch mal einen Blick durchs Mikroskop. So wird deutlich, was ins Blech geformte Gewinde von geschnittenen Gewinden unterscheidet:

Faserverlauf beim Gewindeschneiden (links), Faserverlauf beim Gewindeformen (rechts)

Im Gegensatz zum Gewindeschneiden werden die einzelnen Materialfasern beim Gewindeformen nicht durchschnitten. Dadurch hat das geformte Gewinde vor allem an den Flanken nachweislich eine höhere statische und dynamische Festigkeit.

Für unsere Trumpf-Stanzmaschinen gibt es eine kleine Entscheidungshilfe, aus der wir in Abhängigkeit von der Blechstärke und dem Anspruch an die Festigkeitsklasse ablesen, ob Durchbrüche oder Vorstanzen notwendig sind.

Da dafür auch entscheidend ist, welcher Festigkeitsklasse das Gewinde entsprechen soll, gibt es vorab einen kleinen Exkurs in die Schrauben- und Muttern-Kunde.

Sowohl auf Schrauben als auch Muttern finden sich Angaben zur Festigkeitsklasse. Bei Schrauben wird die Zugfestigkeit (Zahl vor dem Punkt) und die Streckengrenze (Zahl nach dem Punkt) ausgewiesen.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit gibt an, welche Spannung vom Material maximal aufgenommen werden kann. Wird die Schraube einer größeren Belastung ausgesetzt, kann es zu Materialverformungen oder dem Abreisen des Schraubenkopfes kommen.

Die Berechnung der Zugfestigkeit ist super simpel: Zugfestigkeit (N/mm²) = Erste Zahl der Festigkeitsklasse x 100

Streckengrenze

Die Streckengrenze gibt an, wie weit sich eine Schraube dehnen lässt. Das funktioniert bei Metallschrauben ähnlich wie bei einem Gummiband, auch wenn sie zweifelsohne nicht dieselbe Dehnfähigkeit aufweisen 😉. Wird ein Gummiband nur ein wenig gedehnt, wird es nicht nur länger, ohne den Zug bzw. die Krafteinwirkung schrumpft das Band wieder zu seiner Ursprungslänge. Erreicht das Gummiband allerdings seine maximale Streckengrenze, ist das Material soweit gedehnt, dass es auch ohne Zug nicht mehr in seine Ursprungsform zurückgeht.

Die Berechnung der maximalen Streckengrenze ist nur unwesentlich komplizierter als die der Zugfestigkeit: Streckengrenze (N/mm²) = Erste Zahl der Festigkeitsklasse x Zweite Zahl der Festigkeitsklasse x 10

Beispiel: Schraube mit Festigkeitsklasse 8.8 ⇒ Zugfestigkeit: 800 N/mm², Streckengrenze: 640 N/mm²

Und wie sieht es bei den Muttern aus?

Bei Muttern wird nur die Zugfestigkeit ausgewiesen und die Berechnung erfolgt wie oben beschrieben. Bei Muttern wir der Festigkeitsklasse manchmal eine “0” vorangestellt, also zum Beispiel 04. Das ist ein Indikator für eine Mutter mit eingeschränkter Belastbarkeit. Die vorangestellte 0 haben beispielsweise Muttern mit einer flachen Bauform. Sie haben ein kürzeres Innengewinde und sind deswegen nicht ganz so belastbar wie eine höhere Mutter.

Damit die Verbindung von Bauteilen mit Muttern und Schrauben auch hohen Beanspruchungen standhält sollte auf gleiche Festigkeitsklassen geachtet werden.

So, nun wissen Sie, was sich hinter der Spalte „Festigkeitsklasse“ verbirgt und sind bestens vorbereitet, um sich in den Entscheidungshilfen zurechtzufinden. Je nach Gewindedurchmesser, Mutternhöhe, Festigkeitsklasse und Materialdicke wird das Gewinde entweder mit Durchzug, direkt in das Blech oder mit Vorstanzen eingebracht. Die Praktische Tabelle liefert auf einen Blick das richtige Vorgehen für verschiedene Konstellationen.

Entscheidungshilfen für geformte Gewinde
(in Anlehnung an: Trumpf (2013): Technische Information Gewindeformen)

Gewinde ins Blech zu formen bringt einige Vorzüge mit sich, die sich der folgenden Liste entnehmen lassen:

Vorteile Gewinde ins Blech formen

Ein paar Nachteile gibt es natürlich dennoch. Einer resultiert gerade aus der hervorragenden Festigkeit der Gewinde. Im Vergleich zu den geschnittenen Gewinden erweist sich das Nacharbeiten als deutlich problematischer.

Nachteile Gewinde ins Blech formen

Bereits in unserem Beitrag zu Kostenoptimierung haben wir erklärt, wie clever das Formen von Gewinden ins Blech auf der Stanzmaschine ist. Nichtsdestotrotz gibt es Anwendungsfälle, bei denen andere Verfahren zum Schraubverbinden von Blechteilen überzeugen. Auf ein paar davon werfen wir nun mal einen genaueren Blick.