Mehrgängige Gewinde

Mehrgängiges Gewinde

Ein mehrgängiges Gewinde besitzt zwei oder mehr parallel verlaufende Gewindegänge. Die einzelnen Gewindegänge sind gleichmäßig über den Umfang verteilt und winden sich nebeneinander um den zylindrischen oder kegelförmigen Gewindekörper.

Mehrgängige Gewinde werden eingesetzt, wenn mit einer geringen Drehbewegung ein großer axialer Weg erreicht werden soll. Sie ermöglichen einen deutlich größeren Vorschub pro Umdrehung als ein eingängiges Gewinde mit vergleichbarer Profilteilung.

Typische Ausführungen sind:

• zweigängige Gewinde,
• dreigängige Gewinde,
• viergängige Gewinde,
• Sondergewinde mit einer größeren Anzahl von Gängen.

Aufbau eines mehrgängigen Gewindes

Bei einem eingängigen Gewinde beginnt nur ein Gewindegang am Umfang des Bauteils. Dieser Gewindegang verläuft schraubenförmig über die gesamte Gewindelänge.

Bei einem zweigängigen Gewinde beginnen zwei voneinander unabhängige Gewindegänge an gegenüberliegenden Positionen. Bei einem dreigängigen Gewinde befinden sich drei Anfänge im Abstand von jeweils 120 Grad.

Die Gewindeanfänge sind gleichmäßig über den Umfang verteilt:

Anzahl der Gänge	Winkel zwischen den Gewindeanfängen
1	360°
2	180°
3	120°
4	90°
5	72°
6	60°

Der Teilungswinkel lässt sich berechnen mit:

Teilungswinkel = 360° ÷ Anzahl der Gewindegänge

Steigung und Leitweg

Bei mehrgängigen Gewinden müssen Steigung und Leitweg voneinander unterschieden werden.

Steigung

Die Steigung wird üblicherweise mit P bezeichnet. Sie beschreibt den axialen Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindespitzen.

Bei einem mehrgängigen Gewinde können diese benachbarten Gewindespitzen zu unterschiedlichen Gewindegängen gehören.

Leitweg

Der Leitweg wird häufig mit Ph bezeichnet. Er beschreibt den axialen Weg, den die Schraube oder Mutter bei einer vollständigen Umdrehung zurücklegt.

Bei einem eingängigen Gewinde sind Steigung und Leitweg gleich groß.

Bei einem mehrgängigen Gewinde ergibt sich der Leitweg aus:

Ph = P × z

Dabei bedeuten:

• Ph: Leitweg pro Umdrehung,
• P: Gewindesteigung,
• z: Anzahl der Gewindegänge.

Berechnungsbeispiel

Ein dreigängiges Gewinde besitzt eine Steigung von 2 mm.

Daraus ergibt sich:

Ph = 2 mm × 3

Ph = 6 mm

Bei einer vollständigen Umdrehung bewegt sich die Mutter axial um 6 mm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindespitzen beträgt jedoch nur 2 mm.

Beispiel eines zweigängigen Gewindes

Gegeben sind:

• Gewindesteigung: 3 mm,
• Anzahl der Gänge: 2.

Der Leitweg beträgt:

Ph = 3 mm × 2 = 6 mm

Für die Bearbeitung bedeutet dies:

• Der erste Gewindegang wird mit einem axialen Vorschub von 6 mm pro Werkstückumdrehung erzeugt.
• Der zweite Gewindegang wird ebenfalls mit 6 mm pro Umdrehung geschnitten.
• Der zweite Startpunkt wird gegenüber dem ersten Gewindegang um 180 Grad versetzt.

Alternativ kann der zweite Gang axial um die Steigung von 3 mm versetzt begonnen werden, sofern Steuerung, Werkzeugweg und Auslauf dies korrekt ermöglichen.

Unterschied zum eingängigen Gewinde

Merkmal	Eingängiges Gewinde	Mehrgängiges Gewinde
Anzahl der Gewindegänge	Ein Gewindegang	Mindestens zwei Gewindegänge
Steigung und Leitweg	Identisch	Leitweg ist größer als Steigung
Axialweg pro Umdrehung	Geringer	Größer
Steigungswinkel	Kleiner	Größer
Selbsthemmung	Häufig besser	Häufig geringer
Herstellung	Vergleichsweise einfach	Höherer Programmier- und Fertigungsaufwand
Gewindeanfänge	Ein Anfang	Mehrere gleichmäßig verteilte Anfänge

Erkennen eines mehrgängigen Gewindes

Ein mehrgängiges Gewinde lässt sich an mehreren Merkmalen erkennen.

An der Stirnseite sind mehrere Gewindeanfänge sichtbar. Bei einem zweigängigen Gewinde befinden sich zwei Anfänge gegenüberliegend. Bei einem dreigängigen Gewinde sind drei Gewindeanfänge vorhanden.

Eine weitere Möglichkeit ist das Messen von Steigung und axialem Weg pro Umdrehung:

1. Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindespitzen messen.
2. Schraube und Mutter genau eine Umdrehung gegeneinander verdrehen.
3. Axial zurückgelegten Weg messen.
4. Leitweg durch Steigung teilen.

Die Anzahl der Gewindegänge ergibt sich aus:

z = Ph ÷ P

Beispiel:

• gemessene Steigung: 2 mm,
• axialer Weg pro Umdrehung: 8 mm.

Daraus folgt:

z = 8 mm ÷ 2 mm = 4

Es handelt sich um ein viergängiges Gewinde.

Steigungswinkel

Der Steigungswinkel ist bei einem mehrgängigen Gewinde größer als bei einem eingängigen Gewinde mit gleicher Profilteilung.

Für einen zylindrischen Gewindekörper kann der Steigungswinkel näherungsweise berechnet werden mit:

tan β = Ph ÷ (π × d₂)

Dabei bedeuten:

• β: Steigungswinkel,
• Ph: Leitweg,
• d₂: Flanken- beziehungsweise Gewindemitteldurchmesser,
• π: Kreiszahl Pi.

Mit zunehmendem Leitweg steigt der Steigungswinkel. Dadurch verändert sich die Belastung der Werkzeugschneide und das Reibungsverhalten der Gewindeverbindung.

Vorteile mehrgängiger Gewinde

Mehrgängige Gewinde bieten mehrere Vorteile:

• großer axialer Weg pro Umdrehung,
• schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen,
• kurze Betätigungszeit,
• mehrere tragende Gewindegänge,
• günstige Kraftverteilung,
• kompakte Bauweise,
• hohe Verfahrgeschwindigkeit,
• flacheres Gewindeprofil bei großem Leitweg möglich.

Sie eignen sich besonders für Verbindungen und Bewegungsmechanismen, bei denen eine schnelle axiale Bewegung erforderlich ist.

Nachteile

Mehrgängige Gewinde besitzen auch Nachteile:

• aufwendigere Herstellung,
• höhere Anforderungen an die Programmierung,
• mehrere exakt versetzte Gewindeanfänge erforderlich,
• größerer Steigungswinkel,
• geringere Selbsthemmung,
• erhöhte Gefahr des selbstständigen Zurückdrehens,
• schwieriger zu messen,
• anspruchsvollere Werkzeugauswahl,
• höhere Anforderungen an den Gewindeauslauf,
• Verwechslungsgefahr zwischen Steigung und Leitweg.

Bei Kraft- und Bewegungsgewinden muss besonders geprüft werden, ob eine ausreichende Selbsthemmung vorhanden ist.

Selbsthemmung

Ein Gewinde ist selbsthemmend, wenn eine axiale Belastung nicht selbstständig zu einer Drehbewegung führt.

Mit zunehmendem Steigungswinkel nimmt die Selbsthemmung ab. Da mehrgängige Gewinde einen größeren Leitweg besitzen, können sie leichter rückwärts angetrieben werden.

Dies kann erwünscht sein, beispielsweise bei leichtgängigen Verstellmechanismen. Bei Hebe- oder Spannvorrichtungen kann die geringe Selbsthemmung jedoch ein Sicherheitsrisiko darstellen.

In solchen Fällen können zusätzliche Sicherungen erforderlich sein:

• Bremse,
• Sperre,
• Klemmung,
• selbsthemmendes Getriebe,
• Rastmechanismus,
• mechanische Verriegelung.

Typische Gewindeprofile

Mehrgängige Gewinde können mit unterschiedlichen Profilformen hergestellt werden:

• metrisches Spitzgewinde,
• Trapezgewinde,
• Rundgewinde,
• Sägengewinde,
• Flachgewinde,
• Sonderprofile,
• Kunststoffgewinde.

Besonders häufig werden mehrgängige Trapez-, Rund- und Sondergewinde für Bewegungs- und Verschlussaufgaben verwendet.

Mehrgängiges Trapezgewinde

Mehrgängige Trapezgewinde werden für Bewegungsübertragungen eingesetzt. Das Trapezprofil ist belastbarer und fertigungstechnisch günstiger als ein Flachgewinde.

Typische Anwendungen sind:

• Spindelantriebe,
• Verstelleinrichtungen,
• Ventile,
• Pressen,
• Positioniersysteme,
• schnelle Spannmechanismen.

Die Bezeichnung muss Steigung beziehungsweise Leitweg und Gangzahl eindeutig angeben. Bei der Fertigung ist besonders darauf zu achten, ob der angegebene Wert die Profilteilung oder den Leitweg beschreibt.

Typische Anwendungen

Mehrgängige Gewinde werden unter anderem verwendet für:

• Flaschen- und Behälterverschlüsse,
• Kameralinsen und Objektive,
• Ventilspindeln,
• Schnellverschlüsse,
• Kupplungen,
• Dosiersysteme,
• Spritzgussbauteile,
• medizinische Geräte,
• elektrische Steckverbinder,
• Verstellmechanismen,
• Förderschnecken,
• Bewegungsspindeln,
• Verschlussdeckel,
• Kosmetikverpackungen.

Ein Flaschenverschluss mit mehrgängigem Gewinde kann beispielsweise bereits nach einer halben oder dreiviertel Umdrehung vollständig geöffnet sein.

Herstellung durch Gewindedrehen

Beim Gewindedrehen muss jeder Gewindegang einzeln hergestellt werden. Alle Gewindegänge besitzen denselben Leitweg, beginnen jedoch an unterschiedlichen Winkel- oder Axialpositionen.

Eine grundsätzliche Arbeitsfolge ist:

1. Werkstück auf den erforderlichen Gewindedurchmesser vordrehen.
2. Freistich oder Gewindeauslauf herstellen.
3. Werkzeuggeometrie und Spitzenhöhe prüfen.
4. Leitweg aus Steigung und Gangzahl berechnen.
5. ersten Gewindegang vollständig bearbeiten.
6. Startposition für den zweiten Gang versetzen.
7. weiteren Gewindegang mit identischen Schnittdaten bearbeiten.
8. Vorgang für alle weiteren Gänge wiederholen.
9. Gewinde entgraten und prüfen.

Entscheidend ist, dass beim Gewindedrehen mit dem Leitweg pro Umdrehung programmiert wird und nicht nur mit dem Abstand benachbarter Gewindespitzen.

Axialer Versatz der Gewindegänge

Die einzelnen Gewindegänge können durch eine axiale Verschiebung des Startpunktes erzeugt werden.

Bei einem mehrgängigen Gewinde entspricht der axiale Abstand zwischen den Startpunkten normalerweise der Profilsteigung P.

Beispiel für ein dreigängiges Gewinde:

• Profilsteigung: 2 mm,
• Leitweg: 6 mm.

Mögliche axiale Startpositionen sind:

• erster Gang: Z0,
• zweiter Gang: Z2,
• dritter Gang: Z4.

Alle drei Gewindegänge werden mit einem Leitweg von 6 mm pro Umdrehung geschnitten.

Die Startpunkte und der erforderliche Gewindeauslauf müssen vor der Programmierung geometrisch geprüft werden.

Winkelversatz der Gewindegänge

Bei Maschinen mit kontrollierter Spindelorientierung oder C-Achse können die Gewindegänge über den Winkel der Spindel versetzt werden.

Beispiele:

• zweigängig: 0° und 180°,
• dreigängig: 0°, 120° und 240°,
• viergängig: 0°, 90°, 180° und 270°.

Ob die Steuerung einen definierten Winkelstart beim Gewindeschneiden unterstützt, hängt von Maschine und Steuerung ab.

Ein einfacher Befehl zur Spindelorientierung reicht nicht automatisch aus. Die Steuerung muss den synchronisierten Gewindestart in der geforderten Winkelposition sicher beherrschen.

Programmierung auf der CNC-Drehmaschine

Die genaue Programmierung ist steuerungsabhängig. Mehrgängige Gewinde können grundsätzlich auf zwei Arten erzeugt werden:

Axial versetzte Startpunkte

Jeder Gewindegang beginnt an einer anderen Z-Position. Der Gewindebefehl wird für jeden Gang mit demselben Leitweg ausgeführt.

Vorteile:

• häufig ohne programmierbare C-Achse möglich,
• einfache geometrische Berechnung,
• gleiche Spindelsynchronisation für alle Gänge.

Nachteile:

• zusätzlicher Platz am Gewindeanfang erforderlich,
• Einlauf und Auslauf müssen berücksichtigt werden,
• Gefahr fehlerhafter Startpositionen.

Winkelversetzte Startpunkte

Das Werkstück wird vor jedem Gewindegang auf eine andere Winkelposition gebracht.

Vorteile:

• Gewindegänge können an derselben axialen Position beginnen,
• sauberer gemeinsamer Gewindeanfang möglich,
• kein zusätzlicher axialer Startweg erforderlich.

Nachteile:

• passende Steuerungsfunktion erforderlich,
• höhere Anforderungen an Spindel und Synchronisation,
• maschinenspezifische Programmierung.

Schematisches Programmierbeispiel

Das folgende Beispiel zeigt nur das Grundprinzip eines zweigängigen Gewindes mit axial versetzten Startpunkten:

Gang 1:
Startposition Z2
Gewindeschneiden mit Leitweg 4 mm

Gang 2:
Startposition Z4
Gewindeschneiden mit Leitweg 4 mm

Bei einer Profilsteigung von 2 mm und zwei Gängen beträgt der Leitweg:

2 mm × 2 = 4 mm

Der tatsächlich erforderliche Gewindezyklus, die Zustellung und die Synchronisation hängen von der verwendeten CNC-Steuerung ab.

Zustellstrategie

Mehrgängige Gewinde können wie eingängige Gewinde in mehreren Schnitten hergestellt werden.

Mögliche Zustellarten sind:

• radiale Zustellung,
• einseitige Flankenzustellung,
• wechselnde Flankenzustellung,
• reduzierte Zustellung zum Fertigmaß.

Bei größeren Profilen und zähen Werkstoffen kann eine einseitige oder wechselnde Flankenzustellung die Spanbildung verbessern.

Alle Gewindegänge müssen mit derselben Zustellstrategie und demselben Endmaß gefertigt werden.

Werkzeugauswahl

Das Werkzeug muss zum Gewindeprofil, zur Steigung und zum Steigungswinkel passen.

Zu beachten sind:

• Profilwinkel,
• Spitzenradius,
• Gewindetiefe,
• Steigungswinkel,
• Innen- oder Außengewinde,
• Rechts- oder Linksgewinde,
• Werkstoff,
• Mindestbohrungsdurchmesser,
• Freiraum an den Werkzeugflanken.

Bei einem großen Leitweg kann der Steigungswinkel dazu führen, dass eine Werkzeugflanke keinen ausreichenden Freiwinkel besitzt. Dadurch kann das Werkzeug an der Gewindeflanke reiben.

Für große Steigungswinkel können spezielle Unterlegplatten, Werkzeughalter oder angepasste Schneiden erforderlich sein.

Rechts- und Linksgewinde

Mehrgängige Gewinde können als Rechts- oder Linksgewinde ausgeführt werden.

Beim Rechtsgewinde bewegt sich eine Mutter beim Drehen im Uhrzeigersinn normalerweise vom Betrachter weg auf die Schraube.

Beim Linksgewinde erfolgt die axiale Bewegung in der entgegengesetzten Richtung.

Gangzahl und Drehrichtung sind voneinander unabhängig. Ein zweigängiges Gewinde kann sowohl rechts- als auch linksgängig sein.

Herstellung durch Gewindefräsen

Mehrgängige Innen- und Außengewinde können auch durch Gewindefräsen hergestellt werden.

Dabei wird jeder Gewindegang mit einer schraubenförmigen Interpolation erzeugt. Die einzelnen Gänge werden axial oder winklig zueinander versetzt.

Vorteile des Gewindefräsens sind:

• geringe Schnittkräfte,
• gute Spanabfuhr,
• kein vollständiges Werkzeugklemmen bei Bruch,
• flexible Gewindedurchmesser,
• Innen- und Außengewinde möglich,
• Rechts- und Linksgewinde mit demselben Werkzeug möglich,
• präzise Korrektur über den Werkzeugradius.

Die CNC-Steuerung muss eine geeignete Helixinterpolation ermöglichen.

Gewindewirbeln

Mehrgängige Gewinde können außerdem durch Gewindewirbeln hergestellt werden. Dabei rotiert ein Wirbelkopf mit mehreren Schneiden um das Werkstück.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für:

• lange Gewindespindeln,
• medizinische Schrauben,
• Knochenschrauben,
• Schnecken,
• Sonderprofile,
• große Leitwege.

Gewindewirbeln ermöglicht hohe Zerspanleistungen und eine gute Oberflächenqualität, erfordert jedoch eine entsprechend ausgerüstete Maschine.

Weitere Herstellungsverfahren

Abhängig von Gewindegröße, Werkstoff und Stückzahl sind weitere Verfahren möglich:

• Gewindeschleifen,
• Gewinderollen,
• Gewindewalzen,
• Gewindeformen,
• Wirbeln,
• Fräsen,
• Drehen,
• Schleifen mit profilierten Scheiben,
• Spritzgießen bei Kunststoffgewinden.

Umformverfahren können besonders wirtschaftlich sein, wenn große Stückzahlen hergestellt werden.

Messung mehrgängiger Gewinde

Die Prüfung eines mehrgängigen Gewindes ist anspruchsvoller als bei einem eingängigen Gewinde.

Zu kontrollieren sind:

• Außendurchmesser,
• Kerndurchmesser,
• Flankendurchmesser,
• Profilwinkel,
• Profilsteigung,
• Leitweg,
• Anzahl der Gänge,
• Winkelversatz der Anfänge,
• Gleichmäßigkeit der Gewindegänge,
• Rechts- oder Linksrichtung,
• Rundlauf,
• Passung mit dem Gegenstück.

Mögliche Prüfmittel sind:

• Gewindelehren,
• Gewindemessschrauben,
• Drei-Draht-Messung,
• optische Messgeräte,
• Profilprojektoren,
• Koordinatenmessgeräte,
• Konturmessgeräte,
• passende Prüfmutter oder Prüfschraube.

Standardlehren für eingängige Gewinde sind nicht automatisch zur vollständigen Prüfung eines mehrgängigen Gewindes geeignet.

Drei-Draht-Messung

Der Flankendurchmesser eines Außengewindes kann grundsätzlich mit der Drei-Draht-Methode gemessen werden.

Bei einem mehrgängigen Gewinde müssen jedoch der größere Steigungswinkel und die genaue Profilgeometrie berücksichtigt werden. Einfache Tabellenwerte für eingängige Gewinde können ungeeignet sein.

Für präzise Messungen sollten speziell berechnete Messdrahtdurchmesser und Korrekturwerte verwendet werden.

Häufige Programmierfehler

Steigung statt Leitweg programmiert

Der häufigste Fehler besteht darin, beim Gewindeschneiden nur die Profilsteigung als Vorschub pro Umdrehung einzugeben.

Bei einem dreigängigen Gewinde mit 2 mm Steigung muss mit 6 mm Leitweg programmiert werden.

Falscher Startversatz

Sind die Startpositionen nicht korrekt verteilt, entstehen ungleichmäßige Gewindeabstände oder die Gewindegänge schneiden ineinander.

Unzureichender Gewindeauslauf

Aufgrund des großen axialen Vorschubs pro Umdrehung benötigt das Werkzeug einen ausreichend langen Auslauf. Andernfalls kann es zu Kollisionen oder beschädigten Gewindeenden kommen.

Ungeeignete Schneidenlage

Bei großem Steigungswinkel kann die Werkzeugflanke am Gewinde reiben. Die Schneidenneigung und Unterlegplatte müssen angepasst werden.

Unterschiedliche Zustelltiefen

Wenn die einzelnen Gewindegänge nicht bis zum gleichen Maß bearbeitet werden, entsteht eine ungleichmäßige Lastverteilung.

Verwechslung der Gangzahl

Die Anzahl der sichtbaren Gewindespitzen über eine bestimmte Länge entspricht nicht automatisch der Anzahl der Gewindegänge. Entscheidend sind die getrennten Gewindeanfänge an der Stirnseite.

Häufige Fertigungsfehler

Fehlerbild	Mögliche Ursache
Gewindegänge schneiden ineinander	falscher Startversatz oder falscher Leitweg
Ungleiche Gewindebreiten	fehlerhafte Startpositionen
Schlechte Flankenoberfläche	Werkzeug reibt wegen zu großem Steigungswinkel
Rattermarken	instabiles Werkzeug oder zu hohe Schnittkräfte
Gewinde passt nicht	Steigung und Leitweg verwechselt
Unterschiedliche Gewindetiefen	abweichende Zustellung der einzelnen Gänge
Beschädigter Gewindeauslauf	Auslauf zu kurz oder Rückzug zu langsam
Maßabweichung	Werkzeugverschleiß oder falsche Korrektur
Grat am Gewindeanfang	ungeeignete Einlaufstrategie oder fehlende Fase

Sicherheit bei der Bearbeitung

Mehrgängige Gewinde besitzen häufig einen großen Leitweg. Beim Gewindedrehen bewegt sich das Werkzeug deshalb mit hoher axialer Geschwindigkeit.

Vor dem ersten Programmlauf müssen geprüft werden:

• korrekter Leitweg,
• Start- und Endposition,
• ausreichender Gewindeauslauf,
• Rückzugsbewegung,
• Spindeldrehzahl,
• Werkzeugfreiraum,
• Schneidenlage,
• Spannmittelabstand,
• korrekte Gangzahl.

Der erste Test sollte im Einzelsatz, mit reduziertem Eilgang und ausreichendem Sicherheitsabstand erfolgen. Eine Simulation ersetzt nicht die Kontrolle an der tatsächlichen Maschine.

Zusammenfassung

Ein mehrgängiges Gewinde besteht aus mehreren parallel verlaufenden Gewindegängen. Der entscheidende Unterschied zum eingängigen Gewinde liegt im Verhältnis zwischen Steigung und Leitweg.

Die Steigung beschreibt den Abstand benachbarter Gewindespitzen. Der Leitweg beschreibt den axialen Weg pro vollständiger Umdrehung:

Leitweg = Steigung × Anzahl der Gewindegänge

Bei der CNC-Programmierung muss grundsätzlich der Leitweg berücksichtigt werden. Die einzelnen Gewindegänge werden durch einen axialen oder winkelbezogenen Versatz der Startpositionen erzeugt.

Mehrgängige Gewinde ermöglichen schnelle axiale Bewegungen, besitzen jedoch einen größeren Steigungswinkel und häufig eine geringere Selbsthemmung. Werkzeuggeometrie, Gewindeauslauf, Startversatz und Messverfahren müssen deshalb besonders sorgfältig ausgewählt werden.