Gewindesteigung: Teilung, Gangzahl und Messen über mehrere Gänge

Thema: Fräsen, Drehen & Zerspanung

Lässt sich eine Mutter zwei Umdrehungen weit aufschrauben, ist damit noch nicht belegt, dass ihre Steigung zum Bolzen passt. Ebenso ist die Steigung eines mehrgängigen Gewindes nicht der Abstand benachbarter Spitzen. In Werkstatt und CNC-Programm zählt deshalb, welche Größe gemeint ist und wie genau sie sich am Teil bestimmen lässt.

Steigung, Teilung und Gangzahl

Der Leitfaden der Schweizerischen Akkreditierungsstelle definiert die Teilung P als Abstand zwischen entsprechenden Punkten zweier benachbarter Gewindeflanken. Die Steigung ist die Teilung mal der Zahl der Gänge, also der axiale Weg einer Schraube je Umdrehung. Bei eingängigen Gewinden sind beide Werte gleich.

Mehrgängige Gewinde tragen beide Angaben in der Bezeichnung: Bei Tr 40 × 14 P 7 stehen 14 mm für die Steigung P_h und 7 mm für die Teilung P, die Gangzahl beträgt 14 : 7 = 2. Auch bei Antriebsspindeln wie der Kugelumlaufspindel bezeichnet die Steigung den Weg je Umdrehung, und eine Bügelmessschraube setzt eine bekannte Steigung in eine ablesbare Länge um, siehe Messschraube richtig ablesen.

Metrische und zöllige Angaben lesen

Für metrische ISO-Gewinde gibt ISO 261 die Übersicht und ISO 262 die Auswahlreihen für Schrauben, Bolzen und Muttern; DIN 13-1 enthält die Nennmaße der Regelgewinde. Beim Regelgewinde nennt die Kurzbezeichnung meist nur den Nenndurchmesser, etwa M8, beim Feingewinde zusätzlich die Steigung, etwa M8 × 1. Nach Austrian Standards wird Feingewinde verwendet, wenn die Steigung des Regelgewindes zu groß ist.

Zollgewinde werden in Gängen je Zoll angegeben; umgerechnet gilt P = 25,4 mm : Gangzahl. Ein 1/4-20 UNC hat damit 1,27 mm Steigung, nur 0,02 mm mehr als M8. Die Spalte über zehn Teilungen ist eigene Rechnung.

Steigung messen: über mehrere Teilungen

In der Werkstatt sind drei Wege verbreitet. Blattgewindelehren werden mit dem passenden Blatt angelegt; Sätze wie die von STEINLE enthalten Blätter für metrisches Gewinde mit 60° und Whitworth-Gewinde mit 55° Flankenwinkel. Mit Messschieber oder Lineal wird über mehrere Spitzen gemessen und durch die Zahl der Abstände geteilt, nach Accu über mindestens drei Spitzen. Messmikroskop und Profilprojektor liefern laut Akkreditierungsstelle zusätzlich den Flankenwinkel, gehören aber eher in den Messraum.

Es gilt P = L : n mit n als Zahl der Teilungen. Je länger die Messstrecke, desto weniger wirkt sich die Unsicherheit beim Ansetzen auf den Einzelwert aus.

Eigenes Rechenbeispiel mit acht Teilungen

Wir nehmen einen Bolzen mit etwa 7,9 mm Außendurchmesser an; infrage kommen M8 und M8 × 1. Von Spitze 1 bis Spitze 9 messen wir 10,0 mm, das sind acht Teilungen und damit P = 1,25 mm. Geteilt durch neun ergäbe sich 1,11 mm, ein Wert ohne Tabellenpartner.

Angenommen, die Messschenkel lassen sich nur auf ±0,1 mm genau ansetzen. Dann liegt P zwischen 9,9 : 8 ≈ 1,24 mm und 10,1 : 8 ≈ 1,26 mm. Das schließt 1,0 mm sicher aus; 1,27 mm, wie sie 20 Gänge je Zoll ergeben, liegen nur knapp außerhalb. Über 16 Teilungen schrumpft der Bereich auf etwa 1,244 bis 1,256 mm, die Soll-Längen 20,0 mm und 20,3 mm sind dann klar unterscheidbar. Zur Einordnung solcher Werte siehe Messabweichung.

Steigung in CNC-Programm und Maschine

Beim Gewindedrehen koppelt die Steuerung den Vorschub an die Spindeldrehung. LinuxCNC beschreibt bei G33 das K-Wort als Weg je Spindelumdrehung, im Zyklus G76 steht P für die Steigung als Weg je Umdrehung. Für ein mehrgängiges Gewinde gehört dort folglich P_h hin: Bei Tr 40 × 14 P 7 fährt das Werkzeug 14 mm je Umdrehung, der zweite Gang beginnt um 7 mm versetzt. Damit mehrere Schnitte dieselbe Spur treffen, wartet LinuxCNC auf den Indeximpuls der Spindel; ohne Geber mit Indexsignal arbeitet G76 nicht.

Dieselbe Kopplung von Drehzahl und axialem Weg gilt beim Gewindebohren auf der CNC und für den Gewindeformer. Beim Gewindefräsen entsteht die Steigung dagegen aus einer Wendelbahn, bei der das Werkzeug je Umlauf um eine Steigung in Z weiterfährt.

Typische Fehler und Grenzen

Der häufigste Rechenfehler ist das Teilen durch die Zahl der Spitzen. Fase, Anschnitt und beschädigte erste Gänge verfälschen die Messung zusätzlich; gemessen wird im vollen Gewinde.

Nahe Steigungen fallen beim Anschrauben nicht sofort auf. Eigenes Beispiel: Sitzt eine Mutter mit 1,25 mm Steigung auf einem Bolzen mit 1,27 mm, wächst der axiale Versatz je Gang um 0,02 mm, nach acht Gängen auf 0,16 mm. Der Leitfaden der Akkreditierungsstelle rechnet einen kumulierten Steigungsfehler mit dem Faktor 1 : tan(α/2) auf den Flankendurchmesser um; beim 60°-Profil wirkt der Flankendurchmesser des Bolzens damit um 0,16 : tan 30° ≈ 0,28 mm größer. Je nach Spiel lässt sich die Mutter einige Gänge weit aufdrehen und klemmt dann.

Auch Skalieren im CAD- oder Slicer-Programm verändert die Steigung: Ein auf 102 % vergrößertes M6-Gewinde hat 1,02 mm Steigung und passt nicht mehr zuverlässig zu Normschrauben. Und die Steigung allein bestimmt kein Gewinde; Durchmesser, Flankenwinkel, Gangzahl und Drehrichtung gehören dazu, ein Linksgewinde trägt den Zusatz LH.

Prüfliste zum Bestimmen eines unbekannten Gewindes

• Außendurchmesser messen, bei Innengewinden einen passenden Bolzen zum Vergleich nehmen.
• Gewindeanfänge an der Stirnseite zählen; mehr als einer bedeutet mehrgängig.
• Über möglichst viele volle Teilungen messen, n = Spitzen minus eins.
• Mit den metrischen Steigungen und mit 25,4 mm : Gangzahl vergleichen.
• Profil mit einem Lehrenblatt für 60° oder 55° gegenprüfen.
• Drehrichtung feststellen und die Paarung mit einer bekannten Sechskantmutter über die volle Einschraublänge testen.
• Messwerte, Messstrecke und Messmittel notieren.

Bleiben zwei Kandidaten übrig, entscheidet eine längere Messstrecke, nicht die erste leichtgängige Umdrehung.