Hightech- Schrauben präzise prüfen

Qualitätssicherung – Verbindungselemente wie Schrauben sind oftmals hohen Beanspruchungen ausgesetzt, speziell in der Luftfahrt- und Motorsportindustrie. Das erfordert neben speziellen Herstellungs- und Konstruktions-Know-How auch umfassende Materialprüfungen in der Qualitätssicherung.

12. Februar 2019
Hightech- Schrauben  präzise prüfen
Zugversuch an Schrauben. (Bild: ZwickRoell)

von Dr. Peter Stipp, Fachjournalist

Einer der führenden deutschen Hersteller von Verbindungselementen im High-End-Bereich ist das Unternehmen Johann Maier in Stuttgart. Die Anwendungen des umfangreichen Portfolios reichen vom Einsatz in der Internationalen Raumstation und Satelliten über Hubschrauber und Jets bis hin zu Getrieben und Motoren. Entsprechend hoch sind die Anforderungen in Bezug auf Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wiederholte Festigkeits- und Temperaturzyklen, Schwankungen der dynamischen Belastungen und hohe Schwingungen.

»Unsere Schrauben sind entscheidend für die Sicherheit.«

— Dr. Oliver Lang, Johann Maier

Anspruchsvolle Fertigungsverfahren

Um die in den Anwendungen geforderten Werte zu erreichen und zu verifizieren, werden anspruchsvolle Fertigungsverfahren wie Warmschmieden, Wärmebehandlung und Gewinderollen beziehungsweise zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt. »Wir nennen es geprüfte Sicherheit“, erklärt Dr. Oliver Lang, Geschäftsführer des Unternehmens. »Wenn wir maximale Qualität, höchste Präzision und absolute Sicherheit unserer Produkte garantieren, müssen wir sie prüfen.« Um die mechanischen Material- und Bauteileigenschaften nach vorgegebenen Normen zu testen, kommen statische und dynamische Prüfmaschinen sowie Härteprüfgeräte von ZwickRoell aus Ulm zum Einsatz.

Die elektromechanischen Prüfmaschinen der AllroundLine von ZwickRoell für statische Prüfungen sind für Zug, Druck- und Biegeversuche sowie Scherung und Torsion konzipiert. Zur Verfügung stehen unterschiedliche Baugrößen mit Kräften bis 250kN. Ausgestattet mit spielfrei vorgespannten Kugelumlaufspindeln und einem wartungsfreien AC-Antrieb mit Motorfeedback-System erreichen sie auch bei niedrigen Geschwindigkeiten hervorragende Gleichlauf-Eigenschaften, um präzise Messwerte zu generieren.

Zum Einspannen der Proben in der Prüfmaschine kommen sogenannte Einhänge-Probenhalter mit entsprechenden Kopf- und Gewindeaufnahmen zum Einsatz. Damit wird unter anderem sichergestellt, dass die in der Norm ISO 898–1vorgegebene Mindestprobenlänge für Schrauben aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl eingehalten wird. Die Probenhalter stehen sowohl für die Prüfung von Schrauben und Muttern, als auch für die Prüfung von Schulter- und Gewindekopfproben nach entsprechenden Normen zur Verfügung. Mit Hilfe von speziellen Prüfdornen und Matrizen sind sie außerdem für Prüfkraftversuche (Zug- und Druckversuche) an Muttern einsetzbar. Diese werden dabei mit der in der Norm ISO 898–2 vorgegebenen Kraft 15 Sekunden belastet. Der Prüfkraftversuch gilt dann als Bestanden, wenn sich anschließend die Mutter von Hand vom Prüfdorn abdrehen lässt.

Zur Durchführung von Prüfungen nach ISO 898–1 und ISO 898–2 ist die von ZwickRoell entwickelten Prüfsoftware testXpert III bereits mit einer Prüfvorschrift ausgestattet. Weiter bietet die Software ein intuitives Bedienkonzept für alle Prüfmaschinen und Prüfgeräte und führt den Bediener von der Vorbereitung über die Durchführung der Prüfung bis hin zur Ergebnisanalyse. Auch die in den Normen geforderte Mindestbruchkraft ist bereits hinterlegt und wird mit Prüfergebnissen abgeglichen.

Für Dehnungsmessungen an abgedrehten Schrauben setzt Johann Maier den berührenden Extensometer makroXtens ein. Er erfasst über Messfühler die elastischen und plastischen Verformungen während des gesamten Zugversuchs – auch bei hohen Kräften und spröden Materialien – und ist bis zum Probenbruch einsetzbar. Bestimmt wird unter anderem die Bruchdehnung. Dieser Parameter beschreibt die bleibende plastische Verlängerung an abgedrehten Schrauben in einem definierten Schaftbereich. Der makroXtens ist werksseitig kalibriert und erfüllt ab 20µm Längenänderung die Klasse 0,5 der EN ISO 9513.

Infobox

Weitere Infos:

Im Video (s.u.) erläutert Dr. Oliver Lang, Geschäftsführer der Johann Maier GmbH & Co.KG, von welch sicherheitsrelevanter Bedeutung die Verbindungselemente seines Unternehmens in der Auto- und Luftfahrtindustrie sind und wie die Qualität konstruiert, produziert und geprüft wird.

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Vibrationsbelastungen testen

Die Regelelektronik testControl II unterstützt den Anwender. In Verbindung mit der Prüfsoftware erlaubt sie schon bei sehr geringen Dehnungen eine äußerst präzise Regelung der Dehngeschwindigkeit über einen geschlossenen Regelkreis (»closed loop«).

Verbindungselemente unterliegen neben einer statischen Belastung in der Regel auch zyklischen Beanspruchungen. Dazu gehören beispielsweise Vibrationen. Um die Schwingfestigkeit von Werkstoffen und Bauteilen im Zeit- und Langzeitfestigkeitsbereich zu bestimmen, beispielsweise im Dauerschwingversuch nach der Norm DIN 50100 (Wöhlerkurve), sind elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren eine besonders effiziente Lösung. Ihre Funktionsweise basiert auf dem Prinzip eines mechanischen Resonators mit elektromagnetischem Antrieb. Die Mittelkraft wird über das Verfahren der oberen Traverse über einen Spindelantrieb aufgebracht; die dynamische (sinusförmige) Last durch ein Schwingsystem, das im Resonanzbetrieb arbeitet. Dadurch wird eine große Kraft- und Wegamplitude bei geringer Energiezufuhr erreicht – nur circa 2% des Energiebedarfs im Vergleich zu servohydraulischen Prüfmaschinen. Positiv ist auch die hohe Empfindlichkeit in Bezug auf Strukturveränderungen.

Hoher Probendurchsatz

Die von ZwickRoell angebotenen Hochfrequenz-Pulsatoren stehen in sechs Baureihen mit Prüfkräften von 25 bis 1.000kN zur Verfügung. Prüffrequenzen bis 285Hz gewährleisten kurze Prüfzeiten und damit einen hohen Probendurchsatz. Bei dynamisch beanspruchten Schrauben liegen die eingesetzten Frequenzen je nach Schraubenverbindung zwischen 120 und 285Hz.

Zu den relevanten Untersuchungen an Hochleistungsschrauben bei Johann Maier gehört auch die Härteprüfung. Hier setzt das Unternehmen ebenfalls auf ZwickRoell. Das Härteprüfgerät ZHU250CL ist für klassische Härteprüfverfahren an Metallen und Kunststoffen von 1 bis 250kg konzipiert und standardmäßig für Prüfungen nach Vickers, Brinell und Rockwell ausgelegt.

Positiv für den Anwender sind die einfache Bedienung mit vollautomatischem Prüfablauf, der überdurchschnittlich große Prüfraum sowie das Messen ohne Parallaxenfehler dank integrierter Messlinien in der Mattscheibenoptik. Hinzu kommt auch hier ein hochgenaues Closed Loop System zum Aufbringen der Prüfkräfte.

Mit seinem breiten Spektrum modularer Prüfmaschinen zeigt ZwickRoell, dass auch anspruchsvolle Prüfungen von Hochleistungs-Schrauben effizient durchgeführt werden können. Dazu tragen sowohl die auf jeweilige Prüfaufgaben zugeschnitten Kraftbereiche, als auch die einfache Anpassung der Halterungen für Schraube und Muttern auf andere Größen bei. Von Vorteil sind zudem die einfache und schnelle Bestückung und der frontale Zugriff auf die Werkzeuge. hjsT

Erschienen in Ausgabe: 01/2019