Kontrolliert schrauben

Schraubtechnik – Mit einem optimierten Verfahren zur Ermittlung der Vorspannkraft in der Verschraubung merzt Deprag die Schwächen bisheriger Methoden aus.

03. September 2019
Kontrolliert schrauben
Für eine kontrollierte Verschraubung hat Deprag das Verfahren Clamp Force Control entwickelt. (© Deprag)

Die Schraubtechnik ist nach wie vor Schlüsseltechnologie für zahlreiche Montageaufgaben. Schraubverbindungen sind belastbar und zerstörungsfrei zu lösen. Die Teile lassen sich dann sogar wiederverwenden. Schrauben sind darum die am häufigsten verwendeten Maschinenelemente, die in einer riesigen Vielfalt an Ausführungen erhältlich und genormt sind.

Der wichtigste Anwendungsfall beim Verschrauben in der Montagetechnik liegt im Aufbringen einer definierten Vorspannkraft. Diese ist so zu bestimmen, dass einerseits bei jeder möglichen Betriebskraft die vorgesehene Funktion noch gegeben ist, andererseits die zulässige Belastung der Schraubverbindung nicht überschritten wird. Problematisch sind dabei vor allem Setzerscheinungen und die montagebedingten Schwankungen der erreichten Vorspannkraft.

In der Serienfertigung lässt sich die erzielte Vorspannkraft nur sehr aufwendig ermitteln. Zur Steuerung des Montageprozesses dienen deshalb indirekte Messgrößen wie das Anzugsmoment der Verschraubung sowie Drehwinkel, Einschraubzeiten oder Reibwerte. Schraubenkopfauflagen verbessern die Konstanz in der Vorspannkraft.

Das Drehmoment ist die häufigste Steuergröße. Die aus dem Anzugsmoment resultierende Vorspannkraft wird dabei maßgeblich von schwankenden Reibbeiwerten sowie der Drehmomentstreuung des Schraubgerätes beeinflusst. Selbst bei hoher Drehmomentwiederholgenauigkeit kann die resultierende Vorspannkraft darum um 50 Prozent und mehr schwanken.

Die Schraubverbindung muss so überdimensioniert sein, dass sie bei einer Abweichung nach oben nicht überlastet wird und bei einer Abweichung nach unten noch immer die geforderte Vorspannkraft aufbringt. »Trotz dieser Nachteile hat sich das drehmomentgesteuerte Anziehen als gängigstes Anzugsverfahren durchgesetzt. Dies liegt an der verhältnismäßig einfachen technischen Realisierung«, sagt Daniel Guttenberger, Produktmanager Schraubtechnik bei Deprag.

Beim Drehwinkelverfahren werden Drehmoment und Drehwinkel der Schraubverbindung als Steuergröße herangezogen. Dabei dient im Endanzug der Drehwinkel und nicht das Drehmoment als Steuergröße. Die Schraube wird also bis zu einem Schwellmoment angezogen und von dort aus um einen vorgegebenen Nachspannwinkel weitergedreht. Das Drehmoment kann als zusätzliche Kontrollgröße überwacht werden.

Das drehwinkelgesteuerte Abschalten ist im elastischen und plastischen Bereich der Schraube im Einsatz. Ab Beginn der eigentlichen Drehwinkelverschraubung wird reibungsunabhängig angezogen. Die gesamte Streuung der Vorspannkraft ist demzufolge geringer als beim rein drehmomentgesteuerten Schraubverfahren. Das Reibwertverfahren wird häufig bei Prüfprozessen angewendet. Hier wird der ermittelte Reibwert zur Beurteilung der Qualität von Getrieben, Gewinden oder auch zur Feststellung einer Mindestreibung genutzt. Abhängig vom Reibmoment ist eine Verschraubung auf Differenzmoment oder Drehwinkel möglich.

Um die Werkstoffeigenschaften der Schraube durch Erreichen des plastischen Verformungsbereichs optimal auszunutzen, gibt es das streckgrenzgesteuerte Anzugsverfahren. Auch hier werden Drehmoment und Drehwinkel als Steuergrößen erfasst. Man nutzt dabei die abfallende Steigung im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei Erreichen der Streckgrenze als Abschaltkriterium.

Der Anstieg erfolgt zunächst linear und flacht bei Erreichen der Streckgrenze ab. Die Axialkraft verhält sich proportional zum Drehmoment – die Dehnung proportional zum Drehwinkel. Mathematisch wird der Anstieg einer Kurve als die Ableitung der Funktion definiert. Fällt die Ableitung des Drehmomentes nach dem Drehwinkel auf rund 50 Prozent des Ausgangswertes, ist die Streckgrenze erreicht und der Anziehvorgang wird beendet. Man kann auch Grenzwinkel und Grenzmomente mit überlagern.

Dieses Verfahren schließt schwankende Reibwerte oder die Einschränkungen der ausgewählten Schraube aus, die sich kleiner dimensionieren lässt. Die Streckgrenzsteuerung ist auf metrische Stahlverbindungen beschränkt, bei kleinen oder sehr kleinen Schraubengrößen stellt dieses Verfahren hohe Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik des Schraubsystems.

Konstante Ergebnisse

Das zuverlässige, adaptive Schraubverfahren Deprag Clamp Force Control führt auch bei schwankenden Eindrehmomenten zu einer guten Konstanz der Vorspannkraft. Eine vollständige Verschraubung setzt sich aus dem Schraubmuster Kopfauflageerkennung und einer Verschraubung auf Differenzmoment oder einer Verschraubung auf Drehwinkel zusammen.

Den Hauptbestandteil bildet die Kopfauflageerkennung. Dazu wird kontinuierlich auf Basis des Drehmomentverlaufs eine mathematische Bewertungsfunktion gebildet. Überschreitet die so errechnete Trendlinie einen fest definierten Grenzwert, gilt die Kopfauflage als erkannt – Drehmoment und Drehwinkel werden zum Zeitpunkt der Kopfauflage gespeichert.

Das Berechnungsverfahren ist robust gegenüber zufälligen Schwankungen und Anstiegen im Drehmomentverlauf, die nicht durch die eigentliche Kopfauflage hervorgerufen werden, und der Algorithmus besitzt Allgemeingültigkeit, sodass der Anwender keine für die Berechnung relevanten Parameter setzen muss.

Zur Anwendung kommt das Schraubverfahren dann, wenn veränderliche Randbedingungen vorliegen, die zu stark variierenden Eindrehmomenten führen. »Schwankungen ergeben sich durch Änderungen in der Schrauben- oder Bohrungsgeometrie, dem Gefüge des Bauteilmaterials, wechselnde Oberflächenbeschaffenheiten des Schraubengewindes, federnde Elemente oder Setzerscheinungen«, sagt Daniel Guttenberger.

Clamp Force Control von Deprag sichert durch die zuverlässige Erkennung der Kopfauflage einen einheitlichen Ausgangszustand für den nachfolgenden Endanzug, was letztlich eine deutlich bessere Konstanz der Vorspannkraft bewirkt. Typische Anwendungsbeispiele sind Direktverschraubungen in Kunststoff oder Metall. Guttenberger weiter: »Je nach Anwendung und veränderlichen Randbedingungen lässt sich für jeden Schraubfall ein geeignetes Anzugsverfahren ermitteln und so die Konstanz der Vorspannkraft verbessern. Eine Schraubfallanalyse kann hier entscheidend sein, um prozesssichere Parameter festzulegen.« mkT

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Auf einen Blick

Mit 700 Mitarbeitern, die in über 50 Ländern vertreten sind, ist die Deprag Schulz GmbH u. CO. ein etablierter Partner, der weltweit innovative Konzepte zur Schraubtechnik und Automation verwirklicht. Neben dem Fullservice-Angebot in den Sparten Schraubtechnik, Zuführtechnik, Steuerungs- und Messtechnik führt das Maschinenbauunternehmen seine Produkte auch zu komplexen teil- oder vollautomatisierten Montageanlagen zusammen. Vom Beratungsgespräch bis hin zum Service und der Wartung der Anlage liegt alles in einer Hand.

Erschienen in Ausgabe: 06/2019
Seite: 68 bis 69