Schraubfallanalyse schafft Sicherheit über korrekte Anzugsparameter

28.09.2010

Auf der Suche nach dem richtigen Drehmoment Was Lippenstift, Kühlschrank, Lichtschalter und Fahrzeugarmatur gemeinsam haben Schraubfallanalyse verschafft Sicherheit über korrekte Anzugsparameter Fast jeder hat schon mal einen benutzt - einen Lippenpflegestift, der rissigen Lippen ihre Geschmeidigkeit zurückgibt. Pflegebalsam aus der praktischen Drehhülse gedreht, auftragen, fertig! Was so einfach anmutet, kann bei der industriellen Herstellung durchaus Kopfzerbrechen bereiten. Was, wenn bei der Montage der Kunststoffkomponenten des Pflegestifts Schwierigkeiten auftreten? Wenn schon bei der Verschraubung der Gehäuse für die Lipp

Auf der Suche nach dem richtigen Drehmoment

Was Lippenstift, Kühlschrank, Lichtschalter und Fahrzeugarmatur gemeinsam haben

Schraubfallanalyse verschafft Sicherheit über korrekte Anzugsparameter

Fast jeder hat schon mal einen benutzt - einen Lippenpflegestift, der rissigen Lippen ihre Geschmeidigkeit zurückgibt. Pflegebalsam aus der praktischen Drehhülse gedreht, auftragen, fertig! Was so einfach anmutet, kann bei der industriellen Herstellung durchaus Kopfzerbrechen bereiten.
Was, wenn bei der Montage der Kunststoffkomponenten des Pflegestifts Schwierigkeiten auftreten? Wenn schon bei der Verschraubung der Gehäuse für die Lippenpomade im Werk immer wieder Ausschuss produziert wird? Die Fehlersuche vor Ort kann Wochen, ja Monate dauern. Da lohnt sich eine detaillierte Schraubfallanalyse beim Schraubspezialisten.

Anwendungstechniker Rudolf Schmidbauer hält in seinem Schraubfallanalyse-Labor drei Kunststoffteile in der Hand. Das Gehäuse, den Kolben und die Drehspindel für den Pflegestift. In der Montage wird zunächst der Kolben in das Gehäuse eingeführt. Der zweite Schritt ist es, bei dem immer wieder Probleme auftauchen. Diesen wird die DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. nun in der vom Kunden in Auftrag gegebenen Schraubfallanalyse unter die Lupe nehmen: Die Spindel wird in die vorgegebene Gewindebohrung im Kolben geschraubt bis die Schnappverbindung zum Gehäuse schließt. Gleichzeitig wird dabei der Kolben in die tiefste Position im Gehäuse geführt. Nächster Arbeitsschritt im Werk wäre das Befüllen des montierten Kunststoffgehäuses mit dem Pflegebalsam und das Verschließen mit dem vorgesehenen Deckel.

Doch hier in der DEPRAG Schraubfallanalyse dreht sich alles um die Frage: Welches ist das ideale Drehmoment für die Verschraubung der Kunststoffspindel in den Kolben? Und welche Drehzahl ist zu wählen? Was für ein Schraubwerkzeug erfüllt die Aufgabe am besten? Rudolf Schmidbauer erklärt: „Um herauszufinden, wie ein Bauteil idealerweise verschraubt wird, muss ich es zerstören. Ich muss bewusst mit übergroßem Drehmoment einschrauben bis Schrauben oder Bauteile kaputt gehen. Nur so lässt sich das Überlastmoment ermitteln“.

Die verschiedenen DEPRAG Schrauber, die für die Laborversuche verwendet werden, sind mit entsprechender Messelektronik ausgestattet und somit in der Lage, den Schraubvorgang am Bildschirm graphisch darzustellen. Anhand der aufgezeichneten Kurve kann der Schraubspezialist den Schraubfall genau begutachten. Zehn bis zwanzig Mal wird der Versuch nun wiederholt, immer mit Originalbauteilen. Am Ende der Versuchsreihe steht nach genauer Analyse die Empfehlung für den Hersteller, welche Schraubparameter und welches Schraubwerkzeug sich für die vorliegende Schraubaufgabe am besten eignet.

Was macht eigentlich die Problematik bei Schraubverbindungen aus? In der Welt der Technik ist die Verschraubung das einzige wieder umkehrbare Verfahren, Bauteile in der Montage zu verbinden. Nach der Verschraubung verhalten sie sich wie ein einziges Teil, das höchsten Beanspruchungen Stand hält. Die Aufgabe der Schraube ist dabei, die Bauteile so fest aneinander zu pressen, dass äußere Kräfte sie nicht verrücken können. Die dabei erzielte Kraft nennt sich Vorspannkraft. Die Schraubenmontage muss im Bereich dieser Toleranzen bleiben: Einerseits muss die erreichte Vorspannkraft ausreichen, das Bauteil zusammenzuhalten, andererseits dürfen Schraube und Bauteil nicht durch Überbeanspruchung Schaden nehmen.

Doch direkte Methoden, die erzielte Vorspannkraft zu messen, sind für die Serienfertigung nicht geeignet. Daher muss sich die Branche auf indirekte Messmittel in der Schraubenmontage stützen. So gilt das Drehmoment als die bestimmende Prozessgröße in der Verschraubung, denn es verhält sich weitgehend proportional zur Vorspannkraft. Auch der Drehwinkel wird zur Ermittlung der tatsächlich erzielten Vorspannkraft mit herangezogen.

Durch das Eindrehen der Schraube entsteht Reibung, die von der Geometrie der Schraube aber auch dem Material des Bauteils abhängt. Die Reibung verändert die Beziehung zwischen Drehmoment und erreichter Vorspannkraft, sie ist eine der großen Unbekannten bei der Festlegung der Anzugsparameter. Der Techniker im Labor kommt ihr auf die Spur, indem er die eingedrehte Schraube löst und danach wieder anzieht. Vergleicht er den Kurvenverlauf des Drehmoments beim ersten und zweiten Schraubvorgang, erkennt er mögliche Reibungsverluste.

Anwendungstechniker Rudolf Schmidbauer forscht auch nach Setzerscheinungen beim Schraubvorgang. Wird beispielsweise eine Dichtung aus Silikon mit vier Schrauben an einer Pumpe befestigt, so geht, selbst wenn das Anzugsdrehmoment eine hundertprozentige Vorspannkraft erwarten lässt, durch das „Setzen“ des Silikons Vorspannkraft verloren. Folge in der Praxis: die Pumpe ist undicht.

Bei einer derartigen „weichen Verschraubung“ zieht der Techniker im Testlabor die Schraube zunächst bis zum ermittelten Anziehdrehmoment an. “Setzerscheinungen können während der Verschraubung selbst auftreten, nach Stunden oder erst nach mehreren Tagen“, erläutert Rudolf Schmidbauer. Nachdem eine gewisse Zeit vergangen ist, zieht er die Schraube deshalb nochmals nach. Das „Weiterdrehmoment“ gibt nun Aufschluss über Setzerscheinungen und ihre Auswirkung auf die Vorspannkraft. „In so einem Fall kann es sein, dass wir empfehlen, die Verschraubung in zwei Phasen vorzunehmen“, erklärt der Schraubexperte.

Blicken wir auf die Schraubenmontage eines Kühlschrankgehäuses: Zwei Bleche sollen miteinander verschraubt werden, deren Bohrungen nicht ganz deckungsgleich sind. Zunächst muss viel Kraft aufgewendet werden, um die Bleche passgenau aufeinander zu platzieren, in der Endphase des Schraubprozesses, wenn die Bohrungen übereinander liegen, reicht jedoch ein niedrigeres Drehmoment für den Endanzug aus. Beim Verschrauben mit gleich bleibend hohem Drehmoment würde bei dieser Schraubaufgabe ungewollt das zerstörende Überlastmoment erreicht, Schrauben oder die zu verbindenden Bauteile verformt. Auch hier fördert die Schraubfallanalyse die Problematik zu Tage und legt prozesssichere Parameter und Sequenzen fest.

Schrauben, die sich ihr Gewinde beim Schraubprozess selbst formen, unterliegen einer ähnlichen Gesetzmäßigkeit. Während des Formprozesses benötigt der Schraubfall ein hohes Drehmoment, nach Kopfauflage der Schraube eine andere Parametereinstellung. Wird das beim Verschrauben nicht berücksichtigt, misslingt die Schraubaufgabe, Bauteile und/oder Schraube werden zerstört, die gewünschte Vorspannkraft wird nicht erzielt. Die Schraubfallanalyse ermittelt hier das optimale Anzugsverfahren. Beispiel: Bei der Montage eines Lichtschalters aus Kunststoff werden zwei Gewindeformschrauben verwendet. Zunächst montiert der Druckluftschrauber der Baureihe SENSOMAT® die Schrauben mit vollem Motormoment, erst kurz vor Kopfauflage der Schraube wird die Abschaltkupplung aktiviert und der intelligente Druckluftschrauber schaltet beim vorgesehenen Drehmoment exakt ab. DEPRAG Vertriebsleiter Jürgen Hierold: „Wir können unseren Kunden neben dem optimalen Anzugsverfahren auch das dazu passende Werkzeug empfehlen“.

Ein weiterer Fall aus der Praxis. Rudolf Schmidbauer: „Während ein Teil der Kunden sich erst an uns wendet, wenn Verschraubungsaufgaben Probleme bereiten, überprüfen andere Kunden bereits im Vorfeld ihr Produktdesign mit unserer Hilfe“.
Ein Kunststoffgehäuse als Instrumentenanzeige im Auto soll montiert werden. Die Konstruktion besteht aus Rückwand, Leiterplatine, Frontrahmen und Display. Die Bauteile sind mit acht Schrauben zu verbinden. Den Kunden interessiert: Welche Drehmomente brauche ich, um die Bauteile prozesssicher zu montieren? Darüber hinaus will er die Funktionssicherheit seiner Konstruktion hinterfragen. Im Auto eingebaut darf die Instrumentenanzeige nicht klappern...

Im DEPRAG Prüflabor finden sich nun kistenweise Bauteile für das Kunststoffgehäuse. Für die Analyse im Schraublabor sind schließlich zehn bis zwanzig bauteilzerstörende Versuche nötig, um das richtige Anzugsverfahren zu erforschen. Rudolf Schmidbauer nummeriert und beschriftet an einem der Bauteile die zu untersuchenden Verschraubungen und fotografiert das Kunststoffgehäuse für die Dokumentation der Schraubfallanalyse, die später der Kunde ausgehändigt bekommt. Dann wählt er einen geeigneten Schrauber aus, in diesem Fall einen handgeführten Druckluftschrauber. Die verwendeten Schrauben müssen ebenfalls Originalstücke sein. Es sind selbst formende Schrauben in Kunststoff 3,5 x 14 TXP 15.

Jede Verschraubung wird mittels eines Graphen aufgezeichnet und ausgewertet. Rudolf Schmidbauer macht in seiner Versuchsreihe eine unerwartete Entdeckung: Obwohl gleiche Schrauben und Materialien verwendet werden, ist das Ergebnis unterschiedlich. Die vier äußeren Schrauben, die nach Einlegen der Platine den Frontrahmen an der Rückwand verschrauben, erreichen das Anzugsdrehmoment bei 1,10 Nm bis 1,38 Nm. Die vier weiteren Schrauben, die das Display befestigen, benötigen weniger, nämlich 0,96 Nm bis 1,16 Nm, um die optimale Vorspannkraft zu erzielen. Sollen beide Anwendungen mit einem Schrauber ausgeführt werden, empfiehlt sich als Alternative 1,10 Nm für beide Verschraubungen aufzubringen. Für den Kunden eine wertvolle Erkenntnis - nun kann er seine Fertigung danach ausrichten.

DEPRAG Vertriebsleiter Jürgen Hierold fasst zusammen: „Die Schraubfallanalyse eignet sich als wirtschaftliche Lösung, wenn bei der Montage Probleme mit Verschraubungen entstehen. Darüber hinaus bietet sie bei relativ geringem Einsatz von Zeit und Kapital die bestmögliche Auswahl von Schraubparametern und der geeigneten Schraubwerkzeuge“.

Mit einer großen Zahl von praktizierten Schraubfallanalysen (1000 plus) verfügt die DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. mit Firmensitz im bayerischen Amberg über einen reichhaltigen Erfahrungsschatz, in dem sich fast jede Verschraubungsproblematik wieder findet, und woraus sich immer wieder individuelle Lösungsansätze ableiten lassen. Der Schraubspezialist agiert mit 600 Mitarbeitern in über 50 Ländern und ist wegen seiner Vielseitigkeit ein gefragter Ansprechpartner in den Bereichen Schraub- und Messtechnik, Automation, Druckluftmotoren und Druckluftwerkzeuge. Auch für den Aufbau von firmeninternen Messlaboren hält die DEPRAG nach individueller Beratung eine breite Palette von Prüfwerkzeugen und Messelektronik bereit.

Pressekontakt:
Dagmar Dübbelde
DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.
Kurfürstenring 12-18
D-92224 Amberg
Tel: 09621 371-343
Fax: 09621 371-199
Email: d.duebbelde@deprag.de
Internet: www.deprag.com