Montage Virtuelles Schrauben

Simulationsprogramm liefert Erkenntnisse über Montageprozesse, ohne eine reale Verschraubung durchzuführen. Bis 250 Testverschraubungen ohne Schrauber und ohne Schraube, aber mit zuverlässigen...

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CADFEM Germany GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Bis 250 Testverschraubungen ohne Schrauber und ohne Schraube, aber mit zuverlässigen Ergebnissen. Das ist möglich und spart viel Material und Zeit: mit dem Simulationsprogramm Tight-SIM. Der zum 1. Juli 2007 verlangte Umstieg auf Chrom-VI-freie Schraubverbindungen zwingt die Betroffenen, ihre bisherigen Montageprozesse zu überprüfen. Das kostet viel Zeit. Es sei denn, man nutzt das Simulationsprogramm Tight-SIM. Das sagt einem sofort, was sich außer der Klemmkraft noch alles ändert, wenn sich der Reibwert verändert oder die Schraubhärte. Denn es wird nicht nur gerechnet, wie mit der VDI-2230-Software, sondern dynamisch simuliert. Und es werden bis zu 250 virtuelle Testläufe gefahren, die realitätsnahe Ergebnisse liefern – auch über Schraubqualität und mögliche Taktzeiten. Schließlich hat Atlas Copco Tools dieses Simulationsprogramm aufgrund der Erfahrungen entwickelt, die man in den vergangenen Jahrzehnten mit der Schraubtechnik gemacht hat und die sich in Laboruntersuchungen immer wieder bestätigt haben.So beantwortet das Programm beispielsweise auch Fragen wie diese: Welche Anziehmethode verbessert das Ergebnis? Wie ändert sich die Einschraubzeit bei unterschiedlichen Drehzahlen in den verschiedenen Anziehstufen? Wie ist das Setzverhalten, wenn die Schrauberdrehzahl verändert wird? Die auf der VDI 2230 basierenden Programme können das nicht, weil sie nicht die Dynamik des Schraubers berücksichtigen. Sie liefern nur Zahlenberge, aus denen man sich die Erkenntnisse dann herauslesen muss. Auch eine Visualisierung der Schraubkurven sucht man vergebens.Tight-SIM arbeitet auf der Grundlage der Monte-Carlo-Simulation, die sich so definiert: Kenngrößen, die man von Fall zu Fall vorgibt (wie Bruch- und Streckgrenze, der Durchmesser der Kopfauflage oder die Steifigkeit), werden als stochastische Prozesse betrachtet und durch Mittelwerte und Standardabweichungen beschrieben. Kenngrößen, die zwischen den einzelnen Anziehzyklen schwanken (wie Zugfestigkeit und Reibung), werden für jeden Zyklus mit Zufallszahlen variiert. Kenngrößen, die während des Verschraubens variieren, werden auch während der Simulation von Schraubzyklus zu Schraubzyklus vom Zufallsgenerator variiert.Jede Simulation beginnt mit der Eingabe der Schraubverbindung. Über das Pulldown-Menü „Schrauben“ kann auf eine Tabelle mit bereits angelegten Schrauben zurückgegriffen werden. Sollte diese Schraube nicht vorhanden sein, so kann sie über ein weiteres Menü „Schrauben und Verbindungen“ ergänzt werden. Es kann sich dabei um neue Standardschrauben handeln, aber auch um Spezialschrauben. Ist die Schraube nun mit ihrer Festigkeit definiert, müssen die Parameter für den Verband eingegeben werden. Sofern diese bekannt sind, können sie in die Felder für Steifigkeit „elastisch“ und „plastisch“ eingegeben werden. Dabei ist es nicht unwichtig, welche Toleranz (in Prozent über 3 Sigma) man der Steifigkeit zugesteht. Hier scheiden sich bekanntlich die Meinungen und Erfahrungen. Ein Wert von 5% sollte nach Atlas-Copco-Erfahrung für die meisten Fälle gelten. Sollten die Steifigkeiten des Schraubverbandes nicht bekannt sein, kann man sie durch Anklicken des Feldes „Elastische Steifigkeit für Verbindungen berechnen“ ermitteln. Beim sich anschließenden Befehl „Steifigkeit berechnen“ werden diese Parameter übernommen. Für den so definierten Verband muss dann der Reibwert mit seinen Streuungen vorgegeben werden. Gemäß VDI 2230 sind Reibwertzahlen anzustreben, die sich in die Reibungsklasse B einordnen. Auch dazu gibt es ein Pulldown-Menü, in dem typische Reibungskoeffizienten bereits hinterlegt sind. Gemäß VDA 235 sollte dieser Beiwert zwischen 0,08 und 0,16 liegen. Also wird man 0,12 eingeben, um bei einer Streuung von ±33,3% im Mittel zwischen 0,08 und 0,16 zu bleiben. Der frei wählbare Toleranzwert 33,3 setzt voraus, dass der Reibwert über alle Schraubenlose hinweg konstant bleibt. Abschließend ist dann noch der Schrauber auszuwählen. Er kann aus einer Tabelle entnommen oder anhand der technischen Daten selber eingegeben werden. Auch kann man die Genauigkeit des Schraubers ändern, so dass diese Einflüsse ebenfalls realitätsgerecht simuliert werden können, ohne verschiedene Schrauber im Labor testen zu müssen.Nachdem nun der Schraubfall einschließlich Hardware definiert ist, geht es an die Programmierung des Schraubers. Es ist zu entscheiden, welche Anziehmethode zum Einsatz kommen soll und in wie viele Stufen der Schraubprozess zu unterteilen ist. Bis zu zehn Anziehstufen sind programmierbar. Selbstverständlich gibt es auch ein grünes Fenster für Drehmoment und Drehwinkel.Ergebnisse der Simulation liegen als Grafik vorJetzt kann die Simulation beginnen. Zuvor aber hat der Anwender zu entscheiden, ob er sich nur eine Kurve zur Einstellung der Schraubmethode ansehen will oder ob er 25 Beispiele für eine statistische Auswertung benötigt. Will er einen Produktionsprozess simulieren, wird er bis zu 250 Verschraubungen durchführen lassen.Innerhalb weniger Sekunden generiert die Simulation ein Ergebnis, das dann als Tabelle und vor allem auch als Grafik vorliegt: Drehmoment/Zeitkurve, Drehmoment/Drehwinkelkurve, Klemmkraft/Zeitkurve und Klemmkraft/ Drehwinkelkurve. Die aus der Simulation gewonnenen Durchschnittswerte für Drehmoment, Klemmkraft und plastische wie elastische Schraubenlängung können wiederum für verschiedene Vergleichsmessungen abgespeichert werden, so dass immer ein direkter Vergleich stattfindet. Mit der so erstellten Konfiguration ist es nun ein Leichtes, auf unterschiedliche Einflüsse zu reagieren. So zum Beispiel auf geänderte Oberflächenvergütungen, geänderte Anziehverfahren, geänderte Genauigkeit des Werkzeugs oder auch eine andere Beschaffenheit der Schraube. Innerhalb von Sekunden ist es so möglich, die Einflüsse von Chrom-VI-freien Oberflächen zu generieren und die damit verbundenen Einflüsse auf die Schraubverbindung zu erkennen und sich daraus ergebende Änderungen des Anziehverfahrens zu simulieren.