Verschraubung Qualitätsprüfung von Schraubverbindungen direkt vor Ort

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Schatz bietet mit dem Inspect Pro ein tragbares Messsystem, das direkt an der Montagelinie Drehmoment, Drehwinkel und Vorspannkraft misst und sofort die qualitätsbeeinflussenden Reibungszahlen/Reibverhalten des Verbindungselementes ermittelt.

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Das Modulsystem Schatz Inspect Pro lässt sich für jeden Anwendungsfall konfigurieren.
Das Modulsystem Schatz Inspect Pro lässt sich für jeden Anwendungsfall konfigurieren.
(Bild: Schatz)

Moderne Sensoren im Zusammenspiel mit computergesteuerter Mess- und Steuerelektronik geben Auskunft über das Drehmoment und den Drehwinkel während der Montage einer Schraubverbindung. Dabei ist die wichtigste Zielgröße in jeder Schraubverbindung die Vorspannkraft, die in der Montage weder unmittelbar gemessen noch ausreichend genau abgeschätzt werden kann. Aus diesem Grund wird heute in der Großserienindustrie in erster Linie nur das Drehmoment als Qualitätsmerkmal für die Güte einer Schraubverbindung erfasst und statistischen Auswerteverfahren unterzogen. Die Beziehung zwischen Drehmoment und Vorspannkraft hängt jedoch zum einen von der Geometrie der Schraube ab, zum anderen von der benötigten, aber auch lästigen Reibung.

Drehmoment und Vorspannkraft

Diese ist immer vorhanden und führt dazu, dass alleine aus dem Drehmoment nicht der direkte Rückschluss gezogen werden kann, mit welcher Vorspannkraft die Schraube montiert wurde. Das ist nur möglich, wenn die Reibungszahl der jeweiligen Schraubverbindung bekannt ist.

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Elektronisch gesteuerte Schraubsysteme sind heute in der Lage, Drehmomenttoleranzen von ±5% einzuhalten und prozesssicher zu verschrauben. Hätte eine Schraube M10, Güte 8.8, nach DIN 931 z. B. eine konstante Reibungszahl von µ=0,10 und würde diese Schraube mit einem Drehmoment von 40 Nm montiert, das heißt mit einer Drehmomenttoleranz von 38 Nm bis 42 Nm, könnten Vorspannkräfte erreicht werden, die in einer Toleranz von 26,0 kN bis 28,8 kN lägen. Eine solche Streuung von Vorspannkräften wäre ein hervorragendes Ergebnis für die Schraubenmontage mit dem sich gut leben ließe.

Der Einfluss der Reibung

Die Praxis sieht jedoch anders aus. Reibungszahlen von Schrauben streuen in der Montage im Bereich von 0,08 bis 0,30. In manchen Fällen sogar bis 0,40. Diese Streuungen können bei vielen Verschraubungen als Regelfall angenommen werden. Die Palette der Oberflächen erstreckt sich dabei von anorganischen Beschichtungen mit eingebetteten Fettschmierstoffen bis hin zu verzinkt trocken beschichteten Verbindungselementen. Bezogen auf unser Beispiel einer M10, 8.8 Schraube nach DIN 931 würde das bei einem Drehmoment von exakt 40 Nm und einer angenommenen Toleranz der Reibungszahlen von 0,10 bis 0,20 zu einer Streuung der Vorspannkräfte von 27,4 kN bis 14,9 kN führen. Die Streuung der Vorspannkraft läge in diesem Fall um den Faktor 7 höher als im Beispiel zuvor.

Aufteilung des Montagedrehmomentes

Je nach Reibverhältnissen werden allein bis zu 50 % des Drehmomentes aufgewendet, um die Reibung unter dem Schraubenkopf zu überwinden. Das bedeutet, dass in der Montage die Verhältnisse unter dem Schraubenkopf besonders beachtet werden müssen, damit die Schraube mit hoher Qualität verschraubt wird. Einflüsse, die Veränderungen des Reibverhaltens beeinflussen, sind:

  • Rauigkeit der Kopfauflage
  • Härte des verschraubten Materials
  • Oberflächenbehandlung von Verbindungselement und Montageteil
  • Schmierzustand der Schraube
  • Geschwindigkeit des Schraubwerkzeuges
  • Temperatur der Schraubverbindung
  • Flächenpressung vor allem unter dem Schraubenkopf
  • Werkstoffpaarung

Die Liste ließe sich noch fortsetzen. Die wichtigsten Parameter, die Einfluss auf die Reibeigenschaften der Schraubverbindung haben, sind jedoch dort aufgeführt. Somit kann schon die Handhabung der Schraube oder der Mutter zum Versagen einer Schraubverbindung führen. Ein Tropfen Öl an der Hand des Werkers oder ein Tropfen Öl, der vom Werkzeug herunter fällt, kann die Reibeigenschaften der Schraube erheblich verändern. Eine Schraube, die zum Beispiel trocken (nicht geschmiert) mit einer Reibungszahl von µ=0,14 verschraubt werden soll, weist folgende Aufteilung des Montagedrehmomentes auf:

  • Vorspannkraft 13%
  • Gewindereibmoment 40%
  • Kopfreibmoment 47%.

Eine Änderung der Reibung unter dem Schraubenkopf von nur 10 %, das heißt von 0,14 auf 0,126 würde die Kraftverteilung wie folgt ändern:

  • Vorspannkraft 18%
  • Gewindereibmoment 40%
  • Kopfreibmoment 42%.

Dies bedeutet eine Vorspannkraft, die um ca. 40 % höher liegt als ursprünglich vorgesehen. Im Falle einer kritisch ausgelegten Schraubverbindung könnte das dazu führen, dass die Schraube überdehnt wird oder sogar bricht.

Reibungszahl messen im Labor und in der Produktion

Wenn also der Reibungseinfluss eine so große Bedeutung für das Ergebnis in der Montage hat, muss die Produktion auch in der Lage sein, das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft zu prüfen. Einflussgrößen wie Festigkeit, Geometrie, Oberflächenbeschichtung etc. können nach Normen und Abnahmevorschriften ermittelt und gemessen werden. Zur Bestimmung der Relation von Drehmoment und Vorspannkraft in der Montage gibt es die Norm ISO 16047. Um diese zu erfüllen, sind allerdings umfangreiche Laboreinrichtungen notwendig, die Prüfung ist zeitintensiv und erfordert geschultes und qualifiziertes Personal. Aus diesem Grund werden Schraubfallanalysen zur Ermittlung der Abhängigkeiten von Montagemoment und Vorspannkraft normalerweise im Laboratorium oder in der Versuchsabteilung gemacht. Der Laborversuch ist somit nach wie vor unverzichtbar. Dennoch muss die Produktion in der Lage sein, schnell Versuche an der Montagelinie mit transportablen Geräten durchzuführen, die einfach zu bedienen sind und somit einen geringeren Zeitaufwand erfordern, als Versuche im Laboratorium.

Tragbares Messgerät für die Messung in der Produktion

Für solche Versuche eignet sich das tragbare Messgerät Inspect Pro, an dem gleichzeitig ein Vorspannkraft-Sensor angeschlossen werden kann, der mit Adaptern Versuche an Verbindungselementen von M6 bis M16 zulässt sowie ein Drehmoment/Drehwinkel-Handsensor, der wie ein Drehmomentschlüssel das Drehmoment und den Drehwinkel ermittelt.

Über den Touchscreen des Inspect Pro wird kurz angewählt, welche Art der Auswertung durchgeführt werden soll, so dass anschließend numerisch oder grafisch dargestellt wird, welches Reibverhalten das Verbindungselement hat und ob der Schmierzustand der Spezifikation entspricht. Durch die konstante Anzeige von Drehmoment, Drehwinkel und Vorspannkraft kann die Schraubverbindung wahlweise auf die entsprechende Messgröße montiert werden. Somit ermöglicht das tragbare System eine kurze und einfache Prüfung an der Montagelinie und ermöglicht, dass ungenügend geschmierte oder schlecht beschichtete Verbindungselemente erst gar nicht verschraubt werden.

Die Verbindungselemente bilden ein wichtiges Merkmal für die Qualität der Schraubverbindung. Die Anforderungen an die Qualität der Verbindungselemente sind immer mehr gestiegen. Insbesondere der hohe Automatisierungsgrad fordert einwandfreie Schrauben und Muttern. Während früher der Werker die Schraube in die Hand genommen und begutachtet hat, müssen heute montagegerechte Teile verwendet werden, die gewährleisten, dass der Montageprozess nicht unterbrochen wird und eine kontinuierlich hohe Qualität gewährleistet ist.

Schraubversuche an Verbindungselementen bis 8000 Nm

Das Laboratorium bei Schatz führt für Kunden Schraubversuche an Verbindungselementen bis 8000 Nm durch. So analysiert das Unternehmen die einwandfreie Funktion der Schraube und das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft. Dies erfolgt zum Beispiel gemäß der internationalen Norm DIN ISO 16047, welche beschreibt, wie die Montageeigenschaften von Schrauben und Muttern ermittelt werden können. So werden mit den Laborsystem die wichtigen Messgrößen Vorspannkraft, Anziehdrehmoment, Auflagedrehmoment, Gewindedrehmoment und Drehwinkel erfasst, so dass Anzieheigenschaften der Verbindungselemente wie die Gesamtreibungszahl, die Reibungszahl in der Kopfauflage, die Reibungszahl im Gewinde, Vorspannkraft oder Drehmoment an der Streckgrenze bis hin zur Bruchkraft und dem Bruchdrehmoment ermittelt werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Muttern mit Klemmteil gemäß DIN ISO 2320 zu testen bis hin zu praxisgerechten Prüfungen VDA 235-203. (jup)

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