Der vermeintliche simple Prozess, zwei oder mehr Teile mit einer Schraube zu verbinden, stellt sich in der Serienmontage als Herausforderung dar. Denn dort muss in einem Takt über einen Zeitraum eine gleich bleibende Qualität gewährleistet werden. Natürlich werden alle Einflussgrößen – wie die Fähigkeit der Montagewerkzeuge und die Qualität der Verbindungselemente – regelmäßig überprüft, um die Einflussgrößen in der Montage prozesssicher zu halten.
Das Standardwerk zur Berechnung und Auslegung hochfester Schraubenverbindungen ist die Richtlinie VDI 2230 „Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen“. Doch auch wenn Schraubverbindungen entsprechend ihrer Vorgaben ausgelegt sind, können sie sich selbstständig lösen und lockern. Wie kommt dies? Zurückzuführen ist dies immer auf einen vollständigen oder teilweisen Verlust der Vorspannkraft. So wird die erforderliche Kraft in axialer Richtung genannt, die als Zielgröße des Verschraubungsprozesses nötig ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Reibungszahlen der Oberflächen im Blick
Um die gewünschte Verschraubungsqualität im Fertigungsprozess zu erreichen, gehören die Reibungszahlen der Oberflächen der Verschraubungspartner zu den ausschlaggebenden Kriterien. Daher ist deren Prüfung und Überwachung unverzichtbar. Die Reibungszahl spielt eine große Rolle in Bezug auf das Verhältnis der inneren Kräfte der Schraube. Überschlägig ist etwa ein Drittel des aufgebrachten Drehmoments notwendig, um die Reibung im Gewinde zu überwinden – und etwa die Hälfte Drehmoments ist nötig, um die Reibung unter dem Schraubkopf zu überwinden. Dabei gilt: Je höher die Reibung, desto geringer die erzeugte Vorspannkraft.
Eine unkontrollierte Anwendung von Schmiermitteln kann dazu führen, dass die Schraube sich selbsttätig löst. Mit Laborsystemen lassen sich an Schrauben die Teilreibungszahlen unter dem Schraubenkopf und im Gewinde separat ermittelt. Weist die Schraube im Laborversuch Reibungszahlen auf, die innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen, so heißt dies allerdings noch lange nicht, dass die Schraube diese Reibungszahlen auch unter Lastbedingungen hält: Höhere Temperaturen können beispielsweise das Reibverhalten der Verbindungselemente verändern. Auch kann es zu Relativbewegungen der montierten Teile kommen oder zu örtlich plastischen Verformungen.
Mit Analyse-Systemen von Schatz lassen sich die Funktionseigenschaften von Schraubverbindungen wie zum Beispiel die Reibungszahlen im Labor reproduzierbar und konform zu den Normen überwachen. Die Leistungsfähigkeit solcher Analyse-Systeme wird durch die computergesteuerte Auslegung und Integration von Sensorik, Mess- und Steuerungstechnik, Software, Antrieben und mechanischen Komponenten gewährleistet.
Die rückführbare Qualität der Drehmoment-, Drehmoment-/Drehwinkel-, Vorspannkraft- und Vorspannkraft-/Gewindemomentsensoren wird dabei durch das akkredierte Dakks-Kalibierlabor von Schatz sichergestellt. Die Ermittlung der unterschiedlichen Messgrößen erfolgt mit dem Mess- und Steuergerät 5413–2777 von Schatz. Es erfasst alle Messwerte, verarbeitet diese weiter und übernimmt Steuerungsaufgaben. Diese Aufgaben werden in Echtzeit erledigt und die Messverläufe zeitgleich grafisch über die Software Test Xpert dargestellt. In Kombination mit diesem Gerät übernimmt ein Leistungs- und Regelgerät die Ansteuerung der unterschiedlichen Antriebseinheiten und erlaubt so Prüfungen mit dem realen Einfluss der in der Produktion eingesetzten Schraubspindeln.
Alle Abläufe in einer Software-Plattform
Die Bedien- und Auswerte-Software Test Xpert vereint in einer Plattform alle für eine Prüfung nötigen Funktionen. Sie bildet die kompletten Abläufe vom kundenspezifischen oder normen-konformen Anlegen des Prüfablaufs mit beliebig vielen Teilschritten und Definition der Zielwerte und Drehzahlen für die einzelnen Teilschritte ebenso ab wie sie die Maschinenansteuerung für die Prüfung selbst übernimmt. Die komplette Prüfung und Auswertung aller Daten ist damit möglich.
Analyse-Systeme von Schatz sind jeweils komplette, computergestützte Prüfsysteme für die Ermittlung von Funktionseigenschaften einzelner Verschraubungspartner und/oder von kompletten Baugruppen. Diese lükkenlose Prüfung und Dokumentation erbringt nicht nur den Qualitätsnachweis der Schraubverbindung. Sie ist das Instrument zur gezielten Überwachung von Toleranzgrenzen und ermöglicht so das frühzeitige Erkennen von Prozessabweichungen.
Doch wie lässt sich sicherstellen, dass die Schraubverbindungen nicht nur im Labor den vorgegebenen Werten entsprechen, sondern auch in der Fertigung? Auch hier ist Durchgängigkeit der Systeme gefragt: Auf der einen Seite Laborsysteme zur Analyse von Verbindungselementen und auf der anderen Seite portable Prüfsysteme zum Messen von Drehmoment und Drehwinkel. Mit dem Laborsystem Schatz-Analyse lassen sich das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft sowie die mechanischen und funktionellen Eigenschaften von Verbindungselementen bestimmen.
Zur direkten Überprüfung der Schrauboperation in der Montage werden alle Einflussgrößen am Schraubfall mit dem mobilen Messgerät Inspectpro erfasst. Hierfür stehen verschiedene Drehmoment-/Drehwinkelsensoren zur Verfügung, welche direkt vor das spezifische Schraubwerkzeug adaptiert werden.
Messgerät sofort einsatzbereit
Das Messgerät wird mit dem Sensor verbunden. Dieser übermittelt seine Kenndaten per Schatz-Autocode, so dass keine weiteren Einstellungen notwendig sind und die Messung sogleich stattfinden kann. Auf dem Bildschirm werden die Messwerte grafisch innerhalb der Toleranzen dargestellt. Zudem besteht die Möglichkeit, Messverläufe abbilden zu lassen, um Effekte beim Eindrehen, Fügen oder während der Montage zu erkennen.
Zur Auswertung der Messergebnisse verfügt Inspectpro über ein Statistik-Modul. Sämtliche Daten, das heißt numerische Werte und grafische Messverläufe, werden abgespeichert, so dass auch zu einem späteren Zeitpunkt eine statistische Auswertung der festgehaltenen Daten durchgeführt werden kann. Die gemessenen Daten lassen sich über einen PC mit der Software Test Xpert anschließend weiterverarbeiten. So bietet die Software die Möglichkeit, komplexe grafische Auswertungen der aufgezeichneten Kurvenscharen durchzuführen.
Visualisierung in Echtzeit
Die durchgängige IT-gestützte Überwachung der Schraubprozesse in Labor und Fertigung ist letztlich nicht nur der Schlüssel für eine höhere Qualität der Schraubprozesse, sondern durch die Verarbeitung und Visualisierung in Echtzeit ein wesentlicher Eckpfeiler für die smarte Fabrik im Zeitalter von Industrie 4.0: Treten Prozessfehler auf, kann schneller reagiert werden. Prozessrisiken lassen sich früh erkennen – und präventive Maßnahmen einleiten. Die durchgängige Transparenz des Verschraubungsprozesses unterstützt zudem den kontinuierlichen Verbesserungsprozess. ■
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