Gewindefurchende Schrauben senken Fügekosten um bis zu 70 %

Schrauben schaffen ihr eigenes Gewinde

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Schnell montierte, gewindefurchende Schrauben halten zunehmend Einzug in tragende Strukturen. In diesem Bereich verfügt Daimler-Chrysler über jahrelange Großserien-Erfahrung zusammen mit Zulieferpartner Ribe. Worauf es ankommt, macht der folgende Bericht an Beispielen deutlich.

Uwe Pfister ist Fachgebietsleiter Schraubtechnik bei der Daimler-Chrysler AG in Stuttgart-Untertürkheim. Dr. Christoph Friedrich ist Leiter der Entwicklung und Anwendungstechnik bei der Richard Bergner (Ribe) GmbH + Co., Schwabach.

Obwohl gewindefurchende Schrauben (GFS) teurer sind als metrische Schrauben, können sie die Gesamtkosten einer Verbindungsstelle um 30 bis 70 % senken. Der Grund liegt darin, dass die Schritte Bohren, Gewindesetzen und Späneentfernen entfallen können. Die Schraube furcht ihr Muttergewinde selbst. Daraus ergibt sich ein beträchtlicher ökonomischer Vorteil.
Das Gewindefurchen funktioniert so: Die GFS ist mit einer so genannten Furchspitze ausgestattet, die gewisse Unrundheiten aufweist und dadurch vom Kreisquerschnitt abweicht. An den betreffenden Stellen entstehen beim Eindrehen Umformzonen, an denen die Schraube den Muttergewindewerkstoff verschiebt – einerseits zum Gewindegrund hin und andererseits in Richtung der Gewindespitze. Das Ergebnis ist ein kaltverfestigtes Muttergewinde, das die Schraube weitgehend spielfrei aufnimmt. Schliffbilder machen den Unterschied zum metrischen Gewinde eindrucksvoll deutlich.
Für die Auslegung von GFS gibt es keine etablierten Regelwerke. Erfahrungswerte, wie sie hier vorgestellt werden, sind daher von großer Bedeutung. Eine Hilfestellung bietet auch die Druckschrift „Gewindefurchende Schrauben“ der Ribe Verbindungstechnik GmbH in Schwabach, die Daten über die benötigten Bohrungsdurchmesser enthält und sogar Richtwerte für die auftretenden Drehmomente angibt.
Der Hauptunterschied zum Normgewinde besteht beim Montieren darin, dass bereits ein Furchmoment auftritt, wenn noch gar keine Vorspannkraft aufgebaut wird. Benötigt eine metrische M8-Schraube beispielsweise ein Anzugsdrehmoment von 28 Nm, um eine Vorspannkraft von 15 kN zu erreichen, so sind die dafür benötigten Anzugswerte bei einer GFS höher. In dem Beispiel müsste die GFS im Falle einer Durchgangsbohrung mit 31 Nm angezogen werden, um dieselbe Vorspannung zu erreichen, im Falle einer Sacklochbohrung sogar mit 35 Nm. Diese Werte hängen natürlich immer von den Verbindungsparametern ab. Zugrunde gelegt wurde hier eine Einschraubtiefe von 20 mm und ein blankes Alu-Muttergewinde mit 105 HB Härte.
Generell gilt: Bei furchenden Schrauben sind die maximal erreichbaren Vorspannkräfte immer etwas niedriger als bei metrischen Schrauben.
Den größten Einfluss auf die Montage- und Gebrauchseigenschaften einer gefurchten Schraubverbindung haben die Werkstoffe, die Bohrungs- und Schraubdurchmesser sowie die Momente. Folgende Vorgaben lassen sich formulieren und werden später in den Beispielen noch vertieft:
  • Der Schraubenwerkstoff muss eine ausreichende Festigkeit mitbringen, um den erhöhten Torsionsmomenten zu widerstehen. Während früher sehr oft einsatzgehärtete Furchschrauben zur Anwendung kamen, sollten heute vergütete Schrauben verwendet werden. Sie sind duktiler und verringern die Gefahr einer Werkstoffversprödung.
  • Das Muttergewindematerial sollte eine Bruchdehnung A5 > 5 % aufweisen, damit eine ausreichende Werkstoffumformung möglich wird.
  • Weil die Differenz zwischen Schrauben- und Bohrungsdurchmesser das Montageverhalten grundlegend beeinflusst, ist hier eine hohe Prozess-Sicherheit gefordert.
  • Von den Schrauben- und Bohrungsdurchmessern hängen auch die Ein- und Überdrehmomente (ME und MÜ) ab. Sie sollten möglichst weit auseinander liegen. Beim Verschrauben von Blechen ist der optimale Bohrungsdurchmesser derjenige, bei dem ME noch niedrig liegt, MÜ aber schon hoch ist.
  • Die bei der Montage auftretende große Flächenpressung an den Gewindeflanken setzt eine druckfeste Oberfläche und einen fest haftenden Gleitfilm voraus.
Der Einsatz von gewindefurchenden Schrauben ist sogar in Magnesium möglich, wie das erste Anwendungsbeispiel zeigt: In dieser Anwendung werden Zündrails an einer Zylinderkopfhaube aus der Legierung AZ91 montiert. Durch die vorgegossenen Einschraublöcher entfällt eine Bearbeitungsrichtung komplett. Die hohe Selbsthemmung der GFS schützt die Verbindung vor selbstständigem Lösen, was vor allem bei Schraubenverbindungen mit einem hohen Relaxationsanteil (wie der vorliegenden) wichtig ist.
In einem Grundsatzversuch wurden Montageverhalten, Relaxation und Gewindetragfähigkeit analysiert und dabei die folgenden Ergebnisse erzielt:
  • Die Überdrehmomente liegen mit 25 bis 30 Nm deutlich über dem Anziehdrehmoment von 14 Nm.
  • Das Furchmoment liegt im Bereich von 3 bis 4 Nm.
  • Das Relaxationsverhalten gleicht dem einer metrischen Gewindeverbindung, bei der die Vorspannkraft der Stahlschraube in Magnesium ebenfalls um mehr als 90 % abfällt.
  • Auch bei 5-maliger Wiederholmontage weist die Gewindetragfähigkeit keine Unstetigkeiten auf.
  • Nach einer Belastung durch Temperaturen um 150 °C liegt das Lösemoment mit 4,2 bis 5 Nm doppelt so hoch wie beim Einsatz von Normschrauben.
Insgesamt kann als Fazit gezogen werden, dass sich gewindefurchende Schrauben auch in der Magnesiumlegierung AZ91 erfolgreich einsetzen lassen. Wie bei metrischen Stahlschrauben ist aber mit stark ausgeprägter Relaxation zu rechnen.
Im zweiten Beispiel werden Abdeckbleche mit GFS automatisch auf eine Schaltschieberplatte aus AlSi9Cu3 montiert. Diese Anwendung läuft schon seit sieben Jahren problemlos in Serie. Zum Einsatz kommen 23 Schrauben M4x12-10.9 DT. Das Beispiel zeigt, dass sich auch kleinere gewindefurchende Schrauben prozesssicher zuführen und verschrauben lassen.
Beim Einschrauben der GFS in die Sacklöcher gelangen keine Späne in die Schaltschieberbohrungen. Das ist ein großer Vorteil. Eine störungsfreie Funktion der Schaltschieber setzt absolut saubere Führungen voraus! Gegenüber Normgewinden konnten die GFS die auftretenden Verunreinigungen wesentlich reduzieren.
Im dritten Beispiel ermöglichen GFS eine Near-Shape-Lösung. Die gewindefurchenden Schrauben M6x23-10.9 DT verbinden das Unter- und Oberteil einer Ölwanne aus Aluminium-Druckguss, die somit ganz ohne zerspanende Bearbeitung hergestellt wird. Die unbearbeiteten Trennflächen der Ölwannen-Teile werden mit einem temperatur- und ölbeständigen Silikon beschichtet, das bis zu 0,5 mm große Spalte sicher abdichtet. Für die Zentrierung der Teile vor der Montage sorgen zwei Passbohrungen. Die Einschraublöcher für die GFS sind im Oberteil fertig vorgegossen und nach der Hausnorm von Daimler-Chrysler dimensioniert. Wichtig ist, dass die Form- und Lagetoleranzen von Gussteilen und Einschraublöchern sowie die Schwindmaße genau aufeinander abgestimmt sind und eingehalten werden. Unter dieser Voraussetzung lässt sich eine Applikation wie die Ölwannenmontage mit hoher Prozesssicherheit automatisieren.
Beim vierten Anwendungsbeispiel handelt es sich um eine Verbindung, die dynamisch stark belastet wird: Die Befestigung des Riemenspanners auf dem Steuergehäusedeckel mittels GFS. Die dynamische Beanspruchung setzt eine definierte Mindestvorspannkraft voraus. Hier wird es zum Problem, dass die Furchmomente beim Einschrauben der GFS stark streuen – bedingt durch Durchmessertoleranzen, Ovalitäten und die Gusshaut. Die Streuungen wirken sich bei vorgegebenem Anziehdrehmoment negativ auf die erreichbaren Vorspannkräfte aus.
Um das Problem zu lösen, werden die GFS in einem dreistufigen Prozessablauf eingeschraubt. In der ersten Anzugsphase weichen die Furchmomente stark voneinander ab und führen zu teils undefinierten Vorspannkräften. Ein spezieller Überwachungsmodus sondert fressende Schrauben und nicht zeichnungsgerechte Einschraublöcher bereits in dieser Phase aus.
In der zweiten Phase wird die GFS um einen definierten Drehwinkel gelöst. Anschließend erfolgt der Endanzug auf das vorgegebene Drehmoment, wobei der äquivalente Drehwinkel überwacht wird.
Durch den dreistufigen Anzug ließ sich die Vorspannkraft im Schnitt um 25 bis 30 % gegenüber der einstufigen Montage steigern. Fazit: Auch dynamisch belastete Verbindungen, die eine Mindestvorspannkraft erfordern, können mit GFS prozesssicher realisiert werden. Die mehrstufige Montage verlängert jedoch die Taktzeiten.
Gewindefurchende Schrauben bieten also die Chance, belastbare und zugleich ökonomische Schraubenverbindungen zu realisieren.
Schraube, geklemmte Bauteile und Montageprozess müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Einer guten Kooperation zwischen Schraubenhersteller und Anwender in der Entwicklungs- und Serienanlaufphase kommt daher eine besondere Bedeutung zu.
Gewindefurchende Schrauben halten sogar in Magnesium
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