Beschichtung hat großen Einfluss

Gewindefurchende Schrauben: Beschichtung hat großen Einfluss

Direkt ins Material geschraubt

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Gewindefurchende Schrauben sind oft die Fügetechnik der Wahl im Leichtbau. Doch wie unterscheidet sich ihre Auslegung von der metrischer Schrauben? Wie beeinflussen Oberflächensysteme die Funktionalität und Montagesicherheit? Arnold Umformtechnik gibt Know-how preis.

Annedore Bose-Munde
Fachjournalistin in Erfurt

Gewindefurchende Schrauben sind Schrauben, die sich beim Einschrauben in ein vorgebohrtes oder gegossenes Kernloch durch eine spezielle Gewindegeometrie ihr Gegengewinde spanlos selbst formen. Deshalb wirken sie als kraftschlüssiges Verbindungselement mit der Zusatzfunktion einer formschlüssigen Verliersicherung.

Die Schrauben werden in Durchgangslöchern und sehr häufig in gegossenen Kernlöchern in Aluminiumdruckguss und manchmal auch in Magnesium- oder Zinkdruckguss angewendet. Um in der Praxis eine sichere Montage zu realisieren, stützen sich Fachleute auf die DIN 267 Teil 30. Die Norm definiert die mechanischen Eigenschaften von metrischen gewindefurchenden Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9. Diese umfassen Mindestbruchmoment, Einschraub- beziehungsweise Furchmomente in dafür vorgesehene Prüfplatten mit definierten Löchern sowie Zugbruchkräfte. Außerdem legt die Norm die Furchzone der Schraube fest. Darüber hinaus gibt sie vor, wie kompatibel sie zur metrischen Schraube sein muss. Das heißt: Das gefurchte Mutterngewinde muss eine handelsübliche metrische Schraube aufnehmen können.

Werksnormen stellen oft höhere Anforderungen

Neben dieser DIN gibt es spezielle Unternehmensnormen, beispielsweise von Magna, Ford, der BMW Group oder Bosch. Diese definieren oft höhere Anforderungen für bestimmte Anwendungen. Damit Zulieferer darauf reagieren können, benötigen sie genaue Kenntnisse des gesamten Schraubenverbundes. Thomas Jakob ist Leiter Product-Engineering bei Arnold Umformtechnik in Forchtenberg. Er kennt sowohl die Kundenanforderungen als auch die möglichen Verbindungslösungen zur Realisierung.

„Gewindefurchende Schrauben werden primär bei Leichtmetallen eingesetzt. Dabei weist die Taptite 2000 als aktuelles Produkt der Taptite-Familie eine sehr gute Furch-Performance auf. Sie zeichnet sich durch ein Radiusprofil aus, welches das Fließen des Mutternwerkstoffes in Richtung des Schraubengewindekerns erleichtert. Dadurch entstehen weniger Reibung und ein niedrigeres Furchmoment“, erklärt Jakob.

Für die gewindefurchenden Schrauben gibt es ein breites Anwendungsfeld. Häufig werden sie für Leichtmetallanwendungen genutzt, also in Aluminium oder Aluminiumdruckguss, anderen Leichtmetallen, Magnesiumdruckguss, aber auch in Massivstahlverschraubungen. Beispiele für den Einsatz gewindefurchender Schrauben sind Getriebe- und Sensorverschraubungen, Befestigungen im Motorenbereich, Befestigungsplatinen, Aktuatoren oder Pumpen.

Die trilobularen Taptite-Schrauben gibt es seit über 30 Jahren auf dem Markt. Grundsätzliches Ziel dieses leicht dreieckigen Querschnittes ist es, die Furchmomente zu reduzieren, um einen stabilen Montageprozess zu gewährleisten. Dabei wird eine große Differenz zwischen Furch- und Anziehmoment sowie ein ausreichender Abstand zwischen Anziehmoment zum Versagensmoment (mit Überdrehen oder Schraubenbruch als Folge) angestrebt.

Spezifische Gleitmittel senken die Furchmomente

Soll bei Konstruktionen mit gehobenen Anforderungen – wie im Automobilbau – mit niedrigeren Furchmomenten gearbeitet werden, dann spielt auch das Oberflächensystem eine entscheidende Rolle. Auf den Schrauben ist meist eine Basisbeschichtung aufgetragen, die den Korrosionsschutz sicherstellen soll, in der Regel eine Zink-, Zink-Nickel- oder Zinklamellenbeschichtung. „OEM haben Vorschriften für Oberflächen, die sich in der Regel auf die Basisoberfläche und den Korrosionsschutz beziehen“, erklärt Jakob. „Wir definieren dann dafür die notwendige Gleitbeschichtung für die Schraube. Sie ist bei einer vorspannorientierten Auslegung von gefügten Metallkomponenten wichtig.“

Hinsichtlich der Oberflächensysteme gibt es Richtwerte nach VDA, die sich auf den Korrosionsschutz und die Reibwerte beziehen – allerdings für metrische Schrauben. Auf gewindefurchende Schrauben können sie nicht direkt übertragen werden. Doch sie dienen als Orientierung. Die Gleitbeschichtung ist in der Regel eine Ergänzung – und für gewindefurchende Schrauben funktionsrelevant. Explizit darauf verwiesen wird auch in der DIN 267 Teil 30.

Oberflächensysteme müssen zum Bauteil passen

Wichtig ist dabei, das gesamte Oberflächensystem und die Baugruppe aufeinander abzustimmen. Das betrifft die Schraubengeometrie an sich und die Abstimmung mit dem Gegenbauteil. Die Basisoberfläche und die Korrosionsschutzanforderungen müssen entsprechend umgesetzt sein. In der Regel wird dies durch eine Zink-, Zink- Nickel- oder Zinklamellenbeschichtung realisiert. „Das gesamte Oberflächensystem im Zusammenspiel ist wichtig für die Vorspannkraft, sowohl die Basis- und Gleitbeschichtung als auch die Versiegelung“, unterstreicht Jakob.

Gute Ergebnisse hat Arnold Umformtechnik beispielsweise mit einer Taptite 2000 und einer Zinklamellen-Beschichtung plus Versiegelung plus Gleitmittelbeschichtung erreicht. „Wir haben sehr viele Oberflächensysteme untersucht und können auf dieser Basis für verschiedene Anwendungen konkrete Umsetzungsempfehlungen geben. Auch die technische Sauberkeit haben wir dabei beleuchtet“, sagt Jakob – Arnold hat hier großes Know-how aufgebaut, beispielsweise wie Mikropartikel zu entfernen sind. „Dabei haben wir jedoch festgestellt, dass die Sauberkeitsprozesse oft auch unerwünschte Einflüsse auf das Oberflächensystem haben, weil sie Gleitmittel und Versiegelung teilweise wieder abtragen.“

Als eine weitere Herausforderung nennt Jakob kleine gewindefurchende Schrauben unter M6, die hohe Ansprüche an den Korrosionsschutz erfüllen müssen. Als Beschichtung wird hier häufig Zink-Nickel verwendet, das sich für die Weiterverarbeitung besser eignet. Es erschwert jedoch mitunter den Furchprozess.

Auch die Definition der Vorspannkraft erfordert viel Fachkompetenz. Während die Anforderungen und die Berechnunsgmethoden bei metrischen Schrauben klar definiert sind, ist bei furchenden Schrauben dagegen nur die Prüfplatte und das Furchmoment in die Prüfplatte spezifiziert.

Nicht immer eignet sich eine Direktverschraubung

Es gibt also einen großen Abstimmungsbedarf für die jeweilige, spezifische Anwendung. Um eine kostenoptimierte Metalldirektverschraubung zu realisieren, arbeiten die Experten von Arnold Umformtechnik daher von Beginn an eng mit den Kunden zusammen. Dabei gilt es, eine Reihe von Eckdaten zu beachten. Prinzipiell muss geprüft werden, ob für die Verbindung und die erforderlichen Vorspannkräfte überhaupt eine gewindefurchende Schraube genutzt werden kann. Ein weiterer, grundsätzlicher Punkt ist natürlich der zur Verfügung stehende Bauraum und damit verbunden die mögliche Einschraubtiefe. Je nach geplanter Anwendung kann Arnold dann Empfehlungen für die Umsetzung geben. Das beginnt bei der Konstruktion.

„Gerade bei Leichtmetallen werden die Kernlochbohrungen oft schon vorgegossen. Hier geben wir Empfehlungen, wie das Kernloch aussehen muss und welche Toleranzen zu berücksichtigen sind“, nennt Thomas Jakob als Beispiel. „Aber der Kunde ist letztendlich an der Schnittstelle und muss mit der Gießerei abstimmen, ob die angedachte Lösung gießereitechnisch möglich ist.“

Und natürlich muss beachtet werden, ob der Hersteller bestimmte Montagevorschriften für die Baugruppe hat. Oft sind zudem Werksnormen zu beachten, gerade mit Blick auf das Überdreh-, Anzieh- oder Furchmoment. Auch die Festigkeitsklasse, das Kopf- oder das Gewindedesign spielen in diesem Zusammenhang eine Rolle. „Durch Versuche in unserem Fastener Testing Center unterstützen wir unsere Kunden häufig durch Schraubfallanalysen mit den Originalkundenbauteilen. Dabei geht es darum, ein optimales Anziehdrehmoment zu definieren, damit in den Serienprozessen eine passgenaue Montage sichergestellt ist“, so Jakob weiter.

Prinzipiell gibt es Richtwerte für die Auslegung von Schraubenverbindungen. Arnold Umformtechnik setzt dafür zusätzlich diverse Tools ein, zum Beispiel die Kernlochauslegung. Der Fast Creator hingegen hilft beim Auslegen des Schraubendesigns. Derzeit wird ein Tool entwickelt, das fundierte Aussagen über das Drehmoment-Vorspannkraftverhalten der passgenauen, gewindefurchenden Taptite-2000-Schrauben ermöglicht. Damit lassen sich gezielt Empfehlungen geben.

Der Reparaturfall ist separat zu betrachten

Auch an den Reparaturfall ist gedacht. „Bei Erstverschraubungen ist selbstständiges Lösen von gewindefurchenden Schrauben unwahrscheinlich. Bei Wiederholverschraubung beziehungsweise im Reparaturfall sollte das gesamte Oberflächensystem jedoch noch einmal geprüft werden, um die Sicherheit der Verbindung zu gewährleisten“, spricht Jakob die Komplexität einer Verbindungslösung an. Im Testing-Center in Dörzbach können die Anwender auf Wunsch ihr Reparaturkonzept unter Berücksichtigung der Originalbauteile bewerten lassen.

Egal für welche Anwendung die gewindefurchenden Schrauben letztendlich eingesetzt werden sollen: Für eine verlässliche Verbindungslösung ist eine vorausgehende detaillierte Analyse ebenso wichtig wie die passgenaue Auslegung des Oberflächensystems.

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