Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Grundlagen für die Qualitätssicherung von Impulsschraubprozessen

Verschraubungen werden heute in der deutschen Serienfertigung größtenteils von kontinuierlich anziehenden Schraubwerkzeugen, vor allem EC-Schraubgeräten, vollzogen. Diese Werkzeuge ermöglichen eine einfache Qualitätssicherung und sind in der Industrie vollständig akzeptiert. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch in den anfallenden Kosten, da bei höheren Drehmomenten kostenintensive Abstützvorrichtungen erforderlich sind und die Einschraubzeiten aufgrund der geringen etablierten Drehzahlen von 200 U/min entsprechend lang sind. Impulsschraubgeräte bieten, aufgrund der großen Lehrlaufdrehzahlen bei sehr geringen Massenträgheiten, und damit verbundenen kurzen Einschraubphasen, einen enormen Zeitvorteil und können zur Lohnkostensenkung pro Schraubfall beitragen. Neben den kürzeren Verschraubungszeiten bietet der Impulsschraubprozess (kurz: ImpS) weitere technologische Vorteile im Vergleich zu kontinuierlichen Schraubprozessen (kurz: KonS), sodass Setzverluste in der Schraubenverbindung, Reaktionskräfte auf den Werker, Streubreite der Vorspannkraft, Abhängigkeit der erreichten Vorspannkraft von Haftbeiwerten und Beschädigung an Oberflächen/Beschichtungen der Bauteile verringert werden. Die in der Industrie geforderte rückführbare Qualitätssicherung ist bei ImpS aktuell, im Vergleich zu KonS, noch nicht adäquat umsetzbar. Dies stellt ein Hemmnis für den Einsatz von ImpS vor allem bei KMU dar, da neben dem erforderlichen Equipment auch speziell geschultes Personal erforderlich ist.

Um die deutschen KMU auf dem Gebiet der Schraubenverbindungen für den internationalen Wettbewerb zu rüsten und die Vorteile der ImpS nutzbar zu machen, muss als zentrales Ziel eine einfache, mit KonS vergleichbare Qualitätssicherung der ImpS geschaffen werden. Dafür sind fundierte und breitaufgestellte wissenschaftliche Grundlagenuntersuchungen zur Vorspannkraftstreuung von ImpS und –werkzeugen in Abhängigkeit von Schraubfallhärte, Reibwert, Vorspannkraftniveau und Werkzeugtyp erforderlich.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt erfolgte die Ermittlung von vorspannkraftbezogenen Maschinenfähigkeitswerten von Impulsschraubgeräten (ImpS). Entgegen der weitläufigen Annahme, dass ImpS ungenaue Werkzeuge sind, konnten alle untersuchten Geräte eine vorspannkraftbezogene Streuung geringer als ±15% erreichen.

In einigen Fällen konnten gesteuerte ImpS eine Vorspannkraftstreuung auf dem gleichen Niveau wie eine gerade EC-Spindel erreichen. Dies belegt, dass mit ImpS eine außerordentlich hohe Präzision möglich ist.

Die Anzahl der Impulse wurde als wichtiges Kriterium für die Bewertung der Parametrierung eines ImpS ermittelt. Dabei gilt: Eine möglichst geringe Streuung wird durch die Parametrierung des ImpS auf eine Impulszahl zwischen 10 und 30 erreicht. Bei harten Verschraubungen können weniger Impulse und bei weichen Verschraubungen mehr Impulse zielführend sein.

Für ein ungesteuertes Schraubgerät wurde, in einem bestimmten Leistungs- und Luftdruckbereich nachgewiesen, dass auch bei Schwankung des Luftdrucks um ±0,5bar das parametrierte Drehmoment bzw. die Vorspannkraft konstant gehalten werden kann. Für diese Geräte wurde zusätzlich eine externe Impulszählung entwickelt.

Der Zusammenhang zwischen Abtriebssteifigkeit und Leistungsabgabe für ImpS wurde umfassend dargestellt. Je länger oder weicher die Abtriebskomponenten sind, desto mehr Impulse werden für das Erreichen der gleichen Vorspannkraft benötigt.

Für ImpS konnte im Vergleich zu EC-Schraubern eine geringere Reibungszahlenabhängigkeit belegt werden. Die untersuchten Geräte haben bei höheren Reibungszahlen stets höhere Vorspannkräfte erzeugt als das kontinuierlich drehende EC-Schraubgerät und als theoretisch ermittelt wurde. Darüber hinaus ist die Vorspannkraftstreuung bei hohen Reibungszahlen zum Teil um Faktor 3 geringer.

Mit den Forschungsergebnissen konnten Argumente für den Einsatz von ImpS wissenschaftlich fundiert belegt werden. Somit wurde das Ziel des Vorhabens erreicht.