Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von Oberflächenfehlern auf die Dauerhaltbarkeit schlussvergüteter und schlussgewalzter Gewinde

Die heute gültigen Einschränkungen der zulässigen Oberflächenfehler im Gewinde für Schrauben der FK 12.9 nach DIN EN 26157-3 sind nicht (mehr) nachvollziehbar und stellen derzeit technologische Hemmnisse beim Einsatz hochfester Schrauben dar. Daneben fordern viele OEM die Einhaltung von DIN EN 26157-3 auch für Schrauben der FK 10.9, teilweise auch für die FK 8.8. Aus technischer und wirtschaftlicher Sicht können die zulässigen Fehlergrößen im Fall geringerer Festigkeiten aufgrund der geringeren Kerbempfindlichkeit und der höheren Werkstoffduktilität gegenüber den derzeit nur für die FK 12.9 existierenden Grenzwerten erweitert werden. Die aus dem Forschungsprojekt abzuleitende Neudefinition der Oberflächenfehler und die Kenntnis über deren Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit mit einer wissenschaftlich-technologisch fundierten Basis tragen zur Erhöhung der Bauteilsicherheit sowie zur Optimierung der Fertigungsprozesse bei. Davon profitieren die an der gesamten Fertigungskette von Schrauben beteiligten Industriezweige, von denen neben zahlreichen klein- und mittelständischen Schraubenherstellern insbesondere die Werkzeughersteller den kmU zuzurechnen sind. Weiterhin eröffnen sich auf Basis des Projekts neue Marktsegmente, in denen heute aufgrund der normativen Hemmnisse und der damit verbundenen Unsicherheiten noch Schrauben geringerer Festigkeit eingesetzt werden. Dies stärkt die Position der zahlreichen, oft kmU-Zulieferbetriebe, z.B. für den Maschinenbau und die Automobilindustrie, gegenüber der international zunehmenden Konkurrenz auf dem Gebiet der hoch- und höchstfesten Schrauben signifikant. Zielsetzung des beantragten Vorhabens ist daher die erstmalige quantitative Beschreibung des Einflusses von Oberflächenfehlern im Gewinde auf die Schwingfestigkeit von hochfesten Schrauben. Dabei werden Art, Lage und Abmessung der Oberflächenfehler sowie die Eigenspannungen auf Basis experimenteller und rechnerischer Analysen berücksichtigt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden in schlussvergütete und in schlussgerollte Schrauben der Abmessung M8 und der Festigkeitsklasse 10.9 und 12.9 gezielt Oberflächenfehler im Gewinde durch Nutzung eines manipulierten Werkzeugs beim Gewinderollen, durch eine Spurverstellung beim Gewindewalzen sowie durch Beizen mit verdünnter Salzsäure eingebracht.

Die Schrauben, bei denen gezielt Überwalzungen erzeugt wurden, weisen im Allgemeinen mehr Überwalzungen auf und der Anteil der Überwalzungen, welche nach DIN EN 26157-3 unzulässig sind, liegt ebenfalls höher. Die Überwalzungen befinden sich hauptsächlich an den Gewindeflanken und nur selten im Gewindegrund. Die eingebrachten Beizgrübchen liegen fast ausschließlich an der Gewindeflanke vor und sind teileweise ebenfalls nach Norm unzulässig.

Zusammenfassend kann für die durchgeführten Schwingversuche festgehalten werden, dass für Oberflächenfehler an Gewindeflanken in Form von Überwalzungen und Beizgrübchen kein direkter negativer Effekt auf die Dauerfestigkeit festgestellt wurde, auch wenn diese Oberflächenfehler nach DIN EN 26157-3 unzulässig waren. Diese Oberflächenfehler dienten nie als Ausgangsdefekt für den Schwingbruch. Die festgestellte Abminderung der Dauerfestigkeit wird auf Oberflächenrauheiten und/oder Gefügeinhomogenitäten im Gewindegrund zurückgeführt, weshalb die Beschaffenheit des Gewindegrunds als entscheidender Einflussfaktor auf die Dauerfestigkeit angesehen wird.

Mit diesen gewonnenen, wissenschaftlich-technisch abgesicherten Erkenntnissen kann der Einfluss von Oberflächenfehlern, speziell im Bereich der Gewindeflanken, auf die Dauerfestigkeit und auf die Rissinitiierung von den Schraubenherstellern, aber auch von Anwender von Schraubverbindungen, besser beurteilt werden. Weiterhin können die Erkenntnisse als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen, um die normativen Beschränkungen von Oberflächenfehlern an den Gewindeflanken kritisch zu hinterfragen.