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Vom Draht zur Schraube

Schrauben zählen zu den grundlegendsten Bestandteilen in Maschinenbau und Konstruktion, aber ihre Herstellung ist heute ein komplexes Hightech-Verfahren mit mehreren Schritten. Erfahren Sie, wie aus Rohstahl hochspezifische und präzise Metallteile werden.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2018.

Schrauben können in einer Vielzahl von Größen und Formen zum Einsatz kommen, aber das Herstellungsverfahren bleibt im Kern das Gleiche. Es beginnt mit dem Kaltumformen von
Stahldraht in die richtige Form, gefolgt von einer Wärmebehandlung zur Optimierung der Festigkeit und einer Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Haltbarkeit sowie der anschließenden
Verpackung für den Transport. Für komplexere Ausführungen kann das Herstellungsverfahren allerdings um eine Reihe zusätzlicher Schritte erweitert werden.

Als einer der führenden Anbieter von Befestigungselementen für die Automobilindustrie verfügt der schwedische Hersteller Bulten über viel Know-how bei jedem Schritt und jedem Aspekt der Schraubenherstellung. „Wir produzieren keine Katalogteile – sondern ausschließlich individuell nach Kundenvorgabe“, sagt Henrik Oscarson, Technical Manager des Bulten Produktionsbetriebs in Hallstahammar, Schweden. „Je nachdem, wo das Befestigungselement zum Einsatz kommen soll, gibt es eine Reihe verschiedener Optionen für die Herstellung der richtigen Schraube.“

DAS KALTUMFORMEN BEGINNT mit großen Stahlwalzdrähten, die abgerollt und auf Länge geschnitten werden. Die Stahlsorte ist in der gesamten Branche entsprechend den Anforderungen von ISO 898-1 genormt. Mithilfe von Spezialwerkzeug wird der Draht dann kalt in die richtige Form gewalzt. Hier wird der Stahl im Grunde bei Raumtemperatur und unter hohem Druck durch Pressformen gezogen. Das Werkzeug selbst kann sehr komplex sein und bis zu 200 verschiedene Teile mit Toleranzen im Hundertstel-Millimeter-Bereich beinhalten. Einmal perfektioniert, ermöglicht das Kaltumformen eine schnelle Herstellung der Schrauben in großen Mengen und mit hoher Homogenität.

Kompliziertere Ausführungen, die sich nicht allein durch Kaltumformen konturieren lassen, können weitere Dreh- oder Bohrschritte erfordern. Beim Drehen wird die Schraube mit hoher Geschwindigkeit rotiert, während gleichzeitig Stahl abgetragen wird, um die gewünschte Form zu erreichen. Bohren kann dazu dienen, die Schraube mit Löchern zu versehen. Falls erforderlich, können einige Schrauben an dieser Stelle des Verfahrens auch mit Keilsicherungsscheiben versehen werden.

DIE WÄRMEBEHANDLUNG IST ein Standardverfahren für alle Schrauben, in dem diese extremen Temperaturen ausgesetzt werden, um den Stahl zu härten. Ihr Gewinde erhält die Schraube in der Regel vor der Wärmebehandlung, entweder durch Rollen oder durch Schneiden, wenn der Stahl weicher ist. Das Rollen funktioniert ähnlich wie das Kaltumformen, wobei die Schraube durch eine Pressform geleitet wird, um aus dem Stahl ein Gewinde zu formen. Beim Schneiden wird das Gewinde durch Fräsen und Abtragen des Stahls gebildet.

Da bei der Wärmebehandlung die Eigenschaften des Stahls verändert werden, um ihn härter zu machen, ist es einfacher und kostengünstiger, das Gewinde vorher zu formen. Allerdings führt das Gewindeformen nach der Wärmebehandlung zu einer besseren Ermüdungsfestigkeit.

„Die Wärmebehandlung kann Wärmeabdrücke und kleinere Schäden an der Schraube hinterlassen“, erklärt Henrik Oscarson. „Aus diesem Grund verlangen einige Kunden das Gewindeschneiden nach der Wärmebehandlung, besonders für Anwendungen wie Motoren- und Zylinderkopfschrauben. Dieses Verfahren ist sehr teuer, da gehärteter Stahl geformt werden muss, aber dafür bleiben die Gewinde besser in Form.“

Bei Schrauben, deren Länge mehr als das Zehnfache des Schraubendurchmessers beträgt, kann die Wärmebehandlung dazu führen, dass der Stahl wieder die Rundungen des ursprünglichen
Stahldrahts annimmt. Daher ist häufig ein zusätzlicher Glättungsprozess erforderlich.

DIE WAHL DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNG richtet sich nach der Anwendung der Schraube und den Anforderungen des Kunden. Das größte Problem bei den Befestigungselementen ist oftmals ihre Korrosionsbeständigkeit, weshalb eine verzinkte Beschichtung im Elektrolyseverfahren eine gängige Lösung darstellt. Hierbei wird die Schraube in eine Flüssigkeit mit Zink getaucht und es wird ein elektrischer Strom angewendet, sodass das Zink eine Schicht über der Schraube bildet. Die elektrolytische Behandlung birgt allerdings die erhöhte Gefahr einer Wasserstoffversprödung. Eine weitere Option sind Zinkflakes, die eine noch höhere Korrosionsbeständigkeit bieten, aber auch teurer sind.

WENN DIE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT kein Problem ist, beispielsweise in einem Motor oder bei einer Anwendung, die regelmäßig Öl ausgesetzt ist, ist die Verwendung von Phosphat eine kostengünstigere Möglichkeit. Nach Abschluss der Oberflächenbehandlung können Standardschrauben in der Regel verpackt werden. Komplexere Ausführungen können aber noch zusätzliche Bauteile wie Klammern erfordern. Für andere Schrauben kann auch eine Form von Sicherung notwendig sein, entweder eine Gewindesicherung oder ein Sicherungslack. Eine Gewindesicherung besteht aus einer dicken Nylonschicht über dem Gewinde, wodurch die Griffigkeit verbessert wird. Ein Sicherungslack hilft, das gewindeformende Drehmoment zu verbessern.

NACHDEM DIESE SCHRITTE abgeschlossen sind, ist die Schraube fertig. Nun fehlt nur noch die Qualitätskontrolle, um Gleichmäßigkeit und Kohärenz sicherzustellen, bevor die Schrauben für den Transport verpackt werden können.

DIE STADIENGÄNGE

1. DRAHT
Abgerollt, geglättet und auf Länge geschnitten.

2. KALTUMFORMEN
Der Stahl wird bei Raumtemperatur in die richtige Form gebracht.

3. SCHRAUBENKOPF
Schrittweise geformt, indem der Stahl unter hohem Druck durch mehrere Pressformen gezogen wird.

4. GEWINDE
Das Gewinde entsteht durch Rollen oder Schneiden.

5. WÄRMEBEHANDLUNG
Die Schraube wird extremer Hitze ausgesetzt, um den Stahl zu härten.

6. OBERFLÄCHENBEHANDLUNG
Abhängig von der Anwendung. Eine Zinkbeschichtung ist üblich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.

7. VERPACKUNG/LAGERUNG
Nach der Qualitätskontrolle zur Sicherstellung der Gleichmäßigkeit und Kohärenz werden die Schrauben verpackt.

Die besten Tipps vom Verschraubungsexperten

Bolted hatte die einzigartige Gelegenheit, Japans führenden Experten für Schraubenverbindungen, Doktor Tomotsugu Sakai, zu treffen. Sein Buch „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ gilt nach wie vor als Standardwerk auf dem Gebiet geschraubter Befestigungen.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

Wie definieren Sie eine ideale Befestigung, auf die Sie auch in Ihrem Buch eingehen?

„Im Idealfall sollte eine Befestigung auf der Verwendung von weit verbreiteten, standardisierten Befestigungselementen basieren und nicht auf individuell konstruierten Teilen. Noch wichtiger aber ist, dass die ideale Befestigung eine Schraubenbefestigungskonstruktion gewährleisten sollte, die zu keiner Art von Versagen führt. Die gesamte Gestaltung eines Produktes verliert ihre Gültigkeit, wenn auch nur ein einziger Ausfall auftritt. Jeder einzelne Aspekt muss beachtet werden. Für mich ist eine „Beurteilung ohne jede Auslassung“ am wichtigsten.

Ist es von Vorteil, Schmiermittel bei der Schraubenbefestigung zu verwenden?
„Ja, wenn die befestigten Objekte nicht gegeneinander gleiten, ist die Verringerung des Reibungskoeffizienten in jeder Hinsicht vorteilhaft. Wenn sich die befestigten Objekte in einer „Lockerungsumgebung“ befinden, ist deren Lockerung wahrscheinlicher, wenn der Reibungskoeffizient niedrig ist, aber dies führt nicht notwendigerweise zu einer Lockerung.
In einer „Lockerungsumgebung“ befinden sie sich dann, wenn sie durch eine Kraft, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gezwungen werden, gegeneinander zu gleiten.

Wie führen von außen einwirkende Kräfte zum Gleiten, basierend auf Scherrichtung, Axialrichtung und Torsion?
„Wenn eine äußere Kraft in Scherrichtung einwirkt, führt sie zum Gleiten. Wirkt sie in axialer Richtung ein, trennen sich die befestigten Objekte voneinander – Separation. Unter diesen Bedingungen gilt, je niedriger der Reibungskoeffizient in der Trennfuge, desto wahrscheinlicher ist ein spontanes Lösen.

Beim Schreiben von „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ habe ich die konventionelle Sicht des Gleitphänomens verwendet, die das Gleiten von befestigten Objekten auf der Kontaktfläche erklärt – das sogenannte „Makrogleiten“. Das kann mit bloßem Auge beobachtet werden, da diese Art von Gleiten für eine visuelle Bestätigung nur 0,1 mm betragen muss. Um das Jahr 1988 wurde festgestellt, dass vor dem Makrogleiten ein nicht sichtbares „Mikrogleiten“ auftritt, das eine Drehung bewirkt, die so mikroskopisch klein ist, dass sie nicht mit bloßem Auge bestätigt werden kann, egal ob sie in Lockerungsrichtung oder nicht erfolgt. Dieses Phänomen, „Mikrogleiten“, verursacht eine allmähliche Abnahme der Axialkraft. Es wurde erstmals in einem Artikel im ‚Journal of the Japan Society for Precision Engineering‘ vorgestellt.“

„Wenn befestigte Objekte miteinander in Kontakt sind, kann der Gleitwert eines bestimmten Abschnitts der Kontaktfläche oder anderer Abschnitte durch herkömmliche Experimente nicht gemessen werden. Aber alle diese Werte lassen sich mithilfe der Finite-Elemente-Methode, FEM, berechnen. Sie wird etwa seit dem Jahr 2000 in der Befestigungsindustrie verwendet und kommt heute bei den meisten Forschungsarbeiten über Verbindungselemente mit Gewinde zum Einsatz. In einem Artikel von Doktor Satoshi Izumi et al. aus dem Jahr 2006 wurde die Entdeckung bekanntgegeben, dass nicht beim Makrogleiten (deutliches, sichtbares Gleiten), sondern beim Mikrogleiten (nicht sichtbares, mikroskopisch kleines Gleiten) eine allmähliche Drehlockerung auftritt. Als ich den Artikel zum ersten Mal las, war ich schockiert; er besagt, dass ein wiederholtes Auftreten von Mikrogleiten zu einer mikroskopisch kleinen Drehlockerung in einer Größenordnung von 1 Grad pro 1.000 Mal oder 1/1000 Grad bei jedem Mal führt. Eine Drehung um 1/1000 Grad ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Mit der Finite-Elemente-Methode kann sie jedoch perfekt untersucht werden und es wurde nachgewiesen, dass Mikrogleiten eine Drehlockerung verursacht. Nun war ich in Schwierigkeiten! [lacht] Die Ergebnisse stellten das Konzept eines kritischen Gleitwertes auf drastische Weise in Frage.

Ich hatte gedacht, dass Mikrogleiten zwangsläufig zu Reibverschleiß führt, zog jedoch nicht in Betracht, dass es eine Drehlockerung bewirken könnte. Zu dieser Zeit hatte ich keine Möglichkeit, das zu testen. Es war eine Erfahrung, die mir die Augen geöffnet hat.”

Fakten: Mikrogleiten
Ein Gleiten, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Es verringert nach und nach die Klemmkraft und kann letztlich zu einer sichtbaren Drehlockerung (Makrogleiten) führen. Auch Setz- und Relaxationserscheinungen des Materials können die Klemmkraft herabsetzen. Um beiden Arten des Gleitens entgegenzuwirken, hat die Nord-Lock Gruppe die X-series Keilsicherungsscheiben entwickelt. Durch ihre Federwirkung wird Klemmkraftverlust vermieden, während die Keilwirkung ein spontanes Lösen und eine Lockerung der Schraube verhindert.

Facten: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Geboren in Okazaki City, Japan
  • 1979 – Erhält nach der Arbeit für die Toyota Motor Corporation seinen Doktortitel in Maschinenbau; beschäftigt sich vor allem mit der Festigkeits- und Dauerbelastungsprüfung, Forschung und Entwicklung von verschiedenen Automobilteilen.
  • 2001 – Wechselt zu Toyota Techno Service Corp und ist dort für die Weiterbildung und technische Beratung auf dem Gebiet von Schraubenverbindungen zuständig.
  • 2007 – Geht in den Ruhestand und gründet die Firma „Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering“, in der er sich bis heute auf die technische Beratung und Ausbildung im Bereich Schraubenverbindungen konzentriert.

Die Geschichte der Schraube

20 Dezember 2017
3 Kommentare

Text: Alannah Eames

Foto: Illustration: Kent Zeiron

Auf den ersten Blick mag eine Schraube eine einfache Komponente sein, die verschiedene Bauteile zusammenhält. Auf den zweiten Blick werden Sie jedoch feststellen, dass hinter den vermeintlich unbedeutenden Schrauben und Muttern deutlich mehr steckt. Ohne sie würden all unsere Geräte und Maschinen auseinanderfallen.

History of the bolt drawings

Erstveröffentlichung Bolted #2 2012.

Schrauben gehören zu den gängigsten Komponenten, die in der Bauindustrie und bei der Konstruktion von Maschinen verwendet werden. Sie halten alles zusammen – von den Schrauben einer elektrischen Zahnbürste oder eines Türscharniers bis hin zu den massiven Bolzen, mit denen in Gebäuden Betonträger an ihrem Platz gehalten werden. Aber Hand aufs Herz – haben Sie sich schon jemals gefragt, wo Schrauben eigentlich herkommen?

Die Geschichte des Gewindes kann bis ins 4. Jahrhundert v. Chr. zurückverfolgt werden, die wichtigsten Entwicklungen der modernen Schraubenverbindungen wurden in den letzten 150 Jahren gemacht. Die Meinung der Experten im Hinblick auf den Ursprung der einfachen Schraube und Mutter gehen auseinander. In seinem Artikel „Nuts and Bolts“ (Schrauben und Muttern) schreibt Frederick E. Graves, dass ein Gewindebolzen mit passender Mutter als Befestigungsmittel erstmals im 15. Jahrhundert auftaucht. Er basiert seinen Schluss auf den ersten schriftlichen Hinweis auf Schrauben, der in einem Buch aus dem frühen 15. Jahrhundert stammt.

Graves gibt jedoch zu, dass, auch wenn der Gewindebolzen erst im 15. Jahrhundert auftaucht, der Bolzen ohne Gewinde bis auf die Römerzeit zurückgeht. Damals diente er zum „Verriegeln von Türen, als Drehachse zum Öffnen und Schließen von Türen und als Keilbolzen in Form einer Stange oder eines Stabs mit einem Schlitz versehen, in den ein Keil eingesetzt wurde, um den Bolzen zu arretieren.“ Außerdem weist er darauf hin, dass die Römer die ersten Schrauben entwickelten, die aus Bronze und bisweilen sogar aus Silber bestanden. Die Gewinde wurden von Hand gefeilt oder bestanden aus einem Draht, der um den Stab gewunden und daran festgelötet wurde.

Laut Forschung des Schraubenexperten Bill Eccles geht die Geschichte des Schraubengewindes noch wesentlich weiter zurück. Archimedes (287 bis 212 v. Chr.) machte sich das Prinzip der Schraube für die Entwicklung einer Wasserhebeanlage zunutze. Es gibt jedoch eine Menge Anzeichen dafür, dass die Wasserschraube bereits im alten Ägypten, d. h. noch vor Archimedes, im Einsatz war. Sie wurde aus Holz gebaut und zum Bewässern von Äckern und zum Abpumpen von Schlagwasser aus Schiffsrümpfen verwendet. „Viele glauben jedoch, dass das Schraubengewinde um 400 v. Chr. von dem griechischen Philosophen Archytas von Tarent erfunden wurde, der als Erfinder der Mechanik gilt und ein Zeitgenosse Platons war“, schreibt Eccles auf seiner Webseite.

Die Geschichte kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden: das Schraubenprinzip, das bis auf 400 v. Chr. zurückgeht, bei dem die Schrauben zum Fördern von Wasser und in Traubenpressen zum Herstellen von Wein verwendet wurden. Und die eigentliche Schraube als Befestigungsmittel und Verbindungselement, die seit ungefähr 400 Jahren im Einsatz ist.

Im 15. Jahrhundert verwendete Johannes Gutenberg Schrauben als Befestigungselemente in seinen Druckerpressen. Der Einsatz von Schrauben nahm enorm zu, als sie für Uhren und Waffen verwendet wurden. Laut Graves beinhalten Leonardo da Vincis Notizbücher vom Ende des 15. Jahrhunderts und Anfang des 16. Jahrhunderts verschiedene Entwürfe für Gewindeschneidemaschinen.

Etwas, über das sich die Mehrzahl der Forscher jedoch einig ist, ist die Tatsache, dass die Industrielle Revolution die Entwicklung von Schraube und Mutter vorangetrieben und sie als wichtige Komponente für Konstruktionen und Montagen etabliert hat.

In W.R. Willburs „History of the Nut and Bolt Industry in America“ (die Geschichte der Befestigungsmittelindustrie in Amerika) von 1905 steht geschrieben, dass die erste Maschine zur Herstellung von Schrauben und Muttern bereits 1568 von Besson in Frankreich gebaut wurde. Besson führte später die Gewindeschneidelehren oder -platten ein, die in Drehbänken verwendet wurden. 1641 verbesserte die englische Firma Hindley of York das Gerät, das daraufhin in großem Umfang eingesetzt wurde.

Auf der anderen Seite des Atlantiks, in den USA, ist im Carriage Museum of America einiges über die Geschichte der Schraube dokumentiert. Die Muttern von Fahrzeugen, die Anfang des 19. Jahrhunderts gebaut wurden, waren flacher und eckiger als die späterer Modelle. Bei den späteren Fahrzeugen kamen Muttern mit abgekanteten Ecken zum Einsatz und das Schraubengewinde wurde bündig am Bolzen abgedreht. Das Herstellen von Schrauben war zu dieser Zeit ein schwieriger, zeitraubender Prozess.

Anfänglich wurden die Gewinde der Schrauben von Hand gefertigt, aber schon bald war es aufgrund des steigenden Bedarfs erforderlich, den Produktionsprozess zu beschleunigen. In England führten J. und W. Wyatt 1760 einen Fabrikationsprozess für die Massenproduktion von Schraubengewinden ein. Dieser Meilenstein stellte die Konstrukteure jedoch vor eine neue Herausforderung: jedes Unternehmen stellte seine eigenen Gewinde her, d. h. dass es Muttern und Schrauben in unzähligen Größen gab, was zu Problemen für die Hersteller von Maschinen führte.

Es sollte bis 1841 dauern, bis Joseph Whitworth hierfür eine Lösung fand. Nach jahrelanger Forschung und dem Sammeln von Schrauben von zahllosen britischen Werkstätten, schlug er eine Standardisierung der Größe der Schraubengewinde in Großbritannien vor, damit z. B. die Schrauben eines Herstellers in England mit den Muttern eines Herstellers aus Schottland kompatibel waren. Sein Vorschlag beinhaltete, dass die Steigung des Gewindes auf 55 Grad standardisiert und die Anzahl Steigungen pro Inch für unterschiedliche Durchmesser definiert werden sollte.

Während diese Frage in England diskutiert wurde, versuchten die Amerikaner etwas ähnliches und begannen mit der Verwendung des Whitworth-Gewindes. 1864 schlug William Sellers ein Gewinde mit einer Steigung von 60 Grad und unterschiedliche Gewindesteigungen für unterschiedliche Durchmesser vor. Dies führte zur Entwicklung der American Standard Coarse Series und der Fine Series. Ein Vorteil, den die Amerikaner im Vergleich zu den Engländern hatten, war, dass ihre Gewindeform einen flachen Gewindegrund und flache Gewindespitzen hatte. Dies vereinfachte den Herstellungsprozess im Vergleich zum Whitworth-Standard mit abgerundetem Gewindegrund und runden Gewindespitzen. Es stellte sich jedoch heraus, dass das Whitworth-Gewinde in dynamischen Applikationen besser funktionierte und sich der abgerundete Gewindegrund des Whitworth-Gewindes günstig auf die Ermüdung auswirkte.

Während des 1. Weltkriegs wurde das Fehlen eines Schraubenstandards zwischen unterschiedlichen Ländern zu einem enormen Problem bei der Kriegsführung; im 2. Weltkrieg wurde es für die Alliierten zu einem noch größeren Problem. 1948 einigten sich Großbritannien, die USA und Kanada darauf, in allen Ländern, die imperiale Maßeinheiten verwendeten, das Unified-Gewinde als Standard einzuführen. Das Gewinde hat ein ähnliches Profil wie die metrische DIN-Schraube, die 1919 in Deutschland entwickelt worden war. Dies war eine Kombination aus den besten Eigenschaften des Whitworth-Gewindes (der abgerundete Gewindegrund, der sich günstig auf die Ermüdung auswirkte) und dem Sellers-Gewinde (60 Grad Steigung und flache Gewindespitzen). Es zeigte sich jedoch, dass der größere Radius des Gewindegrundes des Unified-Gewindes dem metrischen DIN-Profil überlegen war. Dies führte zur Entwicklung des metrischen ISO-Gewindes, das heutzutage in allen Industrieländern verwendet wird.

Alle, die in der Industrie arbeiten, können bezeugen, dass sich die Schrauben im Laufe der letzten Jahrzehnte deutlich verbessert haben. „Als ich vor 35 Jahren in der Industrie begann, war die Stärke der Schrauben noch nicht so klar definiert wie heute“, erinnert sich Eccles. „Mit der Einführung der modernen metrischen Eigenschaftsklassen und durch die neusten Aktualisierungen der relevanten ISO-Normen ist die Beschreibung der Stärke einer Schraube und der Testmethoden, die diese Eigenschaften festlegen, heute deutlich besser definiert.“

In dem Takt, in dem sich die Rohstoffindus­trie weiterentwickelt, werden Schrauben nicht nur aus Stahl sondern auch aus anderen, exotischeren Materialien hergestellt, um den geänderten Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.
In den letzten 20 Jahren wurden Nickel-Legierungen entwickelt, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen wie z. B. Turboladern und Motoren eingesetzt werden können, in denen Stahl nicht die gleiche Leistung bringt. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf Leichtmetallschrauben wie Aluminium, Magnesium und Titan.

Die moderne Schraubentechnologie hat seit den Tagen, in denen Schrauben und Muttern noch von Hand gefertigt wurden, und Kunden lediglich zwischen einfachen Stahlschrauben und Muttern wählen konnten, eine beein­druckende Entwicklung durchlaufen. Heutzutage entwickeln Unternehmen wie Nord-Lock fantastische Verbesserungen in der Schraubentechnologie, einschließlich Keilsicherungssystemen. Kunden können zwischen vormontierten Keilsicherungsscheiben aus Edelstahl oder mit Zinkflockenbeschichtung, Radmuttern für Stahlflachfelgen oder Kombibolzen wählen, die an den spezifischen Einsatzzweck angepasst werden. Der Erwerb des US-Unternehmens Superbolt Inc. und des Schweizer Unternehmens P&S Vorspannsysteme AG (heute Nord-Lock AG) hat das Portfolio der Nord-Lock Gruppe um Schraubenprodukte für die Schwerindustrie wie Offshore, Energiegewinnung und Bergbau erweitert, und dazu geführt, dass der Konzern auf seinem Weg zum Weltmarktführer auf dem Gebiet Schraubensicherung einen großen Schritt weiter gekommen ist.

Heute wird zudem wesentlich mehr Gewicht auf das Analysieren der Schraubenverbindungen gelegt. „Früher gaben ausschließlich Erfahrungswerte bei der Entscheidung für eine bestimmte Schraubengröße den Ausschlag. Und man hielt den Atem an und hoffte, dass alles gut geht“, fährt Eccles fort. „Heutzutage legt man mehr Gewicht auf die Analyse und stellt sicher, dass die Konstruktion funktioniert, bevor Produkte gebaut und auf den Markt gebracht werden.“

Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

F: Was bedeuten die Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben?
A:   Schraubenköpfe und Muttern sind oft mit einer Kennzeichnung in Form von Zahlen, Buchstaben, Bindestrichen, Schrägstrichen, Punkten oder diversen anderen Markierungen versehen. Verbindungselemente weisen im Allgemeinen zwei verschiedene Kennzeichnungen auf: Ein eindeutiges Herstellerkennzeichen – wie etwa Buchstaben oder Insignien – sowie Angaben zur Festigkeit des Verbindungselements. Diese Markierungen unterscheiden sich je nach Herstellungsart des Verbindungselements. In der nebenstehenden Tabelle sind die Verbindungselemente aus legiertem Stahl und Edelstahl aufgeführt, die den ISO-Normen entsprechen. Verbindungselemente mit UNC-Gewinde erfüllen hauptsächlich die Anforderungen der ASTM-Normen.

Da bei kleineren Größen, wie z. B. bei Durchmessern unterhalb von M5 nach ISO 898-1, nur wenig Platz vorhanden ist, können die Kennzeichnungen auch fehlen. Bei darüber liegenden Größen muss die Schraubenklasse jedoch auf dem Kopf angegeben sein.

 

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Nie wieder verschlissene Gelenklagerungen

13 September 2017
Kommentar

Text: Nic Townsend

Foto: Nord-Lock ILLUSTRATIONS: Dan Hambe

In vielen Branchen wird der Verschleiß von Gelenklagerungen einfach als unvermeidliche Tatsache akzeptiert. Aber muss das so sein?
Kann das Expander System eine praktikable Lösung bieten?

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

Bei jeder Maschine mit beweglichen Gelenklagerungen tritt früher oder später Verschleiß auf. Am häufigsten ist dies bei Anwendungen der Fall, die starken Belastungen und Vibrationen ausgesetzt sind, wie etwa Bergbau- und Baumaschinen. Weitere Beispiele sind industrielle Pressen, Windkraftanlagen und Schwenkbrücken. Jede bewegliche Gelenklagerung in praktisch jeder Anwendung verschleißt irgendwann – je höher die Beanspruchungen, desto früher setzt ein solcher Verschleiß ein. Und wenn dies geschieht, gehen Präzision und Kontrolle verloren.

Dass ein Verschleiß von Gelenklagerungen bei der Verwendung konventioneller, gerader Bolzen unvermeidlich ist, hat drei wesentliche Gründe:

  1. Die Lagerungen bestehen in der Regel aus einem weicherem Werkstoff als der Bolzen; dadurch verformen sie sich, wenn sie miteinander in Kontakt stehen.
  2. In den Gelenklagerungen findet keine Druckverteilung statt. Das liegt an dem Spiel zwischen den Lagerungsbohrungen und dem Bolzen, das erforderlich ist, damit der Bolzen montiert werden kann. Bei Belastung des Bolzens wird der gesamte Druck von dem Bolzen auf dünne Linien in den Lagerungsbohrungen übertragen.
  3. Durch das vorhandene Spiel wirkt die Kraft, mit der der Bolzen beaufschlagt wird, bei jeder Änderung der Bewegungsrichtung der Maschine schlagartig und in vollem Umfang auf die Lagerungsbohrungen ein.

Die gängigste Lösung bei verschlissenen Gelenklagerungen ist eine Reparatur durch Schweißen und Aufbohren. Der erste Schritt bei diesem Verfahren besteht darin, die Gelenklagerung lastfrei zu machen und den Bolzen auszubauen. Anschließend muss das Bohrgerät ausgerichtet und an der Maschine „montiert“ werden. Die verschlissenen Lagerungen werden großzügig aufgebohrt, durch Auftragsschweißen wieder verengt und dann durch präzises Bohren zurück auf den ursprünglichen Durchmesser und die entsprechende Toleranz gebracht. Nach dem Entfernen des Bohrgeräts werden die Gelenklagerungen neu gestrichen und am Schluss wird ein neuer Bolzen eingebaut. Der ganze Vorgang kann je nach Größe und Komplexität der Anlage Stunden, aber auch einige Tagen dauern. In dieser Zeit kann die Maschine nicht verwendet werden.

Trotz des Zeitaufwands und der Kosten wird diese Methode allgemeinhin als unvermeidlich akzeptiert. „Das ist einfach eine Sache, die jeder tut, weil alle anderen es auch tun; und niemandem ist bewusst, dass es auch eine andere Möglichkeit gibt“, sagt Jonny Wiberg, Forschungs- & Entwicklungsingenieur bei Expander System. „Reparaturen werden einfach hingenommen und es wird nicht einmal nach einer anderen Lösung gesucht.“

Im Laufe der Jahre haben Ingenieure immer wieder nach besseren Lösungen für das Problem mit verschlissenen Gelenklagerungen gesucht. Keine dieser bisherigen Lösungen hat sich als wirklich effektiv erwiesen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Bolzen zu verwenden, der so stramm wie möglich in den Lagerungsbohrungen sitzt, dadurch das Spiel zwischen den beiden praktisch völlig beseitigt und die bestmögliche Druckverteilung für einen geraden Bolzen gewährleistet. Das macht die Gelenklagerung nicht nur teuer und die Montage des Bolzens schwierig – nach einiger Zeit weiten sich die Lagerungsbohrungen trotzdem wieder auf.

Beim Temperaturverfahren wird der Bolzen tiefgekühlt und in diesem Zustand montiert; eingebaut erwärmt er sich, dehnt sich aus und es entsteht eine perfekte Presspassung in den Gelenklagerungen. Bei diesem Verfahren müssen extrem enge Toleranzen von einigen hundertstel Millimetern (oder Toleranzklasse 6) beim Bolzen und den Lagerungsbohrungen eingehalten werden. Das macht die Gelenklagerung deutlich teurer. Gelenklagerungen, die nach dieser Methode hergestellt sind, werden oft als wartungsfrei betrachtet; tatsächlich aber ist eine Wartung gar nicht möglich, da der Bolzen nicht mehr ausgebaut werden kann.

Eine weitere Lösung besteht darin, die Festigkeit der Gelenklagerungen durch Buchsen zu verbessern. Dadurch wird aber das Einsetzen von Verschleiß nur hinausgeschoben und das Problem nicht vollständig behoben, da die Buchsen während der Lebensdauer der Maschine mehrmals ausgetauscht werden müssen.

Keine dieser Lösungen macht also kostspielige und zeitaufwändige Reparaturen von Gelenklagerungen komplett überflüssig. Im Gegensatz dazu ist das Expander System in der Lage, den Verschleiß von Gelenklagerungen ein für alle Mal zu beseitigen. Bei diesem System wird ein Bolzen mit konischen Enden und Spreizhülsen auf beiden Seiten verwendet. Im eingebauten Zustand dehnen sich die Hülsen radial aus und passen sich der Gelenklagerung so an, dass ein exakter Presssitz entsteht.

Da sich die Hülsen des Expander Systems in die Gelenklagerung ausdehnen, können sie Unebenheiten oder Verformungen ausgleichen. Ein Schweißen oder Aufbohren ist nicht mehr erforderlich. Dies führt zu einer drastischen Verkürzung der Montage- und Ausfallzeiten der Maschine. Der zeitaufwändigste Teil bei der Installation des Expander Systems ist die Demontage und der Ausbau des Originalbolzens – wobei dieser Arbeitsschritt aber auch vor dem Schweißen und Aufbohren notwendig ist. In einem jüngsten Beispiel wurde das schwedische Unternehmen Expander System zu einem Kostenvergleich für einen 70 Millimeter-Bolzen aufgefordert. Unter Berücksichtigung der Kosten des Spreizbolzens, der Kosten für den Aus- und Einbau des Bolzens sowie des Umsatzverlustes durch die Ausfallzeit wurden die Gesamtkosten der Expander System-Lösung mit rund 500 Euro berechnet. Ein herkömmlicher Bolzen kostet etwa ein Drittel, während die Kosten für den Ausbau und die Montage die gleichen sind. Die für das Aufbohren und den Transport der Bohrausrüstung benötigte Zeit sowie der finanzielle Verlust durch die deutlich höheren Stillstandszeiten trugen dazu bei, dass sich die Schätzung der Gesamtkosten am Ende auf über 2.300 Euro belief.

Der Einsatz des Expander Systems macht zwar nicht das Aufbohren, sehr wohl aber das Schweißen komplett überflüssig. Über die gesamte Lebensdauer treten an der jeweiligen Gelenklagerung keine Verschleißprobleme mehr auf. Bei herkömmlichen Bolzen würde der Verschleiß unweigerlich zurückkehren und der Reparaturvorgang müsste wiederholt werden. In einer typischen Anwendung ist dies über die gesamte Lebensdauer einer Maschine drei bis vier Mal oder alle 3.000 oder 4.000 Stunden der Fall. Das bedeutet, die Kosteneinsparungen können für jede einzelne Maschine mehrere Tausend Euro betragen.

Wie aus einem rostigen Nagel eine preisgekrönte Innovation wurde

In den 1950er Jahren bauten die Zwillingsbrüder Everth und Gerhard Svensson Straßen in ganz Schweden und wurden immer frustrierter, weil verschlissene Gelenklagerungen wieder und wieder zu Ausfallzeiten und Reparaturen führten. Als sich eines Tages erneut ein Gelenkbolzen löste, improvisierte Everth und nahm einen alten rostigen Nagel, um den Bolzen in der Lagerungsbohrung zu fixieren.

Als Notlösung gedacht funktionierte dieser rostige Nagel so gut, dass er Everth zur Entwicklung des Expander Systems inspirierte. Viele Jahre lang setzten die Zwillingsbrüder Expander-Produkte bei ihren Straßenbauprojekten ein. Doch erst 1986, als Everths Sohn Roger erkannte, wie genial die Lösung seines Vaters ist, wurde das Konzept patentiert und das Unternehmen Expander System Sweden AB gegründet. 1987 wurde das Expander System vom schwedischen Industrieminister mit dem Innovation Development Award in Erinnerung an Alfred Nobel ausgezeichnet.
Heute ist das Expander System in Millionen von Maschinengelenken auf der ganzen Welt eingebaut.

Mehr als 6,000 zusätzliche Betriebsstunden

Verschleiß ist ein weitverbreitetes Problem bei Gelenklagerungen von Maschinen. Es hat die Benutzer von Maschinen im Laufe der Jahre viel Geld gekostet – sowohl für Reparaturen, als auch hinsichtlich der Ausfallzeiten. Das Expander System kann dem ein für alle Mal ein Ende setzen.

Das Expander System ist in den meisten Fällen teurer als ein herkömmlicher gerader Bolzen. Aber bei sorgfältiger Berücksichtigung aller Kosten, einschließlich der Zeit und Kosten, die mit dem Schweißen und Aufbohren verbunden sind sowie des Produktionsverlustes durch Ausfallzeiten, erweist sich das Expander System als wesentlich kostengünstiger. Das volle Ausmaß der Einsparungen hängt von vielen verschiedenen Variablen ab, aber in aller Fairness lässt sich sagen, dass die möglichen Einsparungen umso höher sind, desto öfter Verschleiß an Gelenklagerungen auftritt und je höher die Kosten der Ausfallzeiten sind.

Für den schwedischen Baumaschinenhändler Maskinia AB bedeutet jede Minute Stillstandszeit für Maschinenreparaturen, dass bares Geld verloren geht. Aus diesem Grund setzt das Unternehmen seit 1999 das Expander System ein.

Vor kurzem wurde ein Bagger nach 3.700 Betriebsstunden zur Reparatur angeliefert. Mithilfe des Expander Systems konnte der Bolzen an der Gelenkverbindung zum Ausleger in nur 6 Stunden gewechselt werden. Im Gegensatz dazu hätte die Reparatur durch einen herkömmlichen Bolzen mit dem üblichen Schweißen und Aufbohren 3-4 Tage gedauert.

Lars Malmén, Aftermarket-Manager bei Maskinia, erklärt: „Das Expander System kostet zwar mehr als ein traditioneller Bolzen, aber wenn man die Reparaturzeiten und Ausfallzeiten mit den entsprechenden Umsatzverlusten mit einrechnet, fällt das Ergebnis eindeutig zugunsten des Expander Systems aus. Wenn Sie dann noch die Tatsache berücksichtigen, dass Expander eine 10-jährige Funktionsgarantie anbietet, können Sie sich auf mindestens 10.000 problemlose Betriebsstunden verlassen – im Vergleich zu den 3.700 Stunden, die für einen herkömmlichen Bolzen als normal gelten.“

 

Lernen Sie Expander System kennen

Ansehen: „Holen Sie das Beste aus Ihrer Maschine heraus.“

Tipps und Tricks: Optimierung einer Schraubenverbindung durch die Klemmlänge

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

F: Was ist die Klemmlänge?
A: Die Klemmlänge – LK – ist die freie Länge einer Schraube, die unter Spannung gedehnt wird; das bedeutet:

  • In einer Durchgangsbohrung (A) der Abstand zwischen dem Schraubenkopf und der Mutter.
  • In einer Sackbohrung (B) – oder bei einer Stiftschraube (C) – der Abstand zwischen dem Kopf (Mutter) und dem ersten Gewindegang, der in die Gewindebohrung eingreift.

Die Klemmlänge bezeichnet auch die Gesamtdicke der unter Druck verbundenen Teile.

Zur Optimierung einer Schraubenverbindung sollte die Klemmlänge mindestens das Drei- bis Fünffache des Schraubendurchmessers betragen. Durch Erhöhung der Elastizität des Befestigungselements werden die Eigenschaften der Verbindung erheblich verbessert, da:

  • sich die Dehnung der Schraube erhöht und die Setzung reduziert wird;
  • bei Erhöhung der Flexibilität des Befestigungselements das Risiko der Selbstlösung unter Vibrations- und Querbelastungseinwirkungen sinkt.
  • sich der Lastfaktor verbessert, wodurch die Amplitude dynamischer Belastungen in der Schraube abnimmt und die Gefahr eines Ermüdungsversagens minimiert wird.
  • bei hydraulischem Vorspannen der Lastübertragungsverlust minimiert wird.

Bei steifen Verbindungen, die keine lange Klemmlänge erlauben, besteht die Möglichkeit, intelligente und effektive Lösungen zu implementieren, um ein Versagen zu vermeiden. Anstatt teure und unattraktive Distanzstücke zu verwenden, können Sie z. B.:

  • Original Nord-Lock Keilsicherungsscheiben einsetzen, um ein spontanes Lösen der Schraube zu verhindern.
  • X-series Keilsicherungsfederscheiben von Nord-Lock benutzen, um sowohl ein spontanes Lösen der Schraube zu verhindern, als auch Setz- und Relaxationserscheinungen auszugleichen.
  • Superbolt Vorspannelemente verwenden, die sowohl eine direkte axiale Dehnung der Schraube ohne Vorspannungsverlust ermöglichen, als auch die Elastizität der Schraube und damit den Lastfaktor verbessern.

 

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Schmierung: Das Wann und Warum beim Vorspannen

8 Juni 2017
Kommentar

Text: Amaris Neidich & Joseph Vernam

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

F: Wie wirkt sich Schmierung auf das hydraulische axiale Vorspannen und das Vorspannen von Spannelementen mit Vielfachschrauben aus?
A: Beim traditionellen Anziehen einer Mutter mit einem Schraubenschlüssel ist die Schmierung sehr wichtig, da sich viele Flächen gegeneinander bewegen – die Gewindegänge der Mutter gegen die Gewindegänge der Schraube/des Bolzens und die Unterseite der Mutter gegen die Oberfläche der Verbindung. Die Überwindung dieser Reibungskräfte macht ungefähr 90 % der Arbeit (des Energieaufwands) aus, die zur Erzeugung der Vorspannkraft in der Verbindung aufgewendet wird.

MIT EINEM HYDRAULISCHEN Vorspannwerkzeug wird der Schraubenbolzen gegenüber den zu verspannenden Teilen torsionsfrei auf die Montagevorspannkraft vorgespannt. Die Mutter kann nun unter minimaler Reibung von Hand gegen die Verbindungsfläche gedreht werden. Da die Vorspannung nicht durch Drehen der Mutter erzeugt wird, spielt hier die Reibung praktisch keine Rolle. Aus diesem Grund kann auf Schmierung zum Ziel der Reibwertoptimierung verzichtet werden.

Da keine Reibung berücksichtigt werden muss, braucht der Reibungskoeffizient durch Schmierung nicht verkleinert zu werden. Außerdem sind wesentlich genauere und wiederholbare Ergebnisse möglich, da in der Anwendung keine Reibung vorhanden ist.

Bei Spannelementen mit Vielfachschrauben (Superbolt Multi-Jackbolt Tensioners, MJTs) hat die Schmierung des Hauptbolzengewindes keinen Einfluss auf die Vorspannung. Es ist aber ratsam, einen sehr dünnen Schmierstofffilm mit Gleiteigenschaften zu verwenden, um die spätere Demontage der Spannelemente zu erleichtern.

Im Gegensatz dazu hat die Schmierung der Druckschraubengewinde, sowie der Aufstandsflächen zwischen Druckschrauben und Druckscheibe einen signifikanten Einfluss auf die erzielbare Vorspannkraft.

DIE RICHTIGE SCHMIERUNG ist für eine wiederholgenaue Vorspannung von Superbolt-­Spannelementen von entscheidender Bedeutung. Nord-Lock verwendet hauptsächlich ein Schmiermittel auf Graphitbasis mit niedrigem und konstantem Reibungskoeffizienten, um eine punktgenaue Vorspannung zu erzielen. Die Lieferung der MJTs erfolgt mit vorgeschmierten Druckschrauben. Sollte beispielsweise die Nachschmierung der Druckschraubenaufstandsflächen wegen wiederholter Montage und Demontage erforderlich werden, ist das passende Schmiermittel bei Nord-Lock erhältlich. Mit der Verwendung des korrekten Schmiermittels wird sichergestellt, dass die vorgesehene Vorspannkraft zuverlässig bei jeder Montage erreicht wird.

 

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