Problemanalysen im Montageprozess vor Ort

Obwohl CrVI-freie Oberflächenbeschichtungen schon seit einiger Zeit in der Industrie eingesetzt werden, stellen sie die Anwender weiterhin vor Herausforderungen. Häufig geht es darum, ob die Schrauben den geeigneten Schmierzustand haben und das angewendete Drehmoment tatsächlich geeignet ist für den Montageprozess. Ein einfaches Verfahren, das in der Montage angewendet werden kann, um den Schraubfall zu analysieren, ist der Bruchversuch. Der Bruchversuch dient zur Ermittlung von Kenngrößen, welche zur Montagevorschrift ins Verhältnis gesetzt werden können und somit eine Aussage über die Anziehspezifikation zulassen. Dazu wird die Schraubverbindung kontinuierlich weiter gedreht bis die Schraube bricht. Das Drehmoment kann während des Versuches manuell mit einem Drehmomentschlüssel oder motorisch mit einem Schrauber aufgebracht werden, wobei eine Messeinrichtung verwendet werden muss, mit der das Drehmoment während der Montage erfasst wird.

Der grafische Messverlauf zeigt das Verhältnis von Drehmoment zum Drehwinkel in der Schraubverbindung. Der Verlauf kann in verschiedene Bereiche eingeteilt werden. Zu Beginn der Montage wird die Schraube eingedreht bis der Schraubenkopf zur Kopfauflage kommt. Anschließend steigt das Drehmoment an, bis sich die verschraubten Teile vollständig zusammengefügt haben.

Von da ab geht die Schraubverbindung in die elastische Verformung. Das Drehmoment steigt linear zum Drehwinkel an. Falls die Belastung hier endet und die Schraube wieder gelöst wird, nimmt sie wieder ihre ursprüngliche Länge an. Dauert die Belastung jedoch an, verformt sich die Schraube plastisch, das heißt bleibend.

Der lineare Verlauf der Kurve endet und das Drehmoment steigt nicht mehr im gleichen Maße an wie der Drehwinkel. Das Drehmoment steigt anschließend weiter an bis zum maximalen Drehmoment, welches als ultimatives Drehmoment ermittelt wird. Durch die plastische Verformung tritt eine Verfestigung des Materials der Schraube ein, was zu diesem weiteren Anstieg des Drehmomentes über den Punkt der plastischen Verformung hinaus führt.

Nach dem höchsten erreichten Drehmoment beginnt die Schraube sich im freien Schaft einzuschnüren. Aus diesem Grunde nimmt das Drehmoment bei weiterem Drehwinkel ab, bis die Schraube vollständig versagt und bricht.

Es besteht jedoch bei diesem Versuch die Möglichkeit, dass die Flächenpressung unter dem Schraubenkopf dazu führt, dass die Beschichtung der Schraube unter dem Kopf beschädigt wird. Dies ist dadurch bedingt, dass die Schraube definitiv überlastet wird und die Beschichtung eventuell nicht für eine derartige Flächenpressung ausgelegt ist. Dies führt zu einem so genannten „Fresser“. Die Reibung unter dem Schraubenkopf steigt in einem hohen Verhältnis an und führt zu einem weiteren Anstieg des Drehmomentes, obwohl die Kraft in der Schraube aufgrund der Verringerung des Querschnitts schon abnimmt.

Dies führt zur Ermittlung eines Drehmomentes, welches keine akkurate Aussage über die maximale Belastung der Schraube zulässt. Aus diesem Grund ist die Aufzeichnung des grafischen Verlaufes zu empfehlen. Der Messverlauf Drehmoment über Drehwinkel zeigt deutlich, ob das maximale Drehmoment als Ergebnis der Verfestigung des Materials oder durch einen Anstieg der Reibung unter dem Schraubenkopf ermittelt wurde.

In jedem Fall muss das maximale Drehmoment des Bruchversuches deutlich höher liegen als die obere Toleranzgrenze der Montagevorschrift. Falls diese Werte zu eng beieinander liegen oder sogar Bruchmomente ermittelt werden, die niedriger liegen als die obere Toleranzgrenze, besteht die Gefahr der Überbeanspruchung der Schraubverbindung in der Montage.

Ein solches Ergebnis kann verschiedene Ursachen haben:

- Die Reibungszahl der Schraubverbindung liegt deutlich niedriger als der Konstrukteur es in seiner Auslegung berücksichtigt hat. Dies führt zu einer höheren Belastung der Schraube als vorgesehen.

- Das Material von Schraube oder Fügeteilen entspricht nicht der vorgesehenen Qualität. Die Schraube oder das zu montierende Material versagen bereits innerhalb der ausgelegten Toleranzen.

- Die Montagevorschrift entspricht nicht den Bedingungen vor Ort. Die berechneten Toleranzgrenzen führen zu einer Überlastung der Schraubverbindung und das Anziehdrehmoment muss neu berechnet werden.

Die Ermittlung der Ursachen bedarf einer weiterführenden Laboranalyse. Der Bruchversuch dient dazu, eine schnelle und einfache Analyse vor Ort in der Montage durchzuführen und die Verhältnisse zwischen Anziehvorschrift und montierten Teilen qualifiziert abzuschätzen.

Abbildung 1: Grafische Auswertung des Schraubverlaufs in der Montage

Abbildung 2: Der Messverlauf von Drehmoment im Verhältnis zu Drehwinkel zeigt das Verhalten der Schraubverbindung bis zum Bruch.

Abbildung 3: Ein Anstieg der Reibungsverhältnisse unter dem Schraubenkopf erzeugt einen weiteren Anstieg des Drehmomentes.

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