Zuverlässig verschrauben

Gerade im Leichtbau werden oft gewindefurchende Schrauben eingesetzt. Um Prozesssicherheit in der Montage sicherzustellen, ist bei der Auslegung der Verbindungslösung neben dem Schraubendesign eine genaue Definition des Oberflächensystems erforderlich.

28. Januar 2019
Die Taptite 2000 als neuestes Produkt der Taptite-Familie weist eine gute Furchperformance auf. Das Radiusprofil erleichtert das Fließen des Mutternwerkstoffes in Richtung des Schraubengewindekerns. (Bild: Arnold Umformtechnik)
Bild 1: Zuverlässig verschrauben (Die Taptite 2000 als neuestes Produkt der Taptite-Familie weist eine gute Furchperformance auf. Das Radiusprofil erleichtert das Fließen des Mutternwerkstoffes in Richtung des Schraubengewindekerns. (Bild: Arnold Umformtechnik))

Gewindefurchende Schrauben formen ihr Gegengewinde beim Einschrauben in ein vorgebohrtes oder gegossenes Kernloch durch eine spezielle Gewindegeometrie spanlos selbst. Deshalb wirken sie als kraftschlüssiges Verbindungselement mit der Zusatzfunktion einer formschlüssigen Verliersicherung. Die Schrauben werden in Durchgangslöchern, in gegossenen Kernlöchern in Aluminiumdruckguss und manchmal auch in Magnesium- oder Zinkdruckguss angewendet.

Um eine sichere Montage zu realisieren, stützen sich Fachleute auf die DIN 267 Teil 30. Die Norm definiert die mechanischen Eigenschaften von gewindefurchenden Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9. Diese umfassen das Mindestbruchmoment, Einschraub- und Furchmomente in dafür vorgesehene Prüfplatten mit definierten Löchern sowie Zugbruchkräfte. Außerdem wird die Furchzone der Schraube und das Verhältnis zur metrischen Schraube festgelegt. Das heißt: Das gefurchte Mutterngewinde muss eine handelsübliche metrische Schraube aufnehmen können.

Gute Furchperformance

Neben dieser DIN gibt es spezielle Unternehmensnormen, beispielsweise von Magna, Ford, BMW oder Bosch. Diese definieren oft höhere Anforderungen für bestimmte Anwendungen. Um als Zulieferer darauf reagieren zu können, sind genaue Kenntnisse des gesamten Schraubenverbundes erforderlich.

Thomas Jakob ist Leiter Product-Engineering bei Arnold Umformtechnik. Er kennt sowohl die Kundenanforderungen als auch die möglichen Verbindungslösungen zur Realisierung. „Gewindefurchende Schrauben werden primär bei Leichtmetallen eingesetzt. Unser Produkt Taptite 2000 weist eine sehr gute Furchperformance auf. Dessen Radiusprofil erleichtert zudem das Fließen des Mutternwerkstoffes in Richtung des Schraubengewindekerns. Dadurch entstehen weniger Reibung und ein niedrigeres Furchmoment“, erklärt Jakob.

Die trilobularen Taptite-Schrauben gibt es seit gut 30 Jahren auf dem Markt. Ziel des trilobularen, leicht dreieckigen Querschnitts 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 (Überdrehmoment oder Schraubenbruchmoment) angestrebt.

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.

Passgenaue Beschichtung und Gleitmittel definieren

Wenn beispielsweise im Bereich der gehobenen Kundenanforderungen mit niedrigeren Furchmomenten gearbeitet werden soll, spielt auch das Oberflächensystem eine entscheidende Rolle. Auf der Oberfläche der Schraube ist meist eine Basisbeschichtung gegen Korrosion aufgetragen – in der Regel eine Zink-, Zink-Nickel- oder Zinklamellenbeschichtung.

„OEMs haben Vorschriften für Oberflächen, die sich in der Regel auf die Basisoberfläche und den Korrosionsschutz beziehen. Wir definieren dann entsprechend die Gleitbeschichtung für die Schraube. Diese ist bei einer vorspannorientierten Auslegung gefügter Metallkomponenten wichtig“, so Jakob.

Hinsichtlich der Oberflächensysteme gibt es Richtwerte nach VDA, die sich auf den Korrosionsschutz und die Reibwerte für metrische Schrauben beziehen. Diese können zwar nicht direkt auf gewindefurchende Schrauben übertragen werden, dienen jedoch als Orientierung. Ergänzend dazu – und für gewindefurchende Schrauben auch funktionsrelevant – ist die Gleitbeschichtung. Auch darauf wird in der DIN 267 Teil 30 explizit verwiesen.

Wichtig ist, die Schraubengeometrie und die Baugruppe genau aufeinander abzustimmen. Zudem müssen die Basisoberfläche und die Korrosionsschutzanforderungen entsprechend umgesetzt sein. In der Regel wird das durch eine Zink-, Zink- Nickel- oder Zinklamellenbeschichtung realisiert. „Das gesamte Oberflächensystem ist für die Vorspannkraft wichtig, sowohl die Basis- und Gleitbeschichtung als auch die Versiegelung“, betont Jakob.

Beschichtung umfasst vielfältige Herausforderungen

Gute Ergebnisse hat der Hersteller beispielsweise mit einer Taptite 2000 und einer Zinklamellenbeschichtung plus Versiegelung und Gleitmittelbeschichtung erreicht. „Wir haben sehr viele Oberflächensysteme untersucht und können auf dieser Basis für verschiedene Anwendungen konkrete Empfehlungen geben. Auch die technische Sauberkeit haben wir beleuchtet und festgestellt, dass die Reinigungsprozesse oft unerwünschte Einflüsse auf das Oberflächensystem haben, weil Gleitmittel und Versiegelung teilweise wieder abgetragen werden“, sagt Jakob.

Eine weitere Herausforderung seien kleine Schrauben unter M6 mit hohen Korrosionsanforderungen. Hier wird häufig Zink-Nickel als Beschichtung verwendet, das für die Weiterverarbeitung besser geeignet ist. Es erschwert jedoch den Furchprozess. Auch die Definition der Vorspannkraft erfordert viel Fachkompetenz. Während die Anforderungen und Berechnunsgmethoden zur Vorspannkraftdefinition bei metrischen Schrauben klar definiert sind, ist bei den furchenden Schrauben nur die Prüfplatte und das Furchmoment in die Prüfplatte spezifiziert.

Genaue Abstimmung mit dem Kunden

Um eine kostenoptimierte Metalldirektverschraubung für den Kunden zu realisieren, arbeitet Arnold Umformtechnik von Beginn an eng mit den Kunden zusammen. Dabei gilt es, eine Reihe von Eckdaten zu beachten: Prinzipiell muss geprüft werden, ob für die anvisierte Verbindung mit Blick auf die Vorspannkräfte überhaupt eine gewindefurchende Schraube eingesetzt werden kann. Ein weiterer Punkt sind der Bauraum und die Einschraubtiefe. Je nach Anwendung können dann Umsetzungsempfehlungen gegeben werden.

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

Wichtig sind auch Betriebslasten und -temperaturen der Baugruppe. Zudem muss beachtet werden, ob der Hersteller Montagevorschriften für die Baugruppe oder Werksnormen hat. Auch die Festigkeitsklasse, das Kopf- oder das Gewindedesign spielen eine Rolle. „Durch Versuche in unserem Fastener Testing Center unterstützen wir unsere Kunden durch Schraubfallanalysen mit den Originalkundenbauteilen, um ein optimales Anziehdrehmoment zu definieren“, so Jakob weiter. So ist in Serienprozessen eine passgenaue Montage sichergestellt.

Für die Auslegung von Schraubenverbindungen gibt es prinzipiell Richtwerte, um die Prozesssicherheit beim Montieren zu gewährleisten. Bei Arnold Umformtechnik unterstützen zusätzlich Tools die Kernlochauslegung und der Fast Creator hilft bei der Auslegung des Schraubendesigns. Derzeit wird ein Tool entwickelt, mit dem Empfehlungen hinsichtlich Drehmoment-Vorspannkraftverhalten für die passgenaue Taptite-2000-Schrauben gegeben werden können.

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

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