Qualitätsüberwachung von Verschraubungsprozessen für die smarte Fabrik

Alle Schraubprozesse im Blick

| Redakteur: Silvano Böni

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(Bild: Andreas Gruhl - stock.adobe.com)

Von der Messung und Steuerung des Verschraubungsprozesses bis hin zur umfassenden Dokumentation der Prozessparameter und der Ergebnisse: Überwachungssysteme sichern die Qualität von Verschraubungsprozessen in der Produktion – und sind damit ein wesentlicher Bestandteil für richtlinienkonformes Arbeiten in der smarten Fabrik.

Kaum ein Monat vergeht, ohne dass ein Automobilhersteller zu einer Rückrufaktion wegen mangelhafter Schraubverbindungen gezwungen ist. Nach Einschätzungen des US-Beratungshauses Archetype Joint LLC geht die Automobilindustrie davon aus, dass 70 Prozent der Garantiekosten und 20 Prozent aller Rückrufe direkt oder indirekt durch fehlerhafte Schraubverbindungen verursacht werden.

Mit dem Trend zum Leichtbau hat sich zwar die Anzahl der Schraubverbindungen im Automobilbau reduziert. Doch gleichzeitig ist die Zahl sicherheitskritischer Verbindungen gestiegen – sodass unterm Strich die Anzahl der Schraubverbindungen auf dem gleichen Niveau geblieben sein dürfte. Bei einem Transporter beispielsweise beläuft sich die Anzahl auf mehr als 1500.

Simpler Prozess – grosse Herausforderung

Der vermeintliche simple Prozess, zwei oder mehr Teile mit einer Schraube zu verbinden, stellt sich in der Serienmontage als Herausforderung dar. Denn dort muss in einem Takt über einen Zeitraum eine gleich bleibende Qualität gewährleistet werden. Natürlich werden alle Einflussgrössen – wie die Fähigkeit der Montagewerkzeuge und die Qualität der Verbindungselemente – regelmässig überprüft, um die Einflussgrössen in der Montage prozesssicher zu halten. Doch am Schluss ist die Schraube montiert, die Teile sind miteinander verbunden und nun muss der vorangegangene Prozess überprüft und bewertet werden. Jetzt kommt es darauf an, wie alle Einflussgrössen und Toleranzen aufeinander eingewirkt haben und ob die Schraubverbindung zuverlässig hält.

Das Standardwerk zur Berechnung und Auslegung hochfester Schraubenverbindungen ist die Richtlinie VDI 2230 «Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen». Doch, auch wenn Schraubverbindungen entsprechend ihrer Vorgaben ausgelegt sind, können sie sich selbstständig lösen und lockern. Wie kommt dies? Zurückzuführen ist dies immer auf einen vollständigen oder teilweisen Verlust der Vorspannkraft. So wird die erforderliche Kraft in axialer Richtung genannt, die als Zielgrösse des Verschraubungsprozesses nötig ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Um die gewünschte Verschraubungsqualität im Fertigungsprozess zu erreichen, gehören die Reibungszahlen der Oberflächen der Verschraubungspartner zu den ausschlaggebenden Kriterien. Daher ist deren Prüfung und Überwachung unverzichtbar. Die Reibungszahl spielt eine grosse Rolle in Bezug auf das Verhältnis der inneren Kräfte der Schraube. Überschlägig ist etwa ein Drittel des aufgebrachten Drehmoments notwendig, um die Reibung im Gewinde zu überwinden – und etwa die Hälfte Drehmoments ist nötig, um die Reibung unter dem Schraubkopf zu überwinden. Dabei gilt: Je höher die Reibung, desto geringer die erzeugte Vorspannkraft.

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Schmiermittel beeinflussen die Verschraubungsqualität

Eine unkontrollierte Anwendung von Schmiermitteln kann dazu führen, dass die Schraube sich selbsttätig löst. Mit Laborsystemen lassen sich an Schrauben die Teilreibungszahlen unter dem Schraubenkopf und im Gewinde separat ermitteln. Weist die Schraube im Laborversuch Reibungszahlen auf, die innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen, so heisst dies allerdings noch lange nicht, dass die Schraube diese Reibungszahlen auch unter Lastbedingungen hält: höhere Temperaturen können beispielsweise das Reibverhalten der Verbindungselemente verändern. Auch kann es zu Relativbewegungen der montierten Teile kommen oder zu örtlich plastischen Verformungen.

Mit Analyse-Systemen von Schatz, dem zuKistler gehörenden Spezialisten für sichere Schraubverbindungen, lassen sich die Funktionseigenschaften von Verbindungen wie zum Beispiel die Reibungszahlen im Labor reproduzierbar und konform zu den Normen überwachen. Die Leistungsfähigkeit solcher Analyse-Systeme wird durch die computergesteuerte Auslegung und Integration von Sensorik, Mess- und Steuerungstechnik, Software, Antrieben und mechanischen Komponenten gewährleistet. Zuverlässige und präzise messende Sensoren für den jeweiligen Einsatzfall sind zwingend erforderlich für exakte und reproduzierbare Messwerte. Die rückführbare Qualität der Drehmoment-, Drehmoment-/Drehwinkel-, Vorspannkraft- und Vorspannkraft-/Gewindemomentsensoren wird dabei durch das akkredierte DAkkS-Kalibrierlabor von Schatz sichergestellt.

Die Ermittlung der unterschiedlichen Messgrössen erfolgt mit dem Mess- und Steuergerät 5413-2777 von Schatz. Es erfasst alle Messwerte, verarbeitet diese weiter und übernimmt Steuerungsaufgaben. Diese Aufgaben werden in Echtzeit erledigt und die Messverläufe zeitgleich grafisch über die Software testXpert dargestellt.

In Kombination mit diesem Gerät übernimmt ein Leistungs- und Regelgerät die Ansteuerung der unterschiedlichen Antriebseinheiten, also Servo-Getriebemotoren und Servo-Antriebsspindeln. Eine direkte Anbindung spezifischer Produktionsspindeln an das Schatz-System ist durch eine Kooperation mit Herstellern von Servo-Schraubspindeln für den Einsatz in Produktionslinien möglich. Die Produktionsspindeln werden durch das Leistungs- und Regelgerät angesteuert und machen Prüfungen mit dem realen Einfluss der in der Produktion eingesetzten Schraubspindeln möglich.

Die computergesteuerte Auslegung der Mechanik wird präzise an die Kunden- und Normbedürfnisse angepasst. Dabei erfüllen die Systeme die Anforderungen an maximale Torsionssteifigkeit, um eine Beeinflussung der erzielten Ergebnisse auszuschliessen.

Software bildet alle Abläufe ab

Die Bedien- und Auswerte-Software testXpert vereint in einer Software-Plattform alle für eine Prüfung nötigen Funktionen. Sie bildet die kompletten Abläufe vom kundenspezifischen oder normen-konformen Anlegen des Prüfablaufs mit beliebig vielen Teilschritten und Definition der Zielwerte und Drehzahlen für die einzelnen Teilschritte ebenso ab wie sie die Maschinenansteuerung für die Prüfung selbst übernimmt. Bis zur Auswertung der Ergebnisse mit Statistikparametern und komplexen grafischen Darstellungen ist alles in dieser Software vereint. Auch der Datenexport und die Erstellung der Prüfprotokolle sind integriert, sodass die komplette Prüfung und Auswertung ohne aufwëndiges Wechseln zwischen Software-Plattformen durchgeführt werden kann.

Analyse-Systeme von Schatz sind jeweils komplette, computergestützte Prüfsysteme für die Ermittlung von Funktionseigenschaften einzelner Verschraubungspartner und / oder von kompletten Baugruppen. Diese lückenlose Prüfung und Dokumentation erbringt nicht nur den Qualitätsnachweis der Schraubverbindung. Sie ist das Instrument zur gezielten Überwachung von Toleranzgrenzen und ermöglicht so das frühzeitige Erkennen von Prozess­abweichungen.

Durchgängige Systeme für Labor und Montage

Doch wie lässt sich sicherstellen, dass die Schraubverbindungen nicht nur im Labor den vorgegebenen Werten entsprechen, sondern auch in der Fertigung? Auch hier ist Durchgängigkeit der Systeme gefragt: Auf der einen Seite Laborsysteme zur Analyse von Verbindungselementen und auf der anderen Seite portable Prüfsysteme zum Messen von Drehmoment und Drehwinkel. Mit dem Laborsystem Schatz-Analyse lassen sich das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft sowie die mechanischen und funktionellen Eigenschaften von Verbindungselementen bestimmen.

Zur direkten Überprüfung der Schrauboperation in der Montage werden alle Einflussgrössen am Schraubfall mit dem mobilen Messgerät Inspectpro erfasst. Hierfür stehen verschiedene Drehmoment-/Drehwinkelsensoren zur Verfügung, welche direkt vor das spezifische Schraubwerkzeug adaptiert werden.

Das Messgerät wird mit dem Sensor verbunden. Dieser übermittelt seine Kenndaten per Autocode, sodass keine weiteren Einstellungen notwendig sind und die Messung sogleich stattfinden kann. Auf dem Bildschirm werden die Messwerte grafisch innerhalb der Toleranzen dargestellt. Zudem besteht die Möglichkeit, Messverläufe abbilden zu lassen, um Effekte beim Eindrehen, Fügen oder während der Montage zu erkennen.

Zur Auswertung der Messergebnisse verfügt das Messgerät Inspectpro über ein Statistik-Modul. Sämtliche Daten, das heisst numerische Werte und grafische Messverläufe, werden abgespeichert, sodass auch zu einem späteren Zeitpunkt eine statistische Auswertung der festgehaltenen Daten durchgeführt werden kann.

Die gemessenen Daten lassen sich über einen PC und die Software testXpert anschliessend weiterverarbeiten. So bietet testXpert die Möglichkeit, komplexe grafische Auswertungen der aufgezeichneten Kurvenscharen durchzuführen.

Die PC Software testXpert

Fit für Industrie 4.0 durch IT-gestützte Überwachung

Die durchgängige IT-gestützte Überwachung der Schraubprozesse in Labor und Fertigung ist letztlich nicht nur der Schlüssel für eine höhere Qualität der Schraubprozesse, sondern durch die Verarbeitung und Visualisierung in Echtzeit ein wesentlicher Eckpfeiler für die smarte Fabrik im Zeitalter von Industrie 4.0: Treten Prozessfehler auf, kann schneller reagiert werden. Prozessrisiken lassen sich früh erkennen – und präventive Massnahmen einleiten. Die durchgängige Transparenz des Verschraubungsprozesses unterstützt zudem den kontinuierlichen Verbesserungsprozess. SMM

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