Arnold Umformtechnik Schraubverbindungen statisch und dynamisch bewerten

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Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG

Fastems Sales Agent: Gennaro Teta (omnino technology)

Angehrn AG - Umformtechnik

Ramseier

Eine jüngst von der Arnold Umformtechnik verwirklichte Messtechnik bestimmt die Vorspannkraft bei Schraubverbindungen mit der Laufzeit von Ultraschall direkt in Schrauben. Das funktioniert über längere Zeitdauer auch im Betrieb an produzierenden Maschinen und Anlagen.

Für lösbare Verbindungen nutzt man nach wie vor bevorzugt Schrauben. Für die nötige Sicherheit sind bestimmte Vorspannkräfte erforderlich. Diese zu berechnen stehen zuverlässige Berechnungsmodelle zur Verfügung. Doch bleibt das reale Verhalten von Schraubverbindungen unsicher. Herkömmliche Montage- und Messmethoden – wie Drehmoment oder Längung der Schrauben – geben darüber nur bedingt Aufschluss. Eine nunmehr verwirklichte Messtechnik bestimmt die Vorspannkraft direkt in der Originalschraube per Ultraschalllaufzeit und Laufzeitdifferenz. Damit erhält man exakte Daten speziell zur Vorspannung für jede eingebaute Schraube. Das funktioniert auch im fortlaufenden Betrieb und wenn nötig über lange Zeit.

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Individuelle Bedingungen berücksichtigen

Die Auslegung von Schraubverbindungen ist nicht trivial, auch mit viel Erfahrung und Know-how gibt es in der Praxis immer wieder Überraschungen. Besonders bei dynamischen, thermischen oder mechanischen Beanspruchungen steckt der Teufel oft im Detail. Auch innovative Werkstoffe und Verfahren, wie 3D-Druck und Lasersintern, können für eine Verschraubung besondere Bedingungen schaffen, die bisherige Berechnungsverfahren nicht berücksichtigen. Ideal wäre, die tatsächliche Vorspannkraft zu messen.

Herkömmliche Verfahren werden aber meist nur auf Prüfständen ausgeführt, mitunter sogar mit speziell dafür gefertigten Schrauben. Andere Verfahren erfordern zusätzliche Fugen im Schraubverbund, da Messgeräte in die Schraubverbindung integriert werden müssen. Vorspannkräfte an Originalschrauben und Gewinden im realen Verbund, beispielsweise an Ölwannen, Getriebe- oder Gasrohrflanschen, zu messen war so nicht möglich. Ein nunmehr von Experten der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG, Forchtenberg, entwickelte Messtechnik ändert das. Durch Einleiten von Ultraschall in Schrauben dienen die Originalschrauben als Prüfling und die gemessene Vorspannkraft entspricht dann der tatsächlichen Klemmkraft im Betrieb.

Betriebliche Beanspruchung erfassen

Herkömmliche Messungen bestimmen die Vorspannkraft beispielsweise mit einer mechanischen Längenmessung der Schraube, um über die Dehnung die Kraft zu messen. Oder die Anpresskraft wird über eingefügte Druckmessscheiben bestimmt. In beiden Fällen sind die Fehlermöglichkeiten recht hoch. Druckmessscheiben beispielsweise bringen zwei zusätzliche Trennfugen in die Verbindung, deren Einfluss man nur abschätzen kann. Wesentlich besser arbeitet dagegen das Messsystem von Arnold BlueFastenig Systems. Seine Ultraschall-Messtechnik mit dem System «intellifast» kann Schraubverbindungen in Originalapplikationen messen. Neben der Möglichkeit, Originalkonfigurationen von Schraubverbindungen zu testen, erweitert diese Messmethode auch die Bandbreite von Messungen. Das System kann je nach nicht nur im Messlabor arbeiten, es ist auch für Messungen im fortlaufenden Betrieb geeignet. In besonderen Fällen können so Veränderungen von Vorspannkräften sogar während des Betriebs auch über Monate hinweg bestimmt werden. Damit erfasst man dann auch Alterungsprozesse, Dichtungsschrumpfen oder Temperatureinflüsse. Da das System mehrkanalig ausgelegt ist, sind nicht nur Einzelaussagen möglich, sondern Schraubverbunde können insgesamt messtechnisch erfasst und bewertet werden.

Puls-Echo-Verfahren

Die Funktionsweise der Methode ist einfach zu erklären. Wie auf Schiffen die Tiefe per Echolot bestimmt wird, misst das Ultraschallverfahren auch die Laufzeit eines Schallimpulses vom Aussenden in die Schraube bis zu dessen Rückkehr. Das einfache Prinzip erfordert aber umfangreiche Ausrüstung und Know-how für aussagefähige Ergebnisse. Die vergleichsweise kurze Schraubenlänge in Verbindung mit der hohen Geschwindigkeit der Schallausbreitung im Schraubenwerkstoff Metall erfordert Messungen innert weniger Nanosekunden. Auch müssen die Originalschrauben vorbereitet werden. Sie bekommen an beiden Enden exakt planparallele Flächen. Die untere Fläche dient der optimalen Reflexion des Schalls. Auf die plane Fläche am Schraubenkopf wird zur Schalleinkopplung und Aufnahme des Echoimpulses ein Piezoelement aufgebracht. Dazu gibt es zwei Varianten. Entweder wird ein vorgefertigtes Piezoelement eingeklebt, oder ein «Permanent Mounted Transducer System» (PMTS) installiert. Das günstige Klebeverfahren ist für schnelle, nicht zu anspruchsvolle Messungen gedacht, die Variante mit PMTS kann Verbindungen auch unter harschen Bedingungen messen und bleibt über Jahre hinweg funktionsfähig.

Möglichkeiten und Grenzen

Das Verfahren eignet sich für Schrauben aus Aluminium und Stahl für metrische Gewinde und für Schraube-Mutter-Verbindungen in Metall ab 4 mm Durchmesser aufwärts bei Klemmlängen grösser 1 mm. Die eingeklebte Piezoausführung ermöglicht Messungen im Bereich von - 35 bis + 125 °C, die PMTS-Version von - 40 bis + 165 °C. Die Ultraschallelemente können an Schraubköpfen Torx, Torx Plus und Innen- und Aussen-Sechskant angebracht werden. Als Option stehen auch Ausführungen für andere Antriebe zur Verfügung. Je nach Anwendervorgabe können unterschiedliche Messoptionen gewählt werden: Einmaliges Messen an einer oder mehreren Schraubstellen, Messen des Vorspannkraftverlaufs an einer Schraubstelle über einen definierten Zeitraum, oder Messen des Vorspannkraftverlaufs an bis zu acht Schraubstellen parallel über einen definierten Zeitraum. Für eine zuverlässige Messung sind mehrere Voraussetzungen essenziell. Dazu beraten die Experten von Arnold mit qualifiziertem Fachwissen. Die Eignung des innovativen Messverfahrens wird für die jeweilige Aufgabe genau und individuell geprüft. Das erfordert, detaillierte Informationen zu den einzelnen Komponenten der zu untersuchenden Verbindung bereitzustellen. Die eigentliche Prüfung findet üblich im hauseigenen Prüflabor statt. Dabei können auch grosse Objekte individuell eingespannt und geprüft werden. Bei ortsfesten Anlagen oder Messungen im laufenden Betrieb sind auch mobile Messungen vor Ort möglich. Das Messlabor übernimmt auch die vorbereitenden Arbeiten an Originalschrauben. Das betrifft unter anderem die spanende Bearbeitung planparalleler Flächen an Kopf und Gewindeende zu messender Schrauben sowie das Aufbringen eines Piezoelements.

Weitreichend optimieren

Die Ultraschallmessmethode zur Bestimmung der realen Vorspannkraft an Schrauben vereinfacht den Aufbau möglichst zuverlässiger Schraubverbindungen. Sie unterstützt mit realen Messwerten als Trainingsdaten KI-Konstruktionsprozesse besonders bei innovativen Werkstoffen und Fertigungsmethoden und kann bei der Fehlersuche helfen. Da auch Feldmessungen über längere Zeiträume möglich sind, entspricht der so gemessene Vorspannkraftverlauf den natürlichen Alterungsprozessen und gibt Auskunft über die Langzeitstabilität von Schraubverbindungen.

(kmu)

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