DE10115403B4

DE10115403B4 - Einstellung der Fließkraft einer Schraube

Info

Publication number: DE10115403B4
Application number: DE2001115403
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. Jutz (Fh); Gerhard Dipl.-Ing. Turlach
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: DE10115403A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung von Toleranzen in der Streckgrenzencharakteristik bei der Herstellung eines Werkstücks, insbesondere bei einer Schraube oder einem Gewindeformteil, mit einer thermischen Vergütung, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch Recken auf eine definierte Fließkraft (11) oberhalb der durch die thermische Vergütung erzielter Streckgrenze (4, 5) plastifiziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Toleranzen in der Streckgrenzencharakteristik bei einem Werkstück, insbesondere einer Schraube, einem Gewindeformteil oder ähnlichem.
Beim Verspannen beispielsweise einer Schraube ist es zur Berechnung der Belastung der eingesetzten Werkstoffe wichtig, die Vorspannkraft der Schrauben bestimmen zu können. Ein relativ genaues und dabei auch wirtschaftliches Verfahren ist das überelastische Anziehen, bei dem die Schraube so lange angezogen wird, bis die Streckgrenze des Materials überschritten ist. Die Streckgrenze ist dabei eine Kenngröße des Werkstoffes, die durch geeignete Methoden beeinflusst werden kann.

In der Veröffentlichung „Schrittfolge. Kaltgeformte Verbindungselemente aus vergüteten Vorprodukten" von H. Köhler (in: Maschinenmarkt, Würzburg 93 (1987) 22, S. 82 ff.) wird vorgeschlagen, die Streckgrenze durch künstliches Altern frei einzustellen und damit Werkstücke mit weitgehend identischen Materialkenngrößen zu erzeugen.

Alternativ kann eine Beeinflussung der Streckgrenze auch durch thermisches Vergüten erfolgen, wie es beispielsweise in der DE 26 35 188 A1 gezeigt ist. Durch dieses thermische Vergüten wird die Streckgrenze des Werkstoffes erhöht. Ein Problem ist dabei aber die Streuung der Werte der Streckgrenze nach der thermischen Vergütung. Bei einer Streuung der Werte der Streckgrenze streut beim überelastischen Anziehen mit der Streckgrenze als Bezugsgröße auch die Vorspannkraft entsprechend. Diese Streuung kann durch eine exakte Temperaturführung bei der Vergütung reduziert werden. Dies ist aber sehr aufwendig, entsprechend kostenintensiv und kann auch nicht zu einer umfassenden Beseitigung dieser Streuungen führen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, diese nach der thermischen Vergütung bestehenden Streuungen deutlich zu reduzieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der vorgenannten Art vorgeschlagen, das Werkstück auf eine definierte Fließkraft oberhalb der Streckgrenze zu plastifizieren.

Durch Einstellen einer definierten Streckgrenze bei den Werkstücken ist es möglich, durch überelastisches Anziehen die Vorspannkraft mit weit geringerer Toleranz einzustellen, als bei Verbindungselementen, die entweder gar nicht vergütet oder allein wärmebehandelt, thermisch vergütet oder aus einem vorvergüteten Werkstoff hergestellt sind. Ein plastisches Fließen, das beim überelastischen Spannen als Anzeige für das Erreichen der gewünschten Vorspannung dient, erfolgt bei Plastifizierung über die Streckgrenze erst dann, wenn aufgrund der Belastung der plastifizierte Bereich verlassen wird. Die Toleranzen und Abweichungen bei den Werten der Streckgrenze führen zu einem unterschiedlichen Verlauf im Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Je früher die Hooke'sche Gerade und damit der elastische Bereich verlassen wird, desto geringer ist der Wert der Streckgrenze und damit auch die Vorspannkraft beim überelastischen Anziehen. Das Verlassen des linear-elastischen Bereichs dient dabei als Messgröße. Der nach dem Vergüten unterschiedliche Verlauf im Spannung-Dehnungs-Diagramm mit unterschiedlichen Werten für die Streckgrenze wird durch den Plastifiziervorgang insoweit normiert, dass eine neue einheitliche Streckgrenze eingestellt wird, die im Bereich plastischen Fließens oberhalb des Streubereichs der ursprünglichen Streckgrenzenwerte liegt.

Mit Vorteil wird dabei das Werkstück mit einer definierten axialen Zugkraft gereckt. Der Reckvorgang wird mit einer axialen Belastung im Bereich des Anwendungsfalls durchgeführt, wodurch der Wert der Fließgrenze im Belastungsfall dem durch den Reckvorgang eingestellten Wert weitgehend entspricht. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm führt dieses Recken über die Streckgrenze zu einer normierten Fließkraft.

In weiter günstiger Ausbildung des Verfahrens wird bei Verwendung einer Schraube diese beim Reckvorgang zwischen im Bereich des Gewindes angreifenden Backen und einem am Schraubenkopf ansetzenden Gegenpart in axialer Richtung mit einer definierten Kraft gereckt.

Vorteilhafterweise kann dabei eine Vorrichtung zum Recken eines Werkstückes zum Einsatz kommen, die eine Steuereinrichtung mit einer Vorrichtung zum Aufbringen einer definieren Zugkraft aufweist, wobei es günstig ist, die Vorrichtung hydraulisch auszubilden.

Mit Vorteil ist die hydraulische Anordnung ein Zweikammersystem mit einer gemeinsamen, beweglichen Trennwand, an der die Zugeinrichtung angeordnet ist, wobei die Bewegung der Trennwand durch den sich in der Kammer mit sich verringerndem Volumen aufbauenden Druck begrenzt ist. Durch den sich mit der Bewegung der Trennwand aufbauenden Druck in der Kammer, deren Volumen durch die Bewegung reduziert wird, kann die Bewegung der Trennwand und damit auch die axiale Zugkraft auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt werden.

In alternativer Ausbildung kann zur Bestimmung der axialen Zugkraft auch ein Kraftmesssensor angeordnet sein, mit dem der Wert konkret bestimmbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zu der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels sowie den weiteren Patentansprüchen entnommen werden.

In der Zeichnung ist mit der einzigen Figur in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der jeweilige Kurvenlauf 1 und 2 zweier thermisch vergüteter Schrauben eines identischen Werkstoffs dargestellt. Im linearelastischen Hookeschen Bereich 3 ist der Verlauf der beiden Kurven 1 und 2 daher auch identisch.
Auch bei sorgfältiger Temperaturführung bei der Wärmebehandlung des Werkstoffes zur Erhöhung der Streckgrenze ergeben sich aber Toleranzen beim Wert der Streckgrenze, die zu einem unterschiedlichen Kurvenverlauf im Spannungs-Dehnungs-Diagramm führen. Die Streckgrenze nach dem thermischen Vergüten ist bei der Kurve 1 mit dem Bezugszeichen 4 und bei der Kurve 2 mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Die durch die Toleranz beim Vergüten auftretende Differenz 6 zwischen den Werten der Spannung bei den Streckgrenzen 4 und 5 ist die Differenz, die beim überelastischem Anziehen zwischen den Vorspannungen beim Einsatz der beiden Schrauben auftritt. Dies ist darin begründet, dass beim überelastischen Anziehen dieses mit Beginn des plastischen Fließens des Werkstoffs beendet wird. Dieser Moment ist einfach festzustellen, da beim überelastischen Anziehen das Drehmoment im Verhältnis zum Drehwinkel bestimmt wird und bei Beginn des plastischen Fließens der Drehwinkel bei einem deutlich abfallenden Drehmoment weiter zunimmt.
Um diese Toleranzen bei den Werten der Streckgrenze zu vermeiden, wird eine thermisch vergütete Schraube zusätzlich gereckt, d.h. auf Zug beansprucht und dabei über die durch die thermische Vergütung erzielte Streckgrenze hinaus gedehnt. Dazu werden die beiden Schrauben mit den unterschiedlichen Kurvenverläufen 1 und 2 um eine definierte Spannung bzw. eine definierte Kraft 11 gedehnt. Die entsprechenden Punkte in den beiden Kurvenverläufen sind mit den Punkten gleicher Spannung 7 und 8 gekennzeichnet. Um durch den Reckvorgang jeweils zu der durch die Punkte 7 und 8 charakterisierten gleichen Fließkraft zu gelangen, wird die Schraube mit dem Kurvenlauf 1 um die Länge 9 und die Schraube mit dem Kurvenverlauf 2 um die Länge 10 plastisch gedehnt. Der durch den Reckvorgang neu begründete linearelastische Bereich bei den Kurvenverläufen ist mit den Bezugszeichen 1' und 2' gestrichelt dargestellt, wobei das Ende des linearelastischen Bereichs bei dem jeweils gleichen Spannungswert 11 endet und dann in plastisches Fließen übergeht. Die einzustellende Größe bei dem Reckvorgang ist die für alle Schrauben gleiche, definierte axiale Zugkraft und nicht das Längen der einzelnen Schrauben um einen bestimmten Wert.
Der Reckvorgang kann in besonders einfacher Weise dadurch erfolgen, dass der Schaft der Schraube durch eine entsprechend große Aufnahme eines Widerparts gesteckt wird, an dem der Schraubenkopf aufgrund des größeren Durchmessers zur Anlage kommt. Dieser Widerpart ist fest angeordnet. Am gewindeseitigen Ende der Schraube wird diese von beispielsweise ins Gewinde greifenden Backen erfasst, die in axialer Richtung mit der gewünschten Fließkraft eine Zugkraft auf die Schraube ausüben. Der Schraubenkopf liegt fest an dem Widerpart an, während der Schaft der Schraube unter dieser Kraft in axialer Richtung über die Streckgrenze des Werkstoffes nach dem thermischen Vergüten hinaus gedehnt wird. Vorzugsweise wird dabei die Zugkraft in einer entsprechenden Reckvorrichtung hydraulisch aufgebracht, um den Wert der Zugkraft konstant halten zu können.
Werden diese Schrauben dann beim Einbau an ihrem Einsatzort vorgespannt und dient als Maß für die Vorspannkraft überelastisches Anziehen, wird bei allen nach diesem Verfahren behandelten Schrauben bei der gleichen Vorspannkraft plastisches Fließen einsetzen. So lange die Vorspannung der Schraube in dem Bereich oberhalb der Streckgrenze des ungereckten Werkstoffes aber unterhalb der Spannung durch den Reckvorgang liegt, findet ein feststellbares plastisches Fließen nicht statt. Dabei ist es sinnvoll, die beim Recken aufzubringende Zugspannung so auszuwählen, dass diese im oberen Bereich der auftretenden Toleranzen liegt, da damit die Vorspannkraft insgesamt erhöht wird.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Toleranzen in der Streckgrenzencharakteristik bei der Herstellung eines Werkstücks, insbesondere bei einer Schraube oder einem Gewindeformteil, mit einer thermischen Vergütung, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch Recken auf eine definierte Fließkraft (11) oberhalb der durch die thermische Vergütung erzielter Streckgrenze (4, 5) plastifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Recken mit einer definierten axialen Zugkraft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Recken einer Schraube diese beim Reckvorgang zwischen im Bereich des Gewindes angreifenden Backen und einem am Schraubenkopf ansetzenden Gegenpart mit einer definierten Zugkraft gereckt wird.