-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen oder Lösen einer Schraubverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Schraubenelements bekannt. Beispielsweise bei Verwendung einer selbstschneidenden Schraube als Schraubenelement wird über eine Schraubeinrichtung (Schraubendreher oder motorisch angetriebener Schrauber) ein Drehmoment auf das Schraubenelement eingeleitet, das in Zusammenhang mit einer in Längsrichtung des Schraubenelements auf das Schraubenelement wirkenden Kraft dafür sorgt, dass sich das Gewinde des Schraubenelements durch Verdrängen von Material der beiden Bauteile in diese eingräbt und dabei miteinander kraft- und formschlüssig verbindet. Je nach Größe bzw. Durchmesser des Schraubenelements, Art des Gewindegangs sowie Dicke bzw. Materialbeschaffenheit der Bauteile sind dabei relativ hohe Drehmomente auf das Schraubenelement erforderlich, die es erfordern, insbesondere die Schraubeinrichtung mit einem drehmomentstarken Antrieb auszustatten, wodurch dieser relativ aufwendig ist. Darüber hinaus ist auch ein entsprechend eine relativ hohe Festigkeit aufweisendes Schraubenelement erforderlich.
-
Auch ist es beispielsweise bei Schlagbohrmaschinen oder aus dem Kfz-Bereich bei der Montage bzw. dem Wechseln von Befestigungsschrauben bei Rädern bekannt, eine Schraubeinrichtung derart auszugestalten, dass in Drehrichtung zum Eindrehen bzw. Lösen eines Schraubenelements eine schlagartig auftretende Drehmomenterhöhung vorgesehen ist (Schlagschrauberprinzip).
-
Dadurch lässt sich ein Anzugsmoment für das Schraubenelement zusätzlich steigern oder beispielsweise eine durch Korrosion festsitzende Schraube aus Bauteilen losrütteln bzw. lösen.
-
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik das sogenannte Ultraschallschweißen bekannt, bei dem durch Einleiten einer Schwingungsenergie in Form von Vibrationen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Bauteilen ermöglicht wird. Dies erfolgt durch lokales Erwärmen bzw. Aufschmelzen des Materials der Fügepartner in einem Verbindungsbereich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen oder Lösen einer Schraubverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass reduzierte Anziehmomente des Schraubenelements bzw. erhöhte Haltekräfte sowie erhöhte Lösemomente auf das Schraubenelement erzielt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass während des Schraubvorgangs (gemeint ist hierbei sowohl das Herstellen einer Schraubverbindung als auch das Lösen einer Schraubverbindung) das Schraubenelement und/oder das wenigstens eine Bauteil, das mit dem Schraubenelement in Wirkverbindung angeordnet ist, in Vibrationen versetzt werden/wird. Wesentlich dabei ist, dass unter Vibrationen im Sinne der Erfindung, im Gegensatz zu dem angesprochenen Schlagschrauberprinzip, hochfrequente Vibrationen bzw. Schwingungen verstanden werden, die bezogen auf einen Nullwert in beide Richtungen gleichmäßige Amplituden bei einer konstanten Frequenz aufweisen. Wichtig dabei ist auch, dass die an der Schraubverbindung teilnehmenden Fügepartner, in der Regel wenigstens ein Bauteil, fixiert angeordnet sind, damit es zu einer Relativbewegung zwischen dem schwingenden Schraubenelement und den Fügepartnern kommen kann. Als Schraubenelemente können unterschiedlichste Elemente Verwendung finden, beispielsweise Schraubenelemente mit selbstschneidenden Gewindegängen oder solche, die mit anderen Elementen einer Gewindeverbindung, insbesondere Gewindemuttern, zusammenwirken. Auch können die Schraubenelemente aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wie z.B. Kunststoff, Aluminium, Stahlwerkstoffen oder anderen metallischen Legierungen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
In Versuchsreihen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schwingweite (darunter wird die Summe der Größe der Amplitude bei in negativer und positiver Richtung verlaufender Schwingung verstanden) zwischen 10µm und 100µm und die Frequenz der Vibrationen zwischen 15kHz und 40kHz beträgt. Es handelt sich somit um ein Frequenzspektrum, das typischerweise im Bereich des Ultraschalls liegt. Dabei wird das Schraubenelement durch den Ultraschall in longitudinaler Richtung zum Schwingen angeregt.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Vibrationen in oder entgegen der Drehrichtung des Schraubenelements, d.h. in Umfangsrichtung des Schraubenelements, zu dem wenigstens einen Bauteil gerichtet sind. Damit ist eine Einleitung der Vibrationen in Umfangsrichtung des Schraubenelements gemeint, d.h., dass keine in Längsrichtung des Schraubenelements gerichteten Vibrationen auf das Schraubenelement eingeleitet werden.
-
Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Vibrationen entweder ausschließlich oder aber zusätzlich zu den in Umfangsrichtung wirkenden Vibrationen in oder entgegen der Längsachse des Schraubenelements gerichtet sind. Unabhängig davon, in welcher Richtung die Vibrationen übertragen werden, führt die Ultraschallüberlagerung bei konventionellen Einschraubvorgängen zu einer Verringerung der Reibung zwischen den an der Schraubverbindung teilnehmenden Elementen, sodass eine Erhöhung der Haltekraft sowie des Lösemoments der Verbindung ermöglicht wird.
-
Bei einer Ausrichtung der Vibrationen in oder entgegen der Längsachse des Schraubenelements führt jeweils die negative Amplitude der Vibrationen zur Entlastung des Schraubenelements. Während dieses Entlastungszeitpunktes nimmt das erforderliche Drehmoment, um das Schraubenelement weiter in die Verbindung zu drehen, ab. Dieser kurzzeitig, während des Schraubprozesses kontinuierlich auftretende Effekt ermöglicht es, gegenüber konventionellen Schraubverbindungen ohne die Verwendung von Vibrationen, bei identischem Anziehmoment höhere Haltekräfte bzw. höhere Lösemomente zu realisieren. Gleichermaßen kann eine in Umfangsrichtung wirkende Einleitung der Vibrationen in das Schraubenelement zur Reibungsreduktion führen.
-
Ein weiterer, das erfindungsgemäße Verfahren in positiver Art und Weise verstärkender Effekt wird erzielt, wenn durch die Vibrationen das Schraubenelement und/oder das wenigstens eine Bauteil erwärmt oder in den Materialeigenschaften verändert werden/wird, derart, dass die Festigkeit des wenigstens einen Bauteils herabgesetzt wird. Bei einer Übertragung der Vibrationen auf das Schraubenelement findet eine Erwärmung des Bauteils durch Wärmeübertragung von dem Schraubenelement auf das wenigstens eine Bauteil statt. Dadurch wird bei fließlochformenden Direktverbindungen (darunter werden im Wesentlichen Schraubverbindungen verstanden, die unter Einsatz eines Schraubenelements mit einem selbstformenden Gewinde hergestellt werden) durch die ultraschallbedingte Erwärmung der Fügepartner eine Herabsetzung deren Zugfestigkeiten und Streckgrenze erzielt, sodass eine Senkung der Prozesskräfte und der erforderlichen Momente die Folge ist.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass zwischen dem Schraubenelement und dem wenigstens einen Bauteil eine lokale Schweißverbindung oder eine Verlötung erzeugt wird. Voraussetzung für eine derartige Schweiß- bzw. Lötverbindung ist es, dass durch die Einleitung der Vibrationen das Schraubenelement und das wenigstens eine Bauteil bereichsweise erwärmt werden. Dabei kann eine Verschweißung zwischen der Unterseite des Schraubkopfes des Schraubenelements und der Bauteiloberfläche oder zwischen dem Gewindeschaft und den Gewindegängen im Bauteil stattfinden. Eine derartige Verbindung hat insbesondere den Vorteil, dass auf zusätzliche, separate Bauelemente in Art einer Verliersicherung, wie diese bei üblichen Schraubverbindungen vorgesehen sein kann, verzichtet werden kann. In ähnlicher Weise können bei Kunststoffverschraubungen (gemeint sind hierbei Verschraubungen zwischen einem aus Kunststoff bestehenden Schraubenelement und einem aus Kunststoff bestehenden Fügepartner) die Verbindungsfestigkeiten durch Verschweißung des Schraubenelements mit den Fügepartnern deutlich erhöht werden.
-
Gleichermaßen sind Kaltverschweißungen an Metallverschraubungen realisierbar.
-
Insbesondere bei komplexen konventionellen Verschraubungen, z.B. in Aluminium- oder Magnesiumdruckgusskörpern, ist häufig die gewünschte Prozessstabilität nicht gegeben, da bei einer konstanten Axialkraft das benötigte Anziehdrehmoment eines Schraubenelements stark abhängig von der Schraubenbeschichtung, der Schmierung und der Qualität der in den Fügepartnern ausgebildeten Gewindebohrung ist. Beim ultraschallunterstützten Verschrauben können in vorteilhafter Weise durch die Ultraschallzuschaltung reproduzierbare Anziehmomente bei konstanter Axialkraft realisiert werden. Ein weiterer, das erfindungsgemäße Verfahren in positiver Weise verstärkender Effekt wird erzielt, wenn eine Verlötung durch eine beschichtete Schraube mit dem Bauteil durch eine Erwärmung mittels Ultraschall am Ende des Einschraubprozesses stattfindet.
-
Weiterhin kann es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schwingweite und/oder die Frequenz der Vibrationen während des Schraubprozesses verändert werden/wird. Dadurch wird eine optimale Anpassung des Prozesses an den jeweils spezifischen Anwendungsfall ermöglicht.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zum Lösen einer Schraubverbindung zwischen zumindest einem Bauteil und einem mit dem mit zumindest einen Bauteil kaltverschweißten oder verlöteten Schraubenelement zu Beginn des Ausschraubprozesses eine lokale Erwärmung durch die Vibrationen erzeugt wird
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen oder Lösen einer Schraubverbindung umfasst eine Schraubeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment auf ein Schraubenelement zu übertragen. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus eine Vibrationseinrichtung vorgesehen, die Vibrationen auf das Schraubenelement und/oder wenigstens ein mit dem Schraubenelement verbundenes Bauteil überträgt. Unter Vibrationen im Sinne der Erfindung werden Schwingungen verstanden, die bezogen auf einen Nullwert in beide Richtungen eine Amplitude aufweisen.
-
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Vibrationseinrichtung dazu ausgebildet ist, in oder entgegen der Drehrichtung des Schraubenelements zu dem wenigstens einen Bauteil und/oder in Längsrichtung des Schraubenelements gerichtete Vibrationen zu erzeugen.
-
Mit Blick auf den angesprochenen Frequenzbereich der Vibrationen ist die Vibrationseinrichtung als Ultraschallvibrationseinrichtung ausgebildet. Dabei kann die Vibrationseinrichtung entweder (bevorzugt) mit der Schraubeinrichtung verbunden sein, sodass die Vibrationen unmittelbar auf das Schraubenelement übertragen werden. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Vibrationseinrichtung mit wenigstens einem Bauteil verbunden ist, an dem die Schraubverbindung ausgebildet wird.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
-
1 und 2 jeweils im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbilden einer Schraubverbindung zu Beginn und am Ende eines Schraubprozesses und
-
3 eine gegenüber den 1 und 2 abgewandelte Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Schraubvorgangs, ebenfalls im Längsschnitt.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In den 1 und 2 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Herstellen oder Lösen einer Schraubverbindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Schraubeinrichtung 11 und eine mit der Schraubeinrichtung 11 in Wirkverbindung angeordnete Vibrationseinrichtung 12. Die Schraubeinrichtung 11 weist einen Werkzeugkopf 13 auf, der in einen Schlitz 2 eines Schraubenelements 1 eingreift. Bei dem Schraubenelement 1 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein mit einem Gewinde 3 versehenes, selbstschneidendes Schraubenelement 1, das dazu dient, zwei Bauteile 4, 5 miteinander zu verbinden. Hierzu ist es erforderlich, dass die Bauteile 4, 5 aus einem Material bestehen, das eine geringere Härte bzw. Festigkeit aufweist als das Schraubenelement 1.
-
Die Schraubeneinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, das Schraubenelement 1 um dessen Längsachse 7 mit einem Drehmoment Md zu drehen. Weiterhin wird von der Schraubeinrichtung 11 in Richtung der vorzugsweise fest eingespannten Bauteile 4, 5 eine Einschraubkraft F erzeugt.
-
Mittels der Vibrationseinrichtung 12 werden hochfrequente Vibrationen bzw. Schwingungen auf das Schraubenelement 1 übertragen. Die Vibrationen weisen dabei vorzugsweise eine Schwingweite zwischen 10µm und 100µm und eine Frequenz zwischen 15kHz und 40kHz auf. Bevorzugt ist die Vibrationseinrichtung 12 als Ultraschallvibrationseinrichtung 15 ausgebildet. Die von der Ultraschallvibrationseinrichtung 15 auf das Schraubenelement 1 übertragenen Vibrationen können dabei entweder in Richtung des Doppelpfeils 16 in paralleler Ausrichtung zur Längsachse 7 des Schraubenelements 1, oder in Richtung des Doppelpfeils 17 in Umfangsrichtung des Schraubenelements 1, d.h. senkrecht zur Längsachse 7, ausgerichtet sein und überlagern somit die Einschraubkraft F bzw. das Drehmoment Md.
-
Während des Einschraubprozesses des Schraubenelements 1 in die beiden Bauteile 4, 5 werden sowohl das Schraubenelement 1 als auch die beiden Bauteile 4, 5 erwärmt. Diese Erwärmung kann so stark sein, dass entsprechend der Darstellung der 2, bei der das Schraubenelement 1 vollständig in die beiden Bauteile 4, 5 eingeschraubt ist, eine lokale Verschweißung 18 zwischen der Unterseite 9 des Schraubenkopfs 8 und dem Bauteil 4 stattfindet. Abhängig von den verwendeten Materialien des Schraubenelements 1 bzw. der Bauteile 4, 5 kann dabei entweder ein lokales Aufschmelzen des Schraubenelements 1 und des Bauteils 4 stattfinden, falls die Erwärmung oberhalb der Schmelztemperatur des Materials des Schraubenelements 1 liegt, oder aber lediglich ein Aufschmelzen des Bauteils 4 im Bereich des Schraubenkopfes 8, wenn die erzeugte Temperatur noch unterhalb der Schmelztemperatur des Schraubenelements 1 liegt. In diesem Fall umgibt das Material des Bauteils 4 nach dem Erstarren den Bereich des Schraubenkopfes 8, was beispielsweise bei einem mehreckig ausgebildeten Schraubenkopf 8 zu einer Formschlussverbindung zwischen dem Schraubenkopf 8 bzw. dem Schraubenelement 1 und dem Bauteil 4 führt. Auch Kaltverschweißungen können in ähnlicher Art und Weise erzeugt werden.
-
In der 3 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei der die Vorrichtung 10a dazu ausgebildet ist, ein als Gewindeschraube ausgebildetes Schraubenelement 1a mittels des Werkzeugkopfes 13a zu verarbeiten. Darüber hinaus weist das Bauteil 4a eine Durchgangsöffnung 21 auf, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Schafts des Schraubenelements 1a. In dem Bauteil 5a ist demgegenüber eine Gewindebohrung 22 ausgebildet, die mit dem Gewinde 3a des Schraubenelements 1a zusammenwirkt. Erfindungswesentlich ist, dass die Vibrationseinrichtung 12a nicht mit der Schraubeinrichtung 11a verbunden ist, sondern mit dem Bauteil 5a. Eine derartige Ausgestaltung der Vorrichtung 10a bewirkt, dass die von der Vibrationseinrichtung 12a erzeugten Vibrationen auf das Bauteil 5a übertragen werden.
-
Die soweit beschriebene Erfindung kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, die Schraubeinrichtung 11, 11a derart auszubilden, dass diese lediglich dazu dient, das Schraubenelement 1, 1a zu halten oder aber mit der Einschraubkraft F zu beaufschlagen, nicht jedoch zu drehen. In diesem Fall ist eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen, die die Bauteile 4, 4a, 5, 5a relativ zu dem Schraubenelement 1, 1a dreht. Auch können bei der Vorrichtung 10 vorgesehene Merkmale bei der Vorrichtung 10a verwirklicht sein und umgekehrt.
