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Die Erfindung betrifft ein Anziehverfahren und eine Anziehvorrichtung zur Herstellung einer Schraubenverbindung sowie einen zur Verwendung im Anziehverfahren vorgesehenen Teilesatz. Verfahren und Vorrichtung eignen sich insbesondere zum Anziehen von dynamisch beanspruchten Hochlastschraubenverbindungen, wie zum Beispiel Schraubenverbindungen im Stahlbau und im Schiffbau. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Anziehen von Schrauben bei Unterwasserinstallationen.
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Bei kraftschlüssigen Verbindungen, zu denen Schraubenverbindungen zählen, bildet die Vorspannkraft - neben der Reibung zwischen den miteinander verbundenen Elementen - gemäß dem Coulombschen Reibungsgesetz die zentrale Größe für die Funktionalität der Verbindung. Da die Reibung nur bedingt beeinflusst werden kann, ist es letztlich die Vorspannkraft die möglichst genau zu definieren ist, um den Kraftschluss sicherzustellen.
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Die Vorspannkraft ist allerdings bei den am meisten verbreiteten drehmomentgesteuerten Anziehverfahren nur durch indirekte Berechnung bestimmbar, wozu die Kenntnis der Reibungsverhältnisse im Gewinde erforderlich ist. In der Praxis wird die Gewindereibung mit erfahrungsbasierten Reibungskoeffizienten berechnet; in vielen Fällen ist dies völlig ausreichend, um die Vorspannkraft vorzubestimmen bzw. ein Anzugsdrehmoment festzulegen, mit dem der erforderliche Kraftschluss der Schraubenverbindung sichergestellt werden kann. Da die denkbaren Materialpaarungen jedoch enorm vielfältig sind und zudem mitunter mit Schmiermitteln beim Anziehen gearbeitet wird, ist die Vorspannkraft beim Anziehen auf ein vorgegebenes Anzugsdrehmoment nur selten exakt bestimmbar. Anziehvorrichtungen zum drehmomentgesteuerten Anziehen von Schraubenverbindungen sind u. a. in
DE 42 43 501 A1 oder
DE 10 2008 048 076 A1 beschrieben.
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Durch das ebenfalls bekannte drehwinkelgesteuerte Anziehen kann zwar grundsätzlich die Vorspannung besser bestimmt werden, da über den Drehwinkel die Längung bzw. Dehnung der Schraube - und damit auch die Vorspannung - erfassbar ist, ohne dass die Gewindereibung berücksichtigt werden muss. Es besteht jedoch im Regelfall die Problematik, den Startpunkt der Drehwinkelmessung festzulegen. Der unter üblichen Werkstattbedingungen relativ leicht zu ermittelnden Anschlag, d. h. der Punkt, an dem die Mutter das zu verbindende Bauteil berührt und folglich das Anzugsdrehmoment beim Anziehen signifikant ansteigt, ist nur begrenzt als Startpunkt für das drehwinkelgesteuerte Anziehen verwendbar, da neben der Längung der Schraube Setzerscheinungen im Gewinde stattfinden. Wählt man den Anschlag als Startpunkt einer drehwinkelgesteuerten Messung, teilt sich der gemessene Anzugsdrehwinkel nämlich auf die Setzerscheinungen und die Längung der Schraube auf. Diese Anteile können nicht voneinander getrennt werden. Die so ermittelte Vorspannkraft ist daher erheblich messfehlerbehaftet. Üblicherweise wird aufgrund dessen ein Startpunkt für das drehwinkelgesteuerte Anziehen gewählt, der jenseits des Anschlags, d. h. deutlich im Anstiegsbereich des Anzugsmoments liegt, um die Setzerscheinungen weitestgehend vorwegzunehmen. In Bezug auf den durch das drehmomentgesteuerte Anziehen festgelegten Startpunkt kommen allerdings wieder die oben beschriebenen reibungsbedingten Messfehler zum Tragen. Ein drehwinkelgesteuertes Anziehverfahren und ein entsprechendes Schraubwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens offenbart beispielsweise
DE 10 2006 017 193 A1 .
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Hinzu kommt, dass sich sowohl bei drehmomentgesteuerten als auch bei drehwinkelgesteuerten Anziehverfahren die Anzugskraft bzw. das Anzugsmoment mit dem Anstieg der Vorspannkraft stetig erhöhen. Insbesondere bei Schraubenverbindungen, die sehr hohe Kräfte übertragen sollen, also Schraubenverbindungen mit großen Schraubendurchmessern oder Schraubenverbindungen mit hochfesten Schrauben, kann dies dazu führen, dass mittels gängiger Anziehvorrichtungen die erforderlichen Anzugskräfte oder -momente nicht aufbracht werden können.
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Um dieses Problem zu umgehen, kann die Schraube - vor dem Aufschrauben der Mutter - erwärmt werden, wodurch sich der Schraubenbolzen gemäß seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten längt. Anschließend wird die Mutter auf das Schraubengewinde - noch während dies erwärmt ist - bis zum Anschlag oder leicht darüber hinaus angeschraubt. Beim anschließenden Abkühlen schrumpft der Schraubenbolzen, wodurch die Schraubenverbindung vorgespannt wird. Die Vorspannkraft kann - basierend auf einer Temperaturmessung - mittels der bekannten physikalischen Zusammenhänge über die Wärmedehnung und die elastische Deformation berechnet werden. Der besondere Vorteil dieser als thermisches Anziehen bekannten Methode liegt darin, dass nur geringfügige Anzugskräfte bzw. -momente aufgebracht werden müssen, dennoch aber sehr hohe Vorspannkräfte erreicht werden können.
DE 10 2018 000 287 A1 beschreibt ein solches Anziehverfahren und eine entsprechende Anziehvorrichtung. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Erwärmung nur in Verbindung mit einer Schraube möglich ist, die eine Sacklochbohrung aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Anziehverfahren sowie eine Anziehvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, eine Schraubenverbindung mit definierter Vorspannkraft unter Verwendung herkömmlicher metallischer Schrauben herzustellen. Das Anziehen soll mit möglichst geringen Anzugskräften bzw. -momenten durchführbar sein.
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Diese Aufgabe wird mit einem Anziehverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie eine Anziehvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst; einen zur Verwendung im erfindungsgemäßen Anziehverfahren vorgesehenen Teilesatz beschreibt Anspruch 10. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und in Anspruch 9 aufgeführt.
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Das Anziehverfahren zur Herstellung einer Schraubenverbindung wird unter Verwendung mindestens einer metallischen Schraube und einer zur Schraube passenden Sicherungsmutter durchgeführt. Erfindungsgemäß werden während des Anziehvorganges die Sicherungsmutter im freien Gewindebereich der Schraube mit zyklischen Drehbewegungen hin- und her bewegt und gleichzeitig die Schraubentemperatur gemessen. Die Sicherungsmutter wird bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes der Schraubentemperatur auf Anschlag angezogen.
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Die Sicherungsmutter kann nur bei Überwindung des niedrigen Sicherungsmomentes, d. h. nur durch Überwindung der Haft- bzw. Gleitreibung im Gewinde, bewegt werden. Bei Bewegung der Sicherungsmutter im freien Gewindegang wird - verglichen mit einer Standardmutter ohne Sicherungselement - reibungsbedingt Wärme erzeugt. Bei einsinniger Bewegung der Sicherungsmutter ist die damit einhergehende Temperaturerhöhung vernachlässigbar. Durch die erfindungsgemäße wechselweise bzw. zyklische Bewegung kann die Schraubentemperatur durch die Gewindereibung so stark erhöht werden, dass sich die Schraube signifikant längt.
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Das Anziehverfahren ermöglicht es, das Anziehen der Schraubenverbindung mit geringen Anzugskräften bzw. -momenten vorzunehmen, da lediglich das Sicherungsmoment beim Anziehen bis auf Anschlag überwunden werden muss.
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Die gute Wärmeleitung der metallischen Schraube gewährleistet, dass sich die im Gewindebereich erzeugte Wärme schnell im gesamten Schraubenbolzen verteilt. Nach kurzer Zeit der zyklischen Reibungsbewegung weist die Schraube eine nahezu gleichmäßige, erhöhte Temperatur auf, die zur thermisch bedingten Längung des Schraubenbolzens führt. Die Schraubentemperatur wird berührungsfrei oder berührend gemessen; sie dient als Indikator für die ausreichende Längung des Schraubenbolzens. Sobald der vorgegebene Sollwert der Schraubentemperatur erreicht ist, wird die Sicherungsmutter auf Anschlag angezogen. Beim Abkühlen der Schraubenverbindung schrumpft der Schraubenbolzen unter Ausbildung der Vorspannung in der Schraubenverbindung. Die Vorspannkraft kann für die spezifische Geometrie der Schraubenverbindung durch Berechnung der thermischen Schrumpfung auf Basis des Ausdehnungskoeffizienten und durch nachfolgende Berechnung der elastischen Spannung auf Basis des E-Moduls und der thermischen Schrumpfdehnung ermittelt werden.
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Das Anziehverfahren kann mit allen herkömmlichen metallischen Schrauben durchgeführt werden; Spezialschrauben sind nicht erforderlich. Besonders geeignet ist das Anziehverfahren für das Anziehen von Dehnschrauben.
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Zudem werden beim erfindungsgemäßen Anziehverfahren keine zusätzlichen Wärmequellen zur Temperaturerhöhung der Schraube, wie zum Beispiel Gasbrenner und/oder elektrische Heizsysteme benötigt. Die Wärmeeinbringung bildet einen Teil des Anziehvorgangs. Somit sind leicht modifizierte Anziehvorrichtungen auf Basis bekannter Schraubwerkzeige, wie zum Beispiel Elektro- oder Druckluftschrauber, insbesondere aber drehmoment- und/oder drehwinkelgesteuerte EC-Schrauber (EC, engl. electronic controlled) verwendbar.
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So muss beispielsweise im Brückenbau, insbesondere bei der schnellen Erstellung von Behelfsbrücken, nicht auf die Vorrichtungen zur induktiven Erwärmung der Schrauben zurückgegriffen werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Anziehverfahrens wird während des Anziehvorgangs das Drehmoment der Drehbewegung der Sicherungsmutter gemessen. Das Erreichen des Anschlags ist bzw. wird als eine vorgegebene Erhöhung des Drehmoments definiert. Insbesondere bei Verwendung automatischer Anziehvorrichtungen kann so der Anschlagpunkt programmiert werden.
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Die Schraubentemperatur kann beispielsweise berührungslos am Schraubenende, d. h. an dem, dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende der Schraube, mittels eines Pyrometers gemessen werden. Vorteil dieser Ausgestaltung des Anziehverfahrens ist, dass das Pyrometer in die meist mutternseitig angreifende Anziehvorrichtung integrierbar ist.
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Alternativ ist eine berührungslose, vorzugsweise aber berührende Messung der Schraubentemperatur am Schraubenkopf möglich. Die berührende bzw. taktile Messung der Schraubentemperatur am Schraubenkopf kann beispielsweise mittels eines Thermoelements erfolgen.
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Das Verfahren kann zudem unter Verwendung einer metallischen Schraube durchgeführt werden, die am Schraubenkopf eine Thermofarbmarkierung aufweist. Diese Thermofarbmarkierung dient als Indikator, der das Erreichen des vorgegebenen Sollwertes der Schraubentemperatur anzeigt. Bei Einsatz derartig markierter Schrauben erfolgt die Messung der Schraubentemperatur indirekt durch den farbumschlag der Thermofarbe; zusätzliche Messeinrichtungen sind insofern nicht erforderlich. Dies ist insbesondere bei Unterwasserinstallationen vorteilhaft. Ein zur Verwendung im erfindungsgemäßen Anziehverfahren vorgesehener Teilesatz enthält beispielsweise die metallische Schraube mit der Thermofarbmarkierung und die zur Schraube passende Sicherungsmutter.
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Vorzugsweise ist die Sicherungsmutter eine selbstsichernde Vollmetallmutter, zum Beispiel eine Stovermutter. Die Selbstsicherung bei Vollmetallmuttern kann u. a. durch partielle Deformation der Mutter (Stovermutter) oder durch leichte geometrische Veränderung eines Gewindeganges erreicht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Drehgeschwindigkeit der Sicherungsmutter während der Drehbewegungsphasen der zyklischen Drehbewegung zwischen den Totpunkten so erhöht und gesenkt wird, dass die Drehzahl der Sicherungsmutter in der jeweiligen Drehbewegungsphase mindestens 50 U·min-1 erreicht; vorzugsweise liegt sie im Wesentlichen im Bereich von 100 U·min-1 bis 200 U·min-1. Die Temperaturerhöhung hängt von der ins Gewinde eingebrachten Reibleistung ab; die Reibleistung wiederum ist mit der Reibgeschwindigkeit und somit der Drehgeschwindigkeit korreliert. Die vorgeschlagenen Drehgeschwindigkeiten führen zu einer besonders schnellen Erwärmung im Gewinde. Im bevorzugten Intervall werden lokale Überhitzungen an den Reibflächen vermieden.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist Anziehvorrichtung dazu eingerichtet, das offenbarte Anziehverfahren durchzuführen. Hierzu umfasst die Anziehvorrichtung beispielsweise eine Steuereinheit mit einer eingespeicherten Programmierung.
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Die Anziehvorrichtung zur Durchführung des Anziehverfahrens kann ein elektronisch gesteuertes Schraubwerkzeug sein, in das ein Pyrometer zur berührungslosen Messung der Schraubentemperatur integriert ist. Vorzugweise ist das Pyrometer koaxial in der mit einem Schlüsselelement zum Anziehen der Sicherungsmutter verbundenen Schraubspindel des Schraubwerkzeugs angeordnet. Das Sichtfeld des Pyrometers ist beim mutternseitigen Anziehen somit axial zentrisch auf das Schraubenende gerichtet.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen:
- 1: drei Phasen bei Durchführung des Anziehverfahrens zur Herstellung einer Schraubenverbindung, jeweils im Längsschnitt, und
- 2: die Anziehvorrichtung im Längsschnitt.
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Die Schraubenverbindung gemäß der 1 umfasst die beiden zu verbindenden Bauteile 3, die metallische Schraube 1 und die Sicherungsmutter 2.
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Während der ersten Phase des Anziehverfahren gemäß 1a wird die Sicherungsmutter 2 im freien Gewindebereich der Schraube 1 mit zyklischen Drehbewegungen hin- und her bewegt. Die Pfeile symbolisieren die zyklischen Drehbewegungen und die resultierende, ebenfalls zyklischen Axialbewegungen der Sicherungsmutter 2 auf dem freien Gewindebereich der Schraube 1.
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Die Messung der Schraubentemperatur kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei in 1a zwei unterschiedliche Varianten angegeben sind:
- Gemäß der ersten Variante wird die Schraubentemperatur berührungslos mittels des Pyrometers 4 gemessen. Das Pyrometer 4 ist so auf das Schraubenende 1.2 gerichtet, dass die vom Schraubenende 1.2 ausgehende infrarote Messstrahlung 4.1 vom Pyrometer 4 erfasst wird. Die Messstrahlung 4.1 wird im Pyrometer 4 in elektrische Größen gewandelt und an eine Temperaturanzeigeeinheit 6 weitergeleitet.
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Gemäß der zweiten dargestellten Variante wird die Schraubentemperatur taktil am Schraubenkopf 1.1 mittels des Thermoelements 5 gemessen. Die am Thermoelement 5 gemessene Schraubentemperatur wird ebenfalls auf einer Temperaturanzeigeeinheit 6 zur Anzeige gebracht.
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Sobald die Schraubentemperatur einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat, werden die zyklischen Drehbewegungen der Sicherungsmutter 2 beendet und die Sicherungsmutter 2 in der zweiten Phase - siehe hierzu 1b - auf Anschlag angezogen. Die Pfeildarstellung in 1b symbolisiert das Anziehen auf Anschlag, d. h. die Kontaktierung der Sicherungsmutter 2 am oberen der beiden zu verbindenden Bauteile 3.
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In der dritten Phase entsprechend 1c findet die Abkühlung der Schraube 1 statt. Die auf Anschlag sitzende Sicherungsmutter 2 presst die beiden Bauteile 3 infolge der thermischen Schrumpfung der Schraube 1 gegeneinander. Die Pfeildarstellungen in 1c symbolisieren die thermische Schrumpfung der Schraube 1.
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Die Anziehvorrichtung gemäß der 2 ist ein elektronisch gesteuertes Schraubwerkzeug 7 (EC-Schrauber), an dessen Schraubspindel 8 sich das Schlüsselelement 9 befindet. Das Schlüsselelement 9 kann zum Beispiel ein wechselbarer Steckschlüssel sein, der auf die Schraubspindel 8 in bekannter Weise aufsteckbar ist. Koaxial innerhalb der Schraubspindel 8 des Schraubwerkzeugs 7 befindet sich das Pyrometer 4.
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Zur Herstellung der Schraubenverbindung zwischen den beiden Bauteilen 3 mittels der Schraube 1 und der Sicherungsmutter 2 wird das Schlüsselelement 9 auf die Sicherungsmutter 2 aufgesteckt. Das Anziehen erfolgt, indem zunächst wechselweise die Schraubspindel 8 und mit dieser durch Drehmomentübertragung mittels des Schlüsselelements 9 die Sicherungsmutter 2 hin- und her bewegt werden. Der weitere Verfahrensablauf zur Herstellung der Schraubenverbindung entspricht der Erläuterung zu 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraube
- 1.1
- Schraubenkopf
- 1.2
- Schraubenende
- 2
- Sicherungsmutter
- 3
- Bauteile
- 4
- Pyrometer
- 4.1
- Messstrahlung
- 5
- Thermoelement
- 6
- Temperaturanzeigeeinheit
- 7
- Schraubwerkzeug
- 8
- Schraubspindel
- 9
- Schlüsselelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4243501 A1 [0003]
- DE 102008048076 A1 [0003]
- DE 102006017193 A1 [0004]
- DE 102018000287 A1 [0006]
