DE102021110368A1

DE102021110368A1 - Tightening method and device for the production of screw connections

Info

Publication number: DE102021110368A1
Application number: DE102021110368.1A
Authority: DE
Inventors: André Werner; Florian Zenzinger; Michael Schwalbe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anziehverfahren sowie eine Anziehvorrichtung zur Herstellung einer Schraubenverbindung, die es ermöglichen, eine Schraubenverbindung mit definierter Vorspannkraft unter Verwendung einer herkömmlichen metallischen Schraube (1) und einer passenden Sicherungsmutter (2) herzustellen. Während des Anziehvorganges wird die Sicherungsmutter (2) im freien Gewindebereich der Schraube (1) zur Erzeugung von Reibungswärme mit zyklischen Wechseldrehbewegungen hin- und her bewegt, bis die gleichzeitig gemessene, durch diese zyklische Reibungsbewegung ansteigende Schraubentemperatur einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat; die Sicherungsmutter (2) wird dann auf Anschlag angezogen. Das Anziehverfahren sowie die Anziehvorrichtung zur Herstellung einer Schraubenverbindung eignen sich insbesondere zum Anziehen von dynamisch beanspruchten Hochlastschraubenverbindungen, wie zum Beispiel Schraubenverbindungen im Stahlbau und im Schiffbau. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist Anziehen von Schrauben bei Unterwasserinstallationen.The invention relates to a tightening method and a tightening device for producing a screw connection, which make it possible to produce a screw connection with a defined pretensioning force using a conventional metallic screw (1) and a suitable locking nut (2). During the tightening process, the locking nut (2) is moved back and forth in the free thread area of the screw (1) to generate frictional heat with cyclical alternating rotational movements until the screw temperature, which is measured at the same time and which increases due to this cyclical frictional movement, has reached a specified target value; the lock nut (2) is then tightened to the stop. The tightening method and the tightening device for producing a screw connection are particularly suitable for tightening dynamically stressed high-load screw connections, such as screw connections in steel construction and shipbuilding. Another area of application is tightening screws in underwater installations.

Description

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.The invention relates to a tightening method and a tightening device for producing a screw connection as well as a set of parts provided for use in the tightening method. The method and device are particularly suitable for tightening dynamically stressed high-load screw connections, such as screw connections in steel construction and shipbuilding. Another area of application is the tightening of screws in underwater installations.

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.In the case of frictional connections, which include screw connections, the pretensioning force - in addition to the friction between the interconnected elements - is the central variable for the functionality of the connection according to Coulomb's law of friction. Since the friction can only be influenced to a limited extent, it is ultimately the preload force that has to be defined as precisely as possible in order to ensure the frictional connection.

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.However, with the most common torque-controlled tightening methods, the preload force can only be determined by indirect calculation, which requires knowledge of the friction conditions in the thread. In practice, thread friction is calculated using experience-based coefficients of friction. In many cases this is completely sufficient to pre-determine the pre-tensioning force or to set a tightening torque with which the required frictional connection of the screw connection can be ensured. However, since the conceivable material pairings are extremely diverse and lubricants are sometimes used when tightening, the pre-tensioning force can only rarely be precisely determined when tightening to a given tightening torque. Tightening devices for torque-controlled tightening of screw connections are in DE 42 43 501 A1 or DE 10 2008 048 076 A1 described.

Durch das ebenfalls bekannte drehwinkelgesteuerte Anziehen kann zwar grundsätzlich die Vorspannung besser ermittelt 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 .With the also known angle of rotation controlled tightening, the preload can in principle be better determined, since the elongation or expansion of the screw - and thus also the preload - can be determined via the angle of rotation without the thread friction having to be taken into account. As a rule, however, there is the problem of defining the starting point of the angle of rotation measurement. The stop, which is relatively easy to determine under normal workshop conditions, i.e. the point at which the nut touches the component to be connected and consequently the tightening torque increases significantly when tightening, can only be used to a limited extent as a starting point for the angle of rotation controlled tightening because, in addition to the elongation of the screw, settling phenomena take place in the thread. If you choose the stop as the starting point of a rotation angle-controlled measurement, the measured tightening rotation angle is divided between the settling phenomena and the elongation of the screw. These parts cannot be separated from each other. The pre-tensioning force determined in this way is therefore subject to considerable measurement errors. Because of this, a starting point for the angle-of-rotation-controlled tightening is usually selected that lies beyond the stop, ie clearly in the increase range of the tightening torque, in order to largely anticipate the settling phenomena. With regard to the starting point determined by the torque-controlled tightening, however, the above-described friction-related measurement errors come into play again. A tightening method controlled by the angle of rotation and a corresponding screwing tool for carrying out the method are disclosed, for example DE 10 2006 017 193 A1 .

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 gro-ßen Schraubendurchmessern oder Schraubenverbindungen mit hochfesten Schrauben, kann dies dazu führen, dass mittels gängiger Anziehvorrichtungen die erforderlichen Anzugskräfte oder -momente nicht aufbracht werden können.In addition, both with torque-controlled and with angle-of-rotation controlled tightening methods, the tightening force or tightening torque increases steadily with the increase in the pre-tensioning force. Particularly in the case of screw connections that are supposed to transmit very high forces, i.e. screw connections with large screw diameters or screw connections with high-strength screws, this can mean that the required tightening forces or torques cannot be applied using common tightening devices.

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. DE 1 922 430 A beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem das Anziehen mit der Erwärmung der Schrauben kombiniert wird, wobei die Erwärmung wiederum in einem Sackloch mittels einer eingeführten Heizspirale erfolgt.To avoid this problem, the screw can be heated - before the nut is screwed on - so that the screw bolt elongates according to its coefficient of thermal expansion. Then the nut is screwed onto the screw thread - while it is still heated - up to the stop or slightly beyond. During the subsequent cooling, the screw bolt shrinks, whereby the screw connection is pretensioned. The pre-tensioning force can be calculated based on a temperature measurement using the known physical relationships about thermal expansion and elastic deformation. The particular advantage of this method, known as thermal tightening, is that only slight tightening forces or torques have to be applied, but very high pretensioning forces can nevertheless be achieved. DE 10 2018 000 287 A1 describes such a tightening process and a corresponding tightening device. The disadvantage here, however, is that the heating is only possible in conjunction with a screw that has a blind hole. DE 1 922 430 A describes a similar process in which the tightening is combined with the heating of the screws, with the heating again taking place in a blind hole by means of an inserted heating coil.

Ein weiteres Verfahren zum Anziehen einer Schraube, bei dem die Erwärmung der Schraube gleichzeitig mit dem Anziehen erfolgt, offenbart DE 42 00 928 A1 . Als Methoden zur Erwärmung der Schrauben werden die induktive Erwärmung und die Erwärmung mit magnetischen Strahlen vorgeschlagen.Another method for tightening a screw, in which the heating of the screw occurs simultaneously with the tightening, is disclosed DE 42 00 928 A1 . The proposed methods of heating the screws are inductive heating and heating with magnetic rays.

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.The object of the invention is to provide a tightening method and a tightening device which make it possible to produce a screw connection with a defined pretensioning force using conventional metallic screws. The tightening should be able to be carried out with the lowest possible tightening forces or torques.

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.This object is achieved with a tightening method having the characterizing features according to claim 1 and a tightening device according to claim 8; Claim 10 describes a set of parts intended for use in the tightening process according to the invention. Expedient developments of the invention are listed in claims 2 to 7 and in claim 9.

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 zur Erzeugung von Reibungswärme mit zyklischen Wechseldrehbewegungen hin- und her bewegt und gleichzeitig die durch diese zyklische Reibungsbewegung ansteigende Schraubentemperatur gemessen. Die Sicherungsmutter wird bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes der Schraubentemperatur auf Anschlag angezogen. The tightening process for producing a screw connection is carried out using at least one metallic screw and a locking nut that matches the screw. According to the invention, during the tightening process, the locking nut in the free thread area of the screw is moved back and forth with cyclical alternating rotational movements to generate frictional heat and the screw temperature, which increases due to this cyclical frictional movement, is measured at the same time. The lock nut is tightened to the stop when a specified target value for the screw temperature is reached.

Diese zyklischen Hin- und Her-Drehbewegungen bzw. zyklischen Wechseldrehbewegungen der Sicherungsmutter erfolgen in Drehbewegungsphasen, in denen die Sicherungsmutter jeweils zwischen zwei, im freien Gewindegang liegenden Totpunkten mit wechselndem bzw. wechselweisem Drehsinn hin- und hergedreht (und gleichzeitig im Gewindegang auf und ab bewegt) wird. Beim normalen Anziehen wird die Sicherungsmutter stattdessen gewöhnlich kontinuierlich vorwärts gedreht, d. h. in Anzugsrichtung bzw. mit einer Axialbewegung der Sicherungsmutter in Richtung des Anschlags. Diese Vorwärtsbewegung endet beim erfindungsgemäßen Verfahren am anschlagsnahen Totpunkt. Die (folgenden) zyklischen Wechseldrehbewegungen umfassen nun mindestens eine Drehbewegungsphase mit Rückwärtsdrehung, d. h. gegen die Anzugsrichtung bzw. mit einer Axialbewegung der Sicherungsmutter weg vom Anschlag, die dann am anschlagsfernen Totpunkt endet, und mindestens eine nachfolgende Drehbewegungsphase mit Vorwärtsdrehung. Letztere Drehbewegungsphase mit Vorwärtsdrehung endet, sofern nicht die Solltemperatur erreicht ist, wieder am anschlagnahen Totpunkt. Die zyklischen Wechseldrehbewegungen werden zwischen diesen beiden Totpunkten nun fortwährend bis zum Erreichen der Solltemperatur fortgeführt. Vorzugsweise umfassen die zyklischen Wechseldrehbewegungen 2 bis 20 Drehbewegungsphasen mit Rückwärtsdrehung (sowie einer jeweils anschließenden Drehbewegungsphase mit Vorwärtsdrehung).These cyclic back and forth rotary movements or cyclic alternating rotary movements of the lock nut take place in phases of rotational movement in which the lock nut is rotated back and forth between two dead centers in the free thread with alternating or alternating directions of rotation (and at the same time moves up and down in the thread ) will. Instead, during normal tightening, the lock nut is usually continuously rotated forward, i.e., rotated forward. H. in the tightening direction or with an axial movement of the locking nut in the direction of the stop. In the method according to the invention, this forward movement ends at the dead center close to the stop. The (following) cyclic alternating rotary movements now include at least one rotary movement phase with backward rotation, i.e. H. against the tightening direction or with an axial movement of the locking nut away from the stop, which then ends at the dead center remote from the stop, and at least one subsequent rotational movement phase with forward rotation. The latter rotational movement phase with forward rotation ends again at the dead center close to the stop, unless the setpoint temperature has been reached. The cyclical alternating rotary movements are now continuously continued between these two dead points until the target temperature is reached. The cyclic alternating rotary movements preferably include 2 to 20 rotary movement phases with backward rotation (and a respective subsequent rotary movement phase with forward rotation).

Es genügt, die Drehweite während jeder Drehbewegungsphase so zu wählen, dass durch die Reibung im Gewinde Wärme erzeugt wird. Vorzugsweise wird die Sicherungsmutter während einer Drehbewegungsphase mindestens um eine volle Umdrehung im Gewindegang gedreht. Insbesondere liegt die Drehweite in jeder Drehbewegungsphase im Bereich von 2 bis 20 vollen Umdrehungen der Sicherungsmutter.It is sufficient to select the rotation distance during each phase of rotation so that heat is generated by the friction in the thread. The locking nut is preferably rotated by at least one full turn in the thread during a rotational movement phase. In particular, the range of rotation in each rotational movement phase is in the range of 2 to 20 full revolutions of the locking nut.

Die verwendete Sicherungsmutter besitzt ihrer Natur gemäß ein Sicherungselement zur Erzeugung des Sicherungsmoments und unterscheidet sich hierdurch von gängigen Standardmuttern. Die Sicherungsmutter kann deshalb 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 allerdings vernachlässigbar. Durch die erfindungsgemäße zyklische Wechseldrehbewegung kann die Schraubentemperatur durch die Gewindereibung so stark erhöht werden, dass sich die Schraube signifikant längt.The locking nut used by its nature has a locking element for generating the locking torque and this differs from common standard nuts. The lock nut can therefore only be used when overcoming the low locking torque, i. H. can only be moved by overcoming the static or sliding friction in the thread. When the lock nut moves in the free thread, heat is generated due to friction, compared to a standard nut without a locking element. However, if the lock nut moves in one direction, the associated increase in temperature is negligible. As a result of the cyclical alternating rotational movement according to the invention, the screw temperature can be increased so much by the thread friction that the screw is significantly elongated.

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.The tightening process makes it possible to tighten the screw connection with low tightening forces or torques, since only the locking torque has to be overcome when tightening up to the stop.

Die gute Wärmeleitung der metallischen Schraube gewährleistet, dass sich die im Gewindebereich erzeugte Wärme schnell im gesamten Schraubenbolzen verteilt. Nach kurzer Zeit der wechselweisen 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.The good thermal conductivity of the metallic screw ensures that the heat generated in the thread area is quickly distributed throughout the entire screw bolt. After a short period of alternating cyclical frictional movement, the screw has an almost even, increased temperature, which leads to the thermally induced elongation of the screw bolt. The screw temperature is measured contact-free or in contact; it serves as an indicator of sufficient elongation of the screw bolt. As soon as the specified target value for the screw temperature is reached, the locking nut is tightened to the stop. When the screw connection cools down, it shrinks the screw bolt with the formation of the preload in the screw connection. The preload force can be determined for the specific geometry of the screw connection by calculating the thermal shrinkage on the basis of the expansion coefficient and by subsequently calculating the elastic stress on the basis of the modulus of elasticity and the thermal shrinkage expansion.

Das Anziehverfahren kann mit allen herkömmlichen metallischen Schrauben durchgeführt werden; Spezialschrauben sind nicht erforderlich. Besonders geeignet ist das Anziehverfahren für das Anziehen von Dehnschrauben.The tightening process can be carried out with all conventional metal screws; Special screws are not required. The tightening process is particularly suitable for tightening expansion screws.

Zudem werden beim erfindungsgemäßen Anziehverfahren keine zusätzlichen Erwärmungseinrichtungen oder 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.In addition, in the tightening method according to the invention, no additional heating devices or heat sources for increasing the temperature of the screw, such as gas burners and / or electrical heating systems, are required. The heat input forms part of the tightening process. Thus, slightly modified tightening devices based on known screwdriving tools, such as electric or pneumatic screwdrivers, but in particular torque- and / or angle-of-rotation-controlled EC screwdrivers (EC, electronic controlled) can be used.

So muss beispielsweise im Brückenbau, insbesondere bei der schnellen Erstellung von Behelfsbrücken, nicht auf die Vorrichtungen zur induktiven Erwärmung der Schrauben zurückgegriffen werden.For example, when building bridges, especially when building temporary bridges quickly, there is no need to resort to the devices for inductive heating of the screws.

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.According to one embodiment of the tightening process, the torque of the rotational movement of the locking nut is measured during the tightening process. Reaching the stop is or is defined as a predetermined increase in the torque. The anchor point can be programmed in this way, especially when using automatic tightening devices.

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.The screw temperature can, for example, be contactless at the screw end, i. H. at the end of the screw opposite the screw head, measured by means of a pyrometer. The advantage of this embodiment of the tightening process is that the pyrometer can be integrated into the tightening device that usually acts on the nut side.

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.Alternatively, a non-contact, but preferably contact, measurement of the screw temperature on the screw head is possible. The touching or tactile measurement of the screw temperature on the screw head can take place, for example, by means of a thermocouple.

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.The method can also be carried out using a metallic screw that has a thermal color marking on the screw head. This thermal color marking serves as an indicator that shows that the specified target value for the screw temperature has been reached. When using screws marked in this way, the screw temperature is measured indirectly through the change in color of the thermal color; additional measuring devices are therefore not required. This is particularly advantageous in underwater installations. A set of parts provided for use in the tightening process according to the invention contains, for example, the metallic screw with the thermal color marking and the locking nut that matches the screw.

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.The locking nut is preferably a self-locking solid metal nut, for example a stover nut. The self-locking with full metal nuts can, among other things. can be achieved by partial deformation of the nut (stover nut) or by a slight geometric change in a thread.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Drehgeschwindigkeit der Sicherungsmutter während der Drehbewegungsphasen der zyklischen Wechseldrehbewegungen 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 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.It can also be provided that the rotational speed of the locking nut is increased and decreased during the rotational movement phases of the cyclical alternating rotational movements between the dead centers so that the rotational speed of the locking ^nut reaches at least 50 rpm in the respective rotational movement phase; preferably in the range of 100 U · min ^-1 to 200 min ^-1 · U. The increase in temperature depends on the frictional power introduced into the thread; the frictional power, in turn, is correlated with the friction speed and thus the speed of rotation. The proposed rotation speeds lead to particularly rapid heating in the thread. Local overheating on the friction surfaces is avoided in the preferred interval.

Nach Maßgabe der Erfindung ist Anziehvorrichtung dazu eingerichtet, das offenbarte Anziehverfahren durchzuführen. Hierzu umfasst die Anziehvorrichtung beispielsweise eine Steuereinheit mit einer eingespeicherten Programmierung.According to the invention, the tightening device is set up to carry out the disclosed tightening method. For this purpose, the tightening device comprises, for example, a control unit with stored programming.

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 einer 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.The tightening device for carrying out the tightening process can be an electronically controlled screwing tool in which a pyrometer is integrated for contactless measurement of the screw temperature. The pyrometer is preferably arranged coaxially in a screw spindle of the screwing tool that is connected to a key element for tightening the locking nut. The field of view of the pyrometer is thus axially centered on the screw end when the nut is tightened.

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.

The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and with reference to the schematic drawings, wherein identical or similar features are provided with the same reference numerals. To do this, show:

1 : three phases in the implementation of the tightening process for creating a screw connection, each in longitudinal section, and
2 : the tightening device in longitudinal section.

Die Schraubenverbindung gemäß der 1 umfasst die beiden zu verbindenden Bauteile 3, die metallische Schraube 1 und die Sicherungsmutter 2.The screw connection according to the 1 includes the two components to be connected 3 who have favourited Metallic Screw 1 and the lock nut 2 .

Während der ersten Phase des Anziehverfahren gemäß 1a wird die Sicherungsmutter 2 im freien Gewindebereich der Schraube 1 mit zyklischen Wechseldrehbewegungen hin- und her gedreht. Die Pfeile symbolisieren die zyklischen Wechseldrehbewegungen und die resultierende, ebenfalls wechselweisen zyklischen Axialbewegungen der Sicherungsmutter 2 auf dem freien Gewindebereich der Schraube 1.During the first phase of the tightening process according to 1a becomes the lock nut 2 in the free thread area of the screw 1 rotated back and forth with cyclical alternating rotary movements. The arrows symbolize the cyclical alternating rotational movements and the resulting, likewise alternating cyclical axial movements of the locking nut 2 on the free thread area of the screw 1 .

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.
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.

The screw temperature can be measured in different ways, with in 1a two different variants are given:

According to the first variant, the screw temperature is contactless by means of the pyrometer 4th measured. The pyrometer 4th is so on the screw end 1.2 directed that the one from the screw end 1.2 outgoing infrared measurement radiation 4.1 from the pyrometer 4th is captured. The measuring radiation 4.1 is in the pyrometer 4th converted into electrical quantities and sent to a temperature display unit 6th forwarded.
According to the second variant shown, the screw temperature is tactile at the screw head 1.1 by means of the thermocouple 5 measured. The one on the thermocouple 5 measured screw temperature is also shown on a temperature display unit 6th brought to the display.

Sobald die Schraubentemperatur einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat, werden die zyklischen Wechseldrehbewegungen 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.As soon as the screw temperature has reached a specified target value, the locking nut begins to rotate cyclically 2 finished and the lock nut 2 in the second phase - see here 1b - tightened to the stop. The arrow representation in 1b symbolizes the tightening to the stop, ie the contacting of the locking nut 2 at the top of the two components to be connected 3 .

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.In the third phase accordingly 1c finds the cooling of the screw 1 instead of. The locking nut that sits on the stop 2 presses the two components 3 due to the thermal shrinkage of the screw 1 against each other. The arrows in 1c symbolize the thermal shrinkage of the screw 1 .

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.The tightening device according to 2 is an electronically controlled screwing tool 7th (EC screwdriver) on its screw spindle 8th the key element 9 is located. The key element 9 can be, for example, an exchangeable socket wrench that fits onto the screw spindle 8th can be attached in a known manner. Coaxial within the screw spindle 8th of the screwdriver 7th is the pyrometer 4th .

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.To create the screw connection between the two components 3 by means of the screw 1 and the lock nut 2 becomes the key element 9 on the lock nut 2 attached. Tightening is done by first alternating the screw spindle 8th and with this through torque transmission by means of the key element 9 the lock nut 2 be moved back and forth. The further process sequence for producing the screw connection corresponds to the explanation 1 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Schraubescrew
1.11.1: SchraubenkopfScrew head
1.21.2: SchraubenendeScrew end
22: SicherungsmutterLock nut
33: BauteileComponents
44th: Pyrometerpyrometer
4.14.1: MessstrahlungMeasuring radiation
55: ThermoelementThermocouple
66th: TemperaturanzeigeeinheitTemperature display unit
77th: SchraubwerkzeugScrewdriver
88th: SchraubspindelScrew spindle
99: SchlüsselelementKey element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 4243501 A1 [0003]
DE 102008048076 A1 [0003]
DE 102006017193 A1 [0004]
DE 102018000287 A1 [0006]
DE 1922430 A [0006]
DE 4200928 A1 [0007]

Claims

Tightening method for producing a screw connection using at least one metallic screw (1) and a lock nut (2) that matches the screw (1), characterized in that during the tightening process the lock nut (2) in the free thread area of the screw (1) is used to generate Frictional heat is moved back and forth with cyclical alternating rotational movements and at the same time the screw temperature, which rises due to this cyclical frictional movement, is measured, with the locking nut (2) being tightened to the stop when a predetermined target value of the screw temperature is reached, and the cyclical alternating rotational movements at least one phase of rotation against the tightening direction and comprise at least one subsequent rotational movement phase in the tightening direction, the locking nut (2) being rotated by at least one full revolution during each of the rotational movement phases.

Tightening process according to Claim 1 , characterized in that the torque of the rotational movement of the locking nut (2) is measured during the tightening process, the reaching of the stop being defined as a predetermined increase in the torque.

Tightening process according to Claim 1 or 2 , the screw temperature being measured without contact at the screw end (1.2) by means of a pyrometer (4).

Tightening process according to Claim 1 or 2 , the screw temperature being measured tactilely on the screw head (1.1) by means of a thermocouple (5).

Tightening process according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the locking nut (2) is a self-locking full metal nut.

Tightening process according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the rotational speed of the locking nut (2) is increased and decreased during the rotational movement phases of the cyclical alternating rotational movements between the dead centers so that the rotational speed of the locking nut (2) reaches ^{at least 50 rpm in the respective rotational movement phase.}

Tightening process according to Claim 6 , Characterized in that the speed of rotation of the locknut (2) is increased so during the rotation phase of cyclical rotational movement between the dead centers and lowered, that the rotational speed of the locknut (2) in the respective rotational phase of movement in the range of 100 U · min ^-1 to 200 U · min ^-1 .

Tightening device, set up to carry out the tightening process according to one of the Claims 1 until 7th , the tightening device being an electronically controlled screwing tool (7), characterized in that a pyrometer (4) for contactless measurement of the screw temperature is integrated in the screwing tool (7).

Tightening device after Claim 8 , characterized in that the pyrometer (4) is arranged coaxially in a screw spindle (8) of the screwing tool (7) connected to a key element (9) for tightening the locking nut (2).

Set of parts for use in a tightening process according to one of the Claims 1 until 7th , comprising a metallic screw (1) and a locking nut (2) matching the screw (1), characterized in that the screw head (1.1) of the screw (1) has a thermal color marking.