DE1812526A1

DE1812526A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdrehen von Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE1812526A1
Application number: DE19681812526
Authority: DE
Inventors: Jones James Byron; Pruder Gary D; Nicholas Maropis
Original assignee: Aeroprojects Inc
Current assignee: Aeroprojects Inc
Priority date: 1967-12-07
Filing date: 1968-12-04
Publication date: 1969-07-03
Also published as: US3521348A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verdrehen von Schraubverbindungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdrehen von Schraubverbindungen.
Sie befaßt sich insbesondere mit der Belastung von Schraubenverbindungen durch Drehschwingungen, um derartige Verbindungen besser Anziehen und Lösen zu können.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten zur Herstellung mechanischer Verbindungen. Schrauben werden gewöhnlich verwendet, wenn eine lösbare Verbindung gewünscht ist, und es gibt umfangreiche Untersuchungen darüber, wie der Bruch von Schraubverbindungen verhindert werden kann, die, wenn sie auch nicht unbedingt beim Entwurf derartiger Verbindungen verwendbar sind, doch oft einen Weg angeben können, in welcher Weise die Schraubverbindung zweckmäßig angezogen wird. Wie bekannt, wird eine Schraube beim Anziehen durch eine Zugspannung belastet, die im folgenden als Vorbelastung bezeichnet wird Wenn die Vorbelastung einer Schraube zunimmt, nimmt auch entsprechend die Fähigkeit der Schraubverbindung zu, statische oder dynamische Belastungen auszuhaiten, die die Verbindung auf Zug, Biegung oder Scherung belasten.
Wenn beispielsweise die Vorbelastung der Verbindung grösser als die Betriebslast ist, entsteht keine merkliche Spannungsänderung während des Betriebs und damit auch kein Versagen der Schraubverbindung durch Ermüdung, und zwar unabhängig von der Zahl der Lastwechsel, die auf die Verbindung einwirken.
Bei der Vorbelastung von Schraubverbindungen ist ferner wichtig, daß die aufgebrachte Vorbelastung über die gesanfte Gebrauchsdauer der Verbindung erhalten bleibt, und daß, wenn bei großen zu verbindenden Teilen mehrere Schrauben verwendet werden, diese untereinander dieselbe Vorbelastung erhalten.
Die tiblichen Techniken beim manuellen Aufbringen eines Drehmomentes oder beim stoßweisen Verdrehen sind nicht geeignet, die erwünschten Prozentsätze des aufgebrachten Drehmomentes in eine Vorbelastung der Schraube umzuwandeln, auch erlauben sie keine dauernde oder genügend genaue Messung oder Kontrolle der erreichten Vorbelastung. Diese Unmöglichkeit, das aufgebrachte Drehmoment als Maß für die Zugspannung in der Schraube zu verwenden, ist im wesentlichen eine Folge der Reibung.
Die Reibung zwischen korrespondierenden Flächen von Gewinden wird direkt oder indirekt durch komplexe und voneinander abhängigen veränderlichen Parametern beeinflußt, wie z.B. von der Oxyd- oderzirderbildung, dem Gefüge der Oberfläche, der Art des Oberflächenüberzugs, der Schmierunggder Geschwindigkeit beimAnziehen des Gewindes usw., so daß eine Vorhersage der Belastung aufgrund des bekannten Anzugsmomentes allenfalls in Form einer groben Annäherung möglich ist. Bei den bisherigen Methoden zum Anziehen von Schraubverbindungen werden bis zu 90% des Anzugsmomentes durch die Reibung verbraucht, so daß nur ein kleiner Prozentsatz des Anzugsmomentes zur Erzeugung der Vorbelastung zur Verfügung steht. Ferner sind Schrauben aus Konstruktionsgründen oft nur mit 35 bis 45% ihrer vollen Zugfestigkeit vorbelastet. Ferner ist oft eine Entlastung der Schraube von den Torsionsspannungen notwendig, die beim Anziehen entstehen,wodurch weiterhin die Vorbelastung reduziert wird.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Begrenzungen bei der Herstellung von Schraubverbindungen infolge der nachteiligen Einflüsse der Reibung, sind Dehnschrauben, Dehneßschrauben oder Druckringe verwendet worden. Die Wirksamkeit derartiger Einrichtungen ist jedoch veränderlich, sie stehen nicht immer zur Verfügung, wenn notwendig und sie führen zu Kostensteigerungen.
Zur Behebung der nachteiligen Einflüsse der Reibung und der Schwierigkeiten beim Aufbringen der Vorbelastung werden gewöhnlich auch Hochleistungsschmiermittel verwendet, wobei jedoch festgestellt wurde, daß die sich ergebenden Vorbelastungen beträchtlich von der Art des verwendeten Schmiermittels abhängen, wobei diese Schmiermittel ferner den unerwünschten Effekt haben, daß sie die Haftreibung verhindern die, wenn die Gewinde nicht geschmiert sind, eine Lockerung der angezogenen Verbindung verhindert, was besonders dann auftritt, wenn sie während des Betriebs dynamischen Kräften ausgesetzt ist. Da die Verhinderung des Lockerwerdens offentsichtlich wichtig ist, wurden Interferenzschrauben Feder- oder Zahnringe oder andere Hilfsmittel verwendet, um die Reibung zu erhöhen, oder um eine me-.chanische Arretierung zur Verhinderung des Lockerwerdens der Verbindung zu schaffen.
So wurde erkannt, daß die Reibung bei Schraubverbindungen insofern schädlich ist, als sie die Höhe der erreichbaren Vorbelastung reduziert und beeinträchtigt, daß jedoch, wenn die Schraube einmal angezogen ist, von Vorteil ist, daß sie ein Lockerwerden oder ein Aufgehen der Schraubvetbindung, das mit einem Verlust an Vorlast verbunden ist, reduziert. Die bisher zum Anziehen von Schrauben angewandten Methoden und verwendeten Vorrichtungen ergaben keine zufriedenstellende Lösung hinsichtlich der nachteiligen Einflüsse der Reibung beim Anziehen und der'Beibehaltung der Vorteile der Reibung nach dem Anziehen der Schraube ohne Verwendung besonderer Einrichtungen zum Verhindern des Lockerwerdens.
In der am 7. Dezember 1967 eingereichten USA-Patentanmeldung Nr. 683 868 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die Biegeschwingungen verwenden, die sich besonders zum Anziehen von sich-erweiternden Rohrkupplungen u. dgl. eignen, die von der-Struktur her in radialer Richtung nachgiebig sind. Diese in der genannten Anmeldung beschriebene Methode und die zugehörige Vorrichtung zeigten sich jedoch nicht besonders wirksam zum Einleiten von Schwingungen in festere Schraubverbindungen, die nicht hohl sind und keine dünnen flexiblen Wände haben, und die daher nicht so einfach biegbar sind wie Rohre und konische Rohrverbindungsstücke. Bei der Beeinflussung der Drehung von Schrauben hat sich ein Torsionsschwingungen ausführender Schraubenschlüssel als geeigneter gezeigt als ein solcher, der akustische Energie inForm von Biegeschwingungen oder axialen Schwingungen abgibt. Normalerweise existiert bei der Verwendung von Torsionsschwingungen eine relativ kleine akustische Kopplung zwischen der Schraube und den sie umgebenden Teilen,ebenso wie zwischen der Schraube und dem zweiten zugehörigen Teil der Schraubverbindung. Die Erregung mit Hilfe von Torsionsschwingungen zieht den besten Vorteil aus der oben genannten geringen Kopplung, und es wurde festgenigsten stellt, daß sieeine der am we- geeignete akustische Methode zur Übertragung von akustischer Energie durch bzw. über Flächen.der Art ist wie sie bei Schrauben bzw. Gewinden vorkommen. Der höchste Schwingungseffekt bei den Schrauben wird erreicht, wenn die Amplitude nicht leicht auf die benachbarten Teile der Anordnung übertragen werden kann.Mit Hilfe der Erregung durch Torsionsschwingungen können somit im Gewinde und in den Gewinde flächen kleine Schwingungsbewegungen hervorgerufen werden, durch die die Reibung auf ein Minimum herabgesetzt werden kann.- Wenn die Schraube oder die Mutter durch axiale oder Biegeschwingungen erregt wird, würden höhere Prozentsätze der aufgebrachten Schwingungsenergie von den Stellen, an denen sie wirken soll, weggeleitet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der' bekannten Vorrichtungen vermeiden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf das zu drehende Teil mechanisch ein Drehmoment aufgebracht wird und daß dieses Teil praktisch gleichzeitig durch Torsionsschwingungen erregt bzw. belastet wird.
Hierdurch wird es möglich, das Verhältnis von Drehmoment zu Zugspannung vorauszubestimmen. Die Einflüsse der Reibung beim Anziehen der Schraubverbindung können besser gemessen und gesteuert werden. Ferner kann der Grad der Vorbelastung beim Anziehen der Schraube vorbestimmt und gemessen werden. Die erreichbare Vorbelastung kann ferner erhöht werden,wodurch Vorbelastungen erreicht werden, die sich der maximalen Festigkeit der Schraube nähern. Die Vorbelastung kann aufrecht erhalten werden, indem eine erhöhte Restreibung zwischen den Teilen der Schraubverbindung geschaffen wird, und zwar ohne die Verwendung von Hilfsmitteln oder speziellen Befestigungsmitteln.
Ferner kann durch die Verbindung der Sitz der Gewindegänge verbessert werden, wodurch auch eine Verbesserung der Dichtwirkung des Gewindes erreicht wird. Das Anzugsmoment zum Anziehen der Schrauben kann herabgesetzt werden, und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für Schraubverbindungen verwendet werden, bei denen das aufgebrachte Drehmoment oder die Vorbelastung nicht gemessen werden muß, beispielsweise also für Schrauben die nicht genau angezogen werden müssen, oder dafür, festgefressene Schrauben leicht und einfach zu lösen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der Fig. 1 perspektivisch eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, die zwei parallele Umformer-Kopplungs-Systeme aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägers bebefestigt sind.
Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei der Verdrehkopf und das Werkzeug der Vorrichtung huber einer Mutter angeordnetsind, um ein Drehmoment einzuleiten, wobei ferner eine Wellenform gezeigt ist, die die Akustik der einzelnen Elemente angibt.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den Verdrehkopf der Vorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt perspektivisch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem einzelnen Umformer-Kopplungssystem und einer abnehmbaren Kupplang für den Verdrehkopf ausgerüstet ist, und die ferner einen exzentrisch angeordneten Verdrehkopf zum Einleiten der Drehschwingungen während des Aufbringens eines Drehmomentes aufweist.
Fig. 5 zeigt vergrößert im Schnitt die kräfte-unempfindliche Halterung 5 die bei der Vorrichtung nach Fig. 4 verwendet wird.
Fig. 6 ist eine ve;>größerte Draufsicht auf den Verdrehkopf der Vorrichtung nach Fig. 4, wobei ferner schematisch die F§higkelt des Drehkopfes zur Umwandlung des Ultraschalles dargestellt ist.
Fig. 7 zeigt perspektivisch eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem Paar paralleler . Um former-Kopplungssysteme versehen ist, die an einem Verdrehkopf, der nur einen Träger aufweist, befestigt werden können.
Fig, 8 ist ein vergrößerter Teilschnitt längs der Linie 8 - 8 von Fig. 7 und sie zeigt den Verdrehkopf und das Werkzeug in der Vorrichtung, die ueber einem Schraubenkopf angeordnet sind, wobei ferner schematisch die Wellenform der Akustik der einzelnen Elemente gezeigt ist.
Fig. 9 ist eine Ansicht längs der Linie 9 - 9 von Fig. 7.
Fig. 10 zeigt perspektivisch eine weitere Aus fuhrungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zwei einander entgegengesetzt gerichtete Umformer und Kopplungseinheiten aufweist, die an einem Verdrehkopf mit einem Träger befestigt sind, der zwei Handgriffe auf'-weist.
Fig. 11 ist eine Ansicht längs der Linie 11-11 von Fig. 10.
Fig. 12 ist ein Schaubild, das die Vorbelastung einer Schraube während des Anziehens gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 13 und 14 zeigen perspektivisch bzw. im Schnitt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtng, die in Form eines Ultraschallschraubenschlüssels zum Anziehen und Lösen von Schrauben ausgebildet ist, jedoch keine Anzeigeeinrichtung aufweist.
Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 20 bezeichnete Vorrichtung die Verdrehschwingungen abgeben kann, und mit der auf eine Schraube ein Drehmoment aufgebracht werden kann. Wie Fig. 1 zeigt hat die Vorrichtung 20 einen Handgriff 22 an einem ihrer Enden und zwei Halteblöcke 28, 29, die an gegenüberliegenden Seiten eines Trägers 23 angebracht sind. Ein Zeiger 38, der an den Halteblöcken befestigt ist und eine Skala 40 zeigen die Abweichung bzw. Ablenkung des Trägers 23 in geeigneten Einheiten des aufgebrachten Drehmomentes an.
Zum Antrieb des Drehkopfes 25 in der erforderlichen Weise zum Ausführen von Drehschwingungen sind zwei Umformer 26, 27 auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers 23 an den Halteblöcken 28, 29 vorzugsweise durch kraftunempfindliche Mittel befestigt, wobei ferner entsprechende Kupplungsstücke 30, 31 vorgesehen sind. Die Kupplungsstücke 30, 31 haben nach innen gerichtete Endteile, die tangential, vorzugsweise durch Anlöten oder durch irgendeine andere geeignete metallurgische Verbindungsart, an dem Drehkopf 25 befestigt sind.
Mit Hilfe der beiden Umformer 26, 2.7 und der KupplungsstÜcke 30, 31 wird in dem Drehkopf 25 eine Torsionsbewegung erzeugt, indem die Umformer mit einer Phasenverschiebung von 1800 angetrieben werden.Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 werden die Umformer und die mit ihnen verbundenen Kupplungsstücke so betestigt, daß sie zueinander um 1800 außer Phase sind. Dies kann durch bekannte Methoden auf elektrische Weise durchgeführt werden, oder mechanisch, indem eine der beiden Wellenführungen um eine halbe Wellenlänge länger als die andere ausgeführt wird.
Bei der Vorrichtung nach den Fig. 1, 2 und 3 sind die Kupplungsstücke 30, 31 tangential an einem zylindrischen Teil 32 in irgendeiner geeigneten Weise z.B. durch Löten befestigt. Um die Festigkeit der Verbindung zu verstärken, können diese Teile mit Zähnen oder Rillen an den Befestigungsstellen versehen sein, wie Fig. 3 zeigt.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die Enden der Kupplungsstücke 30, 1 einander gegenberliegend am Umfang von einem Ende 32a des zylindrischen Teiles 32 befestigt, während das andere Ende 32b des zylindrischen Teiles frei bleibt. Ein für die Torsionsschwingungen vorzugsweise resonanzfhiges Antriebsteil 34, das teleskopartig in das zylindrische Teil 32 eingeschoben und metallurgisch an ihm befestigt ist, ist mit einem geeigneten Zwischenstück 35 zur Aufnahme eines Werkzeugkopfes 36 versehen, wie beispielsweise die dargestellte Schnappfassung, die auf eine Mutter 37 einer Schraube oder eines Gewindebolzens 39 aufgesetzt ist.
Jedes Element des Drehkopfes 25, insbesondere das Teil 32 das Zwischenstück 35 und der Werkzeugkopf 36 ist vorzugsweise :r Torsionsschwingungen resonanzfähig, wie durch die Wellenform neben den einzelnen Elementen in Fig. 2 gezeigt ist. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die Verbindungsstellen zwischen den Elementen des Drehkopfes 25 und der Kontaktbereich zwischen dem Werkzeug und der Schraube außerhalb der Knotenpunkte jeweils im Schwingungsbauch angeordnet sind, sodaß an diesen Stellen eine sehr geringe Wechselbeanspruchung auftritt.
Da in Obereinatimmung mit bekannten Grundsätzen die Übertragung geeigneter Schwingungsamplituden auf die Gewindegänge von Schraubern unter allen Belastungsbedingungen erreicht werden kann, solange ei ganzzahliges Vielfaches von 1a2 Wellenlänge bei der Din.ensionierung der einzelnen Teile des Drehkopfes verwendet wird, können Ansätze oder Verlängerungen mit irgendeiner Länge fUr die Schnappvertindung zwischen dem ZwischenstUck 35 und dem Werkzeugkopf 36 verwendet werden, solange derartige Verlän,gerungsstücke akkustisch dimensioniert -werden und den mechanischen Anforderungen der Verwendung entsprechen.
Einzelheiten über die Materialien, die zur Herstellung der Kupplungsstücke und der Teile des Drehkopfes geeignet sind, sind in der USA-Patentschrift 3 257 721 beschrieben.
Bei der Durchführüng der Erfindung wird ein vorgegebenes Drehmoment mechanisch auf eine Schraubverbindung aufgebracht, wobei an die Schraubverbindung eine Schwingungsenergie angelegt wird, während das mechanische Drehmoment aufgebracht wird, das notwendig ist, um den vorgegebenen Wert zu erreichen. Die Schwingungsenergie wird zu diesem Zweck von den Umformern 26, 27 und den Kupplungsstücken 30, 31 Uber den torsions-resonanzfShigen Drehkopf 25 in gesteuerter Weise übertragen, wobei der letztere mit dem mechanischen'Antriebsteil der Vorrichtung verbunden ist, so daß die Schwingungsenergie in gegqlgneter Weise an das Gewinde der Schraubverbindung abgegeben wird.
Um die Umformer 26, 27 mit elektrischer Energie der notwendigen hohen Frequenz zu versorgen, ist ein nicht gezeigter Frequenzumformer notwendig, der die übliche Netzfrequenz des Wechselstromes umformt, um den Umformern eine mechanische elastische Schwingung zu erteilen.
Ein solcher Frequenzumformer muß einen Wechselstrom mit 60 Hz in einen Wechselstrom umformen können, der vorzugsweise einen Frequenzbereich von etwa 7500 bis 90 000 Hz hat, wobei 15 000 bis 50 000 Hz der zweckmäßigste Bereich ist. Gewöhnlich wird die Wahl der Frequenz durch die Vorrichtung bestimmt, für die sie sich eignen soll, welche in einem bestimmten Anwendungsfall oder in Anwendungsfällen verwendet wird. D.er oben genannte breite Frequenzbereich umfaßt sowohl den hörbaren Bereich (bis zu 15 000 Hz) wie auch den Ultraschallbereich (im allgemeinen oberhalb von 15 000 Hz), wobei der nicht hörbare Ultraschallbereich sich am besten eignet, da er auch vom Standpunkt der LErmbelästigung des,Be'nungspersonals aus gesehen Vorteile bietet. Auer der Zufuhr von elektrischer Leistung in der Resonanzfrequenz der Vorrichtung,sollte ein geeigneter Frequenzumformer auch an die sich in weitem Umfang verändernde elektrische Impedanz der belasteten Verdrehvorrichtung anpaßbar sein.
Abhängig von der Größe der Ultraschallvorrichtung können Frequenzumformer, die den obigen Forderungen genügen, Elektronenröhren, Transistoren oder gesteuerte Siliziumgleichrichter enthalten, wie sie in der Elektronikindustrie üblich sind-.
Einzelheiten eines Typs einer geeigneten Umformereinrichtung, die in manchen Fällen zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung besonders zweckmäßig ist, sind in der USA-Patentschrift 3 283 182 beschrieben. Der Umformer kann vorzugsweise ein keramisches Umformmaterial wie z.B. Bleizirkonat-Titanat verwenden, es können jedoch.auch andere Umformertypen verwendet werden, wie z.B. magnetostriktive (einschließlich des Typs, der pulverförmiges Ferritmetall verwendet) oder piezoelektrische Umformer.
Um die Umformer 26, 27 so an der Vorrichtung zu befestigen, daß die Frequenzverschiebung der Schwingungseinrichtung und der Verlust an Schwindungsenergie an die Halteblöcke 28, 29 und den Träger 23 auf ein Minimum herabgesetzt werden, können kraftunempfindliche Halterungen vorgesehen werden. Derartige kraftunempfindliche Halterungen können etwa aus zylindrischen Schalen gebildet sein, die bei der Arbeitsfrequenz 1/2 Wellenlänge lang sind und aus rostfreiem Stahl 303 oder einem anderen Material bestehen, das eine niedrigere Hysteresis aufweist, wie z.B. Nickel, Aluminiumbronze,BevlEhmkupfer oder K-Monel-Metall. Ein Ende jeder Schale ist metallurgisch mit dem entprechenden Kupplungsstück 30 oder 31 verbunden, vorzugsweise im Bereich von dessen Schwingungsbauch, während das andere Ende der Schale freiist. Die Halteblöcke 28, 29 sind an den entsprechenden Schalen befestigt, und zwar 1/4 Wellenlänge-vom freien Ende der Schale entfernt, wo in der Schale sie echter Knoten vorhanden ist, wobei eine derartige kraft unempfindliche Befestigung in den USA-Patentschriften 2 891 178, 2 891 179 und 2 891 180 beschrieben ist.
In Fig. 4 ist eine andere Aus führungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die allgemein mut 20A bezeichnet ist. Die Vorrichtung 20A besteht aus einem Ultraschall-Drehmomentschlüssel mit einem Handgriff 22A, zwei im Abstand angeordneten seitlichen Trägern 42, 43, die einen Umformer 44 zwischen sich aufnehmen, und zwei im Abstand angeordneten Halteblöcken 45, 46, die mit den Trägern verbunden sind, und an denen entsprechend der Handgriff 22A und der Umformer 1;4 befestigt sind.
Um die Ablenkung bzw. Abweichung der Träger 42, 43 ausgedrückt in m.-kg ,(inch-pounda) zu messen, ist ein Zeiger 38A an dem Halteblock 46 angebracht, der mit einer Skala 40A zusammenwirkt, die an dem Halteblock 45 angebracht ist. Wenn sich die Tr.äger 42, 43 durchbiegen,führtdasEnde der Vorrichtung an dem der Handgriff angebracht ist, eine Bewegung relativ zu dem Drehkopf aus, die der Zeiger direkt auf der Skala anzeigt, so daß das mit dem Schlüssel aufgebrachte Drehmoment gemessen werden kann.
Wie dargestelltS ist der Umformer 44 mit liner unbeeint}ußt von der Krafteingebauten Kupplung 50 versehen, die durch den Halteblock 46 durchtritt, und die mit einem abnehmbaren Kupplungsstück 51 verbunden ist, das an seinem Ende den Drehkopf 54 trägt, mit welchem die Schraubverbindung angezogen wird.
Fig. 5 zeigt die Einzelheiten der kraftunempfindlichen Halterung der Vorrichtung 20A, durch welche die Kupplung 59 fest in den Halteblock 46 eingebaut jedoch akkustisch von ihm isoliert ist, wobei ferner eine zur Halterung dienende Hülse 47 und eine Spannmutter 48 gezeigt sind, die zur Befestigung der Teile der Einrichtung dient.
Wie Fig. 6 zeigt, ist die Mittelachse des Drehkopfes 54 zur Längsachse des Kupplungsstückes'51 um den Abstand e versetzt. Durch diese exzentrische Anordnung wird der Drehkopf 54 durch die Längsschwingungen des Kupplungsstückes 51 im Winkel verschoben, wobei die in dem Drehkopf 54 auf diese Weise erzeugte Schwingbewegung durch die Pfeile in Fig. 6 angedeutet ist.
Das Kupplungsstück 51, dessen Drehkopf 54 in den Fig. 4 und 6 schachtelartig ausgebildet ist, kann an seinem Ende auch in anderer Weise ausgebildet sein, ohne von der Erfindung-abzuweichen, wenn nur eine Schraube oder eine Mutter, gedreht werden kann.
Ebenso wie in Verbindung mit der Vorrichtung 20 beschriebein, 8ind die Resonanzelemente der Vorrichtung 20A vorzugsweise so dimensioniert> daß ihre kdrperllche Gesamt länge praktisch gleich einer åkustischen Länge ist, die ein ganzzahliges Vielfaches/Q8r:'Wellgnlänge in den Materialien und Anordnungen darstellt, wenn mit einer eigneten Frequenz gearbeitet wird.
In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die an einem Drehmomentschlüssel 20B angebracht werden kann. Der Drehmomentschlüssel 20B weist eipen Träger 52 auf, der an einem seiner Enden einenHandgriff22B hat und an dessen entgegengesetztem Ende ein Werkzeugkopf 60 angebracht ist. Obwohl ein Zeiger 38B und eine Skala 40B vorgesehen sind, um eine Abweichung des Trägers ausgedrückt in Einheiten des Drehmoments anzuzeigen, soll betont werden daß auch andere Anordnungen zum Anzeigen des Drehmomentes verwendet werden können.
Die allgemein mit 62 bezeichnete Einrichtung zum Aufbringen von Drehschwingungen hat zwei Umformer 63, 64, entsprechende Kupplungsstücke 65, 66 und ein akkustisches Zwischenstück 67, das an den Enden der Kupplungsstücke befestigt ist. Eine Halterung 68 faßt die Umformer und die Kupplungsstücke zusammen und diese Halterung ist mit einem etwa nach oben gerichteten geschlitzten Teil 69 versehen, durch welchen der schwere bzw. starke Teil des Trägers 52 verläuft. Der Teil des Trägers, der von der Halterung 68 aus auf den Handgriff 22B zu verläuft, ist schmaler ausgeführt, um die Biegung des Trägers zwischen Handgriff und Halterung zu legen, wobei der Träger 52 zwischen der Halterung 68 und dem Werkzeugkopf 60 beträchtlich dicker ausgebildet ist, um eine Biegung in diesem Bereich zu verhindern.
Gemäß Fig. 8 ist das akkustische Zwischenstück 67 etwa zylindrisch ausgebildet und mit einer Hülse 70 versehen, die ein freies Ende hat, in welchem ein Isolator 71 aufgenommen wird, der an der Innenfläche der Hülse angelötet oder in anderer geeigneter Weise befestigt ist. Der Isolator ist mit einer vieleckigen Öffnung 72 verstehen, um einen entsprechend geformten Schaft 73 des Werkzeug;kopfes 60 aufzunehmen. Das entgegengesetzte' Ende des Zwischenstückes 67 ist in Form eines vieleckigen Schaftes 74 ausgebildet, um Werkzeugverbindungsstücke wie z.B. eine Fassung 75 aufzunehmen, um damit einen Schraubenkopf 76 od.dgl. anzuziehen.
Zwischen den Enden des Zwischenstückes 67 sind zwei Ansätze 77, 78 auf den entgegengesetzten Seiten der Außenwand des Zwischenstückes 67 vorgesehen. Die Ansätze 77> 78 sind verzahnt und die Enden der Kupplungsstücke 65, 66 sind an die entsprechenden Ansätze angelötet oder anderweitig befestigt, wie aus Fig. 9 zu entnehmen ist.
Wie Fig. 8 zeigt, hat das Zwischenstück 67 eine, körperliche Gesamtlänge von zwei :akustischen halben Wellenlängen, wobei die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Teilen im Bereich der Schwingungsbäuche liegen.
Der Isolator 71 ist jedoch um 1/4 Wellenlänge vom freien Ende der Hülse 70 entfernt angebracht, so daß an dem Isolator ein echter Knoten entsteht, wodurch eine ne kraftunempfindliche, bzw. von der Kraft unbeeinflußte Befestigung des Werkzeugkopfes 60 erreicht wird.
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die an einem konventionellen T-förmigen Drehmomentschlüssel 20C befestigt werden kann. Der Drehmomentschlüssel hat einen Träger 80 mit zwei Handgriffen 81, 92 an seinen gegenüberliegenden Enden. Ein am Ende 82 des Handgriffes befestigter Stab 84, der eine Skala 85 trägt, und ein Zeiger 86, der am Ende des Handgriffs 81 angebracht ist, dienen dazu, das mit dem Schlüssel aufgebrachte Drehmoment anzuzeigen. In der Mitte des dicken Teiles des Trägers 80, der hier dick ausgeführt ist, um die Biegung außerhalb der Halterungen rür die Umformer zu legen, ist ein Werkzeugkkopf 87 angeordnet, der ein «eeigndes Zwischenstück der Ultraschalleinrichtung aUFnehmen kann.
Die Ultraschalleinrichtung für den Drehmomentschlüssel 20C besitzt zwei Umformer 90, 91 und entsprechende Kupplungsstücke 92, 93, die entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, wobei die Enden der Kupplungsstücke an entgegengesetzten Seiten eines akustischen Zwischenstücken 67A angebracht ist, -wie im Detail vergrößert in Fig. 11 dargestellt ist. Halterungen 95, 96 verbinden die entsprechenden Umformer-Kupplungs-Systeme mit dem dicken Teil des Trägers 80, und zwar durch eine von der Kraft nicht beeinflußte Halterung, wie oben in Verbindung mit den anderen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Das akkustische Zwischenstück 67A besitzt eine Hülse mit einem Isolator, der metallurgisch an der Innenfläche der Hülse befestigt ist, und zwar etwa um 1/4 Wellenlänge vom freien Ende der Hülse entfernt, und dieser Isolator ist mit einer Fassung oder einer anderen geeigneten Einrichtung versehen, mit der er am Antriebsende des Drehkopfes 87 befestigt werden kann.
Ein zylindrischer Werkzeugkopf, der teleskopartig im unteren Ende der Hülse sitzt und metallurgisch daran befestigt ist,endigt in einem Schaft, der zur Aufnahme von Werkzeughalterungen verschiedener Typen dient.
Der in Verbindung mit dem Drehmomentschlüssel 20C verwendete akustische Drehkopf ist im wesentlichen identisch mit dem in Fig. 8 gezeigten, die einen Schnitt der Ultraschalleinrichtung der Vorrichtung 20B zeigt.
Nachfolgend wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Hierzu wird Bezug auf Fig.
12 genommen, in der spezielle Ergebnisse bei der Anwendung der Vorrichtung.bei einer Schraubverbindung zeigt, wobei das Diagramm außerdem die Reihenfolge der erfindungsgemäßen Methode angibt.
Wenn bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die optimale Vorlast, die bei der anzuziehenden Schraube erwünscht ist, auf der Basis eines vorgegebenen Drehmoment-Spannungs-Verhältnisses unter Verwendung von Drehschwingungen gemäß der Erfindung eingestellt werden soll, wird der der geforderten Vorbelastung entsprechende Drehmomentwert gewählt, die Schraube mechanisch gedreht bis der gewählte Drehmomentwert erreicht ist und durch die Anzeigeeinrichtung angezeigt wird, worauf die Ultraschallenergie zugeführt wird, um dem gedrehten Teil der Schraubverbindung Schwingungsenergie zuzuführen.
Während die Schwingungsenergie zugeführt wird, wird der Drehmomentschlüssel weiterhin mechanisch gedreht, um das gewählte Drehmoment aufrecht zu erhalten.
Danach wird die Energie zufuhr abgestellt und der Schlüssel abgenommen, womit die Schraube die gewünschte Vorlast aufweist.
Bei einem speziellen Beispiel, dessen Ergebnisse in Fig. 12 dargestellt sind, wurde eine Schraube 16NC mit einem Durchmesser von 9,6 mm (3/8 Zoll) und einer Länge von etwa 5 cm (2 Zoll) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angezogen, wobei die, Energie für die Drehschwingungen unter Verwendung einer üblichen Fassung und bei einer Leistung von 500 Watt eingeleitet wurde. Die Schraube wurde zunächst mechanisch angezogen, wobei ein gemessenes Drehmoment etwa 0,75 m.".kg (60 inch-pounds) aufgebracht wurde, wodurch eine Vorbelastung von etwa 630 kg erreicht wurde, die durch Pl in Fig. 12 gezeigt ist. Während die Stellung des Schlüssels beibehalten wurde, um ein Rückdrehen zu verhindern, wird die Schwingungsenergie eingeleitet, was zu einem augenblicklichen Anstieg der Vorlast auf P2 führt, was ein Anzeichen für die Beseitigung der Torsionsspannung und einen weiteren Eingriff der Gewindegänge ist, Wird die Schwingungsenergie auf dem neuen Wert P3 der Vorbelastung weiterhin eingeleitet, so ergibt sich bei einer Vorbelastung von etwa 700 kg (1550 Pfund) ein Drehmoment von etwa 0,5 m.kg (40 inch-pound). Es wurde weiterhin Schwingungsenergie in die Schraube eingeleitet und diese wieder mechanisch gedreht, um das Drehmoment wieder auf den Wert von 0975 m.kg zu bringen, wodurch die Vorbelastung auf etwa 1220 kg (2700 Pfund) stieg, wie durch P4 gezeigt ist. In den Fig.
13 und 14 ist/sititivisch bzw. im Schnitt eine nicht mit einer Anzeigeeinrichtung versehene Ultraschallverdrehvorrichtung 20D gezeigt, mit der keine genau bemessene Vorbelastung der Schrauben erreicht werden kann, wie sie oben beschrieben wurde, die sich jedoch besonders zum Lösen oder Lockern festgefressener Schrauben oder zum Anziehen von Schrauben eignet, bei denen das Drehmoment nicht gemessen werden muß. Die Vorrichtung 20C hat ein abnehmbares Kupplungsstück mit Drehkopf, mit welchem Längsschwingungen in Drehschwingungen umgesetzt werden können, wie oben in Verbindung mit derVorrichtung 20A beschrieben wurde.
In Fig. 14 ist der Umformer 111 von einem akustisch isolierten Gehäuse 112 umschlossen, auf dem der Handgriff 113 sitzt, der zum direkten Aufbringen des Drehmomentes dient, wobei das Gehäuse mit dem Umformer und der Kupplung vorzugsweise mit Hilfe einer Halterung 114 verbunden ist, die durch die Kraft nicht beeinflußt wird, wie oben beschrieben wurde. Das Kupplungsstück 115 verläuft durch die Halterung 114 und ist mittels eines Bolzens 118 mit dem abnehmbaren Kupplungsstück 116 verbunden, das akustisch entsprechend entworfen ist, um dem Drehkopf 117 Drehschwingungen zu erteilen,.
und damit einer Schraube, die mit dem Drehkopf in Eingriff ist. Das Ende des Kupplungsstückes 116 kann ohne von der Erfindung abzuweichen, in verschiedener geeigneter mechanischer und akustischer Weise zum Eingriff mit Schrauben bzw. Muttern ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird diese Ausführungsform der Erfindung so gehandhabt, daß zuerst manuell eine Kraft in der gewünschen Richtung bis zu einem geeigneten mechanischen Anschlag ausgeübt wird, worauf in die Schraubverbindung Ultraschallenergie eingeleitet wird, um die Reibung, die das Anziehen oder Lockern der Schraube verhindert, zu reduzieren, während gleichzeitig weiterhin mechanisch ein Drehmoment in der erforderlichen Richtung ausgeübt wird.
Die Erfindung schafft somit eine geeignete und zweckmäßige Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben unter Verwendung von Schwingungen, zum Einstellen einer vorgegebenen Vorbe las tung -in Schraubverbindungen, zum Reduzieren der Torsionsspannungen, die beim Anziehen der Schraubverbindung auftreten, zum Lösen festgefressener Schrauben, wobei ferner das Lockerwerden von Schraubverbindungen reduziert wird, der Sitz der Gewindegänge und deren Dichtwirkung verbessert werden.
Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dieselbe Vorbelastung mit einem geringeren Drehmoment erreicht werden, als dies bisher bei üblichen Drehmomentschlüsseln notwendig war, wodurch die a.uszuUbenden Kräfte und die Länge der Hebelarme herabgesetzt werden.können. Bei den bisherigen Vorrichtungen und Methoden zum Anziehen von Schrauben war das Verhältnis zwischen Drehmoment und Vorbelastung durch die Reibung der Flächen der Gewindegänge bestimmt, wobei die mit demselben Drehmoment herstellbare Vorlast bei mehreren Schrauben derselben Art und in derselben Umgebung aufgrund der zahlreichen Veränderlichen, die die Reibung beeinflussen, unterschiedlich war.
Durch die Erfindung kann die Reibung vorrübergehend reduziert werden, während das Drehmoment aufgebracht wird, so daß man eine gültige Basis für das Verhältnis von Drehmoment zu Zugspannung erhält. Demgemäß wird auf eine anzuziehende Schraube gleichzeitig ein Drehmoment und eine Drehschwingung aufgebracht, um die Reibung während des Anziehens der Schraube auf ein Minimum herabzusetzen, während die Reibung, nachdem die Schraube angezogen ist und unter Vorspannung steht, einen hohen Wert hat.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Anziehen oder Lösen von Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zu drehenden Teil mechanisch ein Drehmoment aufgebracht wird und daß dieser Teil praktisch gleichzeitig in Drehschwingungen versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf diesen Teil ein vorgegebenes Drehmoment aufgebracht wird, um die erforderliche Vorbelastung der Schraubverbindung zu erhalten, und daß während dieser Teil in Drehschwingungen versetzt wird weiterhin mechanisch ein Drehmoment in diesen Teil eingeleitet wird, um daß vorgegebene Drehmoment beizubehalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwingung eine Frequenz von etwa 7 500 bis etwa 90 000 Hz hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwingung eine Frequenz von etwa 20 000 bis etwa 50 000 Hz hat.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Schraubenschlüssel mit einem Griff und einem Drehkopf, eine Einrichtung, de einen Umformer umfaßt und die an diesem Schraubenschlüssel befestigt ist, eine an dem Umformer und dem Drehkopf befestigte Kupplung, um die Schwingungsenergie von dem Umformer in Form von Drehschwingungen auf den Drehkopf zu übertragen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die KupplUng ein aus Metall bestehendes Teil umfaßt, dessen eines Ende an dem Umformer befestigt ist und dessen entgegengesetztes Ende diesen Drehkopf aufweist, und daß die Längsachse der Kupllung zur Mittelachse des Kopfes .versetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkopf eine Hülse aufweist, daß ferner die Kupplung angrenzend an ein Ende der Hülse befestigt ist, und daß das gegenüberliegende Ende der Hülse nicht befestigt ist, und daß ein resonanzfähiges Antriebsteil teleskopartig in dieses eine Ende der Hülse. eingeschoben und an dieser befestigt ist, und daß ein Zwischenstück mit diesem Antriebsteil verbunden ist, um einen Werkzeugkopf für den Eingriff in eine Schrauben verbindung aufzunehmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine hochfrequente Quelle für elektrische Energie und eine Einrichtung zum Erzeugen mechanischer Schwingungen, die mit dieser Energiequelle gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenschlüssel wenigstens einen Träger aufweist, der sich von ihm nach außen hin erstreckt, und daß eine Einrichtung, die einen Drehkopf umfaßt, vorgesehen ist, um die Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungsenergie auf dem Träger nahe bei dem Ende zu befestigen, das dem Griff gegenüberliegt 5 und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Drehkopf mit der Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungsenergie zu koppeln, um dem Drehkopf Torsionsschwingungen zu erteilen, während dieser mit Hilfe des Griffes gedreht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung und der Drehkopf zusammen ein aus Metall.bestehendes Teil aufweisen, das an seinem Ende die Drehschwingungsenergie abgibt.

11., Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungsenergie wenigstens ein Paar Umformer aufweist,und daß ferner ein Kupplungsstück an jedem der Umformer angebracht ist, und daß die Kupplungsstücke an gegenüberliegenden Seiten des Drehkopfes befestigt sind, um diesen in Drehschwingungen zu versetzen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der SchraubenschlUssel eine Einrichtung zum Anzeigen des durch ihn aufgebrachten Drehmoments aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 9, gekennzeichnet durch eine Ultraschall-Verdreheinrichtung, mit einem Werkzeugkopf, um lösbar in diesen Verdrehkopf einzugreifen, einer Umformeinrichtung, um mechani-sche Längsschwingungen'au erzeugen, und durch eine Einrichtung, die ein Kupplungsstück aufweist, und die mit dem Um--former und dem Werkzeugkopf verbunden ist, um die Schwingungen des Umformers an dem Werkzeugkopf in Torsionsschwingungen umzuwandeln.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf eine Hülse aufweist daß die Kupplung an einem Ende der Hülse befestigt ist und daß das entgegengesetzte Ende der Hülse frei und unbefestigt ist, und daß ein Isolierteil teleskopartig in die Hülse eingeschoben und an ihr im Abstand von ihrem freien Ende befestigt ist, und daß ein Zwischenstück mit diesem Ende der HUlse verbunden ist, um eine Einrichtung zum Eingriff in eine Schraubverbindung aufzunehmen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung .ein aus Metall bestehendes Teil aufweist, das in diesem Werkzeugkopf endigt,und daß der Werkzeugkopf exzentrisch mit Bezug auf den Schaft dieses Teiles angeordnet ist.

L e e r s e i t e