DE2735594C2 - - Google Patents
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- DE2735594C2 DE2735594C2 DE2735594A DE2735594A DE2735594C2 DE 2735594 C2 DE2735594 C2 DE 2735594C2 DE 2735594 A DE2735594 A DE 2735594A DE 2735594 A DE2735594 A DE 2735594A DE 2735594 C2 DE2735594 C2 DE 2735594C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anziehen von
Schraubverbindungen mittels eines steuerbaren angetriebenen
Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der DE-OS 25 41 523 ist ein derartiges Verfahren
zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines
steuerbar angetriebenen Werkzeugs bekannt, bei dem nach
einem ersten Anziehen aus den gemessenen Werten der
Drehmoment/Drehwinkel-Kurve und der Annahme, daß das
Drehmoment und die Schraubenspannung proportional zueinander
verlaufen, das endgültige Abschaltdrehmoment
berechnet wird. Der endgültige Abschaltpunkt liegt
dabei unterhalb der Streckgrenze, da ausgehend von der
Streckgrenze in einem Zwischenschritt zurückgedreht
wird, bis das ermittelte Abschaltdrehmoment geringfügig
unterschritten wird. Dabei wird zur Ermittlung des
Proportionalitätsfaktors bei dem bekannten Verfahren
auf eine empirisch ermittelte Spannungs/Winkel-Kurve an
der Streckgrenze zurückgegriffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Anziehen von Schraubverbindungen zu schaffen, das
das Anziehen auf eine der gewünschten Endspannung nahekommenden
wirklichen Endspannung bei geringen Streuungen
und ohne Erreichen oder Überschreiten der Streckgrenze
zuverlässig ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen
dieses Verfahrens an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Darstellung von typischen Drehmoment/
Winkel- und Spannungs/Winkel-Kurven
bei kontinuierlichem Anziehen einer
Schraubenverbindung weit unterhalb der
Elastizitäsgrenze,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des unteren
Bereiches einer typischen Drehmoment/-
Winkel-Kurve bei Unterbrechen des Anziehens
im oberen Bereich,
Fig. 3 eine Darstellung einer typischen Drehmoment/
Geschwindigkeit-Beziehung eines
preßluftgetriebenen Werkzeugs,
Fig. 4 eine Darstellung einer Spannungs/Winkel-Kurve,
die die Entspannung einer typischen
Verbindung bei der Beendigung des
kontinuierlichen Anziehens wiedergibt,
Fig. 5 eine Darstellung einer typischen Spannungs/
Winkel-Kurve, die die Endspannung
der Verbindung bei einer zwischenzeitlichen
Unterbrechung bei weiterem Anziehen
wiedergibt,
Fig. 6 eine der Fig. 1 entsprechenden Darstellung,
die andere Aspekte der Erfindung
verdeutlicht, und
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Drehmoment/
Spannungs-Kurven zur Erläuterung
anderer Aspekte der Erfindung.
In Fig. 1 sind eine typische Drehmoment/Winkel-Kurve 10
und die entsprechende Spannungs/Winkel-Kurve 12 dargestellt,
wie sie sich bei einem kontinuierlichen Anziehen
einer Schraubverbindung ergeben und wie sie in
einem Labor unter Verwendung einer geeigneten Ausrüstung
gemessen werden können. Die Drehmoment/Winkel-Kurve
10 hat einen typischen Freilaufbereich 14, in dem
nur ein geringes Drehmoment zum Anziehen der Mutter
erforderlich ist und in dem keine merkliche Bolzenspannung
gegeben ist. Diesem schließt sich ein Eingriffsbereich
16 an, in dem ein Kontakt zwischen den Oberflächen
der Schraubenverbindungselemente gegeben ist. In
diesem Bereich vermindert sich die Winkelgeschwindigkeit
entsprechend der Drehmoment/Geschwindigkeits-Eigenschaft
des verwendeten Werkzeugs allmählich. Die
Steigung FR₁ der Spannung ist im Bereich 16 geringer
als die maximale Steigung FR₂ der Spannung, sie ist
jedoch genau definiert. Der Eingriffsbereich 16 verläuft
ungefähr über einen Bereich von 10% bis etwa 50%
der Elastizitätsgrenze der Schraube. An den Eingriffsbereich
16 schließt sich ein Endspannungsbereich 18 mit
einer höheren Steigung FR₂ der Spannung an. FR₁, FR₂
und der dazwischenliegende Bereich sind definierte und
reproduzierbare Eigenschaften der Schraubenverbindung
und sind von der Reibung oder anderen, sich während des
Anziehens verändernden Faktoren unabhängig.
Die Steigung TR des Drehmoments ist zunächst in dem
Freilaufbereich 14 gering und nimmt sodann in dem Eingriffsbereich
16 erheblich zu. Aufgrund von geschwindigkeitsabhängigen
Verlusten, etwa eines Schmiermittelquetschfilmes
oder der Mikroplastizität der Oberflächenunregelmäßigkeiten
zwischen den Schraubverbindungselementen
schneidet die Steigung TR der Drehmoment/Winkel-Kurve
des Eingriffsbereiches 16 die Winkelordinate
nicht im Ursprung. Es besteht vielmehr eine Winkelabweichung
α os , die diesen geschwindigkeitsabhängigen
Verlusten proportional ist. Aus der Drehmoment/Winkel-
Kurve des verwendeten Werkzeugs ergibt
sich, daß α os von der Steigung des Drehmoments abhängig
ist, so daß die Drehmomentabweichung T os als Eigenschaft
der Verbindung sich als Produkt aus der Winkelabweichung
α os und der Steigung TR des Drehmomentes
ergibt.
Die Elastizitätsgrenze 20 liegt an einem Punkt, über
den hinaus eine Erhohlung nach Entlastung nicht eintritt.
Dieser Punkt liegt am oberen Ende des Endspannungsbereiches
18. Im Streckbereich 22 beginnt der
Bolzen, sich eher plastisch als elastisch zu verformen.
Als Streckgrenze wird üblicherweise willkürlich eine
Streckung von 0,1% bis 0,2% definiert. Die Proportionalitätsgrenze
liegt unterhalb der Streckgrenze 20
in einem Bereich, in dem das Spannungs/Streckungs-Verhältnis
nicht mehr konstant ist.
Zur Durchführung nachfolgend beschriebenen Verfahrens
zur Drehmomentsteuerung müssen FR₁, FR₂, T os und andere
Parameter bestimmt werden, wie dies nachfolgend näher
erläutert werden wird. Dies wird zweckmäßigerweise so
durchgeführt, daß man eine relativ große Zahl von Probestücken
der Schraubverbindung auswählt, die unter
Anwendung des Verfahrens angezogen werden sollen. Die
angegebenen Werte werden im Labor empirisch bestimmt.
Es zeigt sich dabei, daß die Streuungen für FR₁
und/oder FR₂ und damit r (nämlich dem Verhältnis
FR₂/FR₁), relativ klein ist. Bei neuen Schrauben ist
FR₂ normalerweise 5 bis 10% höher als FR₁. Bei
Schraubverbindungselementen, die bereits zuvor angezogen
worden sind, liegt FR₂ normalerweise nahe bei FR₁.
Hieraus kann der Schluß gezogen werden, daß der Unterschied
zwischen FR₁ und FR₂ in Zusammenhang mit der
Mikroplastizität der Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen
den anliegenden Flächen der Verbindungselemente
in Zusammenhang steht. Die Streuungen für T os sind -
wie bei allen Drehmomentmessungen - wesentlich größer.
Die Drehmomentsabweichung ist normalerweise sehr gering,
so daß die Abweichung sich auf die Endspannungswerte
nur geringfügig auswirkt. Eine Ausnahme sind Schraubverbindungen,
bei denen die Gewindegänge des Bolzens
oder der Mutter gewollt oder ungewollt deformiert sind.
Bei derartigen Schraubverbindungen ist der Normalwert
von T os um das gemessene "Freilauf-Drehmoment" zu erhöhen.
Der Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens besteht
darin, regelmäßig oder kontinuierlich das auf die
Schraubverbindung aufgebrachte Drehmoment und die Winkelveränderung
in Abhängigkeit von dem jeweiligen Drehmoment
zu bestimmen, die Spannung zumindest in dem
Punkt 24 zu ermitteln, den Anziehparameter zu berechnen,
der ausreicht, um den gewünschten Endspannungswert
F D zu erreichen und das Werkzeug so zu steuern, daß die
Schraubverbindung weiter angezogen wird, bis der Enspannungswert
F D erreicht ist.
Es wurden folgende Annahmen gemacht:
- 1. Die Steigung der Spannung ist konstant. Dies gilt eigentlich nicht über den gesamten Bereich des Anziehens. Genauer ist die Annahme, daß die Spannung bei jedem dem Ausgangswinkel nachfolgendem Winkel, bei dem die Zunahme der Spannung beginnt, eine eindeutige Funktion der Verbindung ist, so daß dementsprechend die Steigung der Spannung bei jedem dem Ursprungswinkel nachfolgenden Winkel eine eindeutige Funktion der Verbindung ist.
- 2. Das Drehmoment ist keine Funktion der Drehgeschwindigkeit. Dies ist nicht immer gültig, diesem Umstand sollte bei Anforderung einer hohen Genauigkeit Rechnung getragen werden.
- 3. Die Reibung der Verbindung (f h f th ) ist belastungsunabhängig. Dies kann angenommen werden, wenn keine metallischen Überzüge (Molybdän Disulfid, Teflon usw.). Aber auch bei Schraubverbindungen mit nicht-metallischen Überzügen sind die Veränderungen in einem endlichen Spannungsbereich gering.
Im Labor wurde nachgewiesen, daß
der Wert der Ableitung der Spannung dF/dα eine Funktion
der Verbindung ist. Die Streuungen sind gering und von
der Reibung unabhängig. Die Ableitung des Drehmomentes
dF/da kann aus Drehmoment- und Winkelmessungen bestimmt
werden, die während des Anziehens der Schraubverbindung
mit geeigneten Drehmoment- und Winkelmeßgeräten an dem
Werkzeug durchgeführt werden. Der Wert T des Drehmoments
wird natürlich durch das gleiche Drehmomentmeßgerät
bestimmt. Die von der Reibung abhängigen Parameter,
also die Ableitung des Drehmomentes und das Drehmoment
werden für jede Schraubverbindung während des Anziehens,
als von dem Beginn des Anziehens bis zum Abschluß
des Anziehends, bestimmt. Da die Ableitung dF/dα
der Spannung eine Funktion der Verbindung ist, die
empirisch vor dem Anziehen der Schraubverbindung bestimmt
wird, kann auch auf den Spannungverlauf geschlossen werden.
Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse des Drehmomentes über
den Winkel. Nach einem ersten Anziehen bis zum Punkt 24
wird die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes
berechnet, beispielsweise nach der Methode der kleinsten
Quadrate. Da die Steigung FR₁ der Spannung aus den
empirischen Messungen der jeweiligen Schraubverbindung
bekannt ist, kann die Spannung der Verbindung im Punkt
24 bestimmt werden. Der Winkel,
der erforderlich ist, um die Schraubverbindung von der
in Punkt 24 berechneten Spannung bis zu der gewünschten
Endpannung F D anzuziehen, kann grafisch leicht bestimmt
werden, die Steigung FR₂ der Spannung in
ähnlicher Weise empirisch bestimmt worden ist. Nach der
Bestimmung des weiteren Winkels α final wird das Werkzeug
so angesteuert, daß die Schraubverbindung weiter
angezogen wird, wodurch der gewünschte Endspannungswert
F D erreicht wird. Auf ähnliche Weise kann das zusätzliche
Drehmoment Δ T oder das gewünschte Enddrehmoment T D
berechnet werden.
Die praktische Verwendung dieser Gedanken mach erhebliche
Schwierigkeiten. Die Berechnungen erfolgen während
des Anziehvorgangs, wobei die Zeitdauer des Anziehens
so gering wie möglich gehalten werden soll. Bei
Einsatz eines Rechners ist ein kurzzeitiges Anhalten,
um die Berechnungen durchzuführen, vorteilhaft. Eine
derartige Unterbrechung des Anziehens ist jedoch nicht
unbedingt erforderlich.
Um die Spannung bei Verwendung eines Drehmoment und
den Drehwinkel erfassenden Werkzeugs zu ermitteln wird
wie folgt vorgegangen.
- 1. Die Schraubverbindung wird ergriffen, das Werkzeug wird gestartet, das Drehmoment wird in konstanten Winkelabständen gemessen.
- 2. Das Werkzeug wird in einem Spannungsbereich von 0,4 bis 0,5 der Elastizitätsgrenze angehalten. Um das Anhalten des Werkzeugs zu bestimmen, kann ein Mutteranzugsverfahren eingesetzt werden, auch hier kann jedoch ein der Endspannungsermittlung ähnliches, vereinfachtes Ermittlungsverfahren angewendet werden.
- 3. Die Steigung des Drehmomentes wird aus dem Drehmoment- und Winkelmessungen durch ein geeignetes Näherungsverfahren, etwa dem der kleinsten Quadrate berechnet. Das Drehmoment in der Mitte des Bereiches, in dem die Steigung des Drehmomentes berechnet worden ist, wird durch Bilden des Durchschnittswertes des Drehmomentes in diesem Bereich ermittelt. Entsprechend wird der Schnittpunkt der durchschnittlichen Steigung des Drehmomentes mit der Koordinate des Winkels bestimmt. Die Verschiebung T os des Drehmomentes wird ermittelt.
- 4. Die Spannungskurve ist eine Gerade, die von dem Ursprung ausgeht oder aber von dem wie unter 3 bestimmten Schnittpunkt mit der urprünglichen Steigung FR₁. Dies gilt bis etwa 0,5% der Elastizitätsgrenze, wo die Spannungskurve eine Steigung von FR₂ hat. Die Stelle des Bogens in der Spannung/Winkel-Kurve wird empirisch aus den Werten FR₁, FR₂ und T os ermittelt.
- 5. Die Spannung in der Schraubverbindung an einem bestimmten Ort, beispielsweise dem Punkt 24, wird ermittelt. Bei einem gegebenen Spannungswert im Punkt 24 wird der zusätzliche Winkel α final oder das zusätzliche Drehmoment Δ T, das bzw. der erforderlich ist, um die Schraubverbindung auf den gewünschten Endspannungswert F D anzuziehen, errechnet.
- 6. Auf das Werkzeug wird ein Signal gegeben, um die Schraubverbindung über den Winkel α final oder das zusätzliche Drehmoment Δ T weiter anzuziehen.
Das Verfahren kann also in vier Abschnitte unterteilt
werden: (1) Bestimmen eines Zwischenwertes, (2) Berechnen
der Steigung des Drehmomentes und des Winkels der
ursprünglichen Spannung, (3) Berechnen des Wertes bis
zum Erreichen des Endspannungswertes einschließlich
einer Berücksichtigung des Nachlaufes des Werkzeugs und
(4) Bestimmen des Eintretens der Streckung und Berechnen
des Endspannungswertes für den Fall, daß die
Streckung schon vor dem sich bei dem beabsichtigten
weiteren Anziehen ergebenden Wertes folgt.
Der Zweck der Bestimmung eines Zwischenwertes für die
anzuziehende Schraubverbindung bezüglich einer Winkelposition,
die dem Knick in der Spannung/Winkel-Kurve
entspricht, wird im folgenden näher erläutert. Um diesen
Zwischenwert zu erhalten, kann man ein Drehmomentverfahren,
ein Mutteranzugsverfahren oder aber auch
ein vereinfachtes der Endspannungsermittlung ähnliches
Verfahren einsetzen. Bei Anwendung eines Mutteranzugsverfahrens
wird zur Erreichung des Zwischenwertes der
durchschnittliche Winkel unterhalb des Drehmomentes,
bei dem eine bestimmte Spannung beispielsweise
etwa 0,4 der Streckgrenze gegeben ist, bestimmt.
Dabei ist der Nachlauf des Werkzeuges zu berücksichtigen.
Wenn beispielsweise empirische Ermittlungen zeigen,
daß ein Wert von 0,4 der Streckgrenze durchschnittlich
bei 45° nach einem Drehmoment von 0,3 mkp
erreicht wird und ein Durchschnittswert von 8° Nachlauf
festgestellt wird, so ist das Werkzeug bei Erreichen
von 37° Drehung nach Erreichen eines Drehmomentes von
0,3 mkp abzuschalten, um den Zwischenwert zu erreichen.
Die Bestimmung des Zwischenwertes ist, wie sich aus
Fig. 1 ergibt, von erheblicher Bedeutung. Es wurde
bereits erwähnt, daß die durchschnittliche Steigung TR
des Drehmomentes zu ermitteln ist. Wenn der Zwischenwert
beispielsweise im unteren Teil des Eingriffsbereichs
16 liegt, ist die Steigung des Drehmomentes
wesentlich zu niedrig angenommen. Wenn der Zwischenwert
zu weit oben, nämlich im Endspannungsbereich 18 liegt,
treten folgende Schwierigkeiten auf: (1) Die berechnete
durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes ist
wesentlich zu hoch, und (2) es ist kein oder nur wenig
Reserve vorhanden, um das Anziehen bis zum gewünschten
Endspannungswert durchzuführen, wobei der Nachlauf des
Werkzeugs zu berücksichtigen ist.
Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Werkzeug
wird in dem Punkt 30, der sich um α₁° oberhalb des
Punktes 26 befindet, bei welchem der Wert T₁ des Drehmomentes
zum erstenmal erreicht oder überschritten
wurde, abgeschaltet. Wegen des Nachlaufens des Werkzeugs
von dem Abschalten bis zum tatsächlichen Einhalten,
der durch den Punkt 32 wiedergegeben wird, dreht
das Werkzeug um einen Winkel δα nach. Der Punkt 32
fällt normalerweise in den Bereich von 0,4 bis 0,6 der
Elastizitätsgrenze. Der Punkt 32 wird jeweils auf einen
bestimmten Bruchteil der Elastizitätsgrenze festgelegt.
Dieser Bruchteil ändert sich nicht, bis neue empirische
Daten aufgenommen worden ist, beispielsweise dann, wenn
eine andere Schraubverbindung anzuziehen ist.
Um die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes
zu berechnen, muß eine Entscheidung getroffen werden,
welche Drehmoment- und Winkelmessungen verwendet werden
sollen. Es hat sich gezeigt, daß der Drehmomentwert am
Punkt 32 infolge der geschwindigkeitsabhängigen Variablen
unzuverlässig ist. Dementsprechend liegt der höchste
Drehmomentwert, der bei der Berechnung der Steigung
des Drehmomentes verwendet wird, bei dem Punkt 34, der
von dem Punkt 32 um Δα zurück liegt. Der Drehmomentwert
im Punkt 34 ist T₃. Die Gesamtzahl der Werte, die
zur Berechnung der Steigung des Drehmomentes berechnet
werden, wird mit n bezeichnet. Dieser Wert kann unterschiedlich
groß sein. Eine Gesamtzahl von vierzehn
aufeinanderfolgenden Punkten einschließlich des Punktes
34 als höchstem Drehmomentwert hat sich als geeignet
erwiesen. Das mittlere Drehmoment T m und die durchschnittliche
Steigung TR des Drehmomentes werden unter
Verwendung der folgenden Summengleichungen bestimmt,
wobei i eine Bezeichnung für jeden Punkt ist, der für
die Berechnung der Steigung des Drehmomentes ausgewäht
wurde und T i den dort ermittelten Drehmomentwert darstellt:
Die Gleichung (1) gibt an, daß lediglich die an den
Punkten ermittelten Drehmomentwerte addiert werden und
die Summe sodann durch die Gesamtzahl der Punkte n
dividiert wird. Die Gleichung (2) dagegen gibt die
Ermittlung der Steigung über das Verfahren der kleinsten
Fehlerquadrate für die Punkte i an. Das mittlere
Drehmoment T m und die durchschnittliche Steigung des
Drehmomentes TR werden während des Anziehens der
Schraubverbindung über im wesentlichen den gleichen
Spannungsbereich ermittelt. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß überprüft wird, wie dicht der Winkel des
Punkts 32 an dem Knick der Spannung/Winkel-Kurve 12
liegt. Der Winkel des durchschnittlichen Drehmomentes
T m entlang einer Abzisse T os kann aus folgender Gleichung
berechnet werden:
Der Winkelabstand von dem Ausgangspunkt der Spannungskurve
12 zum Punkt 32 kann aus den effektiven Werten
berechnet werden, die von der anzuziehenden Schraubverbindung
nach der Gleichung
hergeleitet werden. Zur Berechnung sollte a origin negativ
sein. Aus der vor dem Anziehen der Verbindungselemente
empirisch ermittelten Information kann der Beginn
des zweiten Spannungsbereiches aus folgender Gleichung
berechnet werden:
F M ist dabei der Spannungswert an der Knickstelle. Der
Abstand zwischen a origin und α FM kann über folgende
Gleichung gewonnen werden:
X = α origin - α FM (6)
Wenn X 0, bedeutet dies, daß der Punkt 32 zu weit
oben liegt und daß dementsprechend der größte zur Berechnung
der Steigung des Drehmomentes verwendete Drehmoment
T₃ zu groß ist. Es ist daher erforderlich, den
Bereich zur Berechnung der Steigung des Drehmomentes
auf der in Fig. 2 dargestellten Drehmoment-Winkel-Kurve
nach unten zu verlegen. Somit gilt
Von dem Punkt 32 geht man entlang der Drehmoment/Winkel-Kurve
um n H Winkelschritte von Δα abwärts, um
einen neuen Punkt 35 als obere Grenze des Bereiches zu
bestimmten, durch den das Drehmomentverhältnis berechnet
wird. Das Symbol ↓ bedeutet, daß jeder Bruchteilwert
fallengelassen wird, so daß die verwendete Zahl die
nächstniedrigere ganze Zahl des berechneten Wertes ist.
Die Gesamtzahl der Datenerfassungspunkte n bleibt unverändert.
X < 0 bedeutet, daß der Punkt 32 zu weit unten liegt. Dies bedeutet, daß der Wert der Steigung des Drehmomentes zu gering ist. Da man auf der Drehmoment/Winkel- Kurve nicht nach oben gehen kann, um einen zusätzlichen Bereich für die Messung zu gewinnen, werden für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes weniger Datenpunkte angenommen, wodurch das untere Ende des Bereiches abgeschnitten wird. Entsprechend gilt
X < 0 bedeutet, daß der Punkt 32 zu weit unten liegt. Dies bedeutet, daß der Wert der Steigung des Drehmomentes zu gering ist. Da man auf der Drehmoment/Winkel- Kurve nicht nach oben gehen kann, um einen zusätzlichen Bereich für die Messung zu gewinnen, werden für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes weniger Datenpunkte angenommen, wodurch das untere Ende des Bereiches abgeschnitten wird. Entsprechend gilt
n Hi gibt den Punkt oder die Stelle an, wo der größte
für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes verwendete
Drehmomentwert liegt. Der größte Drehmomentwert
bleibt unverändert. Der neue Wert für n I , bei dem es
sich um die Gesamtzahl der verwendeten Datenpunkte
handelt, beruht auf der Annahme, daß das Spannungsverhältnis
in dem ersten Bereich im wesentlichen linear
oberhalb eines minimalen Spannungswertes F L ist, der
empirisch bestimmt ist. Die Spannung F₀ der Verbindung
liegt in dem Punkt 32 in dem ersten Spannungsbereich.
Das Symbol Δ F ist die zusätzliche Spannung in dem
Spannungsbereich pro Winkelzuwachs Δα und kann mathematisch
durch eine Gleichung
Δ F = FR₁ Δα (11)
ausgedrückt werden.
Die Spannung F₀ der Verbindung ist im Punkt 32
F₀ = -FR₁α origin (12).
Wenn n I zu klein ist (etwa zwei oder drei) führt die
Berechnung der kleinsten Quadrate (12) nicht zu guten
Ergebnissen. Es wird daher festgestellt, ob n I geringer
ist als n/2. In diesem Fall gilt
wobei n₂ als Gesamtzahl der Punkte verwendet wird.
Es wird entsprechend eine neue Summierung für das mittlere
Drehmoment T m und die Steigung des Drehmomentes
TR entsprechend den Gleichungen (1) und (2) durchgeführt
unter Verwendung eines neuen Ausgangspunkt für
den Fall, daß X 0. Man kann jedoch auch mit dem gleichen
höchsten Drehmomentwert beginnen unter Verwendung
einer geringeren Anzahl von Punkten für den Fall, daß X < 0
ist.
Mit den revidierten Werten für das mittlere Drehmoment
T m und der Steigung TR des Drehmomentes kann man einen
revidierten Wert für den Ausgangswinkel der Drehmoment/
Winkel-Kurve unter Verwendung der Gleichung (3)
erhalten. Für den Ausgangspunkt der Spannungs/Winkel-
Kurve kann man einen revidierten Wert aus der Gleichung
(4) gewinnen. Es wird wieder eine Berechnung durchgeführt,
um zu bestimmen, ob das Werkzeug den Knick in
der Spannungskurve über- oder unterschritten hat, in
Übereinstimmung mit den Gleichungen (5) und (6). Wenn
X 0 kann die in der Verbindung im Punkt 32 vorliegende
Spannung errechnet werden aus:
F₀ = FM + rFR₁X, (14)
wobei F M der empirisch bestimmte Spannungswert an der
Knickstelle der Spannungskurve und r das Verhältnis
FR₁/FR₂ ist. Wenn X < 0 erhält man die in der Verbindungsstelle
am Punkt 32 vorliegende Spannung aus der
Gleichung (19).
Die Werte für das mittlere Drehmoment T m , die Steigung
des Drehmomentes TR, α F , a origin und dergleichen können
so oft wie gewünscht revidiert werden.
Ein Nachteil des bisher beschriebenen Verfahrens liegt
in der Annahme, daß die empirisch bestimmte Steigung
FR₁ der Spannung die elastischen Eigenschaften der
jeweils anzuziehenden Schraubverbindung genau wiedergibt.
Für gute Schraubverbindungen ändert sich die
Steigung FR₁ der Spannung nicht erheblich. Bei bestimmten
Situationen, etwa bei klemmenden Gewindegängen,
schlecht ausgerichteten Schraubelementen, schlechte
Kontaktflächen, Schmutz oder anderen Fremdpartikeln
zwischen den Kontaktflächen und dergleichen liegt die
tatsächliche Steigung der Spannung der anzuziehenden
Schraubverbindung wesentlich unterhalb der empirisch
bestimmten Steigung FR₁ der Spannung. Bei derart
schlechten Verbindungen liegt der tatsächliche Endspannungswert
beträchtlich unter dem angestrebten Spannungswert
F D und beträchtlich unter dem berechneten
Spannungsendwert F final . Um die Bedeutung derartiger
schlechter Verbindungen zu bestimmten, wurden zwei 8 mm-
Schrauben und Muttern der SAE-Qualität 8 mit einer
Unterlegscheibe angezogen, die 0,38 mm dick war und von
einem Ende aufgesteckt wurde, um einen schlechten Kontakt
infolge mangelnder Ausrichtung zu simulieren. Der
angestrebte Endspannungswert ergab sich zu 2494 kp. Der
tatsächlich gemessene Endspannungswert lag demgegenüber
bei 1089 kp und 771 kp für die beiden Verbindungselemente,
wodurch sich eine prozentuale Abweichung von -
56% bzw. -69% von dem gewünschten Wert ergab. Bei
schlechten Verbindungselementen mit einer großen
Streuung der Eigenschaften ergeben sich damit die gleichen
Auswirkungen wie bei Mutteranzugsverfahren.
Es hat sich gezeigt, daß schlechte Verbindungselemente
mit einer ungewöhnlich niedrigen Steigung der Spannung
einfach aus den während des Anziehens der Schraubverbindung
ermittelten Werte festgestellt werden können.
Bei derart schlechten Schraubverbindungen ist die Steigung
des Drehmomentes im Oberteil des Bereiches 16, in
dem die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes
berechnet wird nicht konstant, als anders, als in Fig.
2 dargestellt. Die Drehmomentkurve ist vielmehr nach
oben konkav gekrümmt. Es ist daher relativ einfach,
zunächst die durchschnittliche Steigung des Drehmomentes
in dem oberen und dem unteren Teil des Bereiches zu
ermitteln und sodann zu vergleichen. Bei Verwendung von
dreizehn Datenpunkten zur Berechnung der Steigung TR
des Drehmomentes mit dem Punkt 34 als größtem verwendeten
Drehmomentwert wird die Steigung TR a des Drehmomentes
über sechs Winkelschritte von dem Punkt 34 aus
zurückgehend berechnet. Diese Berechnungen können natürlich
nach dem Zweipunkte- oder aber dem Verfahren
der kleinsten Quadrate erfolgen. Sodann wird die Steigung
TR b des Drehmomentes über sechs Winkelschritte
weiter rückwärtsgehend und damit um zwölf Schritte
rückwärts von dem Punkt 34 ermittelt. Sodann wird das
Verhältnis TR a /TR b berechnet. Wenn das Verhältnis
TR a /TR b bei etwa 1 liegt, wird angenommen, daß die
Steigung der Spannung der Verbindung zureichend ist.
Wenn das Verhältnis TR a /TR b erheblich von 1 abweicht,
d. h. TR a /TR b 1,10, wird angenommen, daß die Steigung
FR₁ der Spannung ungewöhnlich niedrig ist, so daß bei
einem Anziehen nach dem vorgeschlagenen Verfahren oder
aber nach dem Mutternanzugsverfahren eine Befestigung
ergibt, die wesentlich unterhalb des gewünschten Spannungswertes
F D liegt. Dies kann durch ein Signal entsprechendes
von der Bedienperson erkennbares Signal angezeigt
werden. Die Schraubverbindungselemente werden sodann
verworfen und ersetzt.
Der Punkt 32 der berechneten Spannung F₀ entspricht nun
dem Punkt 24, der in der etwas verallgemeinerten Darstellung
von Fig. 1 gezeigt ist. Die einzige noch
durchzuführende Bestimmung ist der zusätzliche Winkel
α final oder das zusätzliche Drehmoment Δ T, das erforderlich
ist, um den gewünschten Endspannungswert F D zu
erreichen. Diese Berechnungen sind verglichen mit den
Verfahren zur fortlaufenden Gewinnung verläßlicher
Werte für die Steigung TR des Drehmomentes und zur
Gewinnung des Winkels der Ausgangsspannung, relativ
einfach.
Der Anzugsparameter, der gewählt wird, um den gewünschten
Endspannungswert F D zu erreichen, ist der zusätzliche
Winkel α final .
Wenn
Wenn
F₀ gewinnt man aus den Gleichungen (12) oder (14). Der
Spannungswert F M an dem Knick in der Spannungs/Winkel-
Kurve wird empirisch bestimmt. Das Werkzeug läuft um
einen Winkel Δα nach, wenn es an dem Punkt 32 einhält.
Ein gewisses Nachlaufen des Werkzeuges wird auch eintreten,
wenn der gewünschte Endspannungswert F D erreicht
wird. Eine typische Drehmoment/Geschwindigkeit-Kurve
für ein preßluftgetriebenes Werkzeug ist in Fig. 3
dargestellt. Da sich das Werkzeug während des Anziehens
verlangsamt, ist das Nachlaufen des Werkzeuges bei Erreichen
des gewünschten Endspannungswertes F D geringer
als das Nachlaufen bei Erreichen des Punktes 32. In der
Gleichung
gibt T₄ den Wert des Drehmomentes im Punkt 30, in dem
der ursprüngliche Haltebefehl vor Erreichen des Punktes
32 gegeben wurde, T₀ das Überspannungsdrehmoment des
Werkzeuges, TR das berechnete Drehmomentverhältnis und
δα den gemessenen Winkelnachlauf bei Annäherung an
den Punkt 32 an. Der erwartete Werkzeugnachlauf bei
Erreichen des gewünschten Endspannungswertes F D ergibt
sich zu
Es hat sich gezeigt, daß eine typische Schraubverbindung
sich bei Anhalten am Punkt 32 und/oder bei Beendigung
des Anziehens erholt. Die Spannung vermindert
sich also, ohne daß die Schraubverbindung wieder gelöst
wird. Wenn die Schraubverbindungselemente kontinuierlich
angezogen wurden, d. h. ohne Anhalten bei dem Zwischenwert,
kann die Erholung am Endpunkt des Anziehens
beträchtlich sein. Bei einem Anhalten in einem mittleren
Punkt ist die Erholung am Endpunkt des Anziehens
sehr gering. Bei einer Unterbrechnung am mittleren Haltepunkt
32 tritt die wesentliche Entspannung der
Schraubverbindung vor der Wiederaufnahme des Anziehvorgangs.
Somit führt das Einhalten an dem mittleren Haltepunkt
32 zu einer größeren Gleichmäßigkeit der Endspannung.
Dieses Phänomen kompliziert allerdings die
Bestimmung des Endwinkelabschaltwertes.
Wenn sich die Verbindung an dem Punkt 32 nicht erholen
würde, würde dem Werkzeug eine Information zugeführt,
um einen zusätzlichen Winkel α final - dα über den mittleren
Haltepunkt 32 hinauszugehen, wo der endgültige
Haltebefehl gegeben wird. In Fig. 1 ist dargestellt,
daß der endgültige Haltebefehl etwa in dem Punkt 36
gegeben wird, das Werkzeug läuft um einen Winkel dα
nach, bis es an dem gewünschten Endspannungswert F D
anhält.
Das Phänomen der Erholung der Schraubverbindung ist in
Fig. 4 dargestellt, in der die Kurve 38 die Spannungs-
Winkelbeziehung während des kontinuierlichen Anziehens
bis zu einem Punkt 40 unterhalb der Elastizitätsgrenze
der Schraubverbindung darstellt. Wenn das Anziehen
eingehalten wird, erholt sich die Verbindung, was durch
Absinken der Spannung entlang einer Linie 42 dargestellt
ist. Die Endspannung der Schraubverbindung liegt
entsprechend im Punkt 44. Ein typischer Wert für die
Erholung der Verbindung entlang der Linie 42 beträgt 7%
der Spannung der Verbindung innerhalb von 21 Stunden.
In Fig. 5 stellt die Kurve 46 die Spannung/Winkel-
Beziehung während des Anziehens bis zum Punkt 32 dar.
Da sich die Verbindung erholt, sinkt die Spannung in
den Verbindungselementen entlang einer Linie 48 auf
einen Spannungswert 50 ab.
Anstatt eines an das Werkzeug gegebenen Befehls, um
einen zusätzlichen Winkel α final - dα von dem Punkt 32
aus weiter anzuziehen, wird ein Befehl gegeben, die
Verbindungselemente um einen zusätzlichen Winkel a final
- dα weiter zu drehen, nachdem das Drehmoment den Wert
T sp erreicht oder überschreitet. Dabei ist
T sp = T₃ + TR ( Δα ) (19)
Es soll hier daran erinnert werden, daß der Drehmomentwert
T₃ im Punkt 34 vorliegt, der gegenüber Δα von dem
Punkt 32 zurück liegt (Fig. 2). Wenn man das Werkzeug
weiterdreht, bis das Drehmoment T sp erreicht oder überschritten
wird, werden die Drehmoment- und Spannungswerte
am Punkt 32 erzeugt, bevor die Erholung eintritt.
Dies ist in Fig. 5 gezeigt, womit dem Punkt 52 die
Stelle bezeichnet ist, wo das Drehmoment gleich oder
größer als T sp ist. Es wird sodann ein genaues Anziehen
durchgeführt unabhängig von der in dem Bolzen zu dem
Zeitpunkt herrschenden Spannung, an dem das Werkzeug
erneut anzieht. Fig. 5 stellt dar, daß der endgültige
Abschaltbefehl im Punkt 54 gegeben wird. Das Werkzeug
läuft nach und dreht die Schraubverbindung weiter um
einen Winkel dα bis zum Halt an dem gewünschten Endspannungswert
F D . Um den wesentlichen Teil der Erholung
der Verbindung von dem endgültigen Haltepunkt in den
Punkt 32 zu verschieben, liegt der Punkt 32 bei mindestens
0,4 der Streckfestigkeit zweckmäßigerweise im
Bereich von 0,4 bis 0,6 der Streckfestigkeit. Wenn der
Punkt 32 so liegt, liegt die typische Verbindungsstellenerholung
im endgültigen Haltepunkt im Bereich von
1/2 bis 2% der endgültigen Schraubenspannung innerhalb
einer Stunde. Diese Größenordnung der Erholung der
Verbindung ist bei guten Verbindungselementen gegeben
nicht dagegen bei schlechten Verbindungselementen.
Um den angestrebten Endspannungswert F D zu erreichen,
können auch das zusätzliche Drehmoment oder das Enddrehmoment
F D (Fig. 1) gewählt werden. Das endgültige
Drehmoment F D wird bevorzugt, da sich die Verbindungsstelle
am Punkt 32 erholen kann. Da die Anweisung an
das Werkzeug so ausgelegt ist, daß der schließliche
Drehmomentwert F D erreicht wird, wird jede Erholung der
Verbindungsstelle selbstständig berücksichtigt. Wenn man
einen drehmomentabhängigen Abschaltparameter verwendet,
wird auch eine mögliche Erholung der Verbindungsstelle
am Punkt 32 automatisch ausgeglichen.
Bei drehmomentgesteuertem Abschalten wurde ein Phänomen
festgestellt, das sich einfach erklären läßt. Bei
Betrachtung von Fig. 1 stellt man fest, daß, wie erwähnt,
die Steigung der Spannung FR₂ größer ist als die
Steigung der Spannung FR₁, und zwar üblicherweise um 5
bis 15%, im wesentlichen abhängig von dem Wert F M . Man
könnte daraus schließen, daß die Steigung des Drehmomentes
im Bereich 18 um einen ähnlichen Betrag größer
ist als die Steigung des Drehmomentes im Bereich 16.
Laboruntersuchungen haben jedoch ergeben, daß die Steigung
des Drehmomentes im Bereich 18 typischerweise
etwas geringer ist als die Steigung des Drehmomentes im
Bereich 16. Das Verhältnis der Steigungen der Drehmomente
in den Bereichen 16 und 18 zu den Steigungen FR₁
und FR₂ der Spannungen kann jedoch für eine bestimmte
Schraubverbindung als nahezu konstant angenommen werden.
Bei den Berechnungen für den endgültigen Drehmomentabschaltbefehl
wird dies berücksichtigt.
Dabei ist T MC ein berechneter Wert für das Drehmoment
in dem Knick der Spannungskurve, R definiert als
TR-2/rTR, TR₂ ist die Steigung des Drehmomentes im Bereich
18, TR ist die Steigung des Drehmomentes im
Bereich 16 und r ist das Verhältnis FR₂/FR₁.
Bei winkelgesteuerter Endabschaltung läuft das Werkzeug
nach, nachdem der Endabschaltbefehl gegeben ist. Es
wird definiert:
δ T - TR ( δα) (22)
Ta - To - T₄ -δ T, (23)
dann ist
Nach Wiederaufnahme des Anziehens wird der endgültige
Abschaltbefehl gegeben, wenn das Drehmoment T < T D -dT
ist. Fig. 1 zeigt, daß der endgültige Abschaltbefehl
etwa im Punkt 36 gegeben wird. Das Werkzeug läuft nach
und dreht die Schraubverbindung um ein zusätzliches
Drehmoment d T an, bis ein Einhalten am gewünschten
Endspannungswert F D erfolgt.
Das Anziehen einer Schraubverbindung kann aus der berechneten
Spannung, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren
ermittelt worden ist, bestimmt werden. Das Beenden
des Anziehens entsprechend der berechneten Spannung
entspricht dem Beenden des Anziehvorgangs in Abhängigkeit
von dem Winkel oder dem Drehmoment.
Das Anziehen kann entsprechend einer Kombination von
Drehmoment und Winkel beendet werden, beispielsweise
einer linearen Kombination von Drehmoment und Winkel.
Nimmt man an, daß der berechnete Anzug zu gleichen
Teilen aus dem Drehmoment und dem Winkel berechnet
werden soll, gilt die folgende Gleichung
Dabei ist F₀ der berechnete Spannungswert im Punkt 32,
der aus den Gleichungen (12) oder (14) in Abhängigkeit
davon, ob X < 0 oder X < 0 berechnet worden ist. T sp ist
das im Punkt 32 berechnete Drehmoment, das aus der
Gleichung (14) bestimmt werden kann. Die Berechnung für
α final hängen davon ab, ob X < oder X < 0, wie in den
Gleichungen (15) und (16) zum Ausdruck kommt. Die Berechnungen
für T₀ werden unter Verwendung der Gleichung
(20) und (21) durchgeführt.
Bei der Verwendung anderer Anziehparameter ist es erwünscht,
das Nachlaufen zu korrigieren. Die Korrektur
des Nachlaufwinkels der Gleichung (25) kann durch Vorhersage
des Nachlaufens wie folgt eingeführt werden:
F or = r(FR₁) dα (26)
dabei ist F or der auf das Nachlaufen beruhende Spannungszuwachs.
Es kann auch gewünscht sein, eine gleichwertige
Kombination von Drehmoment und Winkel zur Bestimmung
des vorausgeschätzten Werkzeugnachlaufs heranzuziehen.
Die in dem Bolzen während des Nachlaufens
erzeugte Spannung kann berechnet werden als
Man kann dem Werkzeug nicht lediglich den Befehl geben,
um einen zusätzlichen Winkel, oder aber bis zum Erreichen
eines gewünschten Drehmomentes weiterzudrehen, um
den gewünschten Spannungswert F D zu erreichen, wenn
man einen aus Drehmoment und Winkel kombinierten Parameter
einsetzt. Statt dessen ist die Spannung zu berechnen,
die in jeder Winkelstellung α₃ über den Punkt
32 hinaus auftritt.
Wenn x < 0 gilt
Wenn x < 0 gilt
Dabei gibt T α₃ den in der Winkelstellung a₃ ermittelten
Drehmomentwert, T sp den berechneten Drehmomentwert am
Punkt 32 und T MC den berechneten Drehmomentwert an der
Stelle F M entsprechend Gleichung (20) an.
Der berechnete Spannungswert bei dem Punkt 32 ergibt
sich zu
F so = F D -F or (30)
Dabei ist F D aus der Gleichung (25) und F or aus den
Gleichungen (26) oder (27) abgeleitet. Vergleicht man
den Wert für F α₃ bei Winkelschritten die Δα, 1° oder
dergleichen mit F so wird sobald F α₃ < F so der Abschaltbefehl
gegeben. Auf diese Weise kann das Anziehen entsprechend
einer linearen Kombination von Drehmoment und
Winkel abgeschlossen werden.
Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Wenn das
Anziehen bis zu dem gewünschten Endspannungswert erfolgt,
soll sichergestellt sein, daß die Streckgrenze
nicht erreicht oder doch zumindest nicht wesentlich
überschritten wird. Dies kann, wie Fig. 6 zeigt, grafisch
durchgeführt werden, indem man eine Linie 56
parallel zur Drehmomentkurve 10 im Bereich 18 oder
parallel zur Spannungskurve 12 nach einem Abstand des
Winkels α y aufzeichnet. Der Wert von α y kann mit einem
angenommenen Axialzug in der Schraube in Bezug gesetzt
werden, da der Betrag der Drehung der Mutter in diesem
Bereich der Drehmomentkurve in eine prozentuale Verlängerung
der Schraube umgerechnet werden kann, da der
Anstieg des Gewindes bekannt ist. Wenn der Drehmomentwert
T die Linie 56 in dem Punkt 58 überschreitet, wird
dem Werkzeug ein Abschaltbefehl gegeben. Das Werkzeug
kommt wegen des Nachlaufes spätestens im Punkt 60 zum
Stillstand.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird der von dem
Werkzeug aufgebrachte Drehmomentwert kontrolliert,
nachdem das Werkzeug nach dem Punkt 32 wieder eingeschaltet
ist. Dabei stellt sich ein Problem, da das
Angangsdrehmoment, das auf die Schraubverbindung übertragen
wird, um das weitere Anziehen zu bewirken, typischerweise
wesentlich größer ist als das Drehmoment
unmittelbar vor Erreichen des Punktes 32, was durch
Abweichungen zwischen dem statischen und dem dynamischen
Reibungskoeffizienten und komplizierten dynamischen
Faktoren verursacht wird. Wenn der Wert des jeweiligen
Drehmomentes T zuerst den Wert T M erreicht oder überschreitet,
wobei
T M = T₃ + TR ( Δα-x) (31)
wird diese Stelle markiert. Zwei Δα Schritte über die
Stelle 62 hinaus wird der jeweilige Drehmomentwert T
ermittelt und als T₅ gespeichert. T M ist ein berechneter
Drehmomentwert, der an der Stelle der Drehmoment/
Winkel-Kurve auftritt, die dem Knick in der Spannungskurve
entspricht.
Aus Fig. 6 ergibt sich, daß Berechnungen durchgeführt
werden, um die Streckung oder nicht-lineare Spannung,
die in Bereich 18 auftritt, zu ermitteln. Die Steigung
des Drehmoments im Bereich 18 kann ausgedrückt werden
als
u = rR(TR) (32)
Da R als TR₂/rTR definiert ist, reduziert sich die
Gleichung auf u = TR₂.
Berechnungen der Streckung oder nicht-linearen Spannung
können während des Anziehens im Bereich 18 regelmäßig
durchgeführt werden. Es ist ausreichend, wenn für jeden
zweiten Winkelschritt Δα die Berechnungen durchgeführt
werden. Es gilt dann
Δ T₁ = 2u ( Δα ) (33)
Δ T y = u α y (34).
α y ist dabei der Winkel, der einem angestrebten Spannungswert
entspricht, der elastisch, nicht jedoch linear
oder plastisch ist. Δ T₁ ist das Erhöhungsdrehmoment
über den Erhöhungswinkel 2Δα und Δ T y ist das
Erhöhungsdrehmoment über den Erhöhungswinkel xy. Bei
Wahl zu kleiner Werte α y kann der Abschaltbefehl im
elastischen, nicht also im linearen Bereich liegen.
Wenn für α y ein zu großer Wert ausgewählt wird, liegt
der Abschaltpunkt im Streckbereich. Die Bestimmung der
nicht-linearen Belastung umfaßt sowohl die elastische
als auch plastische Spannung. Die Schwierigkeit bei
der Auswahl von kleinen Werten von α y liegt darin, daß
das Rauschen in der Drehmomentkurve 10 im Bereich 18
ein verfrühtes Strecksignal abgibt. In einem Punkt 64,
welcher zwei Δ x° nach dem Auftreten von T₅ liegt, wird
der Wert des jeweiligen Drehmomentes T verglichen mit
T y 1 = T₅-Δ T y + Δ T₁ (35)
T y ₁ ist der Drehmomentwert der Gerade 56 im Punkt 64.
Wenn T größer T y ₁ ist, wird das Anziehen fortgesetzt.
In einem Punkt 66, der 2Δα° hinter dem Punkt 64
liegt, wird der Wert für das laufende Drehmoment T
verglichen mit
T y ₂ = T y ₁ + Δ T y ₁ (36)
= (T y ₅-Δ T y + Δ T₁) + Δ T₁ (37)
Wenn T größer T y ₂ist, wird das Anziehen fortgesetzt.
Dieses Verfahren wird beibehalten, indem man einen
zusätzlichen Drehmomentwert Δ T₁ dem vorangehenden Wert
von T y bei Winkelschritten von 2Δα hinzufügt. Für den
Fall, daß vor dem Auftreten des aus den normalen Anziehparameter
des Drehmomentes oder des Winkels abgeleitete
Abschaltbefehl T < T y ist, wird ein Abschaltbefehl
auf das Werkzeug gegeben. Das eigentliche Abschaltsignal
tritt nicht genau im Punkt 58 ein, da
Vergleiche nur jeweils alle 2Δ x durchgeführt werden.
Dementsprechend wird die tatsächliche Streckermittlung
wahrscheinlich später, d. h. in dem in Fig. 6 gezeigten
Punkt 68 erfolgen.
Das Anziehen wird normalerweise infolge eines drehmomentgesteuerten,
winkelgesteuerten oder eines kombinierten
Abschaltsignals beendet, wobei jedoch im Fall
des Erreichens der Streckgrenze vorzeitig ein Abschaltsignal
gegeben wird. Hieraus wird deutlich, daß das
obere Ende des Streubereichs durch eine Sekundärstreckgrenzabschaltung
eliminiert wird. Die Gesamtstreuung
kann so verringert werden.
Vorzugsweise ist die Auswahl von F D so niedrig, daß die
Abschalthäufigkeit aufgrund der Ermittlung nicht-linearer
Spannung im Bereich von 0,1% liegt.
Die Anzahl der Schraubverbindungen, die einen nichtlinearen
Spannungsverlauf zeigen, wird ermittelt. Es
gilt
wobei C J die Anzahl der angezogenen Schraubverbindungen,
C Y die Anzahl der Schraubverbindungen, bei der der
Streckbereich erreicht wurde und A ein akzeptabler
Anteil ist. Der Wert A kann dabei im Bereich von 0,1%
bis 0,2%, beispielsweise bei 0,15% liegen. Das
Verhältnis C Y /C J wird vorzugsweise laufend, nicht also
kumulativ ermittelt. Wenn das Verhältnis X Y /C J einen
vorgegebenen Wert A übersteigt, wird ein Signal erzeugt,
das anzeigt, daß die Häufigkeit von Schraubverbindungen
mit einem nicht-linearen Spannungsverlauf zu
hoch ist. Es wird sodann die Beschaffenheit der
Schraubverbindungselemente auf übliche Weise geprüft.
Der bei der Ermittlung nicht-linearer Spannungsverläufe
ermittelte Endspannungswert sollt berechnet und gespeichert
werden. Wenn dieser in einem akzeptablen
Bereich liegt, ist es nicht zu empfehlen, die Schraubverbindung
zu entfernen und durch eine neue Schraubverbindung
zu ersetzen.
Wenn man entsprechend über den Winkel arbeitet, kann
der Endspannungswert wie folgt berechnet werden:
F final = F D -rFR₁ (α final + α y-x₂) (39).
α₂ ist dabei der Winkel von dem Punkt 32 bis zu der
Stelle, an der die Streckung ermittelt wurde. Jeder
berechnete Wert für F final ist eine Näherung, da die
Steigung der Spannung weit oberhalb der Proportionalgrenze
unbekannt ist und nicht genau ermittelt werden
kann. Fig. 7 gibt dies grafisch wieder. Wenn der Endspannungswert
anhand einer Gleichung
F final = F D -rFR₁ (α final -α₂) (40)
berechnet werden würde, würde die tatsächlich berechnete
Spannung im Punkt 70 liegen, der die gleiche Winkelentfernung
α₂ von dem Punkt 32 besitzt wie der Punkt 68
der Ermittlung der Streckung. Der Unterschied der Spannungswerte
zwischen den Punkten 68 und 70 kann manchmal
erheblich sein. Es ist bekannt, daß die Steigung der
Spannung unmittelbar vor dem Punkt 58 wesentlich abfällt.
Es sollte daher der Spannungswert im Punkt 72
berechnet werden, der um den Winkel α y unterhalb der
Steigung FR₂ liegt. Dies verdeutlicht die Grundlage für
die Gleichung (40). Der eigentliche Spannungsendwert
der Schraubverbindung liegt im Punkt 68, der sich von
dem berechneten Spannungswert im Punkt 72 unterscheidet.
Der Spannungswert im Punkt 72 ist jedoch eine
wesentlich bessere Schätzung des eigentlichen Spannungsendwertes
als die Berechnung der Spannung im Punkt
70. Dies gilt insbesondere, weil die Steigung der Spannung
im Bereich 74 relativ gering ist. Der Endspannungswert
F final kann angezeigt oder ausgedruckt werden.
Für den Fall, daß drehmomentabhängig gearbeitet wird,
wobei T < T y wird ein nicht-linearer Spannungsverlauf
ermittelt und entsprechend das Werkzeug abgeschaltet.
Der Endspannungswert kann über das Drehmoment berechnet
werden nach einer Gleichung
Dabei ist T f der höchste aufgenommene Drehmomentwert
innerhalb eines oder zweier ΔαSchritten vor dem
endgültigen Haltepunkt 60. Dies ist entsprechend in
Fig. 7 dargestellt. Die Ermittlung der Streckung tritt
im Punkt 68 auf der Drehmomentkurve 10 ein, wobei der
Punkt 60 der Endhaltepunkt ist. Das Drehmoment im Punkt
60 ist aus den gleichen Gründen unzuverlässig, aus
denen die Drehmomenterfassung am mittleren Haltepunkt
unzuverlässig ist. Der Drehmomentwert T f wird daher als
Maximalwert innerhalb von einem oder zwei Δα Schritten
von dem Punkt 60 zurückgerichtet erfaßt, beispielsweise
im Punkt 76. Dies ist grafisch durch die horizontale
Linie 78 dargestellt, die auf die die Steigung darstellende
Gerade TR₂ im Punkt 80 ausläuft und die vertikale
Linie 82, die die Steigung FR₂ der Spannung angebende
Gerade im Punkt 84 schneidet. Der Endspannungswert
F final ist die im Punkt 84 berechnete Spannung.
Es ist erwünscht, den Endspannungswert zu berechnen und
zu speichern, der innerhalb eines Schraubverbindungselementes
auftritt, dessen Anziehen in normaler Weise,
d. h. unter Zugrundelegung des Drehmomentes und/oder des
Winkels abgeschlossen worden ist. Bei Anziehen nach
einem Drehmomentverfahren gibt die Gleichung (48) den
Wert für F final an, unabhängig davon, ob eine Streckung
eingetreten ist oder nicht. Bei Verwendung eines Winkelverfahrens
kann der erzielte Endspannungswert nach
folgender Formel berechnet werden:
F final = F D -rFR₁ (α final -α actual ) (42).
Dabei gibt α actual die tatsächliche Winkelvergrößerung
zwischen dem Punkt 32 und dem Endhaltepunkt an.
Der Endspannungswert kann berechnet und gespeichert
werden. Eine Werkzeugüberlastung kann vor dem Punkt 32
oder nach dem Punkt 32 auftreten. Vor dem Punkt 32 gilt
F final = F o (43),
nach dem Punkt 32 kann der gezielte Spannungswert F final
unter Verwendung des Drehmomentes wie folgt berechnet
werden:
T sp gibt dabei das nach Gleichung (26) berechnete Drehmoment
im mittleren Haltepunkt an.
Nach Erreichen des Punkts 32 kann der gewünschte Endspannungswert
F final über den Winkel beispielsweise
anhand einer Gleichung
F final = F o + rFR₁a actual , X < 0 (45)
berechnet werden. Dabei gibt α actual den tatsächlich
gemessenen Winkel von dem Punkt 32 bis zum Endhaltepunkt
an.
Wenn sich das Werkzeug über einen zulässigen Winkel
hinaus dreht, läßt sich schlußfolgern, daß entweder das
Werkzeug die Schraubverbindung nicht erfaßt hat oder
aber die Schraubverbindung ohne Auftreten von Streckung
zerstört worden ist. Es tritt dann keine meßbare Spannung
in dem Bolzen auf,
F final = 0 (46)
Ein anderes Verfahren, das Anziehen in Abhängigkeit von
einem Parameter, etwa dem Drehmoment, abzuschließen,
liegt darin, diesen Abschaltparameter anhand eines
anderen Abschaltparameters, beispielsweise des Winkels,
zu überprüfen. Wenn beide Ergebnisse nahe beieinander
liegen, ist dies praktisch ein Anzeichen dafür, daß die gemachten
Annahmen, die empirisch bestimmten Parameter der
Schraubverbindung und dergleichen hinreichend genau
sind. Wenn die zu vergleichenden Werte dagegen stark
unterschiedlich sind, gibt dies an, daß etwas nicht
stimmt. Der Vorgang wird unterbrochen, um die Ursache
zu ermitteln. Wenn das Drehmoment als Anziehparameter
verwendet wird, wird F D in die Gleichungen für den
Endspannungswert T D unter Verwendung der Gleichung (20)
und (28) eingesetzt, je nachdem ob X < 0 oder X < 0. Für
den berechneten Endspannungswert F final gilt unter
Verwendung des Winkels in einem Endhaltewinkel von
F final = F D -rFR₁ (α final -α actual ) (47)
Dabei gibt α actual den tatsächlichen Winkelzuwachs von
dem Punkt 32 bis zum Endhaltepunkt an. Wenn der Unterschied
zwischen F D und F final gering ist, beispielsweise
zwischen ±5 bis 10% ist das Verfahren zuverlässig.
Wenn der Unterschied zwischen F D und F final größer
ist, d. h. im Bereich von ±20%, gibt dies an, daß
etwas fehlerhaft ist. Sodann ist die Ursache zu ermitteln.
In jedem Fall ist es erwünscht, F final mit dem gewünschten
Endspannungswert F D zu vergleichen. Hierfür
gilt:
B ist dabei ein die Abweichung angebender Wert, der von
dem Verwender noch akzeptiert wird. Nur wenn B negativ
ist, ergibt sich ein Problem. Wenn F final zu hoch ist
und sich die Schraube nicht gestreckt hat, kann normalerweise
mit der Schraubverbindung nichts falsch sein.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß
verklemmte Schraubverbindungen ermittelt werden können.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der Möglichkeit
der Voraussage des Nachlaufs des Werkzeugs.
Der Nachlauf des Werkzeugs kann im Bereich des
Punktes 32 überwacht werden. Es gilt
Y ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis
T₄/T₀ darstellt. Wie Fig. 2 zeigt, ist T₄ der Drehmomentwert
an dem Punkt 30, an dem der Abschaltbefehl für
den mittleren Haltepunkt gegeben wird. T₀ ist das normale
Überlastungsdrehmoment. Wie sich aus Fig. 3 ergibt,
ist Y eine umgekehrte Funktion der Werkzeuggeschwindigkeit.
Wenn die zeitliche Verzögerung zwischen der Abgabe
des Abschaltbefehls und dem Schließen des Ventils
konstant bleibt, gibt Y den Werkzeugnachlauf an. Da δα
der gemessene Werkzeugnachlauf ist, ist Z eine Funktion
des gemessenen Werkzeugnachlaufs, während α or der
normale Winkelnachlauf des Werkzeuges ist. E ist die
prozentuale Änderung der Funktion des Werkzeugs und der
Steuerung.
Wenn E niedrig ist, beispielsweise <-10%, ist dies
ein Zeichen dafür, daß das tatsächliche Überlastungsdrehmoment
wesentlich abgesunken ist, beispielsweise
aufgrund eines Absinkens des Luftdruckes, einer unzureichenden
Schmierung, abgenutzten oder gebrochenen
Teilen oder dergleichen. In einem solchen Fall kann ein
Signal angeben, daß das Werkzeug zu inspizieren oder zu
ersetzen ist. Es ist vorstellbar, jedoch unwahrscheinlich,
daß eine erhebliche Abnahme von E durch eine
Verringerung der zeitlichen Verzögerung zwischen dem
Abschaltbefehl und dem Schließen des Luftventils verursacht
wird.
Wenn E positiv ist, treten Schwierigkeiten auf. Z, bei
der es sich um eine Vereinfachung eines komplizierteren
Ausdrucks handelt, verliert an Genauigkeit. Die kompliziertere
Gleichung zeigt an, daß, wenn E positiv ist, Z
neu berechnet werden sollte als
Dementsprechend sollte E neu berechnet werden mit einer
größeren Genauigkeit als
Wenn E₁ groß ist, beispielsweise < 10%, folgt daraus,
daß die zeitliche Verzögerung zwischen dem Abschaltbefehl
und dem Schließen des Luftventils wesentlich
größer geworden ist, oder aber daß dem Werkzeug
zugeführte Luftdruck angestiegen ist. Dies zeigt normalerweise
an, daß der Ventilsteuermagnet zu kleben beginnt
oder aber, daß der Luftdruck zu hoch ist. In
einem solchen Fall kann ein Signal angeben, daß das
Luftsteuersystem einer Inspektion bedarf. Ein merklicher
Anstieg von D₁ kann durch einen erhöhten Wirkungsgrad
des Werkzeugs verursacht werden.
Eine Voraussage des Werkzeugnachlaufs nach Gleichung
(49) beruht nicht auf der Trägheit, sondern allein auf
der zeitlichen Verzögerung. Der auf der Trägheit beruhende
Nachlauf ist bei Verwendung von mit mittlerer
oder hoher Geschwindigkeit arbeitenden Werkzeugen weitgehend
unerheblich. Bei Verwendung von mit geringer
Geschwindigkeit angetriebenen Werkzeug ist die Genauigkeit
jedoch höher.
Es kann jedoch ein auf Trägheit beruhender Nachlauf
berücksichtigt werden.
Claims (10)
1. Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen
mittels eines steuerbar angetriebenen Werkzeugs mit
folgenden Verfahrensschritten:
- - Anziehen der Schraubverbindungen bis zu einem bestimmten Punkt unter Messen des von dem Werkzeug auf die Schraubverbindung aufgebrachten Drehmoments T und des Drehwinkels α,
- - Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments der Schraubverbindung für einen vorgegebenen, unterhalb der Streckgrenze liegenden Axialzug unter der Annahme einer linearen Beziehung zwischen dem Axialzug F und dem Drehmoment T, und
- - Anziehen der Schraubverbindung bis zum Erreichen des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments im Elastizitätsbereich erfolgt,
- - daß die Drehmoment/Drehwinkel-Kurve im Elastizitätsbereich vor dem bestimmten Punkt gemessen und durch eine Gerade angenähert wird,
- - daß zum Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments der Axialzug unter Annahme einer bekannten, im Elastizitätsbereich konstanten, für die jeweilige Schraubverbindung spezifischen Steigung der Axialzug/Drehwinkel-Kurve über die Beziehung
ermittelt wird, und
- - daß über den ermittelten Axialzug und die angenommenen linearen Beziehungen das Abschaltdrehmoment und/oder der Abschaltdrehmoment ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der bestimmte Punkt aus dem Drehwinkel ermittelt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Ermitteln des Abschaltwinkels
und/oder Abschaltdrehmoments der Axialzug/Drehwinkel-
Kurve in dem Elastizitätsbereich durch zwei Geraden,
die jeweils durch einen Wert der Ableitung dF/dα
definiert werden, nachgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Anziehen zum Ermitteln
des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments unterbrochen
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Anziehen im Bereich des
Schnittpunktes der zwei Geraden unterbrochen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch Abstellen des Werkzeugs
vor der Endspannung entsprechend dem
nach dem Abstellen zu erwartenden Nachlaufens des Werkzeugs.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch Überwachen der
Schraubverbindung auf Erreichen der Streckgrenze und
Beenden des Anziehens bei Erreichen der Streckgrenze.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene
Punkt in einem Bereich, in dem die Spannung wenigstens
40% der Spannung der Streckgrenze beträgt, liegt.
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