DE4200928A1 - Verfahren zum anziehen einer schraube - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungs­ begriff.

Aus dem Turbinenbau ist es bekannt, zur Verbindung von geteilten Gehäusen in Hoch- und Mitteldruckstufen Schrauben mit einem Durchmesser über 40 mm zu verwenden. Schrauben mit einem derar­ tigen Durchmesser müßten mit einem nicht mehr vertretbaren Dreh­ moment angezogen werden, um eine ausreichende Vorspannkraft zu erreichen. Außerdem würden die Vorspannkraftstreuungen sehr groß werden. Die Schrauben werden daher induktiv aufgeheizt und mit leichtem Fügemoment in das Turbinengehäuse eingeschraubt. Durch die infolge Abkühlung eintretende Kürzung der Schraubenlänge wird die Schraube auf Vorspannung gebracht. Ein derartiges Ver­ fahren kann aber nur für Schrauben großer Klemmlänge erfolgver­ sprechend angewendet werden, wo der Vorspannkraftverlust durch Setzvorgänge als Folge der relativ gesehen geringen Längenände­ rung nicht ins Gewicht fällt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Ein­ fluß der mit Drehmomentanzug verbundenen Streuungen der Vor­ spannkraft auf die Haltbarkeit der Schraubverbindung durch entsprechende Maßnahmen zu verringern, insbesondere für Schrau­ ben geringer Klemmlänge.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Verfahrensmerkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Drehmomentverfahren bleibt das für die verwendete Schraube gültige Anzugsmoment un­ angetastet. Die thermische Längenänderung, die während des An­ zugs aufgebracht wird, dient lediglich einer flankierenden Maß­ nahme, um die Vorspannkraft nach dem Anzug auf einen höheren Wert zu setzen. Diese ist bei anschließender Abkühlung zusätz­ lich um den fehlenden Torsionsanteil, der bei Drehmomentanzug der Zugspannung abgeht, höher. Auch wenn Plastifizierung auf­ träte, würde das die Dauerfestigkeit der Verbindung nicht be­ einträchtigen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1 besteht darin, daß die Erwärmung der Schraube durch elektro­ magnetische Wellen hoher Energiedichte, beispielsweise Mikro­ welle erfolgt.

Durch elektromagnetische Wellen läßt sich die Energie während des Anziehens in relativ einfacher Weise von außen auf die Schraube übertragen, ohne daß das die Schraube umgebende Material wesentlich miterwärmt wird.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß als Temperaturdifferenz _Δ T = 100°C gewählt wird.

Eine Temperaturerhöhung um 100°C bewirkt eine relative Längen­ änderung von 1 µm/mm. Das bedeutet für Stahl einen Spannungs­ zuwachs von 210 N/mm², der sich der mit Drehmoment erreichten Spannung überlagert. Damit erhalten hochfeste Schrauben der Festigkeit 8.8 oder 10.9, nach diesem Verfahren angezogen, in der erreichbaren Vorspannkraft die Qualität drehwinkelangezo­ gener Schrauben.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft auf Schrauben mit geringer Klemmlänge anwenden, bei denen die Streuung der Vorspannkraft besonders signifikant ist. Verur­ sacht wird diese zum einen durch die Streuung des Reibbeiwer­ tes, zum anderen durch die toleranzbedingten Schwankungen des vorgegebenen Drehmomentes. Erreichbares Wunschziel bei drehmo­ mentangezogenen Schrauben ist, und danach wird das Dreh­ moment festgelegt, eine Vorspannung von 70% der Streckgrenze der verwendeten Festigkeitsklasse. Darüber hinausgehende An­ zugsmomente vermeidet man, um ein Abwürgen der Schraube beim Anziehen zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird diesen Vorgängen dadurch begegnet, daß man die Schraube zunächst nach dem Stand der Technik mit dem Dreh­ moment anzieht, das der gewünschten Vorspannung in einer Höhe bis zu 70% der Streckgrenze entspricht. Gleichzeitig mit die­ sem Anziehen wird die Schraube um eine Temperaturdifferenz _Δ T = 100°C erwärmt. Eine Temperaturerhöhung um 100°C bewirkt eine relative Längenänderung von 1 µm/mm. Das bedeutet für Stahl einen Spannungszuwachs von 210 N/mm², der sich der mit Drehmo­ ment erreichten Spannung überlagert. Damit erhalten hochfeste Schrauben der Festigkeit 8.8 oder 10.9, nach diesem Verfahren angezogen, in der erreichbaren Vorspannkraft die Qualität drehwinkelangezogener Schrauben.

Damit ist die Möglichkeit des Lösens eines Schraubverbandes und die Gefahr von Ermündungsbrüchen bei axial belasteten Schrauben, insbesondere von Schrauben geringer Klemmlänge un­ terbunden.

Zum Erwärmen der Schraube ist es vorteilhaft, elektromagnetische Wellen hoher Energiedichte anzuwenden, wodurch sich die Erwär­ mung im wesentlichen auf die Schraube beschränken läßt und sich eine Erwärmung des die Schraube umgebenden Materials weitgehend vermeiden läßt. Auch gestattet diese Art der Energiezufuhr die synchronisierte Anwendung von Erwärmung und Anziehvorgang, ob­ wohl die Schraube in dieser Phase von außen kaum zugänglich ist.

Der Verlauf des aufgebrachten Drehmoments M und des Temperatur­ verlaufes _Δ T der Schraube ist in einem Schaubild als Funktion über der Zeit t aufgetragen.

Das Drehmoment M kann über der Zeit t aufgetragen einem line­ aren Verlauf entsprechend Kurve 1 folgen.

Zeitlich synchron mit der Aufbringung des Drehmoments M nach Kurve 1 wird die Temperaturdifferenz _Δ T durch Energiezufuhr aufgebracht. Der zeitliche Verlauf entspricht Kurve 2.

Das zur Vorspannung der Schraube aufgebrachte Drehmoment er­ reicht in Punkt 3 seinen Maximalwert.

Zeitgleich erreicht die Temperaturdifferenz _Δ T in Punkt 4 seinen vorbestimmten Höchstwert.

Das Drehmoment in Punkt 3 und die Temperaturdifferenz _Δ T im Punkt 4 sind so aufeinander abgestimmt, daß nach dem Er­ kalten der Schraube deren axiale Vorspannung im Bereich der Fließgrenze des Schraubenwerkstoffes liegt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Anziehen einer Schraube, bei dem die Vorspan­ nung zum einen Teil durch Anzug und zum anderen Teil durch Erwärmung der Schraube und nachfolgender Abkühlung nach vollzogenem Anzug der Schraube aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung um eine Temperaturdiffe­ renz _Δ T und ein drehmomentgesteuerter Anzug der Schraube gleichzeitig erfolgen, daß nach dem Aufbringen eines de­ finierten Drehmoments in einer Höhe, die zu einer Vor­ spannung bis zu 70% der Streckgrenze führt, und daß die Schraube nach anschließender Abkühlung eine Vorspannkraft im Bereich der Streckgrenze aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Schraube durch elektromagnetische Wellen hoher Energiedichte, beispielsweise Mikrowelle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturdifferenz _Δ T = 100°C gewählt wird.