Schraubmontage: Verfahren und Tipps zur Automatisierung

Welche Aspekte beeinflussen – neben den physikalisch wirkenden Kräften – den Schraubprozess und damit die Qualität einer Schraubverbindung? Welche Schraubmontage-Verfahren haben sich in der industriellen Fertigung etabliert und worin unterscheiden sie sich? Und nicht zuletzt: Welche Eigenschaften von Verbindungselementen sollten Sie besonders beachten, wenn Sie einen Montageprozess automatisieren möchten? Diese Fragen beantwortet der folgende Beitrag.

Dieser Beitrag basiert auf der 8. Auflage des Buches „Technik rund um Schrauben“, herausgegeben von der Böllhoff GmbH in Bielefeld. Interessenten haben hier die Möglichkeit, sich ein Exemplar des Buches zu bestellen!

Zu den Grundlagen der Schraubtechnik sind in dieser Serie erschienen:

Inhaltsverzeichnis
1. Drehmoment als Hilfsgröße für die Vorspannkraft
2. Je nach Reibung wird nur wenig Drehmoment in Vorspannkraft umgesetzt
3. Qualität einer Schraubverbindung hängt ab von: Konstruktion, Fertigung, Bauteil, Setzverlusten und Schraubsystem
4. Klassifizierung von Schraubstellen durch Risikoabschätzung ist unerlässlich
5. Fertigung nach dem Stand von Wissenschaft und Technik
6. Die wichtigsten Verfahren in der Schraubmontage
7. Diese Faktoren beeinflussen die Automatisierung von Schraubmontageprozessen

Damit eine Schraubenverbindung dauerhaft hält, muss sie konstruktiv korrekt ausgelegt und bei der Montage gemäß den Vorgaben angezogen werden. Maßgeblich für die Betriebssicherheit ist die zuvor errechnete und bei der Montage aufgebrachte Montagevorspannkraft.

Drehmoment als Hilfsgröße für die Vorspannkraft

Die Vorspannkraft ist als physikalische Größe bei den meisten Schraubenverbindungen nicht direkt messbar. Anders das Montagedrehmoment: Es ist relativ einfach zu messen und verhält sich direkt proportional zur Vorspannkraft. Daher wird das Drehmoment häufig als Hilfsgröße für die Vorspannkraft verwendet (Bild 1).

Die Vorspannkraft wird erzeugt, indem bei der Montage ein Drehmoment von außen in die Verbindung eingebracht wird. Um dabei eine möglichst exakt definierte Klemmung der zu verbindenden Komponenten zu erzielen, kann neben dem Drehmoment als gängigster Hilfsgröße auch die Längenänderung der Schraube als Maß für die Vorspannkraft herangezogen werden; sie ist aber aufwendiger zu messen.

Das Montagedrehmoment sollte so gewählt werden, dass die resultierende Klemmkraft im Betrieb zu einem reinen Reibschluss zwischen den Bauteilen führt und gleichzeitig keines der verspannten Elemente überlastet wird.

Boellhoff-Automatisierung-von-Schraubprozessen-Kraftverhaeltnisse — Kraftverhältnisse bei der Montage einer Schraubverbindung
Bild: Böllhoff

Je nach Reibung wird nur wenig Drehmoment
in Vorspannkraft umgesetzt

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Funktionstüchtigkeit einer Schraubenverbindung beeinflusst, ist die Reibung. Daher ist auch sie bei der Montage zu berücksichtigen. So werden zum Beispiel bei einem Reibungswert von µ = 0,2 nur 10 % des von außen aufgebrachten Drehmoments in Vorspannkraft umgesetzt. Die Reibung wird unter anderem vom verwendeten Schmiermittel bestimmt, von der Oberfläche und der Beschichtung, der Bauteilpassung, ferner von Umgebungsbedingungen wie der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit, aber auch von der Kopfauflage der Schraube und der Anzugsgeschwindigkeit.

Qualität einer Schraubverbindung hängt ab von:
Konstruktion, Fertigung, Bauteil, Setzverlusten und Schraubsystem

Daneben beeinflussen folgende weitere Faktoren den Montageprozess und damit die Qualität der Schraubverbindung:

Die Konstruktion: Wichtige Parameter sind Berechnung und Zeichnungsvorgaben, Normeneinhaltung, Dimensionierung, vorgegebenes Anzugsverfahren, thermische Beständigkeit und Festigkeitsverhältnisse.
Die Fertigung: Hier wirken sich die Art der Schraubenzuführung und der Einfädelprozess, die Fixierung des Bauteils und des Einschraubwerkzeugs, die Sauberkeit am Arbeitsplatz, die Systematik der Fehlererkennung und der Nacharbeit sowie die Zeitvorgaben aus auf die Qualität der Verbindung aus.
Das Bauteil selbst nimmt Einfluss durch seine Geometrie und Maßhaltigkeit, die Festigkeit, etwaige Walz- oder Materialfehler, Risse und Oberflächengüte.
Des Weiteren können Setzverluste entstehen, und zwar durch die Fügemethodik und Anzugsgeschwindigkeit, etwaige Dichtelemente, Lacke und Beschichtungen, Luftspalte, aufgebrachtes Wachs oder ein ungünstiges Klemmlängenverhältnis.
Schließlich spielt das verwendete Schraubwerkzeug oder Schraubsystem eine große Rolle. Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit stehen hier ganz oben auf der Liste der Einflussfaktoren. Diese wiederum hängen von der Art des Antriebs bzw. der Arbeitsweise ab (zum Beispiel Druckluft versus gesteuerte Schraubtechnik; manuelle Montage versus halb- oder vollautomatisches Schraubsystem). Auch die Einhaltung der einschlägigen Normen, die verwendete Messmethodik und vieles mehr wirken sich auf den Montageprozess und das Ergebnis aus.

Eine systematische Darstellung aller wesentlichen Einflussgrößen finden Sie unter anderem in der VDI/VDE-MT 2637-1, in der es um die Qualifikation von Mitarbeitern und Führungskräften im Bereich der Schraubtechnik geht.

Was ein Konstrukteur über Schrauben, Muttern und Gewinde wissen muss

Klassifizierung von Schraubstellen
durch Risikoabschätzung ist unerlässlich

All diese Punkte sollten Konstrukteure genauso wie Betriebsleiter und andere für die Produktion Verantwortliche im Kopf haben, wenn sie sich für eine bestimmtes Montageverfahren oder Schraubsystem entscheiden müssen. Abgesehen davon, dass die Entscheidung immer auch von der Losgröße und den Taktzeiten an dem geplanten Arbeitsplatz oder der Montagelinie abhängt, ist aus Gründen der Produkthaftung heute eine Klassifizierung der eigenen Schraubstellen unerlässlich – wenn man vor Rückrufen und Imageschäden sicher sein, dabei aber möglichst wirtschaftlich produzieren möchte.

Einschlägig sind hier diverse Regelwerke wie die DIN 25201 für den Schienenfahrzeugbau sowie die VDI/VDE 2862, Blatt 1 und 2, für die Automobilindustrie und den Allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau. Dort wird jeweils beschrieben, dass es den Produktverantwortlichen obliegt, für jede Schraubstelle eine Risikoabschätzung vorzunehmen, und diese wie folgt zu klassifizieren:

Kategorie A: Risiko für Leib und Leben sowie die Umwelt („sicherheitskritisch“)
Kategorie B: Risiko für Funktionsausfall („funktionskritisch“)
Kategorie C: Komforteinbuße („Nicht A- oder B-Klasse“; „unkritisch“, früher: „kundenkritisch“)

Normen, Richtlinien und Auslegung einer Schraubverbindung

Fertigung nach dem Stand von Wissenschaft und Technik

Je nachdem, in welche Kategorie eine Schraubstelle eingeordnet wird, ergeben sich für die Prozessfähigkeit der Schraubmontage unterschiedliche Anforderungen. Einfach gesagt, je höher die Kategorie, umso mehr Aufwand muss der Hersteller betreiben, um den Montageprozess abzusichern. Denn im Falle einer Beanstandung muss er nachweisen können, dass er nach dem Stand von Wissenschaft und Technik gefertigt hat – und der ist in Kategorie A ein höherer als in B oder C.

Die wichtigsten Verfahren in der Schraubmontage

Kommen wir nun zu den Montageverfahren, die sich bei Schraubverbindungen etabliert haben:

Mit dem ✚-Zeichen klappen Sie weitere Informationen aus

Rein manuelle Montage

Werden bei der Montage weder motorisch angetriebene noch Messwert-anzeigende Werkzeuge eingesetzt, spricht man von einer (rein) „manuellen Montage“. Inzwischen wird der Begriff vielfach auch für die Montage mittels Druckluft- oder Elektrowerkzeugen verwendet, sofern diese von Hand gehalten oder mit der Hand geführt werden (lateinisch manus = die Hand). Vorteilhaft bei diesen Verfahren ist allen Fällen die gute Verfügbarkeit von Werkzeugen, die hohe Flexibilität und der – je nach Werkzeug – vergleichsweise geringe Vorbereitungs- und Schulungsaufwand. Letzteres gilt für die Arbeit mit klassischen Schraubendrehern uneingeschränkt; bei gesteuerten Akku- und Elektrowerkzeugen mit inzwischen nur sehr geringer Einschränkung – und dafür zum Teil deutlich höherer Flexibilität.

Wird rein manuell gearbeitet, also mit einem Schraubendreher, so muss die Schraube nach Gefühl angezogen werden. Das geht für den Hausgebrauch vielleicht in Ordnung; doch haben empirische Untersuchungen gezeigt, dass es je nach Schraubentyp unterschiedliche Fehlertendenzen gibt: Kleinformatige Schrauben werden fast immer zu stark angezogen, während die meisten Anwender Schrauben ab der Abmessung M 14 in der Regel nicht stark genug vorspannen.

Da bei einer rein manuellen Montage weder Steuergrößen genutzt noch Messwerte erfasst werden, ist diese Art der Schraubenmontage für funktions- und sicherheitsrelevante Anwendungen ungeeignet und nach westlichem Maßstab für die industrielle Fertigung kaum zu empfehlen.

Drehmomentgesteuerte Montage

In der Welt der Schraubmontage ist das Verfahren, das Montage-Drehmoment als Steuergröße zu verwenden, sehr weit verbreitet. Es lässt sich im Prinzip mit manuellen und elektronischen Drehmomentschlüsseln genauso umsetzen wie mit Druckluft- und Elektrowerkzeugen.

Darüber hinaus bieten viele elektronisch gesteuerte Schraubsysteme zusätzlich die Möglichkeit, den Drehwinkel als Kontrollgröße zu überwachen, um mögliche Fehler bei der Montage zu erkennen. Meist wird bei diesem Verfahren mit hoher Drehzahl bis zu einem definierten Schwellmoment angezogen, dann beginnt die Winkelzählung, und es wird mit geringer Drehzahl bis zum eigentlichen Montagemoment weitergedreht.

Diese drehmomentgesteuerte Montage mit Drehwinkelüberwachung wird üblicherweise im rein elastischen Bereich der Schraube angewandt. Das Verfahren zeichnet sich durch einfache Möglichkeiten der Prozesssteuerung aus und ist vielfältig einsetzbar. Von Nachteil ist hingegen der vergleichsweise hohe Einfluss der Reibung auf die zu erreichende Vorspannkraft.

Drehwinkelgesteuerte Montage

Wird bei der Schraubmontage eine bestimmte Anzahl an Umdrehungen der Schraube, berechnet anhand des Drehwinkels, als Steuergröße verwendet, spricht man von drehwinkelgesteuerter Montage. Hierzu muss das Werkzeug über einen entsprechenden Messwertgeber verfügen. Bei diesem Verfahren besteht die Möglichkeit, analog zur vorherigen Methode, nun das Drehmoment als Kontrollgröße zu verwenden, um mögliche Fehler bei der Montage zu erkennen. Bei diesem Verfahren wird bis zu einem definierten Schwellmoment meist mit hoher Drehzahl vormontiert, dann beginnt die Winkelzählung, und es wird mit geringer Drehzahl bis zum vorher festgelegten End-Drehwinkel weiter geschraubt. Dieses Montageverfahren bietet die meisten Vorteile, wenn bis in den überelastischen Bereich angezogen wird.

Da Schrauben beim Erreichen der Streckgrenze einer zunehmenden Längenänderung keinen erhöhten Widerstand entgegensetzen („Lüders-Dehnung“), verläuft die Drehmomentkurve in diesem Bereich nahezu waagerecht. Wählt man den Weiterdrehwinkel derart, dass die Montage kurz nach dem Überschreiten der Streckgrenze endet, so wird der Einfluss der Reibung weitgehend eliminiert und die Schraube nur wenig plastifiziert, aber sehr stark vorgespannt. Dieses Verfahren bietet ein hohes Maß an Prozesssicherheit, erfordert bei der Festlegung der einzelnen Parameter für den individuellen Schraubfall aber sehr viel Sorgfalt.

Montage mit Gradientensteuerung

Da inzwischen viele Schraubgeräte in der Lage sind, sowohl Drehmoment als auch Drehwinkel quasi in Echtzeit zu erfassen und zu verarbeiten, besteht die Möglichkeit, aus diesen beiden Messgrößen einen Gradienten zu berechnen. Solange sich beide Werte linear verhalten, bleibt der Gradient konstant. Beim Erreichen der Streckgrenze steigt der Drehwinkel weiter an, während das Drehmoment nicht zunimmt – der Gradient fällt also ab.

Diese Änderung des Gradienten kann als Steuergröße für einen sehr stabilen Montageprozess genutzt werden. Die Schraube wird unabhängig von der Reibung bis an ihre Streckgrenze belastet und nur minimal plastifiziert. Das Werkstoffverhalten der Schraube wird somit zur eigentlichen Steuergröße für den Montageprozess. Damit stehen sowohl Drehwinkel als auch Drehmoment als zusätzliche Kontrollgrößen zur Verfügung.

Torsionsfreie Montageverfahren

Die torsionsfreie Schraubmontage ist im Vergleich zu den anderen Verfahren sehr zeitintensiv und für Serienanwendungen deshalb tendenziell ungeeignet. Das Verfahren findet dennoch seine Anwendung, und zwar bei sehr großformatigen Schrauben, die definiert angezogen werden sollen. Dabei wird die Schraube durch ein von außen angreifendes Werkzeug torsionsfrei vorgespannt. Die Mutter wird erst danach in ihre Sollposition geschraubt. Die eigentliche Vorspannung zwischen Schraube und Mutter wird erst aufgebaut, wenn das Werkzeug vom freien Schraubenende entfernt wird. Auch bei diesem Verfahren ist der Einfluss der Reibung weitgehend eliminiert.

Boellhoff-Automatisierung-von-Schraubprozessen-Schraubkurve — Typischer Verlauf einer Schraubkurve, wenn im Prozess das Drehmoment als Steuerungsgröße genutzt wird. Hier: Drehmomentverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel
Bild: Böllhoff

Diese Faktoren beeinflussen die Automatisierung
von Schraubmontage-Prozessen

Je größer die Anzahl gleichartiger Schraubstellen in einer Produktion ist, desto eher wird der Betriebsleiter eine Mechanisierung oder (Teil-)Automatisierung in Betracht ziehen. Soll die Montage – effizient – automatisiert werden, sind einige wichtige Voraussetzungen zu beachten. Dazu zählen sowohl auf der Geräteseite als auch bei den Verbindungselementen selbst mehrere Aspekte, darunter:

Sortierkriterien
Schraubenantrieb
Findehilfen
Verunreinigte Schrauben
Vibrationswendelförderer
Verpackung
Kombi-Elemente
Verhältnis von Länge der Schraube zu ihrem Durchmesser

Sortierkriterien für Verbindungselemente

Schrauben und andere Verbindungsteile lassen sich innerhalb einer definierten Charge bezüglich verschiedener Kriterien sortieren: Gut- oder Fehlteile, ist das Gewinde vorhanden oder nicht, stimmt der Kopfdurchmesser etc. Ohne besondere qualitätssichernde Maßnahmen kann bei Standard-Verbindungselementen von einer Abweichungsquote bei kritischen Merkmalen von 800 ppm (parts per million) ausgegangen werden.

Das heißt, fast jedes tausendste Teil ist fehlerhaft. Dieses Qualitätsniveau ist für eine vollautomatisierte Schraubenmontage unzureichend. Deshalb empfiehlt es sich, durch spezielle Sortiermaßnahmen sicherzustellen, dass die Komponenten bezüglich der funktionsrelevanten Merkmale einwandfrei sind – zum Beispiel durch eine automatische Kontrolle via Bildverarbeitung. Diese Merkmale müssen zwischen Lieferant und Anwender explizit vereinbart werden.

Die Qualitätszielsetzung „Null Fehler“ ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt technisch nicht realisierbar. Durch maschinelle Sortierung lässt sich die Abweichungsquote für einzelne Merkmale jedoch erfahrungsgemäß auf durchschnittlich 10 ppm senken.

Böllhoff Automatisierung Schraubmontage — Optische Sortierung von Amtec-Gewindeeinsätzen für Kunststoffbauteile
Bild: Böllhoff

Einige Schraubenantriebe können die maschinelle Montage stören

Die Art des Eingriffs des Werkzeugs in den Schraubenantrieb hat einen signifikanten Einfluss auf die Automatisierbarkeit bei der Montage – oder zumindest auf die Störanfälligkeit der automatisierten Prozesse. Das Werkzeug sollte möglichst störungsfrei in den Antrieb (das Schraubenprofil) eingreifen und das Montagedrehmoment zuverlässig übertragen können. Insbesondere sollte der Schrauber-Bit nicht abrutschen, was durch die sogenannte „Cam-out-Kraft“ vor allem bei konischen Schraubprofilen, etwa Schlitz- und Kreuzschlitzprofilen, schnell passieren kann. Die Form des Werkzeugangriffs führt bei der Montage zu einer Axialkraft, die das Werkzeug aus dem Antrieb herausdrücken kann. Dadurch kann sich der Anwender verletzen und das Werkstück beschädigt werden.

Bei zylindrischen Profilen, wie Sechskant oder Innensechsrund (besser bekannt unter dem Markennamen Torx und Torx plus), entsteht diese Kraft nicht. Für hohe Taktraten sind diese Antriebsmerkmale daher deutlich besser geeignet (zum Innensechsrund siehe auch die DIN EN ISO 10664).

Böllhoff Automatisierung von Schraubprozessen Torxschrauben — Schrauben mit Innensechsrund-Antrieb gemäß DIN EN ISO 10664
Bild: Böllhoff

Findehilfen vereinfachen das automatische Einfädeln der Schrauben

Speziell bei langen Schrauben oder bei schlecht zugänglichen Schraubstellen kann es von Vorteil sein, wenn das Gewinde am Ende einen Einführzapfen oder ähnliches aufweist. Dies erleichtert das Einfädeln in das Innengewinde und gleicht mögliche Achsversätze aus. Einige Varianten von Gewindeenden sind in der DIN EN ISO 4753 beschrieben. Darüber hinaus gibt es unter den Markennamen Mathread und Navitight weit verbreitete, herstellerspezifische Ausführungen von Findehilfen.

Boellhoff-Automatisierung-von-Schraubprozessen-Navitight — Das speziell gestaltete Gewindeende einer Navitight-Schraube dient als Finde- und Einfädelhilfe. Es erleichtert die automatisierte Montage.
Bild: Böllhoff

Produktionsrückstände auf Schrauben lösen Funktionsstörungen aus

Stahlschrauben, für die kein spezieller Oberflächenüberzug definiert wurde, können mit Spuren aus vorangegangenen Fertigungsschritten verunreinigt sein. Dies ist gemäß DIN ISO 8992 sogar zulässig. Höherfeste Schrauben werden zum Beispiel schlussvergütet; durch diese thermische Behandlung kommt es zu Verzunderungen und Ölablagerung an der Oberfläche. Derartige Rückstände können allerdings automatische Zuführungen und Montageeinrichtungen verschmutzen und Funktionsstörungen auslösen. Deshalb sollte das zulässige Restschmutzniveau für Schrauben in der Massenproduktion möglichst gering sein.

Vibrationswendelförderer beeinträchtigen den Korrosionsschutz

Verbindungselemente aus Stahl werden häufig durch zinkhaltige Oberflächen vor Korrosion geschützt. Werden diese Elemente automatisch zugeführt, kann dieser Prozess den Korrosionsschutz beeinträchtigen. So stoßen die Schrauben zum Beispiel in Vibrationswendelförderern permanent gegeneinander sowie gegen die Wandungen des Fördertopfes, was ihre Oberfläche beschädigen kann.

Für eine automatische Zuführung besonders schlecht geeignet sind Zinklamellenbeschichtungen, da diese Art der Beschichtung nicht so haftfest ist wie es galvanische Schutzschichten sind.

Intelligente Verpackung erleichtert das Handling

Auch die Form der Verpackung ist für einen reibungslosen Ablauf der Montage von Belang. Sie dient primär als Behältnis und Transportmittel, soll aber auch die Beschädigung der Elemente sowie eine Verunreinigung und Vermischung mit Fremdteilen verhindern. Achten Sie für einen geschmeidigen Prozess auf komfortable, schnelle Auspackvorgänge und einfaches Handling. Haben Sie es mit losen, geschütteten Elementen zu tun, die unhandlich oder schlecht zu orientieren sind, so bietet sich eine Bündelung auf einem Gurt („Magazinierung“ der Verbindungselemente) an. Dann dient die Verpackung gleichzeitig als Magazin für das Schraubgerät.

Boellhoff-Automatisierung-von-Schraubprozessen-Gurtmagazin — Werden Schrauben in einem Gurtmagazin gebündelt, kann diese Art der Verpackung zugleich als Magazin für das Schraubgerät dienen.

Kombi-Elemente sind wirtschaftlicher

Wenn Verbindungselemente bei der Montage mit Unterlegscheiben kombiniert werden sollen, kann es wirtschaftlicher sein, sogenannte Kombi-Elemente zu verwenden. Dabei werden die Einzelteile schon ab Werk unverlierbar miteinander kombiniert. Somit entfällt der Aufwand des Auffädelns bei der Montage, und die Scheibe kann nicht vergessen oder falsch orientiert werden.

Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Schrauben muss stimmen

Sollen Schrauben automatisch bis direkt an die Fügestelle geführt werden, zum Beispiel durch eine Schlauchzuführung, muss die Schraube ihre Orientierung eindeutig beibehalten können. Dazu ist unter anderem ein ausreichendes Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser vorteilhaft (Richtwert: Länge > 2 x Durchmesser).

Für die montagegerechte Gestaltung einer Schraubstelle sowie eine effiziente Automatisierung finden Sie im Buch „Technik rund ums Schrauben“ der Böllhoff GmbH weitere hilfreiche Angaben und Tabellen. Ein Exemplar des Buches können Sie hier bestellen.