Schraube Was es bei gewindefurchenden Schraubenverbindungen zu beachten gilt

Von Moritz Stahl *

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Gewindefurchende Schrauben erzeugen das Mutterngewinde selbst – die Gesamtkosten der Verbindung reduzieren sich im Vergleich zu einer klassischen Schraubverbindung bei gleichbleibender Verbindungsqualität. Doch was macht diese Verbindung noch aus?

Gewindefurchende Schrauben haben zum Ziel, die Gesamtprozesskosten der Verbindung bei gleichbleibender Verbindungsqualität zu reduzieren.
Gewindefurchende Schrauben haben zum Ziel, die Gesamtprozesskosten der Verbindung bei gleichbleibender Verbindungsqualität zu reduzieren.
(Bild: Conti Fasteners AG )

Bei einer klassischen Schraubenverbindung wird das Außengewinde der Schraube in das Innengewinde einer Mutter eingeschraubt und fügt somit mehrere Bauteile. Oft wird die Mutter ersetzt, indem ein Innengewinde in das Bauteil eingebracht wird. Daran werden dann andere Bauteile befestigt. Bei einer gewindefurchenden Schraubverbindung hingegen wird das Mutterngewinde durch das Verbindungselement selbst erzeugt. Um unterschiedliche Materialien zu verarbeiten, wie beispielsweise Aluminiumdruckguss oder thermoplastische Kunststoffe, braucht es unterschiedliche Verbindungselemente und angepasste Verarbeitungsprozesse. Für die industrielle und zum Großteil auch automatisierte Verschraubung können die gewindefurchende Schrauben in folgende Typen unterteilt werden:

  • gewindefurchende Schrauben für Leichtmetalle und Stahl
  • gewindefurchende Schrauben für Kunststoffe
  • Fließlochformende Schrauben
  • Schrauben für Dünnbleche

Gewindefurchende Schrauben für Leichtmetalle und Stahl werden vor allem im Aluminium- und Magnesiumdruckguss, bei Massivstahl und Stahlblechdurchzügen verwendet. Sie werden in der Regel drehmomentgesteuert im elastischen Bereich der Verbindung montiert. Je nach konstruktiver Auslegung kann diese auch überelastisch erfolgen.

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Buchtipp: Schraubenverbindungen

Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch "Schraubenverbindungen", das neben den hier beschriebenen gewindefurchenden Schrauben auch die Auslegung, Auswahl, Optimierung und den sicheren Betrieb von Schraubenverbindungen gemäß der Richtlinie VDI 2230 vorstellt. Für die Praxis besonders relevante Themen werden zudem in neun ausgewählten Expertenbeiträgen näher beleuchtet.

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Kombinierte Anforderungen an Lösbarkeit und Vorspannkraft

Bei Direktverschraubungen in Kunststoffe werden die verschiedenen Werkstoffgruppen Stahl und Kunststoff verwendet. Seit Ende der 1970er-Jahre werden gewindefurchende Metallschrauben zum lösbaren Verbinden von Kunststoffbauteilen verwendet. Die Montageart ist lösbar, wirtschaftlich und recyclinggerecht. Dabei werden die Schrauben mit besonderen Gewindegeometrien in vorgeformte Aufnahmelöcher eingeschraubt. Diese Aufnahmelöcher werden auch als Dome, Tuben, Kernlöcher oder Einschraubaugen bezeichnet. Der Montageprozess findet nach dem Formgebungsprozess statt: ein Einlegen beispielsweise von Hülsen entfällt somit. Damit kann auch das Werkzeug beim Schließen nicht verkanten. Kunststoffe sind in der aktuell immer komplexer werdenden Welt nicht mehr wegzudenken. Noch vor einigen Jahren wurden viele Bauteile aus Metall gefertigt – heute werden diese durch Kunststoffkonstruktionen substituiert. So erlauben Kunststoffe durch ihre Werkstoffeigenschaften Konstruktionen, die mit Metallen nicht realisierbar sind. Um Kunststoffbauteile miteinander zu verbinden, stehen diverse Fügeverfahren zur Verfügung, wie etwa Schweißen, Kleben, Nieten oder Schnappen. Doch nur die Verschraubung kann die kombinierte Anforderungen an Lösbarkeit und Vorspannkraft erfüllen.

Gesamtkosten reduzieren sich um bis zu 85 Prozent

Gewindefurchende Schrauben haben ein extrem breites Anwendungsspektrum. Daher gibt es sie auch in vielfältigen Ausprägungen sowohl in der Geometrie als auch teilweise in ihrer Verarbeitung. Alle gewindefurchende Schrauben haben zum Ziel, die Gesamtkosten der Verbindung bei gleichbleibender Verbindungsqualität zu reduzieren. Dies wird unter anderem durch folgende Punkte erreicht:

  • Muttern oder zusätzliche Fügeelemente fallen weg
  • Teile in Einkauf, Logisitk und Handling reduzieren sich
  • zusätzliche Einlegeprozesse werden vermieden
  • zusätzliche Bearbeitungsprozesse der Bauteile werden vermiede
  • schneller Taktzeiten sind möglich
  • die Montage vereinfacht sich

Eine Untersuchung bei beispielhaften Anwendern hat ergeben, dass je nach Anwendung und Prozessführung sich die Gesamtkosten von bis zu 85 Prozent reduzieren lassen.

Normen: keine allgemeingültig normativen Grundlagen

Die Normen für gewindefurchende Schrauben für Metalle sind hauptsächlich die DIN 267-30, hierzu zählen Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9, und die DIN 7500-1, zu denen einsatzgehärtete und angelassene Schrauben gehören. Geometrisch werden in beiden Normen nur die maximale Länge der Furchzone, also die Länge des gewindefurchenden Schraubenteils, genormt. Diese ist in beiden Normwerken auf 4 P begrenzt. Somit gibt es, bis auf gewindefurchende Schrauben für Metalle, keine allgemeingültig normativen Grundlagen auf Basis von DIN oder ISO-Normen. Und auch hier beschränken sich die Normen nur auf grundlegende geometrische Ausprägungen, mechanische Eigenschaften und Funktionalität. Deshalb sind am Markt unterschiedliche Arten und Ausführungen des gewindefurchenden Schraubengewindes erhältlich. Hierbei sind fast alle Geometrien durch Schutzrechte gesichert. Jeder Hersteller hat hier Argumente für seine Ausführungen und bietet eine entsprechende Beratung für seine Kunden an.

Fließlochformende Schrauben hauptsächlich in der Blechfügetechnik

Mit fließlochformenden Schrauben werden im Blech die Fertigungsschritte Loch erzeugen, Fließloch formen und Gewinde formen in einem Arbeitsgang kombiniert. Sie werden hauptsächlich in der Blechfügetechnik eingesetzt. Der Trend geht aber auch zu immer dünneren und hochfesten Verbindungen. Zusätzlich sollen unterschiedliche Werkstoffe kombiniert und eine Klebeschicht ermöglicht werden, um die Bauteilfestigkeit weiter zu erhöhen. Generell lassen sich fließlochformende Schrauben in Stahl und Aluminium verarbeiten.

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Kein allgemein gültiges Regelwerk für die Berechnung

Für die Berechnung der gewindefurchenden Schraubverbindung gibt es kein allgemein gültiges Regelwerk wie beispielsweise die VDI 2230 – so lassen sich gewindefurchende Schraubverbindungen im Gegensatz zu metrischen Verschraubungen nur schwer berechnen. Jeder Hersteller hat hierzu Werknormen, Versuche, Wertetabellen und ähnliches. Um gewindefurchende Schrauben auszulegen, sollte zusammen mit dem Elemente-Hersteller erfolgen. Dieser kann auch hausinterne Werksnormen erstellen, die Konstrukteuren die Arbeit erleichtern und die mehrfache Anwendung gewindefurchender Schrauben erleichtert. Damit ist der Anwender bei der Auslegung und Konstruktion oft auf den Hersteller der Verbindungselemente angewiesen. Gewindefurchende Schrauben werden dort eingesetzt, wo Prozesse optimiert werden sollen. Zusätzlich gehen damit Einsparungen über den gesamten Montageprozess einher.

* *Moritz Stahl, Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG

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