Zusammenfassung Mechanisches Fügen PDF

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Zusammenfassung für die Vorlesung Mechanisches Fügen, im Modul Fügbarkeit...

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Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1

2.2 2.3

3 3.1 3.2

3.3

3.4

Vorlesung ........................................................................................................................................................ 3 Einteilung Fügeverfahren ............................................................................................................................ 3 Umformtechnisches Fügen ......................................................................................................................... 4 Fügen durch Schrauben .............................................................................................................................. 6 Vorlesung Einführung in die Schraubenverbindungen ................................................................................... 7 Wirkprinzip einer Schraubenverbindung .................................................................................................... 7 2.1.1 Vorspannkraft durch Drehmoment ................................................................................................... 7 2.1.2 Zusammenhang zwischen Anziehdrehmoment und Vorspannkraft................................................. 7 2.1.3 Einflüsse auf das Drehmoment - Vorspannkraft - Verhalten ............................................................ 8 2.1.4 Reibungseinflüsse auf die Schraubenverbindung ............................................................................. 8 2.1.5 Vorspannschaubild ............................................................................................................................ 8 Geometrische Merkmale von Schrauben und Muttern ............................................................................. 9 2.2.1 Gewindeenden als Fügehilfen ........................................................................................................... 9 Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen.......................................................................... 9 2.3.1 Werkstoffauswahl von Verbindungselementen ............................................................................... 9 2.3.2 Werkstoffe für Schrauben bei mechanischer Beanspruchung ......................................................... 9 2.3.3 Festigkeitsklassen von Schrauben ................................................................................................... 10 2.3.4 Zugfestigkeiten unterhalb 800N/mm2 ............................................................................................ 10 2.3.5 Zufestigkeiten zwischen 800 und 1400 N/mm2 .............................................................................. 10 2.3.6 Zugfestigkeiten oberhalb 1400 N/mm2 .......................................................................................... 11 2.3.7 Aluminiumlegierungen .................................................................................................................... 11 2.3.8 Schraubenverbindungen für den Leichtbau .................................................................................... 11 Schraubsysteme ............................................................................................................................................ 11 Schraubverbindungen ............................................................................................................................... 11 Schraubsysteme ........................................................................................................................................ 12 3.2.1 Komponenten von Schraubsystemen ............................................................................................. 12 3.2.2 Anwendung von Schraubsystemen ................................................................................................. 12 3.2.3 Gesteuerte Handschrauber ............................................................................................................. 12 3.2.4 Handgeführte Schraubsysteme ....................................................................................................... 12 3.2.5 Stationäre Schraubsysteme ............................................................................................................. 12 3.2.6 Schraubgeräte - Druckluftschrauber ............................................................................................... 13 3.2.7 Schraubgeräte - Akkuschrauber mit Abschaltkupplung .................................................................. 13 3.2.8 Schraubgeräte EC - Schraubtechnik ................................................................................................ 13 3.2.9 Auswahl von Schraubsystemen ....................................................................................................... 13 3.2.10 Schraubgeräte - Antriebe ........................................................................................................... 13 3.2.11 Schraubgeräte - Drehmomentmessung ..................................................................................... 13 3.2.12 Schraubgeräte - Abtriebsformen ................................................................................................ 13 Schraubverfahren...................................................................................................................................... 14 3.3.1 Wichtige Größen bei der Verschraubung ........................................................................................ 14 3.3.2 Einflussfaktoren auf die Vorspannkraft ........................................................................................... 14 3.3.3 Streuung der Montagevorspannkraft beim Drehmomentgesteuerten Anziehen .......................... 14 3.3.4 Abhängigkeit der Vorspannkraft von der Drehmomentsteuerung ................................................. 14 3.3.5 Übersicht der Schraubverfahren ..................................................................................................... 15 3.3.6 Drehmomentschraubverfahren ...................................................................................................... 15 3.3.7 Drehwinkelschraubverfahren .......................................................................................................... 16 3.3.8 Streckgrenzschraubverfahren ......................................................................................................... 16 3.3.9 Mehrstufige Schraubverfahren, allgemein ..................................................................................... 17 3.3.10 Schneidverfahren/ Blechverschraubungen ................................................................................ 17 3.3.11 Einschrauben in die Tiefe............................................................................................................ 18 3.3.12 Mögliche Fehlerursachen im Verschraubungsprozess ............................................................... 18 3.3.13 Stick Slip (Ruck-Gleit-Reibung)- Erkennung................................................................................ 18 3.3.14 Furchverschraubungen mit relativen Abschaltmoment ............................................................ 19 Grundlagen der Beanspruchung u. Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen ..................................... 19 3.4.1 Grundlegende Versagenskriterien .................................................................................................. 19 1

4

5

6

7

3.4.2 Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen zügiger Beanspruchung ............................................. 19 3.4.3 Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen zügiger Beanspruchung – Konstruktionsprinzip ........ 20 3.4.4 Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen zügiger Beanspruchung – Einflussfaktoren ............... 20 3.4.5 Konstruktionsprinzip von Scraubenverbindungen – Versagensarten ............................................. 20 3.4.6 Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen zügiger Beanspruchung – Überlagerte Biegebeanspruchung .................................................................................................................................... 20 Gewindeformende Schrauben ...................................................................................................................... 21 4.1 Fügetechnische Bewertung der Schraubenmontage von Stahlblechen ................................................... 21 4.2 Schraubenmontage von Stahlblechen mit Vorloch .................................................................................. 22 4.2.1 Gewindeschneidende Schrauben in Metalle .................................................................................. 22 4.2.2 Gewindefurchende Schrauben für Metalle ..................................................................................... 22 4.2.3 Blechschrauben: .............................................................................................................................. 22 4.3 Schraubenmontage von Stahlblechen ohne Vorloch ............................................................................... 23 4.3.1 Bohrschrauben ................................................................................................................................ 23 4.3.2 FDS ................................................................................................................................................... 23 4.4 Gewindeformende Schraubmontage von NE-Metallen ........................................................................... 24 4.5 Gewindeformende Schraubenmontage von Kunststoffen ....................................................................... 24 4.5.1 Schraubenmontage von Thermoplasten ......................................................................................... 24 4.5.2 Schraubmontage von Duroplasten.................................................................................................. 25 Vorlesung Clinchen ....................................................................................................................................... 25 5.1 Definition................................................................................................................................................... 25 5.2 Rundpunkt einstufig ohne Schneidanteil .................................................................................................. 26 5.2.1 Variantenvergleich .......................................................................................................................... 26 5.3 Clinchpunktausbildung .............................................................................................................................. 27 5.4 Prüfung Verbindungsfestigkeit ................................................................................................................. 27 5.5 Mehrlagenverbindungen .......................................................................................................................... 28 5.6 Einfluss Oberflächenzustand..................................................................................................................... 28 5.6.1 Clinchpunktausbildung - Einfluss Oberflächenzustand ................................................................... 28 5.7 Clinchen mit Schneidanteil........................................................................................................................ 28 5.8 Zusammenfassung Clinchen...................................................................................................................... 28 Stanznieten ................................................................................................................................................... 29 Definition: .............................................................................................................................................................. 29 6.1 Stanznieten mit Halbhohlniet ................................................................................................................... 29 6.2 Stanznieten mit Vollstanzniet ................................................................................................................... 31 6.3 Blindnieten ................................................................................................................................................ 32 6.4 Funktionselemente ................................................................................................................................... 33 6.5 Schließringbolzensysteme......................................................................................................................... 34 Hybridfügen .................................................................................................................................................. 35

Mechanisches Fügen Vorlesung

2

1 1.1

Vorlesung Einteilung Fügeverfahren

3

1.2

Umformtechnisches Fügen

4

5

1.3

Fügen durch Schrauben

Begriff Schraubenmontage • Untergruppe von Anpressen, Einpressen • Fügen durch Anpressen mittels selbsthemmenden Gewind die, bei den Füge- und Hilfsteile im Wesentlichen nur elastisch verformt und ungewolltes Lösen durch Kraftschlussverhindert wird • nicht mit montieren gleichzusetzen

Schraubbarkeit = Eigenschaft einer Schraubenverbindung, bei welcher Werkstoffe, Konstruktion und Fertigung ganzheitlich betrachtet0, deren betriebsmäßige Beanspruchung gewährleistet

Fügetechnische Charakterisierung von Schraubverbindungen kraftschlüssiges Fügen von Bauteilen und Fügeelement lösbare Verbindung, einfache Demontage Umfangreiches Normenwerk zur Gestaltung von SV praxisbewährte Berechnungsvorschriften für komplexe Beanspruchungen Eignung für hochbelastete und sicherheitsrelevante Fügeverbindung Eignung für metallische und nichtmetallische Fügeverbindungen und deren Mischverbindungen einfache, schnelle, flexible, automatisierbare Handhabung unter vielfältigen äußeren Bedingungen und meist kostengünstiger Gerätetechnik • einfach Messung und Nachweis der Fügeverbindung für eine prozesssichere Montage

• • • • • • •

Heutige Anforderungen an die industrielle Schraubmontage • Umstellung im Stahlbau auf Eurocodes • Leichtbau mit Aluminiumschrauben • höchste Montageanforderungen 6

• neue Dimensionen mechanischer Beanspruchung und korrosiver Beanspruchung • Erhöhung Komplexität und Funktionalität der Elemente • Anwendung neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen (Mg- und Al-Legierungen, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe • Forderung nach beanspruchungs- und montagegerechter Konstruktion, insbesondere von Leichtbauverschraubungen • Erhöhung der Prozesssicherheit der Schraubenmontage bei größerer Produktflexibilität und geringeren Montagezeiten • Recyclinggerechte Gestaltung durch ökologische und trotzdem leistungsgesteigerte Korrosionsschutzschichten • Verbesserung tribologische Eigenschaften • Erhöhung Komplexität und Funktionalität der Verbindungselemente • Verkürzung der Entwicklungszeiten durch Simulation beanspruchungs- und funktionsgerechter Konstruktionen, der Umform- und Wärmebehandlungs-prozesse sowie des Montageprozesses • Neue Strategien zur Programmieurng, Bedienung und der Steuerung der Schraubsysteme • Einbindung der Montage- und Produktparameter in elektronische Netzwerke

2 2.1 2.1.1

2.1.2 • • • •

Vorlesung Einführung in die Schraubenverbindungen Wirkprinzip einer Schraubenverbindung Vorspannkraft durch Drehmoment

Zusammenhang zwischen Anziehdrehmoment und Vorspannkraft Kopfreibmoment erzeugt keine Beanspruchung im Schraubenbolzen Kopfreibmoment wird komplett verbraucht im Gewinde gibt es Gewindereibmoment und Gewindenutzmoment Vorspannkraft wird ausschließlich über Gewindenutzmoment erzeugt

7

2.1.3

Einflüsse auf das Drehmoment - Vorspannkraft - Verhalten

2.1.4

Reibungseinflüsse auf die Schraubenverbindung

Reibung • Konstruktionsteile: Steifigkeit, Festigkeit, Geometrie, Oberfläche • Grenzschicht und- medium: Schmiereigenschaften, Druckbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit, chemische Zusammensetzung, Aggregatzustand • Umweltbedingungen: Temperatur, Korrosion, Verschmutzung • Montagebedingungen: Drehzahl, Drehzahlkonstanz, Anpresskraft, Wiederholmontage • Funktionsgrößen: Vorspannkraft, Flächenpressung, Grenzflächenpressung, Drehwinkel • Verbindungselemente: Festigkeit, Steifigkeit, Geometrie, Oberfläche 2.1.5

Vorspannschaubild

Einfluss von Werkstoff- und Oberflächenzustand auf die Reibungseigenschaften verschiedener Werkstoffpaarungen - Haftreibungszahlen

8

2.2 2.2.1

Geometrische Merkmale von Schrauben und Muttern Gewindeenden als Fügehilfen

Auswahl- und Gestaltungsregeln für Fügehilfen: • Einführzapfen mit Ansatzspitze sehr geeignete Positionier- und Zentrierhilfe • Umformtechnisch gefertigte Spitzen sind gegenüber spanend hergestellten Gewindeenden vorteilhafter, da sie aufgrund fehlender scharfer geometrischer Übergänge besser finden • Nedpoint-Geometrie bei Mehrblechverbidnungen und Einsatzfälle, welche Axial- und Winkelversatz kompensieren können • Vorteil Acupoint-Geometrie: runde Kuppe leitet Einschraubkräfte beim Finden besser um

2.3 2.3.1

Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen Werkstoffauswahl von Verbindungselementen

• Werkstofffestigkeit in Abhängigkeit von der Höhe der erforderlichen Montagevorspannkraft • Betriebsanforderungen aufgrund zusätzlicher mechanischer Beanspruchung, ggf. unter Berücksichtigung von Einflüssen wie Temperatur, Korrosion und Strahlung • Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei zügiger und wechselnder Beanspruchung • Stähle mit denen sich durch eine geeignete Wärmebehandlung hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften erzielen lassen • Berücksichtigung spezieller Betriebsbeanspruchungen wie korrosiv wirkende Umgebung, hohe oder tiefe Temperaturen, Strahlungseinflüsse usw. können Stähle mit bestimmter chemischer Zusammensetzung erfordern 2.3.2

Werkstoffe für Schrauben bei mechanischer Beanspruchung

Primär Auswahl nach Festigkeitsgesichtspunkten: • Festigkeitssteigerung durch Mischkristallhärtung • Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung • Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung • Auswahl nach Festigkeit: Anwendungs- und Sicherheitstechnischer Erfordernisse • Forderung nach leichter Bauweise: spezifische Gewicht des Schrauben- und Mutterwerkstoffs stellt ein zusätzliches Auswahlkriterium dar

9

2.3.3

Festigkeitsklassen von Schrauben

2.3.4

Zugfestigkeiten unterhalb 800N/mm2

• im Allgemeinen mit unlegierten Kohlenstoffstählen • gute Kaltumformbarkeit erfordert den Einsatz von Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt • Forderung einer bestimmten Stahlreinheit • hohe Umformgrade setzen ein möglichst gleichmäßiges und ungestörtes Gefüge vorraus • geringe Kerbempfindlichkeit des Werkstoffes • ausreichende Zähigkeitseigenschaften unlegierte Kohlenstoffstähle besitzen eine ausgeprägte Streckgrenze

2.3.5 Zufestigkeiten zwischen 800 und 1400 N/mm2 • überwiegend niedrig legierte Vergütungsstähle • zur Erziehlung ausreichender Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte • übliche Legierungselemente: Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Mangan, Bor • Grundlage für die Werkstoffauswahl: chem. Zusammensetzung der einzelnen Stahlsorten mechanische Eigenschaften Verfahren thermischer Nachbehandlung vergütete Stählebesitzen eine 0,2% Dehngrenze

10

2.3.6 • • • • • 2.3.7 •

•

2.3.8 • •

3 3.1

Zugfestigkeiten oberhalb 1400 N/mm2 Einsatz höher legierter Stähle besondere Anforderungen an Reinheit und Verarbeitung hohe Reinheit durch Umschmelzen und Vergießen der Werkstoffe im Vakuum geeignete Wärmebehandlungen Gewindewalzen nach Wärmebehandlung führen zu optimal...