Vom Schraubfall zur Serie: Der methodische Weg durch die Laboruntersuchung

Eine Schraubverbindung gilt als unkritisch - bis sie es nicht mehr ist. Reklamationen, Nacharbeitsschleifen oder ein Audit-Befund zeigen dann, dass das Anzugsmoment zwar dokumentiert war, die tatsächliche Vorspannkraft aber nie wirklich bekannt war. Der Weg aus dieser Situation führt ins Labor: eine strukturierte Schraubfalluntersuchung, die aus einer unklaren Verbindung einen reproduzierbaren, abgesicherten Serienprozess macht.

Dieser Artikel beschreibt den methodischen Ablauf als roten Faden - von der ersten Fragestellung bis zur laufenden Absicherung in der Serie.

Schritt 1: Fragestellung und Untersuchungsziel klären

Bevor ein einziger Schraubvorgang gemessen wird, muss die Fragestellung präzise formuliert sein. Typische Ausgangssituationen sind:

• Eine neue Verbindung soll für die Serie ausgelegt werden (Erstauslegung nach VDI 2230).
• Eine bestehende Verbindung zeigt Streuungen in der Produktion oder auffällige Weiterdrehmomente bei der PFU.
• Ein Lieferantenwechsel (Schraube, Beschichtung, Fügeteil) macht eine Neubewertung notwendig.
• Ein Bauteilversagen oder eine Reklamation erfordert eine Ursachenanalyse.

Das Untersuchungsziel bestimmt, welche Messgrößen erfasst werden müssen und wie viele Wiederholungen statistisch belastbar sind. Ohne klares Ziel produziert das Labor Daten, aber keine Erkenntnisse.

Schritt 2: Erfassung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve

Die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve ist das zentrale Analyseinstrument jeder Schraubfalluntersuchung. Sie zeigt den vollständigen Anzugsverlauf: vom ersten Kontakt des Schraubenkopfs über den linearen Klemmlängenbereich bis in den plastischen Bereich oder bis zum Bruch.

Aus der Kurvenform lassen sich direkt ablesen:

• Kopfauflage und Setzbeginn - wo beginnt der eigentliche Klemmbereich?
• Steigung im linearen Bereich - wie "hart" oder "weich" ist die Verbindung?
• Streckgrenzpunkt - ab wann verlässt die Schraube den elastischen Bereich?
• Anomalien - Einbrüche durch Beschichtungsversagen, Gewindeaufrollen oder Unterlegscheibenkippen

Für eine belastbare Kurvenerfassung ist die Genauigkeit des Messsystems entscheidend. Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug von GWK erfasst Drehmoment und Drehwinkel mit einer Messgenauigkeit von ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches. Die festpunktlose Drehwinkelmessung ermittelt den Drehwinkel unabhängig von einem definierten Startpunkt - ein wesentlicher Vorteil bei Verbindungen, bei denen der Anzugsbereich nicht exakt reproduzierbar beginnt, etwa bei Schrauben mit variablem Reibungsverhalten oder bei Verbindungen mit Dichtungen.

Die robuste Alu-Titan-Konstruktion des QUANTEC MCS® ist für den Einsatz direkt am Bauteil ausgelegt. Die Messdaten werden per WLAN an QuanLabPro, Ceus oder QS-Torque übertragen und dort kurvenweise archiviert.

KI-generiertes Bild

Schritt 3: Reibungszahlen und Vorspannkraft ermitteln

Rund 90 % des Anzugsmoments werden durch Reibung verbraucht - nur etwa 10 % erzeugen tatsächlich Vorspannkraft. Die Reibungszahl ist damit der wichtigste Parameter der gesamten Auslegung - und gleichzeitig derjenige, der in der Praxis am häufigsten geschätzt statt gemessen wird.

Das Problem sitzt in den Größen, die der Ingenieur nicht direkt sieht: Reibzahl, Setzerscheinungen, Anziehverfahren. Diese drei Parameter bestimmen, ob die berechnete Vorspannkraft auch tatsächlich in der Verbindung ankommt.

Im Labor werden Kopfreibungszahl (μK) und Gewindereibungszahl (μG) getrennt ermittelt. Dazu werden mehrere Anzugsvorgänge unter definierten Bedingungen durchgeführt - mit dem realen Fügeteil, der realen Schraube und dem realen Schmierstoff. Die Streubreite der Reibungszahlen über alle Wiederholungen ist dabei mindestens so aussagekräftig wie der Mittelwert.

Die vollständige Formel nach VDI 2230 lautet: MA = FM × (0,16 × P + 0,58 × μG × d2 + μK × Dkm / 2), wobei P die Gewindesteigung, μG die Gewindereibzahl, d2 der Flankendurchmesser, μK die Kopfreibzahl und Dkm der mittlere Reibradius unter dem Kopf ist.

Aus den gemessenen Reibungszahlen und der Kurvensteigung lässt sich die tatsächlich erzielte Vorspannkraft rückrechnen. Dieser Wert ist die Grundlage für den Nachweis nach VDI 2230.

Schritt 4: Setzverhalten analysieren

Der Vorspannkraftverlust infolge Setzens ist derjenige Anteil der Vorspannkraft, der nach dem Anziehen einer Schraubverbindung verloren geht, weil sich Rauigkeiten der Materialien in den Kontaktflächen einebnen.

Setzerscheinungen von 5-25 % Vorspannkraftverlust nach der Montage sind normal - bei kritischen Verbindungen muss nachgezogen werden. Neben dem reinen Setzen durch Oberflächenrauheiten gibt es weitere Mechanismen: Beim Kriechen, dem zeitabhängigen Fließen des Werkstoffs, können weitaus größere Vorspannkraftverluste auftreten, die sich über einen deutlich größeren Zeitraum erstrecken. Kriechen tritt bevorzugt dann auf, wenn Werkstoffe niedriger Festigkeit, z. B. weiche Unterlegscheiben, mitverspannt werden oder wenn lokal die Flächenpressung der Bauteile überschritten wird.

Im Labor wird das Setzverhalten durch Mehrfachmessungen mit definierten Zeitintervallen zwischen den Anzugsvorgängen erfasst. Besonders aufschlussreich ist der Vergleich von Erst- und Wiederholanzug: Ein deutlicher Rückgang des Weiterdrehmoments beim zweiten Anzug zeigt, wie viel Vorspannkraft durch Setzen verloren geht.

Unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten oder Schmierzustände können die tatsächliche Vorspannkraft erheblich verändern, selbst bei gleichem Drehmoment. Dieser Effekt muss im Labor unter realen Bedingungen - also mit dem tatsächlichen Schmierstoff und der tatsächlichen Oberflächenbehandlung - quantifiziert werden.

Schritt 5: Anziehverfahren und -parameter bestimmen

Auf Basis der Kurvenanalyse, der Reibungszahlen und des Setzverhaltens wird das geeignete Anziehverfahren ausgewählt. Die drei gängigen Verfahren unterscheiden sich erheblich in ihrer Streubreite:

Beim drehmomentgesteuerten Anziehen liegt der Anziehfaktor αA typisch zwischen 1,4 und 2,0 - das heißt: die maximale Vorspannkraft kann doppelt so groß sein wie die minimale. Drehwinkelgesteuert sinkt αA auf 1,1-1,3, streckgrenzgesteuert auf 1,0-1,05.

Beim Drehwinkelverfahren werden Drehmoment und Drehwinkel der Schraubverbindung als Steuergrößen herangezogen. Dabei dient im Endanzug der Drehwinkel und nicht das Drehmoment als Steuergröße. Das heißt, die Schraube wird bis zu einem Schwellmoment angezogen und von dort aus um einen vorgegebenen Nachspannwinkel weitergedreht.

Die Laboruntersuchung liefert die konkreten Parameterwerte: Anzugsmoment, Schwellmoment, Nachspannwinkel, Toleranzfenster. Diese Werte sind nicht aus Tabellen abzulesen - sie müssen für die spezifische Verbindung gemessen werden.

Schritt 6: Grenzwerte für die Serie ableiten

Aus den Labordaten werden die Grenzwerte abgeleitet, die in der Produktion überwacht werden. Dabei sind zwei Ebenen zu unterscheiden:

Prozessgrenzwerte (Steuergrößen des Schraubwerkzeugs):

• Solldrehmoment mit oberem und unterem Grenzwert
• Solldrehwinkel mit Toleranzband
• Schwellmoment für den Wechsel in den Winkelbereich

Qualitätsgrenzwerte (für die Weiterdrehmomentmessung in der PFU):

• Unteres Weiterdrehmoment (Mindestvorspannkraft)
• Oberes Weiterdrehmoment (keine Überlastung)

Die maximale Montagevorspannkraft ergibt sich aus der minimalen Montagevorspannkraft - als Mindestanforderung bezüglich Abheben, Gleiten usw. - multipliziert mit dem Anziehfaktor wegen der Unschärfe des Montageverfahrens und der Reibung. Dieser Zusammenhang macht deutlich, warum enge Reibungszahlstreuungen direkt zu engeren Grenzwertfenstern führen - und damit zu einer robusteren Verbindung.

Schritt 7: Übergabe an die Produktion - die Brücke zur Serie

Die Laborergebnisse sind nur dann wertschöpfend, wenn sie in der Produktion auch umgesetzt werden. Die Übergabe umfasst:

1. Dokumentierte Anzugsvorschrift mit allen Parametern und Grenzwerten
2. Werkzeugspezifikation - welches Werkzeug mit welcher Kalibrierung ist zulässig?
3. Schulungsunterlage für die Montagemitarbeiter
4. Prüfplan für die laufende Überwachung

Das OPERATOR® Produktionswerkzeug von GWK ist die direkte Verlängerung der Laborergebnisse in die Serie. Das modulare Wechselvierkant-System ermöglicht den Einsatz eines Grundgeräts an unterschiedlichen Arbeitsplätzen - von der Hauptmontagelinie über Not-Strategieplätze bis zum Nacharbeitsplatz. Die WLAN-Datenübertragung dokumentiert jeden Schraubvorgang mit Zeitstempel, Messwert und Ergebnis. Abweichungen vom Toleranzfenster werden sofort sichtbar - nicht erst beim nächsten Audit.

Schritt 8: Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) nach VDI/VDE 2645-3

Mit dem Serienanlauf beginnt die laufende Absicherung. Die Prozessfähigkeitsuntersuchung nach VDI/VDE 2645-3 ist das normative Instrument dafür.

Die Richtlinie beschreibt Verfahren für die Prozessfähigkeitsuntersuchungen (PFU) für Weiterdrehmomente von Schraubverbindungen mit Vorspannkraft. Das Ziel einer Prozessfähigkeitsuntersuchung für Verschraubungen ist die Bewertung und Dokumentation der Qualitätsfähigkeit eines Schraubprozesses unter Serienbedingungen.

Im Unterschied zu einer Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) werden bei der Prozessfähigkeitsuntersuchung zusätzlich zum Maschineneinfluss die Einflusskategorien Mensch, Material, Methode und Mitwelt (Umgebung) berücksichtigt. Das ist der entscheidende Unterschied: Die PFU bewertet nicht das Werkzeug im Labor, sondern den Prozess unter realen Produktionsbedingungen.

Dazu zählen das Erkennen systematischer Einflüsse zur gezielten Verbesserung des Schraubprozesses, das Beurteilen der Wirkung von Maßnahmen zur Prozessverbesserung, das Beurteilen der Toleranzen zur Prozessfähigkeitsuntersuchung sowie das Festlegen der Eingriffsgrenzen von Qualitätsregelkarten.

Das Q-CHECK® QS- und Audit-Werkzeug von GWK ist für genau diese Aufgabe ausgelegt. Mit einer Messgenauigkeit von ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches und einem Messbereich von 3 bis 1000 Nm erfasst es Weiterdrehmomente direkt an der Serienverschraubung. Der interne Speicher mit 2 GB Kapazität sichert die Messdaten für die Auswertung und Dokumentation.

Schritt 9: Laufende Absicherung durch Audit

Die PFU ist keine einmalige Maßnahme. Änderungen an Schraube, Fügeteil, Schmierstoff, Werkzeug oder Montageverfahren können die Prozessfähigkeit verändern - ohne dass dies im Anzugsmoment sichtbar wird.

Ein regelmäßiges Audit mit dem Q-CHECK® stellt sicher, dass die im Labor ermittelten Grenzwerte auch nach Monaten oder Jahren noch eingehalten werden. Die Messdaten werden revisionssicher archiviert und stehen für Kundenaudits, Zertifizierungen und interne Qualitätsberichte zur Verfügung.

Der vollständige Kreislauf sieht damit so aus:

Fazit: Laboruntersuchung als Investition in Prozesssicherheit

Eine Schraubfalluntersuchung im Labor ist kein akademischer Aufwand - sie ist die Grundlage für jeden reproduzierbaren Serienprozess. Wer die Reibungszahlen kennt, das Setzverhalten verstanden hat und die Anziehparameter messtechnisch abgesichert hat, kann enge Grenzwerte setzen, ohne die Ausschussrate zu erhöhen.

Die Werkzeugkette von GWK - QUANTEC MCS® im Labor, OPERATOR® in der Montage, Q-CHECK® in der Qualitätssicherung - bildet diesen Weg von der Untersuchung bis zur laufenden Absicherung methodisch und messtechnisch konsistent ab. Jedes Werkzeug spricht dieselbe Sprache: Drehmoment, Drehwinkel, Vorspannkraft - mit Accuracy by GWK.