Die Schraubgeschwindigkeit ist für die Prozesszeit einer der wichtigsten Parameter. Dieser Einfluss hat eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, weil er die Dauer des Verschraubungsprozesses maßgeblich beeinflusst. Man muss sich vor Augen führen, dass in der Schraubenmontage die Montagezeit letztlich höhere Kosten verursacht, als die Befestigungselemente an sich. Eine Untersuchung der Firma Archetype Joint in der amerikanischen Automobilindustrie hat gezeigt, dass die Prozesskosten zur Montage der Schraube ca. 50 % der gesamten Kosten einer Schraubverbindung ausmachen. Die Schraube an sich verursacht nur ca. 4 % der gesamten Kosten.

Impulsschrauber scheinen in diesem Fall eine gute Lösung zu sein, um die Prozesszeiten zu verkürzen. Über die hohe Geschwindigkeit hinaus, mit der Schrauben eingedreht werden können, bietet der Impulsschrauber ein geringes Gewicht und eine nahezu reaktionsfreie Montage im Gegensatz zu einem gesteuerten Elektroschrauber.

Selbstverständlich bietet der gesteuerte Elektroschrauber eine höhere Präzision bei der Montage und gleichermaßen den Vorteil der kontinuierlichen Dokumentation jedes Schraubfalles. Für viele Schraubverbindungen jedoch, die nicht dokumentiert werden müssen, bietet sich der Impulsschrauber als produktive Lösung an.

Betrachtet man den Vorgang der Schraubenmontage jedoch näher, so wird man feststellen, dass die hohe Drehzahl des Impulsschraubers nicht bei jeder Art von Verschraubung automatisch einen Zeitvorteil bietet. Nimmt man eine Schraubverbindung einer M10 Schraube, die auf 50 Nm montiert werden soll, so könnte man für die Montage einen gesteuerten Elektroschrauber einsetzen, der die Schraube mit einer Drehzahl von 200 Umdrehungen pro Minute eindreht und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 20 U/min auf das Enddrehmoment montiert. Schaut man in das Datenblatt eines Impulsschraubers, so findet man für ein Drehmoment von 50 Nm durchaus Werkzeuge, die eine Leerlaufdrehzahl von 7000 U/min bieten. Ein durchaus beeindruckender Unterschied in der Geschwindigkeit der beiden Schraubsysteme, der offensichtlich ein hohes Maß an Produktivität bietet.

Zur genaueren Betrachtung der Geschwindigkeit eines Impulsschraubers muss das Verfahren jedoch vollständig beleuchtet werden und der Anziehvorgang muss von seinem Verhalten her in die genauere Betrachtung der Anziehgeschwindigkeit einbezogen werden.

Ein Impulsschrauber verfügt über eine hydraulische Pulszelle, die bei Überschreiten eines bestimmten Drehmomentes das Drehmoment in Form von pulsförmigen Stößen fortsetzt. Diese Pulse sind von extrem kurzer Dauer, das heißt ein bis zwei Millisekunden lang und ein Pulsschrauber dieser Größenordnung produziert ca. 20 dieser Impulse pro Sekunde.

Das Verfahren des Weiterdrehens der Schraube beruht darauf, dass die beschleunigte Masse der Pulszelle einen kurzen Stoß auf die montierte Schraube gibt. Die Energie dieses Stoßes reicht aus, um die Schraube von einem bestehenden Drehmoment auf ein höheres Drehmoment weiter zu drehen. Bei diesem Vorgang wird die vorhandene Energie der Pulszelle in ein Weiterdrehen der Schraube umgewandelt. Ist die Schraube mit einem geringeren Drehmoment montiert, so ist der Anstieg des jeweiligen Drehmomentes pro Puls höher und der Drehwinkel, den die Schraube zurücklegt, ist weiter. Kommt das Drehmoment in die Größenordnung der maximalen Kapazität des Schraubsystems, so dreht jeder Impuls die Schraube nur noch um einen geringfügigen Winkel weiter und der Anstieg des Drehmomentes wird geringer. Bei Impulsschraubern ohne Abschaltvorrichtung ergibt sich somit irgendwann ein Verhalten, dass die jeweiligen Pulse die Schraube nicht mehr weiter drehen und sich ein Enddrehmoment einstellt.

Da der Drehwinkel, mit dem die Schraube auf das Enddrehmoment montiert wird normalerweise relativ kurz ist gegenüber dem Drehwinkel, der zum Eindrehen der Schraube benötigt wird, scheint dieser Vorgang für die Gesamtprozesszeit nicht von Bedeutung zu sein. Bei näherer Betrachtung ergibt sich jedoch ein Zeitverhalten, welches je nach Drehwinkel von der Kopfauflage bis zum Enddrehmoment einen bedeutenden Einfluss für die Prozesszeit hat.

Geht man zum Beispiel von einer Schraubverbindung aus, die zehn Umdrehungen benötigt, um die Schraube zur Kopfauflage zu bringen und anschließend einen Winkel von 45° um die Schraube zum Enddrehmoment zu montieren, so ergeben sich folgende Relationen:

Der Impulsschrauber dreht die Schraube in weniger als einer Zehntelsekunde bis zur Kopfauflage ein, während der gesteuerte Elektroschrauber mit einer Drehgeschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute ca. drei Sekunden braucht, um die Schraube zur Kopfauflage zu bringen.

Zur Montage auf das Enddrehmoment benötigt der Impulsschrauber ca. 1,3 Sekunden, der Elektroschrauber schafft es jedoch in 0,4 Sekunden. Trotz der höheren Geschwindigkeit des Elektroschraubers bei der Montage auf das Anziehdrehmoment ergibt sich eine Gesamtmontagezeit von ca. 1,3 Sekunden beim Impulsschrauber und 3,4 Sekunden beim Elektroschrauber. Die aufgewendete Zeit ist in diesem Fall beim Elektroschrauber mehr als doppelt so hoch wie beim Impulsschrauber. Zumindest bei diesem Beispiel scheint sich zu bewahrheiten, dass der Impulsschrauber deutlich schneller ist.

Geht man jedoch von einer Schraubverbindung aus, welche nur fünf Umdrehungen benötigt, um die Schraube einzudrehen und es liegt ein Schraubfall vor, bei dem die Schraube von Kopfauflage bis zum Enddrehmoment noch eine halbe Umdrehung, also 180° gedreht werden muss, so ist der Elektroschrauber bereits deutlich im Vorteil. Beim Eindrehen liegt der Impulsschrauber wieder deutlich vorne. Mit einer Eindrehzeit, welche deutlich unter einer zehntel Sekunde liegt, bringt er die Schraube zur Kopfauflage. Der Elektroschrauber benötigt dafür ca. 1,5 Sekunden. Beim Anziehen jedoch benötigt der Impulsschrauber ca. fünf Sekunden, um das Enddrehmoment zu erreichen. Der Elektroschrauber hingegen dreht die Schraube in ca. 1,5 Sekunden bis zum Enddrehmoment. Es ergibt sich eine Gesamtmontagezeit von ca. drei Sekunden für den Elektroschrauber und von fünf Sekunden für den Impulsschrauber.

Es zeigt sich offensichtlich, dass man bei beiden Schraubsystemen nicht nur auf die Leerlaufdrehzahl schauen darf, sondern dass sich ein Verhältnis ergibt, welches durch die Anzahl der Gewindegänge beim Eindrehen und den Drehwinkel ab Kopfauflage definiert wird. In dem von uns gewählten Fall beträgt das Verhältnis von Eindrehgeschwindigkeit zu Anziehgeschwindigkeit beim Impulsschrauber 7000 Umdrehungen pro Minute/6 Umdrehungen pro Minute. Der Elektroschrauber hingegen bietet ein Verhältnis von 200 Umdrehungen pro Minute/20 Umdrehungen pro Minute. Um die Ratio zu berechnen, bei welchem Verhältnis von Eindrehwinkel und Anziehwinkel der Elektroschrauber überlegen ist, muss man mathematisch die Differenz der Kehrwerte ins Verhältnis setzen und für unseren Fall ergibt sich ein Verhältnis von 24. Das heißt, nur dann, wenn der Eindrehwinkel mehr als 24 mal so hoch ist wie der Anziehwinkel, ist der Impulsschrauber schneller als der Elektroschrauber. Dies bedeutet für unser Beispiel, dass bei Anziehdrehwinkeln ab Kopfauflage bis zum Enddrehmoment über 180° der gesteuerte Elektroschrauber dem Impulsschrauber von der Prozesszeit her überlegen ist. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, das Impulsschrauber im Prozess ohnehin nicht länger als drei Sekunden pulsen sollten. Für unser Rechenbeispiel bedeutet dies, dass ein Schraubfall mit einem Anziehdrehwinkel größer als 90° für das Werkzeug zu weich ist und man auf eine andere Schraubtechnologie ausweichen sollte.

Die oben aufgeführten Rechenbeispiele beziehen sich, wie vorab erwähnt, auf eine einzige Schraubverbindung und im Falle des Elektroschraubers und des Impulsschraubers jeweils auf einen einzigen Werkzeugtyp. Ein mathematisches Verfahren bietet sich für die Auswahl des geeigneten Schraubsystems deshalb nicht an, weil eine Menge von Informationen benötigt werden, die oftmals aus den Datenblättern der Werkzeughersteller nicht hervorgehen. Insbesondere Verhältnisse wie der Weiterdrehwinkel pro Puls beruhen auf komplexen physikalischen Zusammenhängen, die besser im Feld experimentell ermittelt werden können, als auf Grundlage von mathematischen Modellen berechnet.

Das portable Messsystem der Firma SCHATZ AG bestehend aus rotierendem Drehmoment-/Drehwinkelsensor, tragbarem Messgerät für Drehmoment und Drehwinkel sowie der Auswertesoftware testXpert® ermöglicht Analysen vor Ort, um die Drehmomente und Drehwinkel an den verschiedenen Schrauboperationen zu analysieren. Darüber hinaus verfügt die Software zur graphischen Analyse der Messverläufe über ein Mathematik-Modul, so dass auch das Geschwindigkeitsverhalten von verschiedenen Schraubwerkzeugen analysiert und dargestellt werden kann.

Darüber hinaus bietet die Firma SCHATZ AG als Serviceleistung eine Analyse in der Schraubenmontage vor Ort an und unterstützt bei der Auswahl geeigneter Schraubsysteme.

Bei Abwägung aller Faktoren und Einflüsse zeigt sich, dass eine vorschnelle Entscheidung für das eine oder andere Schraubsystem in der Tat nicht immer geeignet ist, um Prozesszeiten zu senken. Nur die sorgfältige Analyse der Schraubverbindungen sowie die gesamtheitliche Betrachtung der Leistungsdaten der Werkzeuge ermöglicht eine gezielte Verkürzung der Prozesszeiten und somit eine Senkung der Produktionskosten.

Quellen:

- Dr. N. Hamburger (2001), Serrage à grande vitesse: possible ou impossible?, Fachartikel Assemblage März 2001

- Archetype Joint (2007), How much does a bolt cost?, www.archetype.com

- Dr. Volker Schatz (2007), 10 Schritte zur sicheren Schraubverbindung, Tectum Verlag, Marburg