Bolzen und Schrauben sind die grundlegendsten mechanischen Komponenten, die in verschiedenen Branchen wie der Automobil-, Industriemaschinen- und Bauindustrie weit verbreitet sind. Im Gegensatz zum Schweißen und Nieten besteht das größte Merkmal von Schrauben darin, dass sie sich auch nach dem Anziehen leicht entfernen lassen und durch erneutes Anziehen wiederverwendet werden können.
Herstellungsprozess von Titanschrauben
Das Herstellungsmaterial für Schrauben ist im Allgemeinen gewickelter Draht. Nach der Sekundärbearbeitung wie Beizen, Schmieren, Glühen und Drahtziehen werden der Schraubenkopf und das Gewinde durch Kaltschmieden geformt, wärmebehandelt und oberflächenbehandelt. Je nach Produkttyp erfordern einige eine Wärmebehandlung vor dem Gewindeformen, andere nicht. Die Sekundärbearbeitung wird im Allgemeinen von Fachpersonal durchgeführt, manchmal jedoch auch in der Schraubenfabrik.
Das Formen des Schraubenkopfes bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess des Kaltschmiedens des Schraubenkopfes mithilfe von Schmiedemaschinen wie einer Stauchmaschine oder einer Druckstiftmaschine, der als „Stauchen“ bezeichnet wird. Beim Kaltschmieden, auch Kaltpressen genannt, handelt es sich um die Verarbeitung bei Raumtemperatur. Dieser Begriff steht im Gegensatz zur Warm- und Heißbearbeitung, bei der das Material vor der Verarbeitung erhitzt wird. Beim Schmiedeprozess wird gewickelter Stahl in geeignete Längen geschnitten und das Material anschließend mit mehreren Schmiedegesenken gepresst. Das Schmieden umfasst vier Schritte: Stauchen, Tiefziehen, Rückwärtsfließpressen und Endbearbeitung. Beim Stauchen wird das Material von einem Ende her zusammengedrückt, um es über seinen ursprünglichen Durchmesser hinaus auszudehnen. Beim Tiefziehen hingegen wird das Material an einem Ende zusammengedrückt, um es auf einen kleineren Durchmesser zu schrumpfen. Bei der umgekehrten Extrusion wird das Material von einem Ende in eine Matrize mit kleinerem Durchmesser gepresst, wodurch es nach außen extrudiert wird und gleichzeitig ein Loch entsteht. Bei der Endbearbeitung wird überschüssige Dicke mit einem Schmiedegesenk entfernt. Abhängig von der Form des Produkts können diese Methoden einzeln oder in Kombination angewendet werden. Komplexere Formen erfordern mehr Verarbeitungsschritte, um das Produkt schrittweise zu formen, gewöhnliche Schrauben können jedoch in nur 2–5 Schritten geformt werden.
Der Umformprozess des Gewindeabschnitts umfasst die Verwendung einer Walzformmaschine zum Kaltschmieden und Formen des Gewindes im Bolzengewindeformprozess. Das Umformverfahren ist das gleiche wie beim Schraubenkopf. Die Gewindeform wird geformt, indem der Rohling zwischen zwei Schmiedegesenksätzen eingespannt wird, eines der Gesenke rotiert und gleichzeitig der Rohling gedreht wird, und dieser durch plastische Umformung zu einem Gewinde geformt wird. Die zum Gewindeformen verwendeten Schmiedegesenke werden „Rollformgesenke“ genannt. Es gibt drei Arten von Walzformmaschinen: Flachschmiede-Walzformmaschinen, Rundschmiede-Walzformmaschinen und Planeten-Walzformmaschinen. Flachschmiedegesenk-Walzformmaschinen verwenden zwei gewöhnliche Rollformmatrizen; Einer ist fixiert, während der andere sich hin und her bewegt, um den Rohling zu rollen und zu formen. Rundschmiedegesenk-Walzformmaschinen verwenden zwei parallele zylindrische Rollformmatrizen, die sich in die gleiche Richtung drehen, um den zwischen den beiden Matrizen eingeschlossenen Rohling zu walzen und zu formen. Planetenwalzenformmaschinen spannen den Rohling zwischen einem zylindrischen Schmiedegesenk und einem fächerförmigen Schmiedegesenk ein und walzen und formen ihn durch Drehen des zylindrischen Schmiedegesenks.
Durch Kaltschmieden und Wärmebehandlung geformte Bolzen werden im Allgemeinen aus Materialien hergestellt, deren Härte für die Kunststoffverarbeitung geeignet ist. Materialien mit hohem Kohlenstoffgehalt oder zugesetzten Legierungselementen sind von Natur aus hart und schwer zu verarbeiten, daher ist bei einigen ein Glühen erforderlich, um sie zu erweichen. Die meisten Materialien können unter Kaltumformungsbedingungen nicht die erforderliche Festigkeit erreichen. Die Wärmebehandlung, die nach dem Kaltschmieden durchgeführt wird, verleiht der Schraube die erforderliche Festigkeit und mechanischen Eigenschaften und ist der wichtigste Schritt bei der Schraubenherstellung. Schrauben werden entsprechend ihrer Anwendung und Verwendung in verschiedene Festigkeitsklassen eingeteilt. Um sicherzustellen, dass die geformten Schrauben die jeweils erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen, ist eine Wärmebehandlung erforderlich.
Schrauben, die in Automobilmotoren verwendet werden, haften oft am Schmieröl, sodass sie auch ohne Oberflächenbehandlung nicht rosten. Dies ist jedoch nur ein kleiner Teil der Schrauben; Die meisten werden in korrosiven Umgebungen eingesetzt und rosten daher ohne Oberflächenbehandlung schnell. Wenn verrostete Schrauben unbehandelt bleiben, können sie aufgrund der Korrosion nicht mehr herausgeschraubt werden und können im schlimmsten Fall brechen, was zu schweren Unfällen führen kann. Daher erfordern Schrauben, die in korrosiven Umgebungen verwendet werden, Oberflächenbehandlungen wie Galvanisieren. Die Oberflächenbehandlung von Schrauben kann grob in Galvanisieren und Beschichten unterteilt werden. Die am weitesten verbreitete Methode ist die Galvanisierung, die die Vorteile geringer Kosten und guter Korrosionsbeständigkeit bietet. Wenn eine höhere Korrosionsbeständigkeit als beim Galvanisieren erforderlich ist, kann eine Legierungsgalvanisierung wie verzinktes Eisen und Zink-Nickel verwendet werden, oder es kann eine Zink-Aluminium-Verbundbeschichtung aufgetragen werden.
Entwicklungsrichtung von Automobilschrauben
In den letzten Jahren haben Automobilhersteller geringere Komponentenkosten, geringeres Gewicht und höhere Festigkeit gefordert. Gleichzeitig müssen zur Bewältigung von Umweltproblemen die CO2-Emissionen reduziert werden, und um den Kraftstoffverbrauch zu senken, muss das Fahrzeuggewicht minimiert werden. Bei den Bolzenherstellungskosten machen die Kosten für den Rohling einen großen Teil aus; Daher besteht die effektivste Methode darin, die Materialkosten selbst zu senken. Japanische Autohersteller erforschen die Verwendung kostengünstiger ausländischer Materialien, um die Materialversorgungskosten zu senken. Um den Kundenanforderungen gerecht zu werden, haben Schraubenhersteller außerdem verschiedene Studien zur Reduzierung des Schraubengewichts durchgeführt. Als Maßnahmen zur Reduzierung des Schraubengewichts verwenden einige Leichtmetalle wie Aluminium oder Titan, während andere die Schraubengröße reduzieren. Durch die Reduzierung der Schraubengröße kann zwar das Gewicht reduziert werden, wenn jedoch die Schraubengröße bei gleicher Festigkeitsklasse verringert wird, nimmt die Anzugskraft der Schraube aufgrund der verringerten Querschnittsfläche ab.
Um das gleiche Maß an Festigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Schraubengröße zu gewährleisten, muss daher die Festigkeit der Schraube erhöht werden. Aktuelle öffentliche Normen wie JIS und die eigenen Normen der Automobilhersteller legen nur Anforderungen für Schrauben mit einer Festigkeitsklasse unter 12,9 fest. Bei gewöhnlich vergüteten Schrauben verschlechtern sich die verzögerten Brucheigenschaften drastisch, wenn die Festigkeitsklasse 12,9 übersteigt. In einigen Anwendungen, in denen bereits hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 10,9 oder 12,9 verwendet werden, ist zur Erzielung einer Gewichtsreduzierung durch Größenreduzierung die Verwendung von Schrauben mit einem Festigkeitsgrad über 12,9 und der Einsatz von Methoden zur Verbesserung der verzögerten Brucheigenschaften erforderlich. Um eine hohe Festigkeit zu erreichen, verbessern einige vergütete Schrauben die verzögerten Brucheigenschaften durch Zugabe von Legierungselementen. Während die Zugabe von Legierungselementen die verzögerten Brucheigenschaften bis zu einem gewissen Grad verbessern kann, führt der hohe Preis dieser Elemente zwangsläufig zu höheren Kosten.
Ein anderer Ansatz besteht darin, nicht-vergütete Schrauben zu verwenden. Nicht-vergütete Schrauben erfordern nach dem Formen keine Wärmebehandlung; Ihre Festigkeit wird in erster Linie durch Kaltverfestigung gewährleistet. Die Mikrostruktur von nicht-vergüteten Schrauben unterscheidet sich völlig von der von vergüteten Schrauben und weist einen hohen Widerstand gegen verzögerten Bruch auf. Bei nicht-vergüteten Schrauben werden Materialien mit einem höheren Kohlenstoffgehalt verwendet als bei vergüteten Schrauben. Durch kontrollierte Kühlung und Wärmebehandlung während der Knüppelphase kann eine hohe Flächenreduzierung erreicht werden. Nach der Kaltverfestigung durch Drahtziehen sorgt eine weitere Kaltverfestigung während der Bolzenformphase für die Festigkeit des Bolzens. Während gewöhnliche Schrauben nach dem Formen nicht angelassen werden, müssen sie einer Brünierung unterzogen werden, um innere Spannungen durch das Kaltschmieden zu beseitigen. Der Nachteil besteht darin, dass die Härte des Materials höher ist als bei gehärteten Schrauben, was die Umformung sehr schwierig macht. Derzeit beträgt die Festigkeit von nicht-vergüteten Schrauben, die in Motoren verwendet werden, 1600 MPa, und die Festigkeit von nicht-vergüteten Schrauben, die in Fahrzeugkarosserien verwendet werden, hat 1400 MPa erreicht. Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach diesen hochfesten Schrauben in Zukunft weiter zunehmen wird.
