Die Gewindeherstellungsmethode ist nicht nur ein Produktionsdetail. Es wirkt sich direkt auf die Ermüdungsfestigkeit, die Oberflächenintegrität und die langfristige Zuverlässigkeit von Kfz-Befestigungselementen aus. Bei Aufhängungssystemen, Antriebsstrangbolzen und strukturellen Fahrgestellverbindungen kann der Unterschied zwischen einem gerollten und einem geschnittenen Gewinde darüber entscheiden, ob ein Verbindungselement seine Lebensdauer überlebt oder unter zyklischer Belastung vorzeitig versagt.
Dieser Artikel erläutert die technischen Unterschiede zwischen Gewindewalzen und Gewindeschneiden, vergleicht deren mechanische Leistung und klärt, für welche Anwendungen in der Automobilzulieferkette gewalzte Gewinde benötigt werden.
Prozess des Gewindewalzens: Wie es funktioniert
Gewindewalzen ist ein Kaltumformverfahren. Gehärtete Stahlmatrizen mit der umgekehrten Gewindeform drücken gegen einen zylindrischen Rohling und verdrängen das Material radial nach außen, wodurch das Gewindeprofil geformt wird, ohne dass Metall entfernt wird. Das Verfahren erfordert Rohlinge, die vor dem Walzen auf einen bestimmten Steigungsdurchmesser bearbeitet werden.
Da das Material verdrängt und nicht geschnitten wird, folgt der Faserverlauf der Fadenkontur. Die Gewinde verlaufen parallel zur Gewindeform und werden nicht quer dazu durchtrennt. Dies ist die strukturelle Grundlage für den Ermüdungsvorteil, den gerollte Gewinde gegenüber geschnittenen Gewinden haben.
Prozess des Gewindeschneidens: Merkmale und Beschränkungen
Beim Gewindeschneiden wird Material vom Rohling abgetragen, um das Gewindeprofil zu erstellen. Dies geschieht mit einer Drehbank, einer Matrize oder einem Gewindefräser. Es handelt sich um ein flexibles Verfahren, das sich gut für die Herstellung von Prototypen, Kleinserien und Spezialverbindungselemente mit großem Durchmesser eignet. Allerdings wird dabei der Faserverlauf des Werkstücks an jedem Gewindegrund unterbrochen.
Der unterbrochene Kornfluss erzeugt Spannungskonzentrationen am Radius des Gewindegrundes. Bei zyklischer Belastung entstehen an diesen Stellen Ermüdungsrisse. Geschnittene Gewinde haben in der Regel auch eine höhere Oberflächenrauhigkeit als gerollte Gewinde, was zu einer zusätzlichen Spannungskonzentration und Reibungsanfälligkeit in montierten Verbindungen beiträgt.
Kornflussstruktur und Ermüdungsleistung
Das Argument des Kornflusses für das Gewinderollen wird durch Ermüdungsprüfungsdaten gut untermauert. Gerollte Gewinde übertreffen durchweg geschnittene Gewinde in rotierenden Biege- und axialen Ermüdungstests, wobei die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit typischerweise im Bereich von 30-50% liegt, je nach Material, Oberflächengüte und Testbedingungen.
Der Mechanismus ist simpel. Durch das Rollen werden Druckeigenspannungen am Gewindegrund erzeugt. Das ist derselbe Bereich, in dem sich während der Belastung Zugspannungskonzentrationen entwickeln. Diese Druckeigenspannungen gleichen die aufgebrachten Zugspannungen teilweise aus und verzögern so die Rissentstehung. Geschnittene Gewinde weisen keine vorteilhaften Eigenspannungen auf und können sogar Zugspannungen aus dem Schneidprozess enthalten.
Für Befestigungselemente für den Kfz-Ersatzteilmarkt in Aufhängungs-, Lenkungs- und Radendanwendungen, wo Ermüdungsbelastungen die Betriebsumgebung dominieren, sind gerollte Gewinde keine Option. Sie sind der Standard.
Auswirkungen auf hochfeste Automobilbolzen
Hochfeste Verbindungselemente - Güteklasse 10.9, 12.9 und ihre metrischen Äquivalente - sind besonders empfindlich gegenüber Oberflächen- und Fertigungsqualität. Oberhalb von etwa 1200 MPa Zugfestigkeit, Verbindungselemente werden immer anfälliger für Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion. Jeder Oberflächenfehler, sei es durch Bearbeitungsschäden, Probleme mit der Beschichtung oder Spannungskonzentrationen im Gewindegrund, beschleunigt den Ausfall.
Bei diesen Festigkeitsstufen bietet die Druckeigenspannung aus dem Gewinderollen einen sinnvollen Schutz gegen Ermüdung und Spannungskorrosion. Das Schneiden eines Schraubengewindes der Güteklasse 12.9 entfernt Material an der spannungskritischsten Stelle des Verbindungselements und hinterlässt den schlechtest möglichen Oberflächenzustand für eine hochfeste Anwendung.
Oberflächenbeschaffenheit und Faktoren für die Spannungskonzentration
Das Gewinderollen erzeugt eine glatte, brünierte Oberfläche am Gewindegrund und an der Flanke. Ra-Werte im Bereich von 0,4-0,8 μm sind typisch nach dem Walzen. Beim Gewindeschneiden entstehen je nach Werkzeugschärfe und Prozessparametern Ra-Werte, die zwischen 1,6 und 6,3 μm oder höher liegen können.
Die Oberflächenrauhigkeit wirkt sich direkt auf den Spannungskonzentrationsfaktor am Gewindegrund (Kt) aus. Ein glatterer Gewindegrund bedeutet einen niedrigeren Kt, was eine geringere Spitzenspannung bei gleicher Belastung bedeutet. Bei hochzyklischen Ermüdungsanwendungen summiert sich dieser Unterschied zu einem signifikanten Lebensdauerunterschied auf Komponentenebene.
Kosten, Konsistenz und Produktionseffizienz
Gewindewalzen ist bei hohen Stückzahlen schneller als Gewindeschneiden und benötigt weniger Energie pro Teil. Die Standzeit der Matrizen ist lang, und das Verfahren ist in hohem Maße wiederholbar, so dass die Gewindegeometrie von Teil zu Teil gleich bleibt. Der größte Nachteil sind die Rüstkosten und die Notwendigkeit einer präzisen Kontrolle des Rohlingsdurchmessers.
Das Gewindeschneiden ist wirtschaftlicher für Kleinserien und Prototypen, insbesondere bei ungewöhnlichen Gewindeformen, großen Durchmessern oder Innengewinden. Es bleibt auch die Standardmethode für Innengewinde, bei denen Walzbacken die Werkstückgeometrie nicht erreichen können.
Wenn gerollte Gewinde in Automobilanwendungen erforderlich sind
Gerollte Gewinde sind in den meisten Normen für sicherheitskritische Anwendungen in der Automobilindustrie vorgeschrieben oder impliziert. Die folgenden Kategorien erfordern durchweg gerollte Gewinde:
- Befestigungselemente für die Aufhängung: Querlenkerbolzen, Kugelgelenkbolzen und Federbeinlagerbolzen arbeiten unter vollständig reversiblen Ermüdungslasten und Straßenaufprallereignissen. Gerollte Gewinde sind Standard.
- Schrauben für den Antriebsstrang: Propellerwellenflanschbolzen, Differentialzahnkranzbolzen und Halbwellenmuttern unterliegen einer Torsions- und Biegeermüdung. Gerollte Gewinde sorgen für die erforderliche Lebensdauer.
- Radbefestigungen: Radbolzen und Radmuttern gehören zu den Verbindungselementen mit der höchsten Sicherheitsklasse am Fahrzeug. Alle werden mit gerolltem Gewinde hergestellt.
- Bolzen der Motorstruktur: Pleuelstangenbolzen, Hauptlagerdeckelschrauben und Zylinderkopfschrauben werden in der Automobilproduktion standardmäßig gerollt.
CNXD‘Das Herstellungsverfahren des Kaltstauchens und Gewindewalzens deckt Standard- und kundenspezifische Spezifikationen für Automobilbolzen ab. Die Produktion umfasst eine interne Ermüdungs- und Härtevalidierung, eine konsistente Maßtoleranzkontrolle und eine vollständige Chargenrückverfolgbarkeit für die Dokumentation der OEM-Lieferkette.
FAQ
Was ist der Hauptunterschied zwischen gerollten und geschnittenen Gewinden?
Gerollte Gewinde werden durch Verdrängen des Materials mit Matrizen geformt, wobei der Kornfluss erhalten bleibt und Druckeigenspannungen erzeugt werden. Bei geschnittenen Gewinden wird das Material entfernt, wobei der Kornfluss unterbrochen wird und Spannungskonzentrationen am Gewindegrund zurückbleiben.
Sind gerollte Gewinde stärker als geschnittene Gewinde?
Ja, insbesondere bei Ermüdung. Gerollte Gewinde weisen in der Regel eine 30-50% höhere Ermüdungsfestigkeit auf, was auf einen günstigen Faserverlauf und Druckeigenspannungen am Gewindegrund zurückzuführen ist.
Werden alle in der Produktion befindlichen Kfz-Befestigungselemente gewalzt?
Die meisten hochvolumigen, sicherheitskritischen Kfz-Befestigungselemente werden gewalzt. Spezialbefestigungselemente, große Durchmesser oder Prototypen können geschnitten werden. Innengewinde (Muttern, Gewindelöcher) werden standardmäßig geschnitten.
Beeinflusst das Gewinderollen die Zugfestigkeit?
Das Gewinderollen erhöht nicht die Zugfestigkeit, die von der Werkstoffgüte abhängt. Es verbessert die Ermüdungsleistung und die Rissbeständigkeit, indem es den Spannungszustand am Gewindegrund verändert.
