Schrauben Leitfaden | Köpfe, Antriebe und Prozesse

Die Schraube, eines der ältesten mechanischen Verbindungselemente der Menschheit, geht auf die Schraubenpumpe des Archimedes aus dem 3. vorchristlichen Jahrhundert zurück. Im Laufe von 2.300 Jahren technologischer Entwicklung hat sich dieses gerillte Befestigungselement zum Dreh- und Angelpunkt industrieller Systeme entwickelt und ermöglicht derzeit über 85% mechanischer Verbindungen in Bereichen von der Möbelmontage bis zur Luft- und Raumfahrttechnik. In diesem Leitfaden erfahren Sie, was Schrauben sind, welche Schraubenkopf- und Antriebsarten es gibt und welche Werkstoffe und Verfahren verwendet werden.

Überblick über die Schraube

Eine Schraube ist ein kleiner zylindrischer oder konischer Metallstab mit Gewinde, der einen geschlitzten Kopf hat, der unabhängig verwendet werden kann. Sie wird hauptsächlich zum Verbinden oder Befestigen von Gegenständen verwendet. Eine Schraube nutzt die physikalischen und mathematischen Prinzipien der schiefen Ebene, der kreisförmigen Rotation und der Reibung, um Maschinenteile effektiv festzuziehen.

Verschiedene Arten von Schraubenköpfen

Der Schraubenkopf bezieht sich auf den oberen Teil der Schraube, der in Form und Größe variieren kann (z. B. flach, rund oder versenkt).

Pan-Kopf

Der Pfannenkopf hat einen flachen, scheibenförmigen Kopf, der eine große Kontaktfläche bietet und den Druck auf das angeschlossene Material reduziert. Er ist ideal für Anwendungen, die ein ästhetisches Erscheinungsbild und eine glatte Oberfläche erfordern. Das Design des Flachkopfes verbessert auch das ästhetische Erscheinungsbild der Schraube.

Senkkopf

Die Senkkopfschraube hat einen leicht vertieften Kopf, der bündig mit der Verbindungsfläche des Werkstoffs abschließt. Diese Schrauben müssen oft versenkt werden, sie werden in der Regel mit einem Winkel von 90° in metrischen Varianten und einem Winkel von 100° in der Luft- und Raumfahrt und bei militärischen Anwendungen verarbeitet.

Sechskantkopf

Der Sechskantkopf hat eine sechseckige Aussparung, die in der Regel mit Werkzeugen wie einem Inbusschlüssel oder einem Innensechskantschlüssel angezogen oder gelockert wird. Sechskantschrauben sind die in vielen Branchen am häufigsten verwendeten Schrauben.

Flansch Kopf

Der Sechskantkopf mit Flansch verfügt über eine zusätzliche flache Oberfläche auf der Oberseite des Kopfes. Diese flache Oberfläche bietet eine größere Kontaktfläche und reduziert den Druck auf die verbundenen Materialien. Das Flanschdesign verhindert ein Abrutschen des Schlüssels.

Quadratischer Kopf

Der Kopf dieser Schraube ist quadratisch geformt, so dass die Schraube ohne Abrutschen eingeschlagen werden kann. Sie ist für die manuelle Montage oder das Anziehen mit einem Werkzeug geeignet. Die quadratische Form trägt auch zu einer besseren Drehmomentübertragung bei.

Käsekopf

Zylinderkopfschrauben haben eine zylindrische Oberseite. Diese Konstruktion verringert den Druck auf das zu verbindende Material und eignet sich für eine glatte Verbindung.

Runder Kopf

Rundkopfschrauben haben einen vollständig abgerundeten Kopf und bieten eine höhere Festigkeit für ihren größeren Durchmesser. Sie sind für Anwendungen geeignet, die kein hohes Drehmoment erfordern.

Traversenkopf

Flachkopfschrauben haben ein flaches Design, das die Höhe des Kopfes minimiert. Sie sind zwar weniger sichtbar und können ästhetisch ansprechender sein, sind aber aufgrund ihrer dünnen Struktur auch bruchanfälliger. Diese Schrauben gibt es sowohl mit Vollkrone als auch mit modifizierter Krone.

Verschiedene Arten von Spindelantrieben

Der Antrieb ist das vertiefte oder hervorstehende Merkmal am Schraubenkopf, das es einem Werkzeug - in der Regel einem Schraubendreher oder Bohrer - ermöglicht, die Schraube zu drehen. Der Antriebstyp bestimmt, wie das Drehmoment aufgebracht wird und wie sicher das Werkzeug in die Schraube eingreift.

Schlitzantrieb

Der Schlitzschraubendreher ist der Urvater aller Schraubendreher. Er verfügt über einen einzigen, geraden Schlitz, der quer über die Oberseite verläuft und für den Antrieb mit einem Schlitzschraubendreher ausgelegt ist. Er ist einfach und billig in der Herstellung und erfordert nur minimale Werkzeuge. Ihre Grenzen sind ebenfalls offensichtlich: Der Schlitzschraubendreher rutscht aufgrund seines mäßigen Drehmoments oft heraus, insbesondere wenn das Werkzeug nicht perfekt ausgerichtet ist, was den Schraubenkopf ablösen und zu erheblichem Frust führen kann.

Phillips Drive

Der Phillips-Antrieb verfügt über eine kreuzförmige Aussparung, die einen besseren Eingriff in den Schraubendreher ermöglicht und die Gefahr des Abrutschens im Vergleich zu Schlitzantrieben verringert. Dennoch ist er nicht perfekt. Der Schraubendreher kann immer noch abrutschen und entweder die Schraube oder das Werkzeug mit hohem Drehmoment beschädigen.

Pozi Drive

Sie ähnelt auf der Oberfläche einem Kreuzschlitz, fügt jedoch vier kleinere Rippen zwischen den Hauptkreuzschlitzen hinzu, wodurch ein Acht-Punkt-Eingriff mit dem Schraubendreher entsteht. Dieses Design reduziert das Abrutschen erheblich, da es einen festeren, sichereren Sitz bietet und ein höheres Drehmoment ohne Abrutschen ermöglicht. Allerdings ist dafür ein spezieller Kreuzschlitz-Schraubendreher erforderlich (ein normaler Kreuzschlitz-Schraubendreher kann eingesetzt werden, aber es besteht die Gefahr des Abrutschens), und in den USA ist er weniger verbreitet.

Torx-Antrieb

Der Kopf der Torx-Innensechskantschraube weist eine einzigartige sechseckige Aussparung mit abgerundeten Ecken in jedem Winkel auf, für deren Verwendung ein Torx-Schraubendreher erforderlich ist. Diese Konstruktion bietet nicht nur einen hervorragenden Halt des Werkzeugs, sondern ermöglicht auch die Übertragung eines hohen Drehmoments und verhindert effektiv eine Beschädigung des Schraubenkopfes.

Sechskantantrieb

Schrauben mit Innensechskant haben einen vertieften Sechskantkopf, für dessen Betätigung ein Sechskantschlüssel oder ein Sechskantschraubendreher erforderlich ist. Diese Konstruktion bietet ein erhebliches Drehmoment und verhindert effektiv eine Beschädigung des Schraubenkopfes.

Robertson/Square Drive

Der Robertson-Antrieb hat eine einfache quadratische Aussparung. Er bietet eine exzellente Drehmomentübertragung mit fast keinem Schlupf aufgrund seiner tiefen und geraden Wände, die den Schraubendreher sicher greifen. Sie können ihn sogar mit einer Hand bedienen, da die Schraube auf dem Schraubendreher bleibt.

Verschiedene Gewindearten

Schraubengewinde unterscheiden sich je nach den Normen, denen sie folgen. Hier sind die wichtigsten Arten:

Internationales metrisches Gewindesystem

Dies ist das Standard-Gewindesystem, das von der China National Standard übernommen wurde. Es zeichnet sich durch einen flachen Scheitel zur leichteren Bearbeitung und einen abgerundeten Fuß zur Erhöhung der Gewindefestigkeit aus. Der Gewindewinkel beträgt 60 Grad, und die Spezifikationen sind mit einem "M" gekennzeichnet. Metrische Gewinde gibt es in zwei Varianten: Grob- und Feingewinde. Die Angabe "M8*1,25" steht beispielsweise für ein metrisches Gewinde (M) mit einem Nenndurchmesser von 8 mm und einer Steigung von 1,25 mm. Weitere Einzelheiten sind in der Norm GB/T 70.1-2008 Sechskantschrauben mit Innensechskant" und den dazugehörigen Dokumenten zu finden.

Amerikanisches Standardgewinde

Dieser Gewindetyp hat flache Scheitel- und Fußpunkte und bietet eine höhere Festigkeit. Mit einem 60-Grad-Gewindewinkel basieren die Spezifikationen auf der Anzahl der Gewinde pro Zoll. Es wird in drei Kategorien unterteilt: grob (NC), fein (NF) und extra fein (NEF). Zum Beispiel bezieht sich 1/2-10NC" auf ein Gewinde mit einem Außendurchmesser von 1/2 Zoll, 10 Gewindegängen pro Zoll und der Bezeichnung NC.

Einheitliches Thema

Die von den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich und Kanada gemeinsam entwickelte Unified Thread-Norm wird häufig für britische Imperial-Gewinde verwendet. Es hat einen 60-Grad-Gewindewinkel und wird durch Gewinde pro Zoll angegeben. Es wird in Grobgewinde (UNC), Feingewinde (UNF) und Extra-Feingewinde (UNEF) unterteilt. Zum Beispiel gibt "1/2-10UNC" einen Außendurchmesser von 1/2 Zoll, 10 Gewindegänge pro Zoll und die Kategorie UNC an.

Scharfes V-Gewinde

Dieses V-förmige Gewinde hat scharfe Kämme und Wurzeln, wodurch es relativ schwach und weniger verbreitet ist. Sein Gewindewinkel beträgt 60 Grad.

Whitworth-Gewinde

Ein britisches Standardgewinde mit einem 55-Grad-Winkel, das mit "W" bezeichnet wird. Es eignet sich gut für rollende Fertigungsverfahren. W1/2-10" bedeutet zum Beispiel einen Außendurchmesser von 1/2 Zoll und 10 Gewindegänge pro Zoll.

Achsschenkel-Gewinde

Dieses nach deutschen DIN-Normen definierte Gewinde wird für Anwendungen wie Glühlampenfassungen und Gummischlauchverbindungen verwendet. Sein Symbol ist "Rd".

Rohrgewinde

Dieses Gewinde soll Leckagen verhindern. Rohrgewinde werden üblicherweise für Gas- und Flüssigkeitsrohrverbindungen verwendet. Sie haben einen 55-Grad-Gewindewinkel und sind in zwei Formen erhältlich: gerade Rohrgewinde (mit "P.S." oder "N.P.S." gekennzeichnet) und konische Rohrgewinde (mit "N.P.T." gekennzeichnet), die einen Kegel von 1:16 haben (entspricht 3/4 Zoll pro Fuß).

Quadratisches Gewinde

Vierkantgewinde bieten eine hohe Übertragungseffizienz, die nur von Kugelgewindetrieben übertroffen wird. Sie können jedoch nicht mehr mit einer Mutter nachgestellt werden, wenn sie abgenutzt sind, was ihre Verwendung einschränkt. Sie werden häufig in Schraubstöcken und Kranmechanismen verwendet.

Trapezförmiges Gewinde

Trapezgewinde haben einen etwas geringeren Übertragungswirkungsgrad als Vierkantgewinde, bieten aber den Vorteil, dass sie nach Verschleiß mit einer Mutter nachgestellt werden können. Die metrische Version hat einen 30-Grad-Gewindewinkel, während die zöllige Version einen 29-Grad-Winkel hat. Sie werden häufig für Gewindespindeln in Drehmaschinen verwendet und sind mit "Tr" gekennzeichnet.

Strebegewinde

Dieser auch als Trapezgewinde bezeichnete Gewindetyp ist für eine unidirektionale Kraftübertragung ausgelegt. Es wird in Anwendungen wie Spindelhubgetrieben und Pressen verwendet, und sein Symbol ist "Bu".

Präzision und Festigkeit von Schrauben

Schrauben werden wegen ihrer Präzision und Festigkeit häufig verwendet. In Bezug auf die Präzision können Standardschrauben in drei Klassen eingeteilt werden - A, B und C -, die auf ihrer Herstellungsgenauigkeit beruhen; die Klassen A und B sind Präzisionsschrauben und die Klasse C sind grobe Schrauben. Für Verbindungsschrauben in Stahlkonstruktionen werden im Allgemeinen Schrauben der Güteklasse C verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist. Es gibt erhebliche Unterschiede in den Herstellungsverfahren für Schrauben verschiedener Genauigkeitsklassen. Die Schäfte der A- und B-Schrauben werden auf der Rückseite bearbeitet. CNC-Drehmaschinen für glatte Oberflächen und präzise Abmessungen. Ihre Materialgüteklasse ist 8.8, aber aufgrund des komplexen Herstellungs- und Montageprozesses sind sie teuer und werden in der Praxis selten verwendet. Schrauben der Güteklasse C werden aus unbearbeiteten Rundstäben hergestellt, die weniger präzise Abmessungen aufweisen, und ihre Werkstoffgüteklasse ist entweder 4,6 oder 4,8. Sie verformen sich bei Scherverbindungen erheblich, sind aber leicht zu montieren und haben niedrige Produktionskosten.

Schrauben aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl werden in mehr als zehn Festigkeitsklassen eingeteilt, z. B. 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9 und 12.9. Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und höher werden aus legiertem Stahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt hergestellt und einer Wärmebehandlung (Härten und Anlassen) unterzogen. 

Materialien für Schrauben

Zu den gängigen Materialien für die Herstellung von Schrauben gehören: Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl und Kupfer.

Schraube aus Kohlenstoffstahl

Dies ist die Grundart von Stahl, die für Schrauben verwendet wird. Er bietet eine gute Zugfestigkeit und Langlebigkeit, allerdings ist Kohlenstoffstahl anfällig für RostDaher wird er oft beschichtet oder behandelt (z. B. mit Zink), um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Zu den Kohlenstoffstahlsorten für Schrauben gehören:

• Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: Q235(GB),1008,1015, 1018(AISI)
• Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt: 45# Stahl (GB), 1035, 1045 (AISI)

Schraube aus rostfreiem Stahl

Rostfreier Stahl enthält Chrom (mindestens 10-12%) und häufig Nickel. Er ist eine beliebte Wahl für Schrauben, die im Außenbereich, in der Schifffahrt oder in medizinischen Geräten verwendet werden, wo Rostschutz wichtig ist. Rostfreier Stahl ist teurer als Kohlenstoffstahl. Zu den Edelstahlsorten für Schrauben gehören:

• Austenitischer rostfreier Stahl: 304, 316, 316L
• Martensitischer rostfreier Stahl: 410, 420.

Kupferschraube

Schrauben aus reinem Kupfer sind selten, werden aber in bestimmten Bereichen verwendet, die eine hervorragende elektrische oder thermische Leitfähigkeit erfordern, wie z. B. in elektrischen Erdungssystemen. Da Kupfer weich und verschleißanfällig ist, wird es oft legiert (z. B. zu Messing), um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Zu den Kupferlegierungssorten für Schrauben gehören: H62, H65, H68.

Oberflächenbehandlungen für Schrauben

Der Hauptzweck einer Oberflächengüte ist es, Schrauben vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Chemikalien und extremen Temperaturen zu schützen, die zu Rost, Zersetzung oder Ausfall führen können. Darüber hinaus können Oberflächenbeschichtungen die Reibung bei der Montage verringern, das Verhältnis zwischen Drehmoment und Spannung verbessern und ein poliertes Aussehen für sichtbare Anwendungen bieten. 

Verzinkung

Die Verzinkung ist aufgrund ihrer Kosteneffizienz und soliden Korrosionsbeständigkeit eine der beliebtesten Oberflächenveredelungen für Schrauben. Durch Galvanisieren aufgebracht, schützt eine dünne Zinkschicht den darunter liegenden Stahl vor Rost, indem sie als Opferanode fungiert. Zu den Varianten gehören klares Zink (glänzende Oberfläche) und gelbes Zink (mit Zusatz von Chromat für zusätzlichen Schutz). Verzinkte Schrauben sind im Baugewerbe, in der Automobilindustrie und bei allgemeinen Anwendungen weit verbreitet, auch wenn sie in stark korrosiven Umgebungen wie Küstengebieten möglicherweise nicht ausreichen.

Vernickeln

Die Vernickelung bietet eine glänzende, attraktive Oberfläche mit guter Korrosionsbeständigkeit und Verschleißschutz. Sie wird häufig für dekorative Schrauben oder für Anwendungen verwendet, die eine mäßige Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse erfordern, wie z. B. Haushaltswaren oder Elektronik. Vernickelte Schrauben sind außerdem anlaufbeständig und eignen sich daher für sichtbare Installationen.

Black Oxide

Schwarzes Oxid ist eine chemische Konversionsbeschichtung, die ein glattes, mattschwarzes Aussehen und eine leichte Korrosionsbeständigkeit bietet. Sie wird oft mit Öl oder Wachs kombiniert, um den Schutz zu verbessern. Diese Beschichtung wird gerne für Schusswaffen, Werkzeuge und Maschinen verwendet, bei denen Ästhetik und geringes Reflexionsvermögen erwünscht sind, obwohl sie unter stark korrosiven Bedingungen weniger effektiv ist.

Beendet	Beschichtungsdicke(μm)	Korrosionsbeständigkeit（Neutraler Salzsprühtest）	Kosten
Black Oxide	1	1-3 Stunden	Niedrig
Vernickeln	Kupfer: 0,5-1  Nickel: 2-10	10-20 Stunden	Niedrig
Verzinkung	2-10	6-12 Stunden	Mittel