Wann ein Draht-Gewindeeinsatz wirklich nötig ist

Im Wesentlichen ist ein Draht-Gewindeeinsatz eine federnde Spiralwicklung aus Draht mit rhombischem Querschnitt. Im freien Zustand ist sein Außendurchmesser größer als die Aufnahmebohrung. Nach dem Einschrauben in eine STI-Bohrung (Special Tapped Insert) drückt sich der Draht durch seine Eigenelastizität nach außen, verankert sich dauernd im Grundwerkstoff und formt im Inneren ein präzises 60°-Norm-Innengewinde. Der HeliCoil-Katalog nennt Oberflächenrauheiten von 8 bis 16 Mikrozoll, die sowohl metrische Schrauben nach GB/T 197 / ISO 965 als auch zöllige Ausführungen nach MIL-S-7742 und UNJ mit kontrolliertem Gewindegrund tragen.

Nach Kapitel 1 „Anwendungsbereich" der GB/T 24425.1-2009 „Freilauf-Draht-Gewindeeinsätze" werden solche Einsätze eingesetzt, um die Festigkeit von Gewindebohrungen in Aluminium-, Magnesium-, Kupferlegierungen, Grauguss und nichtmetallischen (Kunststoff-)Werkstoffen zu erhöhen, die Dauerfestigkeit der eingeschraubten Schraube zu steigern und beschädigte Gewindebohrungen instand zu setzen. Damit sind die drei häufigsten Praxisprobleme abgedeckt, mit denen es Ingenieure im Feld zu tun bekommen:

• Verstärkung weicher Gewindegrundwerkstoffe: Auf Aluminium- oder Magnesium-Druckgussteilen sowie glasfaserverstärkten Kunststoffgehäusen reichen wenige Demontagezyklen, bis ein direkt geschnittenes M6- oder M8-Gewinde überdreht. Der Draht-Gewindeeinsatz ersetzt die Paarung durch ein hartes Edelstahl-Innengewinde; die Schraube bricht dann eher ab, bevor das Grundgewinde Schaden nimmt.
• Schwingungs- und stoßfeste Sicherung: An Motorlagern, Pumpengehäusen, Fahrwerken und anderen dauerfest schwingenden Bauteilen lockern sich normale Gewinde. Screw-Lock-Einsätze liefern ein bleibendes, reversibles Anziehdrehmoment.
• Reparatur beschädigter Gewindebohrungen: Ist eine Schraube abgerissen oder das Gewinde verzohen, muss das Bauteil nicht gleich verschrottet werden. Nach dem Aufbohren auf STI-Größe wird der Einsatz eingedreht und das Ursprungsgewinde wiederhergestellt.

Der HeliCoil-Katalog weist zudem darauf hin, dass sich mit Draht-Gewindeeinsätzen die gleiche Klemmkraft auf weicheren, leichteren und kleineren Bossen realisieren lässt. Der-Boss-Durchmesser muss nur etwa dem doppelten Nenndurchmesser der Schraube entsprechen. Für NEV-Batteriepacks und Elektronikgehäuse, wo jedes Gramm Gewicht und jedes Millimeter Bauraum zählt, ist das ein entscheidender Vorteil.

Freilauf gegen Screw-Lock: die erste Auswahlfrage

Die grundlegendste Unterscheidung ist die zwischen „Freilauf" (Free-Running / Standard) und „Screw-Lock". Beide Bauformen sehen äußerlich ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass beim Screw-Lock eine oder mehrere Windungen nicht kreisförmig gewickelt, sondern zu zwei parallelen „Saiten" (Chords) abgeflacht sind. Wird die Schraube eingedreht, weiten sich diese beiden Saiten nach außen und drücken elastisch auf das Schraubengewinde, woraus ein bleibendes Anziehdrehmoment resultiert.

Neben diesen beiden Haupttypen bietet HeliCoil Hi-Torque (ca. 40 % höheres Anziehdrehmoment als Screw-Lock, #10 bis 3/8" UNF), Stud-Lock (höchstes Anziehdrehmoment, für Gewindebolzen) sowie die Tangless-Bauform ohne Ansetzteil an. Letztere spart das Abscheren des Montage-Zapfens, ist in beiden Richtungen einbaubar, entspricht NASM 1130 und eignet sich für Sacklöcher sowie die automatisierte Großmontage.

Werkstoff und Beschichtung: nicht immer 304-Edelstahl

Über 90 % aller Draht-Gewindeeinsätze werden werksstandardmäßig aus 304-Edelstahl gefertigt (HeliCoil AS7245). Das ist der Standard, die universell lagermäßig vorgehaltene Güte, mit einer Einsatztemperatur von etwa 427 °C (800 °F), einer Zugfestigkeit von 200–250 ksi und einer Härte von HRC 43–50. Bei Hochtemperatur, Meerwasser, Vakuum oder niedriger Magnetisierung muss der Werkstoff jedoch an das Einsatzmedium angepasst werden:

Auch die Beschichtung (Finish) beeinflusst Montageverhalten und Lebensdauer. Trockenfilmschmierung (Dry Film Lubricant, AS5272) senkt das Anziehdrehmoment und wird bevorzugt in Kombination mit Screw-Lock eingesetzt. Primer-freie Beschichtung unterbricht die Kontaktkorrosion zwischen Einsatz und Aluminium- beziehungsweise Magnesiumgrundwerkstoff und spart das Aufbringen von Zink-Primer – ein Standard für NEV-Gehäuse. Versilberung dient bis etwa 649 °C (1200 °F) als Fressschutz. Cadmiumierung ist wegen ihrer Toxizität für Neukonstruktionen nicht mehr empfohlen. Bei HeliCoil-Teilenummern sind Werkstoff- und Beschichtungscode getrennt codiert: CN = Edelstahl, BN = Phosphorbronze, TN = Inconel X, GN = Titan; Y = Cadmium, W = Trockenfilm, Blank = ohne Beschichtung, PF = primerfrei.

Einbau: Bohren, Senken, Gewinden, Lehren

Der Einsatz selbst ist preiswert – ein einziger Montagefehler kann eine ganze Charge ruinieren. Der HeliCoil-Katalog beschreibt einen Vier-Schritte-Prozess: Bohren → Senken → Gewindeschneiden → Lehren, danach wird der Einsatz mit einem Spezialwerkzeug eingedreht und (bei Ausführungen mit Zapfen) der Montagezapfen abgebrochen.

1. Bohren (Drill): Der Bohrerdurchmesser ist aus einer werkstoffspezifischen Tabelle zu entnehmen. Für dieselbe M6-Bohrung gilt in Aluminium-/Magnesiumteilen ein 3,4-mm-Bohrer, in Stahl- beziehungsweise Kunststoffteilen ein 3,3-mm-Bohrer. Ein falscher Bohrdurchmesser führt direkt zu einer zu großen oder zu kleinen Aufnahmebohrung. Die Bohrtiefe F muss so bemessen werden, dass nach vollständigem Eindrehen des Einsatzes noch ausreichend Material unter dem Bohrungsgrund verbleibt. Als Anhaltswert dient: Nennlänge des Einsatzes Q + 0,5 × Schraubendurchmesser + 4P (Spitzenwinkel-Vorhalt) + 1P (Senkaufmaß).
2. Senken (Countersink): An der Bohrungsmündung ist eine 90° bis 120° × 45°-Senke anzubringen, um Ausbrüche am Gewindeeingang bei der Montage zu vermeiden. Der Senkwinkel muss zum Gewindebohrer-Spitzenwinkel passen (120° Senke zu 60°-Gewinde).
3. Gewindeschneiden (Tap): Es ist zwingend ein STI-Spezialgewindebohrer zu verwenden – ein normaler Gewindebohrer ist unzulässig. Für Durchgangslöcher nimmt man einen Plug-Tap (4 Gänge Ansatz), für Sacklöcher einen Bottoming-Tap (2 Gänge Ansatz). Für tiefe Bohrungen und zähe Werkstoffe empfehlen sich Spiralbohrer (Spiral Point) oder Spiralnut-Gewindebohrer (High Spiral Flute) für besseren Spanabfluss. Die Gewindebohrtiefe H = Nennlänge Q + 1P; im Sackloch sind ein bis zwei Leergänge sowie 1P Gewindebohrer-Aufmaß vorzusehen.
4. Lehren (Gage): Die STI-Aufnahmebohrung ist mit STI-Lehren (Go-/No-Go) zu prüfen. Erst nach Freigabe wird der Einsatz montiert – sonst dichtet man eine unbrauchbare Bohrung direkt im Bauteil ein.

Als Montagewerkzeuge stehen handbetätigte Inserting Tools, elektrische und pneumatisch betriebene Serienwerkzeuge sowie Prewinder zum Voreindrehen für die automatisierte Vormontage zur Verfügung. Nach dem Einbau wird bei Freilauf-Ausführungen der Montagezapfen (Tang) mit einem Abbrechwerkzeug an der Sollbruchstelle abgetrennt und entfernt. Tangless-Ausführungen benötigen diesen Schritt nicht und können wiederholt demontiert und justiert werden.

Metrische/zöllige Abmessungen und Artikelnummer lesen

Das Abmessungsspektrum von Draht-Gewindeeinsätzen ist sehr breit: HeliCoil bietet metrisches Regelgewinde von M2×0,4 bis M39×4, metrisches Feingewinde von M8×1 bis M39×3; zöllig von #2-56 bis 1-1/2-6 (UNC) beziehungsweise #0-80 bis 1-1/2-12 (UNF). Darüber hinaus werden UNEF, UNS, 8UN, 12UN, 16UN, Zündkerzen- und Rohrgewinde geführt. Die chinesische GB/T 24425.1/24425.3 deckt M2 bis M39 ab (Freilauf ab M2, Screw-Lock ab M3).

Die metrische Länge wird als Vielfaches des Nenndurchmessers d angegeben, üblich sind 1d, 1,5d, 2d, 2,5d und 3d. Die erforderliche Länge ergibt sich aus der Klemmdicke und der gewünschten Gewindeeingriffslänge. HeliCoil empfiehlt in Stahl mindestens 1d, in weichem Aluminium/Magnesium 1,5d bis 2d. Die HeliCoil-Artikelnummer ist ein „Baukastencode". Wer ihn liest, liest die komplette Spezifikation – am Beispiel 1185-4CNY375S:

In chinesischen Zeichnungen wird die Benennung nach GB/T 1237 vorgenommen, zum Beispiel „M8×1,25-1,5d Freilauf-Draht-Gewindeeinsatz GB/T 24425.1". Die Aufnahmebohrung richtet sich nach GB/T 24425.5 „Innengewinde für Draht-Gewindeeinsätze", die technischen Lieferbedingungen nach GB/T 24425.6. Weitere metrische und zöllige Abmessungen sowie Werkstoffoptionen finden sich auf der Produktseite für Draht-Gewindeeinsätze von YF Zhichengjia.

Auswahlempfehlungen und typische Irrtümer

Konzentriert man die vorhergehenden Abschnitte auf eine „Auswahltabelle", kann direkt am Arbeitsplatz nach Betriebsbedingung abgehakt werden:

• Statische Belastung, Stahl/Guss dickwandig, Standard-Montage: Freilauf aus 304-Edelstahl, Länge 1d bis 1,5d.
• Aluminium-/Magnesium-Druckguss, Kunststoffgehäuse, häufige Demontage: Freilauf aus 304, Länge 1,5d bis 2d, Boss-Durchmesser ≥ 2× Schraubendurchmesser.
• Dauer-Schwingung/Stoß, Sicherung erforderlich: Screw-Lock aus 304, Bohrung auf 4H5H/5H bearbeiten, mit Trockenfilm-Beschichtung kombinieren.
• Hochtemperatur (> 427 °C): Inconel X750; Meerwasser/Salznebel: Phosphorbronze oder Titan; Vakuum/niedrige Magnetisierung: Nitronic 60 oder Titan.
• Korrosionsgefährdete Paarung (Aluminiumgehäuse + Stahlschraube): Primer-freie Ausführung wählen oder Trennbeschichtung vorsehen.
• Bereits überdrehte Gewindebohrung / abgerissene Schraube: Auf STI-Größe aufbohren, mit passendem STI-Gewindebohrer schneiden und Einsatz gleicher Größe eindrehen, um das Ursprungsgewinde wiederherzustellen.