DE102019201549A1 - Method for monitoring a screw connection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Verschraubung (30) von mindestens zwei Bauteilen (31, 34), bei dem zur Bestimmung der Güte der Verschraubung (30) ein minimaler (46) und maximaler Wert (45) für das Anzugsdrehmoment und ein minimaler (49) und ein maximaler Wert (48) für den Drehwinkel eines Bauteils definiert ist, die zusammen ein Prozessfenster definieren in dem die Verschraubung (30) als gut angesehen wird, wobei der Startpunkt (47) der Drehwinkelbestimmung durch einen Drehmomentschwellwert (51) definiert ist. Ein Steigungsabfall des Drehmomentes in Bezug auf dessen maximaler Steigung muss dabei in dem Prozessfenster unter einem definierten Grenzwert liegen. The invention relates to a method for monitoring a screw connection (30) of at least two components (31, 34) in which a minimum (46) and maximum value (45) for the tightening torque and a minimum value (45) for determining the quality of the screw connection (30) (49) and a maximum value (48) for the rotational angle of a component is defined, which together define a process window in which the screw (30) is considered good, wherein the starting point (47) of the rotation angle determination by a torque threshold (51) defines is. An increase in the slope of the torque with respect to its maximum gradient must be below a defined limit in the process window.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Verschraubung.The invention relates to a method for monitoring a screw connection.
In der modernen Montagetechnik ist die Schraubverbindung nach wie vor eine der wichtigsten Verbindungsarten. Die Vielfalt der Schrauben in der Schraubtechnik hat sich im Vergleich zu früher deutlich geändert. Methoden zur Berechnung von Schraubverbindungen und neu entwickelte Schraubverfahren bieten die Möglichkeit, die Schrauben in ihren Abmessungen wesentlich zu verkleinern. Das Resultat sind kleinere und leichtere Schrauben, was zu einer deutlichen Rohstoff- bzw. Gewichtsersparnis führt und den Platzbedarf für Verschraubungen stark reduziert.In modern assembly technology, the screw connection is still one of the most important types of connection. The variety of screws in the screw technology has changed significantly compared to earlier. Methods for calculating bolt connections and newly developed bolting methods offer the possibility of significantly reducing the size of the bolts. The result is smaller and lighter screws, which leads to a significant reduction in raw materials and weight and greatly reduces the space required for screwing.
Verschraubungen spielen auch im Bereich der Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie, insbesondere bei EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, eine wichtige Rolle. Aufgrund des hier typischerweise geringen zur Verfügung stehende Bauraums und der drastischen Folgen des Versagens einer Verschraubung bestehen hier erhöhte Anforderungen.Screwed connections also play an important role in the field of projection exposure systems for semiconductor lithography, in particular in EUV projection exposure systems. Due to the here typically low installation space available and the drastic consequences of the failure of a gland there are increased requirements.
Eine Schraubverbindung ist eine lösbare Verbindung, die zwei oder mehrere Teile so zusammenfügt, dass sie sich unter allen vorkommenden Betriebskräften wie ein Teil verhalten. Von entscheidender Bedeutung für die Betriebssicherheit ist das Erhalten einer ausreichenden Restvorspannkraft (Restklemmkraft). Wird die Betriebskraft während des Betriebs so groß, dass sie die Vorspannkraft aufhebt, kann sich die Schraube je nach Betriebsbelastung lösen oder sogar brechen. Die Vorspannkraft kann durch eine Erhöhung des Spannungsquerschnitts durch Verwendung von mehreren oder größeren Schrauben, einer Erhöhung der Schraubengüte, die es möglich macht, bei gleicher Schraubenabmessung die Montagevorspannkraft zu erhöhen oder durch den Einsatz von genaueren Schraubverfahren, so dass die Schraube besser ausgenützt werden kann, erhöht werden. Die Schraubverfahren können an Hand der beim Verschrauben überwachten Parameter, wie dem Drehmoment, der Steigung des Drehmomentes und/oder dem überschrittenen Drehwinkel, eine genauere Aussage über beziehungsweise auch eine geringere Streuung der erreichten Vorspannkraft erreichen. Das gemessene Drehmoment beim Anziehen der Schraubverbindung setzt sich aus der Gewindereibung, der Unterkopfreibung, beispielsweise zwischen einer Mutter und einer Auflage und der Vorspannkraft zusammen, wobei die hohe Streuung der Gewindereibung und der Unterkopfreibung die Ermittlung der Vorspannkraft erschweren.A threaded connection is a detachable connection that joins two or more parts together to behave as one part among all the operating personnel. Of crucial importance for operational safety is obtaining sufficient residual prestressing force (residual clamping force). If the operating force during operation so large that it releases the biasing force, the screw can solve depending on the operating load or even break. The biasing force can be increased by increasing the stress cross section by using several or more screws, increasing the screw quality, which makes it possible to increase the assembly biasing force with the same screw size, or by using more accurate screwing methods, so that the screw can be better utilized. increase. The screwing methods can achieve a more accurate statement about or even a smaller dispersion of the achieved preload force on the basis of the monitored parameters during screwing, such as the torque, the slope of the torque and / or the exceeded angle of rotation. The measured torque when tightening the screw is composed of the thread friction, the Unterkopfreibung, for example between a nut and a support and the biasing force together, the high dispersion of the threaded friction and the Unterkopfreibung make it difficult to determine the biasing force.
Bekannte Anziehverfahren werden beispielsweise in den Schulungsunterlagen der Firma IBES Elektronik GmbH, die unter http://www.ibes-electronic.de/SchulungsunterlagenNeutral.pdf veröffentlicht sind, offenbart.Known tightening methods are disclosed, for example, in the training documents of the company IBES Elektronik GmbH, which are published under http://www.ibes-electronic.de/SchulungsunterlagenNeutral.pdf.
Ein dort beschriebenes Verfahren zur Verbesserung der Verschraubung ist ein drehmomentgesteuerte Anziehverfahren, bei dem das Drehmoment D [Nm] überwacht wird und ein minimales Dmin [Nm] und maximales Drehmoment Dmax [Nm] definiert wird, welche einen Bereich beschreiben, in dem die Schraube angezogen wird. Dadurch ist das verwendete Drehmoment im Vergleich zu einem rein subjektiven Anziehen der Verschraubung reproduzierbarer. Zusätzlich wird auch ein Bereich für den überschrittenen Drehwinkel W [Grad] durch einen minimalen Wmin [Grad] und maximalen Drehwinkel Wmax [Grad] definiert, um beispielsweise ein Fressen des Gewindes oder eine plastische Verformung des Schraubenkopfes zu detektieren. Die Güte der Verschraubung wird durch das Erreichen des Prozessfensters, welches durch die minimalen und maximalen Werte der Bereiche für das Drehmoment und den Drehwinkel definiert ist, definiert. Das beschriebene Verfahren hat den Nachteil, dass es immer noch die hohe Streuung der Gewindereibung und der Unterkopfreibung beinhaltet.A method for improving the bolting described therein is a torque controlled tightening method in which the torque D [Nm] is monitored and a minimum D min [Nm] and maximum torque D max [Nm] are defined, which describe a range in which the Screw is tightened. As a result, the torque used in comparison to a purely subjective tightening the screw is reproducible. In addition, a range for the exceeded rotation angle W [degree] is defined by a minimum W min [deg] and maximum rotation angle W max [deg], for example, to detect a seizure of the thread or a plastic deformation of the screw head. The quality of the gland is defined by the achievement of the process window, which is defined by the minimum and maximum values of the ranges for the torque and the angle of rotation. The described method has the disadvantage that it still involves the high variability of the thread friction and the undercutting friction.
Ein weiteres bekanntes Verfahren überwacht den Drehwinkel, wobei dieser erst ab einem definierten Schwellwert des Drehmomentes DSchwell [N,], bei dem die Fügevorgänge, also die Setzeffekte im Gewinde und unter dem Kopf der Verschraubung, abgeschlossen sind, bestimmt wird. Dieses Verfahren kann unabhängig vom Drehmoment die Schraube bis in den plastischen Bereich bringen, so dass die Gewindereibung und die Unterkopfreibung keinen Einfluss auf die Bestimmung der Vorspannkraft mehr haben. Dennoch wird auch bei diesem Verfahren aus den gleichen Gründen wie oben auch ein minimales und maximales Drehmoment definiert. Die Güte der Verschraubung wird ebenfalls über das Erreichen des Prozessfensters definiert.Another known method monitors the rotation angle, this is only when a defined threshold of the torque D threshold [N,], in which the joining operation, that is, the settling effects in the thread and under the head of the screw, have been completed is determined. This method can bring the screw into the plastic range regardless of the torque, so that the thread friction and the Unterkopfreibung have no influence on the determination of the biasing force. Nevertheless, this method also defines a minimum and maximum torque for the same reasons as above. The quality of the screw connection is also defined by reaching the process window.
Die oben beschriebenen Verfahren haben den Nachteil, dass die tolerierbaren Verschraubungen nicht immer den Anforderungen entsprechen.The methods described above have the disadvantage that the tolerable glands do not always meet the requirements.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welche die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik löst.The object of the present invention is to provide a method which solves the above-described disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.This object is achieved by a method having the features of the independent claim. The subclaims relate to advantageous developments and variants of the invention.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung einer Verschraubung von mindestens zwei Bauteilen sind zur Bestimmung der Güte der Verschraubung ein minimaler und ein maximaler Wert für das Anzugsdrehmoment und ein minimaler und maximaler Wert für den Drehwinkel des einen Bauteils definiert, die zusammen ein Prozessfenster definieren, in dem die Verschraubung als gut angesehen wird. Weiterhin ist der Startpunkt der Drehwinkelbestimmung durch einen Drehmomentschwellwert definiert, wobei ein Steigungsabfall des Drehmomentes in Bezug auf dessen maximale Steigung in dem Prozessfenster unter einem definierten Grenzwert liegen muss. Die Definition eines Grenzwertes für den Steigungsabfall in Bezug auf die maximale Steigung des Drehmomentes hat den Vorteil, dass die Schwankung der Gewindereibung und der Unterkopfreibung bei der Definition des Grenzwertes berücksichtigt werden und so einen geringeren Einfluss auf die Vorspannkraft haben. Darüber hinaus können beispielsweise ein Riss in einem der Bauteile oder eine starke plastische Verformung, bei der sich die Steigung über einen relativ geringen Drehwinkel stark ändert, vorteilhaft detektiert werden. Der Steigungsabfall kann während des Anziehens oder nach Erreichen des Prozessfensters ausgewertet und zur Beurteilung der Güte der Verschraubung verwendet werden.In a method according to the invention for monitoring a screw connection of at least Two components are defined for determining the quality of the screw a minimum and a maximum value for the tightening torque and a minimum and maximum value for the rotation angle of the one component, which together define a process window in which the screw is considered good. Furthermore, the starting point of the rotation angle determination is defined by a torque threshold, wherein a slope decrease of the torque with respect to its maximum slope in the process window must be below a defined limit. The definition of a limit value for the slope drop in relation to the maximum slope of the torque has the advantage that the fluctuation of the thread friction and the undercarriage friction are taken into account in the definition of the limit value and thus have a smaller influence on the prestressing force. In addition, for example, a crack in one of the components or a strong plastic deformation, in which the slope changes sharply over a relatively small angle of rotation, can be detected advantageously. The slope drop can be evaluated during tightening or after reaching the process window and used to assess the quality of the fitting.
Insbesondere kann der Grenzwert des Steigungsabfalls kleiner
In einer Variante des Verfahrens kann der Startpunkt der Drehwinkelbestimmung durch einen Steigungsschwellwert des Drehmoments definiert sein. Dies hat den Vorteil, dass Verschraubungen, bei denen die Drehmomentkurve sehr flach verläuft, was auf eine hohe Reibung und/oder hohe Deformation im Gewinde (und damit auf ein nicht gängiges Gewinde) und/oder eine hohe Reibung unter dem Kopf und/oder auf einen Riss in einem der Bauteile hindeuten kann, heraus gefiltert werden können.In a variant of the method, the starting point of the rotational angle determination can be defined by a gradient threshold value of the torque. This has the advantage that glands where the torque curve is very flat, resulting in high friction and / or high deformation in the thread (and thus on a non-standard thread) and / or high friction under the head and / or on can indicate a crack in one of the components can be filtered out.
Daneben kann für den Drehmomentschwellwert ein Bereich definiert sein. Versuche haben gezeigt, dass eine gewisse Schwankung des Drehmomentes, bei dem die Steigung den Schwellwert zur Definition des Startwertes der Drehwinkelbestimmung erreicht, keinen Einfluss auf die Güte der Verschraubung hat.In addition, an area can be defined for the torque threshold. Experiments have shown that a certain fluctuation of the torque at which the slope reaches the threshold value for defining the starting value of the rotational angle determination has no influence on the quality of the screw connection.
Die Startbedingung für die Bestimmung des Drehwinkels kann beispielsweise durch das Erreichen des Steigungsschwellwertes auch unterhalb des definierten Bereiches bis zum oberen Wert des Bereichs des Drehmomentschwellwertes definiert sein.The start condition for the determination of the angle of rotation can also be defined, for example, by reaching the gradient threshold value below the defined range up to the upper value of the range of the torque threshold value.
In einer Variante des Verfahrens kann der Startpunkt durch das Erreichen des Steigungsschwellwertes innerhalb des definierten Bereichs des Drehmomentschwellwertes definiert sein.In a variant of the method, the starting point can be defined by the reaching of the gradient threshold value within the defined range of the torque threshold value.
Weiterhin kann das Verfahren wiederholt werden, wenn das maximale Drehmoment erst nach Erreichen des maximalen Drehwinkels erreicht wird. Dies kann immer dann der Fall sein, wenn die plastische Deformation der Oberflächenrauhigkeiten und die Unterkopfreibung speziell beim ersten Anziehen einer Schraubverbindung zu einer sehr flachen Kurve führen. Versuche haben gezeigt, dass die Steigung des Drehmoments mit einer weiteren Verschraubung zunimmt und ein definiertes Prozessfenster, welches durch die minimalen und maximalen Werte des Drehmomentes und des Drehwinkels definiert wird, erreicht wird.Furthermore, the method can be repeated if the maximum torque is reached only after reaching the maximum angle of rotation. This can always be the case if the plastic deformation of the surface roughness and the Unterkopfreibung especially at the first tightening a screw lead to a very shallow curve. Experiments have shown that the slope of the torque increases with a further screw connection and a defined process window, which is defined by the minimum and maximum values of the torque and the rotation angle, is achieved.
Dabei kann beispielsweise der Grenzwert für den Steigungsabfall für die erste und weitere Wiederholungen des Verfahrens unterschiedlich definiert sein. Bei einer ersten Verschraubung kann es bereits zu einer teilweisen plastischen Verformung eines der beiden Bauteile kommen, wodurch das Verhalten im Grenzbereich zu einer plastischen Deformation beeinflusst wird. Bei einem gleichbleibenden Wert für eine weitere Verschraubung kann es so zu einer zu starken plastischen Verformung und sogar zu einem Versagen der Verschraubung kommen.In this case, for example, the limit value for the slope drop for the first and further repetitions of the method can be defined differently. In the case of a first screw connection, a partial plastic deformation of one of the two components can already occur, as a result of which the behavior in the boundary region is influenced to a plastic deformation. With a constant value for a further screw connection, this can lead to excessive plastic deformation and even failure of the screw connection.
Insbesondere kann der Wert für den Steigungsabfall für eine zweite, dritte oder weitere Durchführung des Verfahrens kleiner werden. Durch die Reduzierung des Wertes wird die Gefahr des Versagens oder eine erhöhtes Risiko durch eine Vorschädigung vorteilhaft minimiert.In particular, the value for the slope drop for a second, third or further implementation of the method can be smaller. Reducing the value advantageously minimizes the risk of failure or increased risk of pre-damage.
Daneben kann das Verfahren auf zwei Wiederholungen beschränkt sein. Wie Versuche gezeigt haben, ist die Gefahr des Versagens und der Vorschädigung bei mehr als zwei Wiederholungen des Verfahrens zu groß. Insbesondere soll ein Versagen beim Verschrauben vermieden werden.In addition, the method may be limited to two repetitions. As tests have shown, the risk of failure and pre-damage is too great for more than two repetitions of the procedure. In particular, a failure when screwing should be avoided.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
-
1 den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, -
2 eine schematische Darstellung einer Schraubverbindung -
3 ein Diagramm zur Darstellung einer Verschraubung -
4 ein weiteres Diagramm zur Darstellung einer Verschraubung
-
1 the basic structure of an EUV projection exposure system, -
2 a schematic representation of a screw connection -
3 a diagram showing a screw connection -
4 another diagram showing a screw connection
Beleuchtet wird ein im Objektfeld
Die Erfindung kann ebenso in einer DUV-Anlage verwendet werden, die nicht dargestellt ist. Eine DUV-Anlage ist prinzipiell wie die oben beschriebene EUV-Anlage
Der Steigungsabfall darf beispielsweise nicht größer als
Trifft einer der oben beschriebenen Forderungen nicht zu, ist die Verschraubung
Die Verhältnisse beim zweiten Verschrauben sind durch die Kurve
Entsprechend wird nun eine dritte Verschraubung vorgenommen, deren Drehmomentverlauf durch die Kurve
Versuche haben gezeigt, dass das Anziehen der Verschraubung
Durch die Kombination der beiden in der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- ProjektionsbelichtungsanlageProjection exposure system
- 22
- Facettenspiegelfacet mirror
- 33
- Lichtquellelight source
- 44
- Beleuchtungsoptikillumination optics
- 55
- Objektfeldobject field
- 66
- Objektebeneobject level
- 77
- Reticlereticle
- 88th
- ReticlehalterReticlehalter
- 99
- Projektionsoptikprojection optics
- 1010
- Bildfeldfield
- 1111
- Bildebeneimage plane
- 1212
- Waferwafer
- 1313
- Waferhalterwafer holder
- 1414
- EUV-StrahlungEUV radiation
- 1515
- ZwischenfeldfokusebeneBetween field focal plane
- 1616
- PupillenfacettenspiegelPupil facet mirror
- 1717
- Baugruppemodule
- 1818
- Spiegelmirror
- 1919
- Spiegelmirror
- 2020
- Spiegelmirror
- 3030
- Verschraubungscrew
- 3131
- Kopfhead
- 3232
- Unterseitebottom
- 3333
- Innengewindeinner thread
- 3434
- Körperbody
- 3535
- Verjüngungrejuvenation
- 3636
- Außengewindeexternal thread
- 3737
- Auflageedition
- 4040
- Drehmomentkurvetorque curve
- 4141
- Steigungskurveslope curve
- 4242
- Prozessfensterprocess window
- 4343
- Maximale Steigung Smax [Nm]Maximum slope S max [Nm]
- 4444
- Minimale Steigung Smin [Nm]Minimum slope S min [Nm]
- 4545
- Maximales Drehmoment Dmax [Nm]Maximum torque D max [Nm]
- 4646
- Minimales Drehmoment Dmin [Nm]Minimum torque Dmin [Nm]
- 4747
- Startpunkt Drehwinkelmessung WStart [Grad]Starting point rotation angle measurement W Start [degree]
- 4848
- Minimaler Drehwinkel Wmax [Grad]Minimum rotation angle W max [degrees]
- 4949
- Maximaler Drehwinkel Wmin [Grad]Maximum rotation angle W min [degrees]
- 5050
- Maximaler Schwellwert Drehmoment DSchwellmax [Grad]Maximum Threshold Torque D Threshold Max [degrees]
- 5151
- Minimaler Schwellwert Drehmoment DSchwellmin [Grad]Minimum Threshold Torque D Threshold [degrees]
- 5252
- Schwellwert Steigung SSchwell [Nm/Grad]Threshold slope S threshold [Nm / deg]
- 6060
- Erste KurveFirst turn
- 6161
- Zweite KurveSecond turn
- 6262
- Dritte KurveThird turn
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