DE102019207211B4 - Process for screwing two components together - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verschraubung eines einen elastischen Bereich umfassenden ersten Bauteils (8) mit einem zweiten Bauteil (13) mit einer definierten Vorspannkraft, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Positionieren des ersten Bauteils (8) zu dem zweiten Bauteil (13) in Einbaulage,
- Anbringen eines Verbindungselementes (15) zur Verbindung des ersten (8) mit dem zweiten (15) Bauteil,
-Verbinden des ersten Bauteils (8) mit einem Mittel (16) zur Erzeugung einer Vorspannkraft,
- Verbinden des ersten Bauteils (8) mit einem Messmittel (20) zur Messung der Deformation des ersten Bauteils (8) unter Einwirkung der Vorspannkraft,
- Aufbringen einer definierten Vorspannkraft auf das erste Bauteil (8),
- Speicherung des durch das Messmittel (20) bei Erreichen der definierten Vorspannkraft ermittelten Deformationswertes,
- Anlegen des Verbindungselementes (15) an das zweite Bauteil (13) bis zum vollständigen Kontakt,
- Lösen der Vorspannkraft
- Nachstellen des Verbindungselementes (15), bis der gespeicherte Deformationswert erreicht ist.
- Demontage des Mittels (16) zur Aufbringung der Vorspannkraft und des Messmittels (20).
Method for screwing a first component (8) comprising an elastic area to a second component (13) with a defined prestressing force, comprising the following method steps:
- Positioning of the first component (8) to the second component (13) in the installation position,
- Attaching a connecting element (15) to connect the first (8) to the second (15) component,
- connecting the first component (8) to a means (16) for generating a prestressing force,
- connecting the first component (8) to a measuring device (20) for measuring the deformation of the first component (8) under the action of the prestressing force,
- Application of a defined prestressing force to the first component (8),
- Storage of the deformation value determined by the measuring device (20) when the defined prestressing force is reached,
- Applying the connecting element (15) to the second component (13) until full contact is made,
- Release the preload force
- Adjusting the connecting element (15) until the stored deformation value is reached.
- Dismantling the means (16) for applying the preload force and the measuring means (20).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschraubung von zwei Bauteilen.The invention relates to a method for screwing two components together.
In der modernen Montagetechnik ist die Schraubverbindung nach wie vor eine der wichtigsten Verbindungsarten. Die Vielfalt der Schraubverbindungen in der Schraubtechnik hat sich im Vergleich zu früher deutlich erhöht. Methoden zur Berechnung von Schraubverbindungen und neu entwickelte Schraubverfahren bieten die Möglichkeit, die Schraubverbindungen in ihren Abmessungen wesentlich zu verkleinern. Das Resultat sind kleinere und leichtere Schrauben und/oder Muttern, 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 screw connections in screw technology has increased significantly compared to the past. Methods for calculating screw connections and newly developed screw processes offer the possibility of significantly reducing the dimensions of the screw connections. The result is smaller and lighter screws and/or nuts, which leads to significant savings in raw materials and weight and greatly reduces the space required for screw connections.
Verschraubungen spielen auch im Bereich der Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie, insbesondere bei EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, eine wichtige Rolle. Aufgrund des hier typischerweise geringen zur Verfügung stehenden Bauraums und der drastischen Folgen des Versagens einer Verschraubung bestehen hier erhöhte Anforderungen.Screw 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 typically small amount of space available here and the drastic consequences of the failure of a screw connection, there are increased requirements here.
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, brechen oder eine mit der Vorspannkraft bewirkte Dichtung wird undicht. Gleichzeitig darf die Vorspannkraft die Streckgrenzen der Bauteile der Verschraubung nicht überschreiten, da dies zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen kann. 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. Heute verwendete Schraubverfahren ermöglichen 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 resultierenden Vorspannkraft. Die Ermittlung der Vorspannkraft über das Drehmoment wird dabei jedoch durch die hohe Streuung der Gewindereibung und der Unterkopfreibung, beispielsweise zwischen einer Mutter und einer Auflage, die neben der Vorspannkraft die Höhe des Drehmoments bestimmen, erschwert.A bolted connection is a detachable connection that joins two or more parts together in such a way that they behave as one part under all operating forces that occur. Maintaining a sufficient residual preload force (residual clamping force) is of crucial importance for operational safety. If the operating force during operation is so great that it cancels out the preload force, the screw may loosen or break, depending on the operating load, or a seal caused by the preload force may leak. At the same time, the preload force must not exceed the yield points of the components of the screw connection, as this can lead to premature failure of the component. The preload force can be increased by increasing the stress cross-section, by using several or larger screws, by increasing the quality of the screw, which makes it possible to increase the assembly preload force with the same screw dimensions, or by using more precise screwing processes so that the screw can be better utilized , increase. Screwdriving methods used today enable more accurate information or a smaller spread of the resulting preload force to be obtained using the parameters monitored during screwing, such as the torque, the increase in the torque and/or the angle of rotation exceeded. However, the determination of the preload force via the torque is made more difficult by the high scattering of the thread friction and the underhead friction, for example between a nut and a support, which, in addition to the preload force, determine the level of the torque.
Bekannte Anziehverfahren werden beispielsweise in den Schulungsunterlagen der Firma IBES Elektronik GmbH, die unter http://www.ibeselectronic.de/Schulungsunterlagen_Neutral.pdf veröffentlicht sind, offenbart. Weitere gattungsgemäße Schraubverfahren sind in den deutschen Offenlegungsschriften
Die dort beschriebenen Verfahren haben den Nachteil, dass die tolerierbare Streuung der Vorspannkraft der Verschraubungen nicht immer den Anforderungen entspricht.The disadvantage of the methods described there is that the tolerable spread of the preload force of the screw connections does 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 specify a method which solves the disadvantages of the prior art described above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.This object is achieved by a method having the features of the independent claims. The dependent claims relate to advantageous developments and variants of the invention.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verschraubung eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mit einer definierten Vorspannkraft umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Positionieren des ersten Bauteils zu dem zweiten Bauteil in Einbaulage,
- - Anbringen eines Verbindungselementes zur Verbindung des ersten mit dem zweiten Bauteil,
- - Verbinden des ersten Bauteils mit einem Mittel zur Erzeugung einer Vorspannkraft,
- - Verbinden des ersten Bauteils mit einem Messmittel zur Messung der Deformation des ersten Bauteils unter Einwirkung der Vorspannkraft,
- - Aufbringen einer definierten Vorspannkraft auf das erste Bauteil,
- - Speicherung des durch das Messmittel bei Erreichen der definierten Vorspannkraft ermittelten Deformationswertes,
- - Anlegen des Verbindungselementes an das zweite Bauteil bis zum vollständigen Kontakt,
- - Lösen der Vorspannkraft
- - Nachstellen des Verbindungselementes, bis der gespeicherte Deformationswert erreicht ist.
- - Demontage des Mittels zur Aufbringung der Vorspannkraft und des Messmittels.
- - Positioning of the first component to the second component in the installation position,
- - attaching a connecting element to connect the first to the second component,
- - connecting the first component to a means for generating a prestressing force,
- - connecting the first component to a measuring device for measuring the deformation of the first component under the action of the prestressing force,
- - Application of a defined preload force to the first component,
- - Storage of the deformation value determined by the measuring device when the defined prestressing force is reached,
- - Applying the connecting element to the second component until full contact is made,
- - Release the preload force
- - Adjusting the connection element until the stored deformation value is reached.
- - Disassembly of the means for applying the pretensioning force and the measuring equipment.
Dabei umfasst das erste Bauteil einen elastischen Bereich. Dieser wird durch die Vorspannkraft ausgelenkt, was zu einer Deformation des ersten Bauteils führt. Der elastische Bereich kann so ausgebildet sein, dass das erste Bauteil bei minimaler Größe mit der definierten Vorspannkraft und den Belastungen der Betriebskraft ohne Erreichen der Streckgrenze, also ohne der Gefahr zu versagen, belastet werden kann. Dies ist speziell in einer Projektionsbelichtungsanlage mit dem typischerweise nur geringen zur Verfügung stehenden Bauraum von Vorteil.The first component includes an elastic area. This is deflected by the preload force, which leads to a deformation of the first component. The elastic area can be designed in such a way that the first component can be loaded with the defined prestressing force and the loads of the operating force without reaching the yield point, ie without the risk of failure, with a minimal size. This is particularly advantageous in a projection exposure system with the typically only small amount of space available.
Daneben kann das Verbindungselement als Mutter ausgebildet sein. Das erste Bauelement umfasst neben dem elastischen Bereich ein Außengewinde, auf welches die Mutter aufgeschraubt und gegen das zweite Bauelement geschraubt werden kann. Die Mutter verbindet so das erste Bauelement mit dem zweiten Bauelement.In addition, the connecting element can be designed as a nut. In addition to the elastic area, the first component includes an external thread onto which the nut can be screwed and screwed against the second component. The nut thus connects the first component to the second component.
Weiterhin kann das Messmittel als Längenmesssystem, wie beispielsweise eine taktile Messuhr oder ein Konfokalsensor, ausgebildet sein. Der Taster der Messuhr oder der Messstrahl des Konfokalsensors kann dabei auf die Oberfläche des ersten Bauteils, welche mit dem Mittel zur Erzeugung einer definierten Vorspannkraft verbunden ist angeordnet werden, so dass mittels des Tasters oder des Messstrahls die durch die Vorspannkraft bewirkte Deformation des ersten Bauteils gemessen. Ist die definierte Vorspannkraft erreicht, kann der Wert an der taktilen Messuhr abgelesen beziehungsweise im Fall einer elektronischen Messuhr oder des Konfokalsensors gespeichert werden. Alternativ kann die Messuhr oder der Konfokalsensor in dieser Stellung genullt werden. Nach dem Lösen der Vorspannkraft kann der Deformationswert durch Setzeffekte an der Kontaktstelle von der Mutter und dem zweiten Bauteil geringfügig zurückgehen. Die Mutter kann nun solange nachgezogen werden, bis die Anzeige des Messmittels den bei anliegender Vorspannkraft gespeicherten Deformationswert oder die Nullstellung erreicht hat. Dadurch lässt sich die Vorspannkraft vorteilhaft sehr präzise einstellen, ohne dabei Gefahr zu laufen das erste Bauteil zu überlasten. Die Vorspannkraft kann im Bereich von weniger als 3%, insbesondere im Bereich von weniger als 1,5% der definierten Vorspannkraft eingestellt werden.Furthermore, the measuring means can be designed as a length measuring system, such as a tactile dial gauge or a confocal sensor. The probe of the dial gauge or the measuring beam of the confocal sensor can be placed on the surface of the first component, which is connected to the means for generating a defined preload force, so that the probe or the measuring beam can be used to measure the deformation of the first component caused by the preload force . Once the defined preload force has been reached, the value can be read off the tactile dial gauge or, in the case of an electronic dial gauge or the confocal sensor, saved. Alternatively, the dial indicator or the confocal sensor can be zeroed in this position. After releasing the preload force, the deformation value can decrease slightly due to settling effects at the contact point between the nut and the second component. The nut can now be tightened until the display of the measuring device has reached the deformation value stored with the applied preload force or the zero position. As a result, the prestressing force can advantageously be set very precisely without running the risk of overloading the first component. The prestressing force can be set in the range of less than 3%, in particular in the range of less than 1.5% of the defined prestressing force.
Daneben kann das Mittel zur Erzeugung einer Kraft eine Kraftmessdose umfassen. An der Kraftmessdose kann die definierte Vorspannkraft zur Vorspannung des ersten Bauteils einfach abgelesen werden; in Verbindung mit einer Steuerung und einer elektronischen Kraftmessdose kann die Kraft auch automatisch auf die definierte Vorspannkraft eingestellt werden.In addition, the means for generating a force can include a load cell. The defined preload force for preloading the first component can be easily read from the load cell; in conjunction with a controller and an electronic load cell, the force can also be automatically adjusted to the defined preload force.
Weiterhin kann ein Drehmoment zum Anlegen des als Schraube ausgebildeten Verbindungselementes an das zweite Bauteil in einem Bereich von 0.1Nm und 2Nm liegen. Dadurch kann ein Kontakt zwischen der Mutter und dem zweiten Bauteil sichergestellt werden, ohne die Vorspannkraft zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Reduzierung der an der Kraftmessdose gemessenen Kraft neben dem Drehmoment als zusätzlicher Entscheidungsparameter für einen Kontakt zwischen der Mutter und dem zweiten Bauteil verwendet werden. Weiterhin kann die Längenmessung verwendet werden, um den Kontakt zwischen der Mutter und dem zweiten Bauteil zu prüfen. Bei dem Anlegen der Mutter wird beispielsweise die Längenmessung beobachtet, wobei die Mutter bei der ersten Bewegung der Längenmessung anliegt.Furthermore, a torque for applying the connecting element designed as a screw to the second component can be in a range of 0.1 Nm and 2 Nm. This can ensure contact between the nut and the second component without increasing the preload force. In addition to the torque, the reduction in the force measured at the load cell can be used as an additional decision parameter for contact between the nut and the second component. Furthermore, the length measurement can be used to check the contact between the nut and the second component. For example, when the nut is put on, the length measurement is observed, with the nut being in contact during the first movement of the length measurement.
Insbesondere kann der Winkel zum Einstellen des ersten Bauteils auf den gespeicherten Deformationswert des Messmittels nach dem Lösen der Vorspannkraft im Bereich zwischen 0 und 30 Grad liegen. Die Mutter muss also nur um maximal 30° nachgezogen werden, um das erste Bauteil so zu deformieren, dass der gespeicherte Deformationswert wieder erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass beim Anziehen der Mutter nur minimale Reibung zwischen der Mutter und dem zweiten Bauteil entsteht und so die Partikelbildung vorteilhaft auf ein Minimum reduziert werden kann. Alternativ kann bei weniger kritischen Bauteilen der Wert für die Vorspannkraft höher als notwendig gewählt werden, so dass die zu erwartenden Setzeffekte kompensiert werden können. Dadurch kann auf das Nachziehen der Mutter nach dem Anlegen der Mutter und dem Lösen der Vorspannkraft nahezu vollständig verzichtet werden.In particular, the angle for adjusting the first component to the stored deformation value of the measuring device after releasing the prestressing force can be in the range between 0 and 30 degrees. The nut only has to be tightened by a maximum of 30° in order to deform the first component in such a way that the stored deformation value is reached again. This has the advantage that when the nut is tightened, there is only minimal friction between the nut and the second component, and the formation of particles can thus advantageously be reduced to a minimum. Alternatively, in the case of less critical components, the value for the preload force can be selected higher than necessary, so that the settling effects to be expected can be compensated. As a result, there is almost no need to retighten the nut after the nut has been put on and the preload force has been released.
In einer Variante der Erfindung kann zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine Dichtung angeordnet sein. Die Vorspannkraft bewirkt, dass die Dichtung bei allen durch Temperatur, Druckunterschieden, Vibrationen oder Schocks im Betrieb auftretenden Belastungen des ersten Bauteils ihre Dichtwirkung und Position behält.In a variant of the invention, a seal can be arranged between the first component and the second component. The pre-tensioning force ensures that the seal retains its sealing effect and position under all stresses on the first component that occur during operation due to temperature, pressure differences, vibrations or shocks.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
2 ein Flussdiagramm zu einem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
1 a device for carrying out the method according to the invention, and -
2 a flowchart for a method according to the invention.
Das erste Bauteil 8 ist mit einer Mutter 15, die auf einem Außengewinde 23 im oberen Bereich des ersten Bauteils 8 aufgeschraubt wird, gegen ein Herausfallen aus dem zweiten Bauteil 13 gesichert. Das erste Bauteil 8 umfasst weiterhin auf der Oberseite ein Innengewinde 24 zur Anbindung des Adapters 19 eines Mittels 16 zur Erzeugung einer Kraft. Dieses kann beispielsweise als Zugmaschine oder auch nur als eine einfache Spindel ausgebildet sein. Das Mittel 16 ist auf einer Anbindung 17 befestigt, die wiederum mit der Aufnahme 2 der Vorrichtung 1 verbunden ist. Zwischen dem Mittel 16 zur Erzeugung einer Kraft und dem Adapter 19 ist eine Kraftmessdose 18 angeordnet. Diese misst die durch das Mittel 16 erzeugte und in Richtung des Pfeils auf das erste Bauteil wirkende Vorspannkraft. Das erste Bauteil 8 wird durch die Vorspannkraft überwiegend in Richtung der Kraft deformiert. Die Deformation wird vorwiegend in einem elastischen Bereich 9 des ersten Bauteils 8 bewirkt, der so ausgelegt ist, dass das erste Bauteil bei minimaler Größe ohne Überschreiten der Streckgrenze des verwendeten Materials mit einer definierten Vorspannkraft belastet werden kann. Auf der Oberseite des ersten Bauteils 8 ist ein Messtaster 22 einer Messuhr 20 angeordnet, die einen Deformationswert des ersten Bauteils 8 unter Wirkung der Vorspannung erfasst. Die Messuhr 20 ist über einen Arm 21 mit dem Bauteil 13 direkt verbunden, wodurch nur die Bewegung des ersten Bauteils 8 zu dem zweiten Bauteil 13 gemessen wird und die Steifigkeit der Aufnahme 2 nicht in der Messstrecke der Messuhr 20 enthalten ist, wodurch der Messfehler auf ein Minimum reduziert werden kann. Bei Anordnungen mit weniger Bauraum zur Befestigung des Arms 21 auf dem zweiten Bauteil 13 kann die Messuhr 20 auch mit einem Arm 21' (gestrichelt dargestellt) mit der Aufnahme 2 verbunden sein. Sobald die definierte Vorspannkraft erreicht ist, wird der gemessene Deformationswert gespeichert oder die Messuhr 20 genullt. Die Mutter 15 wird danach von der gestrichelt dargestellten ersten Position bis zu einem vollständigen Kontakt mit der Oberseite des zweiten Bauteils 13 angelegt. Die Vorspannkraft wird gelöst, was zu einer Reduzierung der Deformation des ersten Bauteils durch Setzeffekte zwischen Mutter 15 und Oberseite des zweiten Bauteils führt. Die Mutter 15 wird nun weiter angezogen, bis die Messuhr 20 den gespeicherten Deformationswert oder die Nullstellung wieder erreicht hat, also das erste Bauteil mit demselben Deformationswert wie bei anliegender Vorspannkraft deformiert ist.The
In einem ersten Verfahrensschritt 30 wird das erste Bauteil 8 zu dem zweiten Bauteil 13 in Einbaulage positioniert.In a
In einem zweiten Verfahrensschritt 31 wird ein Verbindungselement 15 zur Verbindung des ersten 8 mit dem zweiten Bauteil 13 angebracht.In a
In einem dritten Verfahrensschritt 32 wird das erste Bauteil 8 mit einem Mittel 16 zur Erzeugung einer Vorspannkraft verbunden.In a
In einem vierten Verfahrensschritt 33 wird das erste Bauteil 8 mit einem Messmittel 20 zur Messung der Deformation des ersten Bauteils 8 unter Einwirkung der Vorspannkraft verbunden.In a
In einem fünften Verfahrensschritt 34 wird eine definierte Vorspannkraft auf das erste Bauteil 8 aufgebracht.In a
In einem sechsten Verfahrensschritt 35 wird der durch das Messmittel 20 bei Erreichen der definierten Vorspannkraft ermittelte Deformationswert gespeichert.In a
In einem siebten Verfahrensschritt 36 wird das Verbindungselement 15 an das zweite Bauteil 13 bis zum vollständigen Kontakt angelegt.In a
In einem achten Verfahrensschritt 37 wird die Vorspannkraft gelöst.In an
In einem neunten Verfahrensschritt 38 wird das Verbindungselement 15 nachgestellt, bis der gespeicherte Deformationswert erreicht ist.In a
In einem zehnten Verfahrensschritt 39 werden das Mittel 16 zur Aufbringung der Vorspannkraft und das Messmittel 20 demontiert.In a
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Aufnahmerecording
- 33
- Aussparungrecess
- 44
- Öffnungopening
- 55
- Auflageedition
- 66
- Spannelementclamping element
- 77
- Schraubescrew
- 88th
- erstes Bauteilfirst component
- 99
- elastischer Bereichelastic area
- 1010
- Innengewindeinner thread
- 1111
- Flanschflange
- 1212
- Dichtungpoetry
- 1313
- zweites Bauteilsecond component
- 1414
- Durchführungexecution
- 1515
- Muttermother
- 1616
- Mittel zur Erzeugung einer KraftMeans of generating a force
- 1717
- Anbindungconnection
- 1818
- Kraftmessdoseload cell
- 1919
- Adapteradapter
- 2020
- Messuhrdial gauge
- 21, 21'21, 21'
- Armpoor
- 2222
- Messtasterprobe
- 2323
- Außengewindeexternal thread
- 2424
- Innengewindeinner thread
- 3030
- Verfahrensschritt 1Process step 1
- 3131
-
Verfahrensschritt 2
Process step 2 - 3232
-
Verfahrensschritt 3
Process step 3 - 3333
-
Verfahrensschritt 4
Process step 4 - 3434
-
Verfahrensschritt 5
Process step 5 - 3535
-
Verfahrensschritt 6
Process step 6 - 3636
-
Verfahrensschritt 7
Process step 7 - 3737
-
Verfahrensschritt 8
Process step 8 - 3838
-
Verfahrensschritt 9
Process step 9 - 3939
- Verfahrensschritt 10Process step 10
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R079 | Amendment of ipc main class |
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