統(tǒng)一螺紋塞規(guī)中徑檢測(cè)的理論與實(shí)踐

吳文生/蕪湖市計(jì)量測(cè)試研究所

普通螺紋是一種使用最多的一般用途機(jī)械連接件。過去，由于我國過分地堅(jiān)持使用米制螺紋，一直沒有制定統(tǒng)一螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)技術(shù)人員對(duì)統(tǒng)一螺紋缺乏了解。同時(shí)如何檢測(cè)螺紋是一個(gè)長期困擾世界各國的大難題。本文試圖就統(tǒng)一螺紋塞規(guī)中徑檢測(cè)的理論與實(shí)踐作一探討。

隨著國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)外開放程度的繼續(xù)，特別是我國加入WTO以后，統(tǒng)一螺紋的檢測(cè)問題愈為突出。同米制螺紋一樣，統(tǒng)一螺紋的主要參數(shù)也有如大徑、小徑、中徑、單一中徑、牙側(cè)角、螺紋旋合長度等，也沒有單獨(dú)規(guī)定牙側(cè)角極限偏差和螺距公差，而是把牙側(cè)角極限偏差和螺距公差折合為中徑公差的一部分。可見中徑公差是綜合性的，它可以用來控制中徑、螺距、牙側(cè)角三個(gè)參數(shù)的誤差，從而控制了螺紋的互換性和配合性質(zhì)。顯然控制螺紋中徑非常必要。當(dāng)生產(chǎn)批量不大或者為了查找螺紋加工誤差或者需要定量檢測(cè)螺紋及其量規(guī)時(shí)，可以用工具顯微鏡、螺紋千分尺、量針法等來測(cè)出螺紋的中徑等單項(xiàng)參數(shù)。在測(cè)量中徑時(shí)，往往是通過測(cè)量螺紋的單一中徑用以表示中徑實(shí)際尺寸的數(shù)值。中徑與單一中徑的區(qū)別是：中徑的特征是其圓柱母線通過牙型溝槽和凸起的寬度相等，而不考慮實(shí)際螺距的大小，單一中徑的特征是其圓柱母線通過牙型上溝槽寬度等于基本螺距一半的地方，而不考慮凸起寬度值的大小。

量針法測(cè)量螺紋中徑有三針法、兩針法、單針法，其中三針法較為常用，是一種精密測(cè)量外螺紋中徑的方法，且中徑測(cè)量結(jié)果的不確定度較小。它采用間接測(cè)量，把三根直徑相同的、高精度的小圓柱放入被測(cè)螺紋的溝槽中，用接觸式儀器測(cè)得尺寸M（見圖1）。通過換算求得中徑d2。d2的推導(dǎo)過程如下：

M－儀器測(cè)量時(shí)得到的尺寸，mm；

d0-最佳量針的直徑，mm；

d2-螺紋塞規(guī)中徑，mm；

a -螺紋塞規(guī)的牙型角，單位（°）；

p -螺距，mm。

圖1 三針法測(cè)螺紋中徑

為了避免牙型角誤差影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇的量針牙面的接觸點(diǎn)應(yīng)恰好在中徑上，這種量針稱為最佳的量針。對(duì)式（1）求全微分，

此時(shí)的d0值即為最佳三針直徑值。

至此我們就可以通過式（3）來選擇最佳三針，按式（1）來間接測(cè)量外螺紋中徑了。但是實(shí)際三針直徑由于有制造偏差，很難完全符合最佳三針直徑的要求，或者有時(shí)也會(huì)因種種原因找不到對(duì)應(yīng)的最佳三針，在測(cè)量統(tǒng)一螺紋量規(guī)時(shí)問題就更為突出。統(tǒng)一螺紋的螺距系列與公制螺紋不同，常用三針基本上都不是最佳三針。經(jīng)分析計(jì)算，并經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，只要所選三針放在被測(cè)螺紋溝槽內(nèi)，其與牙側(cè)的接觸點(diǎn)在中徑線與牙側(cè)交點(diǎn)的上、下1/8牙面長度范圍內(nèi)，如圖2所示，它所引起的測(cè)量誤差很小，可以忽略不計(jì)。判斷所選非最佳三針能否滿足此要求的根據(jù)是，此處L是被測(cè)牙面長度。雖有此公式，但測(cè)量人員判斷起來還是不方便，已通過分析計(jì)算得出Δdomax= 0.1022p，螺距p易知，把p值代入即可求出。那么如果所選量針超出以上范圍怎么辦呢？只要非最佳三針直徑在0.505181 p～1.010363 p范圍內(nèi)就可以。其涵義是：在進(jìn)行M值測(cè)量時(shí)，既要保證M值大于螺紋的大徑，又要保證量針與牙型螺旋面最外點(diǎn)相切。

現(xiàn)對(duì)標(biāo)記為7/16-20UNF-2B的統(tǒng)一螺紋塞規(guī)中徑進(jìn)行測(cè)量，使用的量儀是萬能測(cè)長儀，量針是國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)系列量針。20是每英寸牙數(shù)，先求出該量規(guī)的螺距p=25.4/20=1.27mm，再利用式（3）求出最佳三針直徑mm：

（統(tǒng)一螺紋的牙型角是60°，與英制螺紋不同）。從標(biāo)準(zhǔn)系列量針中找到0.572mm、0.724mm、0.866mm三種直徑的量針與0.7332mm接近。Δdomax=0.102×1.27=0.12954mm，由于0.7332-0.724＜0.12954。可見0.724的量針最為合適且由它所引起的測(cè)量誤差可以忽略。

圖2 最佳量針直徑變動(dòng)量

現(xiàn)用0.724的量針對(duì)7/16-20UNF-2B的通端、止端中徑進(jìn)行測(cè)量并代入公式（1）計(jì)算得到通端中徑值為10.2967mm、止端中徑值為10.4191mm。再從《公制、美制和英制螺紋標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》上查得該螺紋塞規(guī)通止端公差分別為（0.4050～0.4053）in和（0.4101～0.4104）in，米制化后范圍分別為（10.287～10.29462）mm 和（10.41654～10.42416）mm。從測(cè)量結(jié)果可以看出通端中徑值超出了此范圍。這是因?yàn)橐话阗Y料、書籍上給的公差都是螺紋在標(biāo)準(zhǔn)系列、標(biāo)準(zhǔn)旋合長度時(shí)的公差。對(duì)于特殊系列或旋合長度大于5倍螺距5p、不大于1.5倍大徑1.5D時(shí)，螺紋及量規(guī)中徑公差要按螺紋公差公式另行計(jì)算。

本次檢測(cè)的螺紋塞規(guī)公稱直徑為7/16 in，其通端螺紋長度為3/4 in（查手冊(cè)可知）1.5D = 1.5×7/16= 0.65625<3/4?？梢娦祥L度大于1.5D，所以其中徑公差不能從表中直接查出，而是另有計(jì)算或規(guī)定。本次測(cè)量的7/16-20UNF-2B螺紋塞規(guī)通端中徑公差擴(kuò)大了，另加了一個(gè)牙數(shù)為20、D≤1.5 in時(shí)的X級(jí)公差0.0003 in，也就是0.00762mm，所以該螺紋塞規(guī)通端公差應(yīng)為（10.287～10.30224）mm。此數(shù)據(jù)與螺紋制造廠提供過來的數(shù)據(jù)（10.287～10.302）mm是一致的。該螺紋塞規(guī)止端螺紋長度為3/8 in，它在（5P，1.5D）即（5×1/20，1.5×7/16）范圍之內(nèi)，所以它的公差值直接查表就可以了。

最后談?wù)劻酷樦睆匠^Δdomax= 0.1022 p，但還在0.505181 p～1.010363 p范圍時(shí)螺紋塞規(guī)的檢測(cè)。我們可以按下式來計(jì)算：

式中M′ -為采用非最佳量針測(cè)量時(shí)的檢驗(yàn)尺寸（mm）；dop為非最佳三針直徑（mm）；p為實(shí)際螺距，單位mm。

螺紋檢測(cè)還有許多諸如示值誤差修正等其他問題，本文只是起拋磚引玉的作用，有待和大家探討。