董良海 邵丹 / 無錫市計量測試院

0 引言

圓錐螺紋塞規(guī)主要用于綜合檢驗密封管工件內(nèi)螺紋。其中常見的有英制密封管螺紋量規(guī)（55°）和美制密封管螺紋量規(guī)（60°）?；鶞?zhǔn)平面上的中徑是圓錐螺紋塞規(guī)的主要參數(shù)，目前常用的測量方法有測球法和螺紋掃描法，但是這兩種方法對于設(shè)備的要求比較高，不太適用于一般企業(yè)。本文提出了一種利用萬能工具顯微鏡軸切法測量基面中徑的方法，經(jīng)實際驗證，效果良好。

1 測量方法

測量前，一般需先將塞規(guī)手柄卸除。檢查塞規(guī)頂尖孔是否完好，如有毛刺則要用高粒度油石打磨光滑，并用溶劑汽油清洗干凈。

將被測塞規(guī)安裝在工具顯微鏡的頂尖架上，根據(jù)被測螺紋的螺距選擇并安裝好合適的測量刀，螺距為0.5～3 mm，選用刃口與分度線間距為0.3 mm的測量刀；螺距為3～6 mm，選用刃口與分度線間距為0.9 mm的測量刀，所選用的測量刀事先應(yīng)進行校準(zhǔn)，其刃口與分度線間距誤差一般不大于±0.5 μm。調(diào)整焦距進行對刀，使測量刀刃在螺紋軸線平面上與螺紋牙型輪廓密合，并刀刃口影像清晰。對刀前，應(yīng)根據(jù)被測螺紋的螺旋升角使顯微鏡的立柱傾斜一個角度，在正式測量時，顯微鏡的立柱應(yīng)恢復(fù)零位。

測量應(yīng)在被測螺紋的前、后端進行，如圖1所示。選定第一個測量位置后，瞄準(zhǔn)測量刀分度線，使測量刀分度線與目鏡中相應(yīng)虛線對準(zhǔn)，讀取和記錄萬能工具顯微鏡縱橫向坐標(biāo)示值（x1，y1)，保持縱向位置不動，橫向移動顯微鏡到螺紋軸線的另一邊，瞄準(zhǔn)測量刀分度線，讀取和記錄第二個坐標(biāo)值（x1，y2)，兩次橫向測量示值之差即為x1位置處的中徑測量示值。為消除螺紋軸線與縱向坐標(biāo)軸線不平行引起的系統(tǒng)誤差，應(yīng)在螺紋牙型左、右兩側(cè)各測量一次，再得到x2位置處的中徑測量示值。由于圓錐螺紋塞規(guī)存在中徑錐度，因此兩次測量計算的平均值作為（x2+x1）/2 位置處的中徑d2a：

圖1 軸切法測量中徑示意圖

按同樣步驟，在被測螺紋的后端進行測量，測量位置應(yīng)盡可能靠近基面，得到(x4+x3)/2位置處的中徑d2b：

根據(jù)基準(zhǔn)平面位置xl1計算基面處中徑d2：

式中：d2——圓錐螺紋塞規(guī)基面中徑，mm；

d2a——塞規(guī)前端（靠近小端面）中徑，mm；

d2b——塞規(guī)后端（靠近基面）中徑，mm

2 測量結(jié)果的不確定度評定

2.1 測量模型

將式（3）簡化為

式中：X1——塞規(guī)前端中徑距小端距離，mm；

X2——塞規(guī)后端中徑距小端距離，mm；

X基——塞規(guī)基面距小端距離，為常數(shù)，mm

2.2 靈敏系數(shù)

對（4）式中各影響量求偏導(dǎo)數(shù)，得：

式中：c1，c2，c3，c4分別為前端中徑測量值，后端中徑測量值，前端中徑測量位置，后端中徑測量位置對基面中徑影響量的靈敏系數(shù)

實際測量時，根據(jù)實際測量位置，可計算得到各測量值對中徑的影響量。

以R3/4塞規(guī)為例，實際測量時，根據(jù)R3/4塞規(guī)的實際牙數(shù)確定測量位置，假定前端中徑測量位置為距小端面0.5P的位置，后端中徑在距基面-0.5P（P= 1.814 mm）的位置處測量(該塞規(guī)只有一個臺階面，因此測量時可以通過旋轉(zhuǎn)量規(guī)盡量避開臺階面找到靠近基面處的全牙型進行測量)。經(jīng)過計算可以得到：

通過計算靈敏系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，基面中徑測量的主要不確定度來源為前后截面的中徑測量誤差，后測量面的位置測量誤差，由前測量面的位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略。

令u(d2a) =u(d2b)，則

式（5）中，u(d2b)可認為是用軸切法測量圓錐螺紋塞規(guī)任一截面中徑時引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，主要由u1，u2，u3，u4四個分量構(gòu)成，由后測量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(X2)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.3.1 由萬能工具顯微鏡示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

在萬能工具顯微鏡上用軸切法測量錐螺紋中徑時，取牙型左右兩側(cè)中徑值的平均值做為中間位置處的中徑值，萬能工具顯微鏡的最大允許誤差為MPEV：（1 +L/100）μm，按均勻分布計算：

2.3.2 由測量刀分度線與刃口距離誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

應(yīng)選擇未磨損的測量刀進行測量，測量刀的分度線與刃口間的距離誤差為±0.5 μm，每一個截面需要用兩把測量刀，按均勻分布計算，考慮到螺紋牙側(cè)角的影響，測量刀分度線至刃口距離的誤差對螺紋中徑的影響應(yīng)乘以系數(shù)則

2.3.3 由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

在重復(fù)性條件下，連續(xù)測量某一截面中徑10次，計算其實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差：

即：u3=s=0.8 μm

重復(fù)性測量時已經(jīng)包含了對刀誤差、對線誤差及分辨力誤差，因此在評定時不予考慮該三項誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

2.3.4 由被測螺紋及相關(guān)測量程序等未明確因素引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

在用軸切法測量過程中，被測量規(guī)的形狀誤差，測量刀的密合度以及測量程序中未明確因素等都可能對測量結(jié)果造成影響，其約為

u4= 0.5 μm

由此可計算得到用軸切法測量圓錐螺紋塞規(guī)任意截面中徑產(chǎn)生的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.3.5 由后測量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(X2)

u(X2)的分量組成與u(d2b)類似，其中測量刀分度線至刃口距離的誤差對軸向距離的影響系數(shù)變?yōu)橥ㄟ^實際計算后得到：

u(X2) = 1.0 μm

2.4 擴展不確定度

由式（5）可以基面中徑的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k= 2，則擴展不確定度U= 3.2 μm。

3 測量誤差分析

實際測量時，根據(jù)塞規(guī)規(guī)格不同以及臺階面形式的不同，測量時距離基面的位置可能也會不同。表1列出了后端測量位置距基面不同位置處時的靈敏系數(shù)變化。

表1 后端測量位置距基面不同位置處時的靈敏系數(shù)

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)后截面測量位置在基面上時，該位置處的中徑測量誤差即為基面中徑測量誤差。當(dāng)測量位置小于基面時，隨著距離的增加測量誤差有一個明顯的放大作用。當(dāng)測量位置大于基面時，影響塞規(guī)基面中徑測量準(zhǔn)確度的主要因素為前后端兩位置的中徑測量誤差，無明顯放大。因此測量時，測量位置應(yīng)盡可能地靠近基面。

除儀器本身的準(zhǔn)確度外，用軸切法測量塞規(guī)基面中徑的另一個主要誤差來源為測量者的熟練程度，包括對刀誤差、對線誤差、示值誤差等，需要操作者加強測量熟練度。

4 結(jié)語

通過實際測量與不確定度分析，可以看出用萬能工具顯微鏡軸切法可以準(zhǔn)確測量圓錐螺紋塞規(guī)的基面中徑。對于一些小型螺紋加工或使用企業(yè)來說，不可能配置昂貴的螺紋測量專用設(shè)備，因此通過軸切法測量圓錐螺紋塞規(guī)的方法可以有效地幫助企業(yè)解決難題，使其提高產(chǎn)品質(zhì)量。