统一螺纹塞规中径检测的理论与实践

吴文生/芜湖市计量测试研究所

普通螺纹是一种使用最多的一般用途机械连接件。过去，由于我国过分地坚持使用米制螺纹，一直没有制定统一螺纹国家标准，国内技术人员对统一螺纹缺乏了解。同时如何检测螺纹是一个长期困扰世界各国的大难题。本文试图就统一螺纹塞规中径检测的理论与实践作一探讨。

随着国内市场对外开放程度的继续，特别是我国加入WTO以后，统一螺纹的检测问题愈为突出。同米制螺纹一样，统一螺纹的主要参数也有如大径、小径、中径、单一中径、牙侧角、螺纹旋合长度等，也没有单独规定牙侧角极限偏差和螺距公差，而是把牙侧角极限偏差和螺距公差折合为中径公差的一部分。可见中径公差是综合性的，它可以用来控制中径、螺距、牙侧角三个参数的误差，从而控制了螺纹的互换性和配合性质。显然控制螺纹中径非常必要。当生产批量不大或者为了查找螺纹加工误差或者需要定量检测螺纹及其量规时，可以用工具显微镜、螺纹千分尺、量针法等来测出螺纹的中径等单项参数。在测量中径时，往往是通过测量螺纹的单一中径用以表示中径实际尺寸的数值。中径与单一中径的区别是：中径的特征是其圆柱母线通过牙型沟槽和凸起的宽度相等，而不考虑实际螺距的大小，单一中径的特征是其圆柱母线通过牙型上沟槽宽度等于基本螺距一半的地方，而不考虑凸起宽度值的大小。

量针法测量螺纹中径有三针法、两针法、单针法，其中三针法较为常用，是一种精密测量外螺纹中径的方法，且中径测量结果的不确定度较小。它采用间接测量，把三根直径相同的、高精度的小圆柱放入被测螺纹的沟槽中，用接触式仪器测得尺寸M（见图1）。通过换算求得中径d2。d2的推导过程如下：

M－仪器测量时得到的尺寸，mm；

d0-最佳量针的直径，mm；

d2-螺纹塞规中径，mm；

a -螺纹塞规的牙型角，单位（°）；

p -螺距，mm。

图1 三针法测螺纹中径

为了避免牙型角误差影响测量结果的准确性，选择的量针牙面的接触点应恰好在中径上，这种量针称为最佳的量针。对式（1）求全微分，

此时的d0值即为最佳三针直径值。

至此我们就可以通过式（3）来选择最佳三针，按式（1）来间接测量外螺纹中径了。但是实际三针直径由于有制造偏差，很难完全符合最佳三针直径的要求，或者有时也会因种种原因找不到对应的最佳三针，在测量统一螺纹量规时问题就更为突出。统一螺纹的螺距系列与公制螺纹不同，常用三针基本上都不是最佳三针。经分析计算，并经实践检验，只要所选三针放在被测螺纹沟槽内，其与牙侧的接触点在中径线与牙侧交点的上、下1/8牙面长度范围内，如图2所示，它所引起的测量误差很小，可以忽略不计。判断所选非最佳三针能否满足此要求的根据是，此处L是被测牙面长度。虽有此公式，但测量人员判断起来还是不方便，已通过分析计算得出Δdomax= 0.1022p，螺距p易知，把p值代入即可求出。那么如果所选量针超出以上范围怎么办呢？只要非最佳三针直径在0.505181 p～1.010363 p范围内就可以。其涵义是：在进行M值测量时，既要保证M值大于螺纹的大径，又要保证量针与牙型螺旋面最外点相切。

现对标记为7/16-20UNF-2B的统一螺纹塞规中径进行测量，使用的量仪是万能测长仪，量针是国产标准系列量针。20是每英寸牙数，先求出该量规的螺距p=25.4/20=1.27mm，再利用式（3）求出最佳三针直径mm：

（统一螺纹的牙型角是60°，与英制螺纹不同）。从标准系列量针中找到0.572mm、0.724mm、0.866mm三种直径的量针与0.7332mm接近。Δdomax=0.102×1.27=0.12954mm，由于0.7332-0.724＜0.12954。可见0.724的量针最为合适且由它所引起的测量误差可以忽略。

图2 最佳量针直径变动量

现用0.724的量针对7/16-20UNF-2B的通端、止端中径进行测量并代入公式（1）计算得到通端中径值为10.2967mm、止端中径值为10.4191mm。再从《公制、美制和英制螺纹标准手册》上查得该螺纹塞规通止端公差分别为（0.4050～0.4053）in和（0.4101～0.4104）in，米制化后范围分别为（10.287～10.29462）mm 和（10.41654～10.42416）mm。从测量结果可以看出通端中径值超出了此范围。这是因为一般资料、书籍上给的公差都是螺纹在标准系列、标准旋合长度时的公差。对于特殊系列或旋合长度大于5倍螺距5p、不大于1.5倍大径1.5D时，螺纹及量规中径公差要按螺纹公差公式另行计算。

本次检测的螺纹塞规公称直径为7/16 in，其通端螺纹长度为3/4 in（查手册可知）1.5D = 1.5×7/16= 0.65625<3/4。可见旋合长度大于1.5D，所以其中径公差不能从表中直接查出，而是另有计算或规定。本次测量的7/16-20UNF-2B螺纹塞规通端中径公差扩大了，另加了一个牙数为20、D≤1.5 in时的X级公差0.0003 in，也就是0.00762mm，所以该螺纹塞规通端公差应为（10.287～10.30224）mm。此数据与螺纹制造厂提供过来的数据（10.287～10.302）mm是一致的。该螺纹塞规止端螺纹长度为3/8 in，它在（5P，1.5D）即（5×1/20，1.5×7/16）范围之内，所以它的公差值直接查表就可以了。

最后谈谈量针直径超过Δdomax= 0.1022 p，但还在0.505181 p～1.010363 p范围时螺纹塞规的检测。我们可以按下式来计算：

式中M′ -为采用非最佳量针测量时的检验尺寸（mm）；dop为非最佳三针直径（mm）；p为实际螺距，单位mm。

螺纹检测还有许多诸如示值误差修正等其他问题，本文只是起抛砖引玉的作用，有待和大家探讨。