圆锥螺纹量规中径测量方法探讨

2010-06-26上海机动车检测中心顾杨丹

质量与标准化 2010年8期

上海机动车检测中心顾杨丹

圆锥螺纹作为连接螺纹，具有连接紧密且气密性良好的特点。它与圆柱螺纹相比有许多优点，如其在结合时不需要任何填料，依靠螺牙变形得到必要的紧密性；若有足够的端面余量，则可用轴间位移来补偿直径误差。加工时不需要特殊刀具，与圆柱螺纹结合接触良好；因牙型角位置都相同还简化了圆锥螺纹各主要参数的测量，它被广泛应用在汽车、拖拉机及航空器上。

圆锥中径是指在给定的基准平面上，沿垂直于轴线方向量得平均圆锥上的直径，而平均圆锥是假想的，在平均圆锥母线上牙厚与牙槽宽度相等。圆锥外螺纹基准平面的理论位置位于垂直于螺纹轴线，与小端面相距一个基准距离的平面内；内螺纹基准平面位于垂直于螺纹轴线的端面内。圆锥螺纹基准规、校对规和工作规之间，工作规与产品螺纹之间的尺寸传递是按照螺纹基面的中径进行。圆锥螺纹因为存在锥度，各截面上的有效径数值不相同，采用普通圆柱螺纹的测量方法就有锥度修正的问题。

目前圆锥螺纹塞规中径的测量方法有仪器测量法、量规综合检验法和正弦尺测量法等。采用量规综合检验法，即用圆锥螺纹校对塞规检验圆锥内螺纹，用圆锥螺纹校对环规检验圆锥外螺纹，通过检验量规和被检锥体螺纹的相对位置给出结论。这种方法虽然能快速、综合地判断被检量规合格与否，但不能给出确切的数据。用正弦尺测量，根据圆锥螺纹的锥度拼出所需的量块组，将正弦尺用量块组架在平板上，把三针放在被测圆锥螺纹的上下沟槽内，并在被测圆锥螺纹小端安置辅助量块组和精密圆柱。用测微计按精密圆柱校正好零位，再将其移到三针上读得差值。由于量规、三针、量块组和精密圆柱都没有有效的固定，测量难度较高，精度也较差。用影像法测量，虽然测量过程简单，但受到成像质量，仪器调整和瞄准精确度等各方面的影响，测量精度不高。故对精密度要求较高的圆锥螺纹的测量，推荐用万能工具显微镜加上测量刀进行轴切法测量。

一、测量原理

用轴切法测量时，需要测量出如图1所示的尺寸，离基面的距离a、b，距基面距离为a的截面上的中径da2,距基面距离为b的截面上的中径db2。为了消除螺纹的安装误差及螺纹自身的误差，需要在牙形角左右两侧测量中径。将测得的尺寸通过公式（1）、（2）、（3）即可求得圆锥螺纹塞规基面中径。在实际生产中1/16的锥度最为常见，本文都以1/16锥度为例。

图1 圆锥外螺纹上的测量

二、测量工具

圆锥螺纹量规作为实际生产中检验产品是否合格的重要工具，应按一定的检验周期测量，检验一下由于长期使用是否有磨损。用蔡司（j）UMM200型万能工具显微镜，再配上万工显的测量附件包括测量刀。用4把斜刀口量刀，两两同向。量刀平面上刻有0.3mm和0.9mm两种，0.3mm的量刀大体适用于螺距为0.5mm～3mm的螺纹；0.9mm的量刀适用于螺距为3mm～6mm的螺纹。由于显微镜视场中心的成像质量比边缘要好些，应优先考虑使用0.3mm刻线的测量刀。必须使用3×测量物镜，因为测量刀的刻线距是按3×物镜设计的。

三、圆锥螺纹塞规中径的测量方法及计算公式

测量前做好将螺纹从管子中敲出、去除毛刺及清洁等预备工作，通过圆锥螺纹塞规的两顶针孔，将螺纹安装在万能工具显微镜的两顶针间，保证螺纹轴线与测量轴线的一致性。调整万工显的焦距使测量刀影像最清晰。测量刀架安装在万工显纵导板中间带T形槽的准平面上，通过弹簧压板将测量刀固定在测量刀架上。对刀时使量刀左右平移与牙侧接触，不能平行推进，易造成测量刀的损坏或快速磨损，直到刀口与牙侧相切密合为止。用测量刀靠住圆锥螺纹的基面，尽量使米字线和量刀刀口对准。此处以圆锥螺纹的基面作为测量时的基准平面，因为测量的结果是要计算出基面的中径，如果以其他端面为基准平面，由于端面的磨损或变形等原因最终换算到基面中径时会造成一定误差。在纵向读数螺旋显微镜上进行读数并将其记为x1。将万工显纵导板沿小端方向移动，根据牙形角旋转米字线，将测量刀移到紧邻基面的牙侧，与牙侧密合接触，使米字线中心处于牙侧中间位置，锁紧纵导板定位手把，纵向读数记为x2，横向读数记为y1。移动横向导板至圆锥螺纹的另一边，取同向测量刀，刀口与另一边的牙侧紧密相切，记下横向读数y2。为了消除螺纹轴线与测量轴线倾斜引起的中径测量误差，须在螺纹左、右牙侧分别测量，取反向的两把测量刀，测量另一侧牙侧中径，方法与之前相同。记下纵向读数x3，两次横向读数分别为y3和y4。取两次测量结果的算术平均值作为中径的测量值。

图1中各测量尺寸的定义如下：

a- 右牙侧中间点离基面的距离；

b- 左牙侧中间点离基面的距离；

da2-距离基面a距离的截面上的中径；

db2-距离基面b距离的截面上的中径。

在测量中获得的纵向读数x2与x1之差的绝对值就是距离基面a距离的值即a=|x2-x1|，在此截面上测得的横向读数y1与y2之差的绝对值就是此截面的中径即da2=|y1-y2|；在测量中获得的纵向读数x3与x1之差的绝对值就是距离基面b距离的值即b=|x3-x1|，在此截面上测得的横向读数y3与y4之差的绝对值就是此截面的中径即db2=|y3-y4|。为了减少螺纹轴线与导板移动方向的不垂直或不平行引起的测量误差，取两次测量的算术平均值。，即：

离基面距离L的截面上的中径为d2’。

图2 基面中径与各尺寸间的几何关系

由于圆锥螺纹有锥度，式2不是最终所要求的圆锥螺纹的基面中径，还应进行锥度换算。图2中根据直角三角形公式得出y=L×tgφ,基面中径d2=d2’+2y=d2’+2 L×tgφ=d2’+2 tgφ×L。圆锥螺纹的锥度等同于2 tgφ，假设圆锥锥度为1/16，那么圆锥螺纹的基面中径为

四、圆锥螺纹环规中径的测量方法及计算公式

圆锥螺纹环规为内螺纹，由于其存在锥度无法用仪器单独测量，其检验和验收以校对螺纹塞规为准。用手将圆锥螺纹塞规旋入环规中，直至旋不动为止。圆锥螺纹环规、塞规均有三个不同高度的平面，用高测微仪测量圆锥螺纹塞规基准面与环规基准面的高度差，使用中的环规与校对规基面的偏差达到或超过-0.37mm时，环规报废，若小于这个高度差则合格。在某些一定要给出螺纹环规中径确切数据的情况下，通过塞规与环规的高度差值及锥度可以计算出环规的中径。如果环规的基面高于塞规的基面，则说明环规基面中径大于塞规基面中径，反之，则环规基面中径小于塞规基面中径。各尺寸间的几何关系可以参见图2。以锥度为1/16的圆锥螺纹环规基面中径为例，

五、测量误差的来源分析

采用轴切法测量圆锥螺纹塞规的测量不确定度主要来源于测量仪器即万工显的测量精度，用高精度的万工显可以减小这方面的不确定度；测量人员在测量时的读数误差，当测量人员眼睛疲劳时会加重此项误差，不过可以通过安装电子显示器来缓解；测量刀的磨损也会引起测量结果的不确定度，要定期检查测量刀刀头的直线度察看是否磨损甚至损坏，不符合要求时应立即更换；对刀时测量刀与牙侧的缝隙以及人眼的瞄准是不可避免的误差，只能通过不断地对刀和多次测量尽量减小误差。用圆锥螺纹塞规检验环规时，由于不同测量人员旋入的力度不同会产生一定的误差。这些测量不确定度对照尺寸公差范围是可以接受的，计算测量结果时可以忽略不计。