NPT圆锥外螺纹中径测量的改进方法

程芳 符伟民 王建伟/上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

圆锥螺纹牙型为三角形，主要依靠牙的变形来保证螺纹副的紧密性，是一种联接紧密、气密性良好的联接件，广泛应用于管道联接、机械钻探和管道输送中。圆锥螺纹分为圆锥外螺纹和圆锥内螺纹，本文研究的是60° NPT圆锥螺纹塞规的改进测量方法以及相应的计算公式。

利用L形垫铁法实际测量小尺寸的NPT锥螺纹塞规时，万能测长仪会遇到测量“死角”。本文就此问题提出了改进的测量方法和计算公式，并且通过实际测量案例，制定了快速判定NPT中径是否合格的表格，为测量人员的测量及后续的计算分析进行了有效的理论论证。

1 NPT锥螺纹

NPT， 全 称 National (American)Pipe Thread，是一种美国标准的圆锥管螺纹。该系列螺纹在我国机床行业和美国、前苏联应用。它的代号，我国过去规定为K，后来规定为Z，现在改为NPT。NPT螺纹牙型角为60°，锥度为1∶16。

NPT锥螺纹在不同横截面上的直径各不相同，因此中径需要在一个明确的规定基面上进行测量。GB-T12716-91中规定，将垂直于螺纹轴线、具有基准直径的平面定为NPT的基面。在基面位置上，圆锥内、外螺纹的基本直径相同。从基准平面到外螺纹小端面的距离称为基准距离，简称基距。NPT锥螺纹的中径测量一般在基面上进行。

如图1所示，NPT锥螺纹中径是在给定基面上沿垂直于轴线方向量得的平均圆锥上的直径。平均圆锥是由截割圆锥螺纹牙凹和牙凸宽度相等的锥体母线所组成的假象圆锥[1]。

2 实际测量中的问题

NPT锥螺纹在不同横截面上的中径各不相同，因此中径的测量规定在基面上完成。普通的长度测量仪器只能完成两平行平面或直线之间的长度测量，对于带锥度的螺纹则需要在合适的附件支持下才能完成测量任务[1]。NPT锥螺纹中径的测量方法比较多，主要有影像法、三针法、正弦规法、组合测量法等[2]。其中，利用L形垫块，辅以三针组合，在万能测长仪上即可较好地完成NPT圆锥外螺纹中径的测量工作。该方法所得测量数据稳定可靠，测量效率较高[1]。

然而在使用L形垫块的实际测量中，对于一些小尺寸的NPT塞规而言，螺纹实体比较小，加之L形垫块右侧有一倾斜角度，造成万能测长仪的测头在还未测量到塞规实体之前就碰触到了L形垫块，形成了一个测量的“死角”，无法对NPT塞规进行测量，如图2所示。

图2 利用L形垫块测量NPT塞规示意图

为了将L形垫块与三针的组合测量方法应用于小尺寸的NPT塞规的中径测量，本文提出了一种借助于量块的组合测量方法。在小尺寸NPT塞规与L形垫块之间放置3等量块，使得万能测长仪能顺利地进行NPT塞规中径测量，如图3所示。其中，选取尺寸适当的量块，量块的高度以实际测长仪能进行测量为准，不宜过高或过低，避免增加误差。

图3 改进的利用L形垫块测量NPT塞规示意图

3 改进的测量方法及中径的计算

针对小尺寸的NPT塞规，采用L形垫块、量块和三针的组合测量方法，利用万能测长仪的测量得出测量值，然后通过几何计算，最终得出所需的NPT圆锥螺纹塞规的基面中径。

3.1 测量方法

在万能测长仪上用L形垫块、量块和三针配合测量圆锥螺纹塞规时，先将垫块置于仪器的工作台上，如图4所示。选用适当尺寸的量块，置于垫块内角倾斜β的平面（E-E′面）上，然后将螺纹塞规的小端面与量块上表面相接触，在塞规基面附件的牙槽内插入三针，调整万能测长仪工作台的位置，找出极值，从仪器上读取M的实际值，然后通过计算，求得NPT圆锥螺纹塞规的基面中径。其中，所插入的三针的直径按最佳三针直径计算公式求得。

图4 改进的测量NPT塞规示意图

最佳三针直径d0的计算公式：

式中：d0— 最佳三针直径；

P — 被测圆锥螺纹塞规螺距；

3.2 NPT螺纹塞规基面中径的计算

根据图4所示，利用几何原理，可以求得实测值M与基面直径d0之间的关系。

将（3）式代入（2）式得：

式中：d2— 被测圆锥螺纹塞规的基面中径；

M — 万能测长仪上所得的实测值；

d0— 最佳三针直径；

β — 被测圆锥螺纹塞规的半锥角（本文特别针对NPT螺纹塞规，锥度是1:16，因此，

P — 被测圆锥螺纹塞规螺距；

L — 被测圆锥螺纹塞规的基面至小端面的距离；

h — 所垫量块的高度；

H — E点到J—F工作面的距离。

4 实际应用案例

在实际测量小尺寸的NPT螺纹塞规中径值时，选用了两组不同高度的量块作为附件，并且根据这两组量块的高度制定了一张表格，便于实际测量工作中快速判定被测NPT螺纹塞规是否合格。

根据公式(5)，将其进行简化，

式中，C随所垫量块高度h的变化而不同。

本案例中，选取了高度不同的两块量块作为附件，对NPT螺纹塞规的中径进行测量，即：

所用L形垫块的H值为已知参数，即：

根据以上所推公式的计算，得出判定NPT中径合格的快速计算表（表1）。该表格便于测量人员在查找和计算NPT螺纹塞规的中径值时，无需再进行复杂的计算，能够迅速判断所测值是否在规定的合格范围内。

5 小结

本文通过加入量块作为辅助测量工具的方法，改进了L形垫块和三针组合测量NPT圆锥螺纹塞规中径的测量方法，解决了小尺寸NPT螺纹塞规的测量死角，并且推导出相应的计算公式，制定了快速查询表格，便于测量人员对所测数据的分析，提高了测量效率。

[1]唐东明, 吴报平. 圆锥螺纹中径的测量及不确定度分析[J]. 应用技术, 2005, 5: 39-47.

[2]吴文生. 统一螺纹塞规中径检测的理论与实践[J]. 上海计量测试,2010, 2: 40-47.

表1 实际测量时判定NPT中径合格的快速计算表