美制统一螺纹测量方法比较与分析
2021-01-15上海市质量监督检验技术研究院
/上海市质量监督检验技术研究院
0 引言
目前世界上有三大螺纹技术体系：欧洲米制螺纹、美制统一螺纹（UN）（以下简称为统一螺纹）与英制惠氏螺纹，其中统一螺纹[（1864年改造英国W螺纹，60°平牙顶、平牙底，二战后盟军国防部将其变为统一 UN 螺纹（ASME B1.1）][1]最为典型，在目前的紧固螺纹中仍然占主导地位。在研制出口型设备、国际通用型设备，尤其是美制设备时有着广泛的应用[2]。
1 统一螺纹的检测手段分类
与统一螺纹的广泛应用形成鲜明对比的是，统一螺纹的检测校准方法各国标准不一，至今也没有一致认可的规范与方法。目前，国内应用最广泛的三种测量方法是校对规比测法、测长仪中径测量法以及综合螺纹测量仪轮廓扫描法。
1.1 校对规比测法
1905年发明螺纹通止规（泰勒原则）即校对规（包括环规和塞规），其为比较测量的方法，如在测量3/4-16UNF-2A螺纹环规通端时，选用同型号3/4-16UNF-2A的螺纹校对塞规，当校对规通规通过（TT通）被测螺纹且校对规止规不通过（TZ止）被测螺纹时证明螺纹符合校对规要求。相反当校对规通规不通过（TT止）被测螺纹或者校对规止规通过（TZ通）被测螺纹时证明该螺纹不合格。这种方法只保证螺纹装配性通止方式给出定性结果，不能对单项参数做出定量分析，故虽然大多数生产厂家采用这种相对简单快捷的检测方法，但是其作用面较窄，不能满足对准确度要求较高的测量（美制可调式螺纹除外）[3]。
1.2 测长仪中径测量法
测长仪为目前普遍应用的几何量检测设备，其准确度高、稳定性好，可以通过测量加计算得到螺纹的中径值，被应用于螺纹中径的测量。选用的三针或者测球直径dD应尽量接近最佳直径d0。在相互垂直的两个截面上测量m值（m值为球心的水平距离）。利用已知的螺距P，牙形角α，以及探针直径dD代入式（1），计算单一中径[4]。其中A1、A2为修正量，查表可得。
1.3 综合螺纹测量仪轮廓扫描法
综合螺纹测量仪轮廓扫描法，其通过探头接触式扫描内外螺纹轮廓的方式，再通过计算机拟合出螺纹实际轮廓，然后计算得到螺纹的大径、小径、螺距、牙形半角以及中径。因其没有球径补偿值以及人为操作误差，这种轮廓扫描法对于准确度较高的螺纹测量有比较明显的优势。但是该法存在仪器成本较高以及检测周期较长等明显的缺点[5]。
2 中径测量比对分析
通过检测一个7/16-20UNF-2A通端螺纹环规的实例，对比测长仪与综合螺纹测量仪在统一螺纹中径检测中的实际测量过程，然后通过各项规格的统一螺纹的检测数据分析说明两种方法测量结果的一致性与差异性。
2.1 螺纹校对规
选取 7/16-20UNF-2A 通端通规（TT） 与7/16-20UNF-2A 通端止规（TZ）与被测螺纹做旋合试验，结果通端通规（TT）完全通过被测螺纹，通端止规（TZ）在被测螺纹约7/8圈处止住。校对规定性合格，但是无法定量给出中径值，并且因为结果证明被测环规已经接近不合格位置（1圈附近），需要对数值做准确测量。
2.2 测长仪
选用一台TRIMOS一米测长机，设备型号LABC1000P，准确度：±（0.15 +L/2000） μm。
如表1所示，最终通过测长仪双测头法，测得中径平均值为M1= 10.2536 mm，扩展不确定度：
表1 测长仪结果
2.3 综合螺纹测量仪
选用一台荷兰产的IAC综合螺纹测量仪，型号规格 MSXP16060P，准确度：±（2.5 +L/200） μm。
如表2所示，最终通过综合螺纹测量仪轮廓扫描法，测得中径值为（10.2490～ 10.2550） mm，均值为M2= 10.2520 mm，扩展不确定度：
表2 综合螺纹测量仪扫描结果
En值远小于1，证明在7/16-20UNF-2A通端螺纹环规测量中，两种测量方法测量结果的同一性较好，满足测量要求。
按照上述方法，对各项规格的统一螺纹环规、塞规进行检测和数据分析，如表3、表4所示。
表3、表4中的数据清晰地展现出，在统一螺纹塞规的中径测量中，两种方法的测量结果差异性极小，而在统一螺纹环规的中径测量中两种方法的测量结果差异性也是极小的，只有在极大值与极小值情况下出现了En值的升高。导致出现这类偏差的原因主要是测球直径dD与最佳直径d0存在微小误差，以及螺纹尺寸过小时人为误差增大[6]。
表3 统一螺纹环规中径测量结果
表4 统一螺纹塞规中径测量结果
3 结语
本文介绍了三种统一螺纹的中径值检测方法，并指出三种方法的优缺点。通过检测一个7/16-20UNF-2A通端螺纹环规的实例，详细说明了螺纹校对规只能进行定性，不能进行定量分析，测长仪中径测量法与综合螺纹测量仪轮廓扫描法在测量结果上的同一性。最后分析对比了各项尺寸统一螺纹环规塞规的数据，得出测长仪中径测量法与综合螺纹测量仪轮廓扫描法的测量结果差异性极小，只有在极大值或极小值时，由于测球直径dD与最佳直径d0引入的误差，以及螺纹过小尺寸时人为误差增大，才导致了En值出现小幅度上升。
