米制螺纹检测要求的现状和未来趋势

李晓滨

（全国螺纹标准化技术委员会秘书处， 北京100044）

0 引言

米制螺纹是由德国和法国等西欧发达工业国家所创建的标准螺纹。因西欧国家主导ISO 国际标准活动（一国一票的投票制度和联合工作的维也纳协议），ISO 组织发布的绝大多数螺纹标准是米制螺纹。 例如，ISO 米制普通螺纹（M）、ISO 米制梯形螺纹（Tr）和ISO 小螺纹（S）。 米制螺纹除具有尺寸单位优势外， 它还有公差等级和公差带位置多、公差带标记简单等显著特点。 目前，米制螺纹是世界机械工业领域的主流。 欧洲和亚洲工业国家主要采用米制螺纹，英联邦国家也积极采用米制螺纹。

在管螺纹领域， 由英国惠氏螺纹演变的密封管螺纹（R）和非密封管螺纹（G）已经实现米制化，在欧洲、亚洲、英联邦国家和ISO 组织已得到广泛采用。

1 米制螺纹标准的技术缺陷

1891—1898 年，西欧工业国家建立了米制普通螺纹（M）欧洲标准。可是米制普通螺纹的公差标准（ISO 965-1[1]）一直没有规定螺纹单项要素（螺距、牙侧角、锥度、圆度、跳动）要求。 同样，米制梯形螺纹（Tr）、小螺纹（S）和管螺纹（R、G）也都没有规定螺纹单项要素公差。这是米制螺纹标准技术体系的一个致命缺陷。

在米制螺纹标准创建初期， 欧洲螺纹标准不规定螺纹单项要素公差是可以理解的。 全面认识和掌握一项新技术需要一定时间的实践探索。 随着大规模生产到来，欧洲发达国家必然发现不控制螺纹单项要素偏差的螺纹产品是无法正常使用的。 可是欧洲国家没有及时修订米制螺纹国际标准， 而是在国际标准中隐藏了这个非常重要的技术要求。

在螺纹轴线平面内：

（1） 螺距误差会导致内、 外螺纹只有3 个牙侧接触，其他牙侧处于悬空位置，同时内、外螺纹牙侧的接触高度减少。

（2） 牙侧角误差会将内、外螺纹的牙侧面接触变为牙侧点接触，螺纹配合接触面积大大缩小。

（3） 锥度误差会缩小内、外螺纹沿轴向的配合长度。

在螺纹径向平面内，圆度误差会减少内、外螺纹沿圆周方向的配合长度。

螺纹顶径相对中径的跳动误差导致螺纹中径圆柱或圆锥与顶径圆柱或圆锥不同心，这会影响内、外螺纹配合的牙接触高度及在牙底和牙顶位置的间隙。

欧洲工业发达国家将螺纹单项要素公差要求放入公司标准，对外实施技术保密。而广大的发展中国家不知道控制螺纹单项要素要求，只能生产低端螺纹产品，绝大多数的高端螺纹产品依靠进口。 螺纹单项要素偏差的控制水平是西方工业发达国家与发展中国家螺纹质量的分水岭。发展中国家的螺纹质量低劣，除了对控制螺纹单项要素偏差认识不到位， 还与它们的螺纹检测手段不足和对通、止螺纹量规检验结果理解不深入相关。

找到生产现场快速检测工件螺纹的实用方法非常重要。1905 年，英国人泰勒发明了通、止螺纹量规（内螺纹塞规和外螺纹卡规，英国专利号GB190506900）。 之后，通、止螺纹环规和塞规成为螺纹检验的主要手段 （量规标准见ISO 1502[2]或GB/T 3934[3]）。使用通、止螺纹量规的前提是：螺纹单项要素偏差较小。 这时它可以高效、低成本地控制螺纹质量。所以，这种螺纹量规一直沿用至今。但是，当螺纹单项要素偏差较大时，这种螺纹量规只能保证内、外螺纹间的装配性，不能保证螺纹配合质量（螺纹联结性能）。 用通、止螺纹量规不能发现螺纹单项要素偏差的大小。发展中国家绝大多数技术人员不知道通、止螺纹量规的使用前提和局限性， 长期找不到生产高端螺纹工件的技术突破口。

与紧固螺纹类似， 用密封管螺纹台阶量规检验合格的螺纹不能保证管螺纹的密封性。 检验合格仅仅给出手旋合后，内、外管螺纹的轴向配合位置。 管螺纹密封性主要取决于螺纹单项要素偏差的控制，要消除内、外螺纹配合牙之间的间隙。

中国对外开放30 余年，许多机械领域生产技术已有突飞猛进发展。可是中国螺纹生产技术没有本质改进。在零部件和量刃具行业低价竞争的残酷环境下， 标准未规定米制螺纹单项要素极限偏差的技术缺陷竟然成为降低生产成本的途径， 中国成为世界粗糙螺纹工件第一生产大国。 这种状况严重影响中国整个机械行业产品质量提升，高端螺纹产品基本依靠进口。

2 近期米制螺纹检测要求进展

世界有三大螺纹标准技术体系。 它们分别是英制螺纹、美制螺纹和米制螺纹。英国首先创建了英制螺纹技术体系；在英国技术基础上，美国创建了美制螺纹；最后出现西欧的米制螺纹。目前，米制螺纹和美制螺纹是世界舞台的主角，英制螺纹已经失去往日辉煌。

除尺寸单位劣势外， 美国拥有世界上最完整的螺纹标准技术要求及相应检测体系和检测手段。 第二次世界大战期间及随后相当长的时期内， 美国军方曾经直接制定美国螺纹标准，例如统一螺纹（UN），对美国螺纹技术进步起到了积极推动作用。 美国标准列出与螺纹质量相关的所有螺纹要素，建立了完整螺纹检测体系，并给出每个螺纹要素的对应检测手段。 美国螺纹检测手段是世界上最多的。美国螺纹技术正是目前中国急需补充的，它弥补了ISO 米制螺纹标准的技术不足。

2016—2018 年， 中国参照美国标准ASME B1.3：2007[4]发布了GB/T 37050—2019 《紧固螺纹检测体系》 国家标准。 给出中国控制螺纹单项要素偏差依据和对应各个螺纹单项要素的检测方法。

2018—2020 年， 中国参照美国紧固件协会标准IFI 301：2008 （量规校准）[5]和将于2021 年出版的美国标准ASME B1.2（UN 和UNJ 螺纹量规）[6]发布了GB/T 39641—2020《螺纹指示量规检测紧固螺纹方法》国家标准。 1999年，美国紧固件协会IFI 发布技术公告[7]，向美国紧固螺纹行业推荐螺纹指示量规控制螺纹单项要素技术。 此技术在提高螺纹质量同时，还降低了螺纹挤压板（轮）受力，从而大大延长螺纹工具和设备寿命，降低生产成本。这是一个在生产现场非常实用的技术， 为中国控制螺纹质量提供了实施途径。

2018 年， 中国向德国建议在ISO 米制普通螺纹公差国际标准（ISO 965-1：2013）增加控制螺纹单项要素技术内容（资料性附录），给出控制螺纹单项要素综合误差之和（牙型综合偏差）技术指导。将控制水平等级分为三个，对应螺纹中径公差的占比分别为30%、40%、50%。可德国认为德国螺纹质量水平已经世界领先， 目前的国际标准没有问题，否决了中国提议。欧洲仍然坚持隐藏螺纹单项要素控制要求。 2020 年，中国降低了标准修改规模，在ISO米制螺纹公差国际标准第6 章的表4 前， 增加一个标准条文注释：“对于精密螺纹，进一步控制螺纹单项要素（螺距、牙侧角、锥度、圆度、跳动）是重要的”，发布为ISO 965-1：2013/AMD 1：2021。

传动螺纹的检测体系可以直接借鉴紧固螺纹的。 美国已经在梯形螺纹B1.5 和锯齿螺纹B1.9 标准中实施了这种作法。 将来，中国也会扩大GB/T 37050 国家标准的适用范围。

世界上还没有密封管螺纹检测体系。2017 年1 月，为提高中国密封管螺纹质量， 中国螺纹专家向美国螺纹委员会发起如何建立《密封管螺纹检测体系》技术讨论，美国螺纹量规专家积极响应。 密封管螺纹检测体系的初步讨论结果是：①建立单独的密封管螺纹检测体系；②建立第1、2、4 级检测体系（分别对应NPT、1 级NPTF、2 级NPTF螺纹的美国检验要求）；③去掉第4 级体系内的牙底检测要求，作为第3 级检测体系（美国生产已经使用）；④在第4 级基础上，增加螺纹单项要素检测要求，作为第5 级检测体系（石油螺纹已经使用，满足高精度要求）；⑤从第1级至第5 级，检测项目逐步增加；⑥此体系要强调密封管螺纹量规的使用顺序及它们之间的相互关系 （其他量规的检测结果要与L1 量规检测结果有一定的位置要求）。

中国专家认为第3、4 级应属于同一级别， 应改为3A、3 级。 总的检测级别为4 级。

3 螺纹参数的检测体系

表1 为紧固外螺纹检测体系。 其第1 列给出紧固外螺纹各个检测参数；第3 列给出了检测方式；最后三列给出三个检测体系（A、B、C）要检测的螺纹参数组合。

表2 为紧固内螺纹检测体系。 与表1 的外螺纹相比，内螺纹检测参数没有圆弧底底径和牙底圆弧半径两项。

表1 紧固外螺纹检测体系（来源于GB/T 37050—2019）Tab.1 The gauging systems for fastening external threads

表2 紧固内螺纹检测体系（来源于GB/T 37050—2019）Tab.2 The gauging systems for fastening internal threads

中国螺纹检测体系A、B 和C 分别对应美国ASME B1.3螺纹检测体系21、22 和23。

体系A 与体系B 的主要差异为两者检测的最小实体中径不同。 体系A 用止端螺纹量规检测旋入端局部止端中径；体系B 则检测各个位置的中径或单一中径。在中国，许多人不知道“止端中径”与“单一中径”差异，认为两者相同。通过仔细观察检测这两种螺纹中径的不同测头，就会找出两种中径的不同。 当用体系B 检测各个位置的中径或单一中径合格， 用检测体系A 检测选入端局部止端中径就一定合格；而当用体系A 检测止端中径合格，不能保证用体系B 检测中径或单一中径一定合格。

体系C 检测项目比体系B 多出七项， 体系C 的检测要求更严格。 当用体系C 检测合格，用体系B 检测一定合格；而当用体系B 检测合格，不能保证用体系C 检测一定合格。

体系A 对应目前中国的螺纹检测水平， 用它只能生产低端螺纹产品。

中国标准的“径向中径差”、“轴向中径差”和“牙型综合偏差”螺纹参数分别对应相应美国螺纹标准的“圆度”、“锥度”和“螺纹单项参数误差之和”术语。 美国螺纹圆度和锥度术语极易与GPS 形位公差术语混淆。两者的英文词完全相同，而技术内容大相径庭。 许多国家学习美国螺纹技术都会落入美国螺纹术语陷阱，美国技术人员有时也会发生争议。 中国螺纹标准采用不发生误解的中文短语表述，为中国顺利实施美国技术铺平了道路。

为了帮助中国技术人员理解体系A 与体系B 的不同， 中国专门创建了 “止端中径”术语。 明确用止端量规检测的止端中径与螺纹术语规定的中径和单一中径不同。 这对提高中国螺纹质量非常必要。

当实际螺纹产品所要检测的螺纹参数组合与标准提供的三个常用体系（A、B、C）不同时，可以对其进行修正（增加或减少检测的螺纹参数）。

4 螺纹参数的检测方法

GB/T 37050—2019《紧固螺纹检测体系》国家标准另外一个功能是提供各个螺纹参数的检测方法（见资料性附录A）。 它为每种螺纹量规和量仪进行编号，此编号来源于美国标准。

外螺纹参数检测量规和量仪见表3。目前，中国在生产现场所使用的主导螺纹量规只有通、止螺纹量规（编号1.1、1.2），种类太少，根本无法满足高精度螺纹生产需要。 中国基本不用螺纹卡规（第2 类）和螺纹指示量规（第4 类），螺纹千分尺（第6、7 类）的使用也很少。

表3 常用紧固外螺纹参数检测器具（来源于GB/T 37050—2019）Tab.3 Screw thread gauges and measuring equipment usually used for fastening external thread characteristics

内螺纹参数检测量规和量仪表与外螺纹的类似，具体情况请查看国家标准。

美国将这部分内容放在标准正文内。 考虑螺纹量规和量仪技术发展较快， 中国将这部分内容放入资料性附录中。

螺纹指示量规的差分测量技术非常实用。1999 年起，美国重点推广此技术。为在中国快速推广该技术，中国发布GB/T 39641—2020 《螺纹指示量规检测紧固螺纹方法》国家标准。 测量外螺纹的螺距、牙侧角、牙型综合偏差的方法分别见图1～图3。 具体测量步骤请查看国家标准。

图1 外螺纹螺距（导程）偏差测量（来源于GB/T 39641—2020）Fig.1 The measurement for pitch or lead deviation of external threads

图2 外螺纹牙侧角偏差测量（来源于GB/T 39641—2020）Fig.2 The measurement for flank angle deviation of external threads

图3 外螺纹牙型综合偏差测量（来源于GB/T 39641—2020）Fig.3 The measurement for cumulative form deviation of external threads

6 结束语

在世界范围内，涂镀后螺纹的检验方法是容易出现分歧的地方之一。因个别人编写的紧固件培训教材误导（用通端螺纹量规和止端螺纹量规检验涂镀后的螺纹尺寸）， 这个问题在中国更加普遍。

对商品螺纹紧固件，如无特殊说明，螺纹标记中的螺纹公差带适用于涂镀前螺纹。要用相应的通端螺纹量规和止端螺纹量规检验涂镀前螺纹尺寸。 涂镀后，只用H 或h 公差带位置的通端螺纹量规进行检验，以保证螺纹最大实体尺寸合格。涂镀后不能用止端螺纹量规来检验螺纹表面的镀层厚度。紧固件涂镀层厚度的检测位置不在螺纹表面。

今后，中国会继续努力，直到在米制螺纹国际标准增加具体的螺纹单项要素偏差要求。在国内，中国将制定《螺纹指示量规校准测量方法》国家标准。 目前，国内的螺纹指示量规主要依靠进口。 待国内螺纹指示量规生产技术成熟，中国还要制定《指示螺纹量规》标准。

密封管螺纹检测体系需要与美国专家继续讨论。 时机成熟后，起草国家标准。