圓錐螺紋量規(guī)中徑測(cè)量方法探討

上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)中心 顧楊丹

圓錐螺紋作為連接螺紋，具有連接緊密且氣密性良好的特點(diǎn)。它與圓柱螺紋相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如其在結(jié)合時(shí)不需要任何填料，依靠螺牙變形得到必要的緊密性；若有足夠的端面余量，則可用軸間位移來(lái)補(bǔ)償直徑誤差。加工時(shí)不需要特殊刀具，與圓柱螺紋結(jié)合接觸良好；因牙型角位置都相同還簡(jiǎn)化了圓錐螺紋各主要參數(shù)的測(cè)量，它被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、拖拉機(jī)及航空器上。

圓錐中徑是指在給定的基準(zhǔn)平面上，沿垂直于軸線(xiàn)方向量得平均圓錐上的直徑，而平均圓錐是假想的，在平均圓錐母線(xiàn)上牙厚與牙槽寬度相等。圓錐外螺紋基準(zhǔn)平面的理論位置位于垂直于螺紋軸線(xiàn)，與小端面相距一個(gè)基準(zhǔn)距離的平面內(nèi)；內(nèi)螺紋基準(zhǔn)平面位于垂直于螺紋軸線(xiàn)的端面內(nèi)。圓錐螺紋基準(zhǔn)規(guī)、校對(duì)規(guī)和工作規(guī)之間，工作規(guī)與產(chǎn)品螺紋之間的尺寸傳遞是按照螺紋基面的中徑進(jìn)行。圓錐螺紋因?yàn)榇嬖阱F度，各截面上的有效徑數(shù)值不相同，采用普通圓柱螺紋的測(cè)量方法就有錐度修正的問(wèn)題。

目前圓錐螺紋塞規(guī)中徑的測(cè)量方法有儀器測(cè)量法、量規(guī)綜合檢驗(yàn)法和正弦尺測(cè)量法等。采用量規(guī)綜合檢驗(yàn)法，即用圓錐螺紋校對(duì)塞規(guī)檢驗(yàn)圓錐內(nèi)螺紋，用圓錐螺紋校對(duì)環(huán)規(guī)檢驗(yàn)圓錐外螺紋，通過(guò)檢驗(yàn)量規(guī)和被檢錐體螺紋的相對(duì)位置給出結(jié)論。這種方法雖然能快速、綜合地判斷被檢量規(guī)合格與否，但不能給出確切的數(shù)據(jù)。用正弦尺測(cè)量，根據(jù)圓錐螺紋的錐度拼出所需的量塊組，將正弦尺用量塊組架在平板上，把三針?lè)旁诒粶y(cè)圓錐螺紋的上下溝槽內(nèi)，并在被測(cè)圓錐螺紋小端安置輔助量塊組和精密圓柱。用測(cè)微計(jì)按精密圓柱校正好零位，再將其移到三針上讀得差值。由于量規(guī)、三針、量塊組和精密圓柱都沒(méi)有有效的固定，測(cè)量難度較高，精度也較差。用影像法測(cè)量，雖然測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，但受到成像質(zhì)量，儀器調(diào)整和瞄準(zhǔn)精確度等各方面的影響，測(cè)量精度不高。故對(duì)精密度要求較高的圓錐螺紋的測(cè)量，推薦用萬(wàn)能工具顯微鏡加上測(cè)量刀進(jìn)行軸切法測(cè)量。

一、測(cè)量原理

用軸切法測(cè)量時(shí)，需要測(cè)量出如圖1所示的尺寸，離基面的距離a、b，距基面距離為a的截面上的中徑da2,距基面距離為b的截面上的中徑db2。為了消除螺紋的安裝誤差及螺紋自身的誤差，需要在牙形角左右兩側(cè)測(cè)量中徑。將測(cè)得的尺寸通過(guò)公式（1）、（2）、（3）即可求得圓錐螺紋塞規(guī)基面中徑。在實(shí)際生產(chǎn)中1/16的錐度最為常見(jiàn)，本文都以1/16錐度為例。

圖1 圓錐外螺紋上的測(cè)量

二、測(cè)量工具

圓錐螺紋量規(guī)作為實(shí)際生產(chǎn)中檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的重要工具，應(yīng)按一定的檢驗(yàn)周期測(cè)量，檢驗(yàn)一下由于長(zhǎng)期使用是否有磨損。用蔡司（j）UMM200型萬(wàn)能工具顯微鏡，再配上萬(wàn)工顯的測(cè)量附件包括測(cè)量刀。用4把斜刀口量刀，兩兩同向。量刀平面上刻有0.3mm和0.9mm兩種，0.3mm的量刀大體適用于螺距為0.5mm～3mm的螺紋；0.9mm的量刀適用于螺距為3mm～6mm的螺紋。由于顯微鏡視場(chǎng)中心的成像質(zhì)量比邊緣要好些，應(yīng)優(yōu)先考慮使用0.3mm刻線(xiàn)的測(cè)量刀。必須使用3×測(cè)量物鏡，因?yàn)闇y(cè)量刀的刻線(xiàn)距是按3×物鏡設(shè)計(jì)的。

三、圓錐螺紋塞規(guī)中徑的測(cè)量方法及計(jì)算公式

測(cè)量前做好將螺紋從管子中敲出、去除毛刺及清潔等預(yù)備工作，通過(guò)圓錐螺紋塞規(guī)的兩頂針孔，將螺紋安裝在萬(wàn)能工具顯微鏡的兩頂針間，保證螺紋軸線(xiàn)與測(cè)量軸線(xiàn)的一致性。調(diào)整萬(wàn)工顯的焦距使測(cè)量刀影像最清晰。測(cè)量刀架安裝在萬(wàn)工顯縱導(dǎo)板中間帶T形槽的準(zhǔn)平面上，通過(guò)彈簧壓板將測(cè)量刀固定在測(cè)量刀架上。對(duì)刀時(shí)使量刀左右平移與牙側(cè)接觸，不能平行推進(jìn)，易造成測(cè)量刀的損壞或快速磨損，直到刀口與牙側(cè)相切密合為止。用測(cè)量刀靠住圓錐螺紋的基面，盡量使米字線(xiàn)和量刀刀口對(duì)準(zhǔn)。此處以圓錐螺紋的基面作為測(cè)量時(shí)的基準(zhǔn)平面，因?yàn)闇y(cè)量的結(jié)果是要計(jì)算出基面的中徑，如果以其他端面為基準(zhǔn)平面，由于端面的磨損或變形等原因最終換算到基面中徑時(shí)會(huì)造成一定誤差。在縱向讀數(shù)螺旋顯微鏡上進(jìn)行讀數(shù)并將其記為x1。將萬(wàn)工顯縱導(dǎo)板沿小端方向移動(dòng)，根據(jù)牙形角旋轉(zhuǎn)米字線(xiàn)，將測(cè)量刀移到緊鄰基面的牙側(cè)，與牙側(cè)密合接觸，使米字線(xiàn)中心處于牙側(cè)中間位置，鎖緊縱導(dǎo)板定位手把，縱向讀數(shù)記為x2，橫向讀數(shù)記為y1。移動(dòng)橫向?qū)О逯翀A錐螺紋的另一邊，取同向測(cè)量刀，刀口與另一邊的牙側(cè)緊密相切，記下橫向讀數(shù)y2。為了消除螺紋軸線(xiàn)與測(cè)量軸線(xiàn)傾斜引起的中徑測(cè)量誤差，須在螺紋左、右牙側(cè)分別測(cè)量，取反向的兩把測(cè)量刀，測(cè)量另一側(cè)牙側(cè)中徑，方法與之前相同。記下縱向讀數(shù)x3，兩次橫向讀數(shù)分別為y3和y4。取兩次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值作為中徑的測(cè)量值。

圖1中各測(cè)量尺寸的定義如下：

a- 右牙側(cè)中間點(diǎn)離基面的距離；

b- 左牙側(cè)中間點(diǎn)離基面的距離；

da2-距離基面a距離的截面上的中徑；

db2-距離基面b距離的截面上的中徑。

在測(cè)量中獲得的縱向讀數(shù)x2與x1之差的絕對(duì)值就是距離基面a距離的值即a=|x2-x1|，在此截面上測(cè)得的橫向讀數(shù)y1與y2之差的絕對(duì)值就是此截面的中徑即da2=|y1-y2|；在測(cè)量中獲得的縱向讀數(shù)x3與x1之差的絕對(duì)值就是距離基面b距離的值即b=|x3-x1|，在此截面上測(cè)得的橫向讀數(shù)y3與y4之差的絕對(duì)值就是此截面的中徑即db2=|y3-y4|。為了減少螺紋軸線(xiàn)與導(dǎo)板移動(dòng)方向的不垂直或不平行引起的測(cè)量誤差，取兩次測(cè)量的算術(shù)平均值。，即：

離基面距離L的截面上的中徑為d2’。

圖2 基面中徑與各尺寸間的幾何關(guān)系

由于圓錐螺紋有錐度，式2不是最終所要求的圓錐螺紋的基面中徑，還應(yīng)進(jìn)行錐度換算。圖2中根據(jù)直角三角形公式得出y=L×tgφ,基面中徑d2=d2’+2y=d2’+2 L×tgφ=d2’+2 tgφ×L。圓錐螺紋的錐度等同于2 tgφ，假設(shè)圓錐錐度為1/16，那么圓錐螺紋的基面中徑為

四、圓錐螺紋環(huán)規(guī)中徑的測(cè)量方法及計(jì)算公式

圓錐螺紋環(huán)規(guī)為內(nèi)螺紋，由于其存在錐度無(wú)法用儀器單獨(dú)測(cè)量，其檢驗(yàn)和驗(yàn)收以校對(duì)螺紋塞規(guī)為準(zhǔn)。用手將圓錐螺紋塞規(guī)旋入環(huán)規(guī)中，直至旋不動(dòng)為止。圓錐螺紋環(huán)規(guī)、塞規(guī)均有三個(gè)不同高度的平面，用高測(cè)微儀測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)基準(zhǔn)面與環(huán)規(guī)基準(zhǔn)面的高度差，使用中的環(huán)規(guī)與校對(duì)規(guī)基面的偏差達(dá)到或超過(guò)-0.37mm時(shí)，環(huán)規(guī)報(bào)廢，若小于這個(gè)高度差則合格。在某些一定要給出螺紋環(huán)規(guī)中徑確切數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)塞規(guī)與環(huán)規(guī)的高度差值及錐度可以計(jì)算出環(huán)規(guī)的中徑。如果環(huán)規(guī)的基面高于塞規(guī)的基面，則說(shuō)明環(huán)規(guī)基面中徑大于塞規(guī)基面中徑，反之，則環(huán)規(guī)基面中徑小于塞規(guī)基面中徑。各尺寸間的幾何關(guān)系可以參見(jiàn)圖2。以錐度為1/16的圓錐螺紋環(huán)規(guī)基面中徑為例，

五、測(cè)量誤差的來(lái)源分析

采用軸切法測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)的測(cè)量不確定度主要來(lái)源于測(cè)量?jī)x器即萬(wàn)工顯的測(cè)量精度，用高精度的萬(wàn)工顯可以減小這方面的不確定度；測(cè)量人員在測(cè)量時(shí)的讀數(shù)誤差，當(dāng)測(cè)量人員眼睛疲勞時(shí)會(huì)加重此項(xiàng)誤差，不過(guò)可以通過(guò)安裝電子顯示器來(lái)緩解；測(cè)量刀的磨損也會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的不確定度，要定期檢查測(cè)量刀刀頭的直線(xiàn)度察看是否磨損甚至損壞，不符合要求時(shí)應(yīng)立即更換；對(duì)刀時(shí)測(cè)量刀與牙側(cè)的縫隙以及人眼的瞄準(zhǔn)是不可避免的誤差，只能通過(guò)不斷地對(duì)刀和多次測(cè)量盡量減小誤差。用圓錐螺紋塞規(guī)檢驗(yàn)環(huán)規(guī)時(shí)，由于不同測(cè)量人員旋入的力度不同會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。這些測(cè)量不確定度對(duì)照尺寸公差范圍是可以接受的，計(jì)算測(cè)量結(jié)果時(shí)可以忽略不計(jì)。

六、結(jié)語(yǔ)

圓錐螺紋塞規(guī)的測(cè)量方法經(jīng)過(guò)筆者反復(fù)的實(shí)踐測(cè)量與驗(yàn)證，每次的測(cè)量數(shù)據(jù)均符合《公制、美制和英制螺紋標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》（第二版）中列出的一般密封管螺紋工作量規(guī)的基本尺寸和公差范圍，其準(zhǔn)確性和重復(fù)性都很好。筆者認(rèn)為借助萬(wàn)工顯和測(cè)量刀的軸切法測(cè)量精度要求高的圓錐螺紋是一個(gè)行之有效的方法。

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