基于Mahr PLM600 測長機的圓錐管螺紋環(huán)規(guī)基面中徑的測量與不確定度評定

曾瑞準

(溫州市計量技術研究院，溫州 325000)

0 引言

螺紋按其形狀可分圓柱螺紋與圓錐螺紋，圓錐螺紋屬于密封管螺紋，它具有機械連接和密封兩大功能，在管道連接、石油和氣瓶等行業(yè)中應用廣泛，其精度要嚴于非密封性管螺紋。判斷圓錐管螺紋合格與否，通常由圓錐螺紋量規(guī)用綜合檢驗的方法進行確定。而對圓錐螺紋量規(guī)，其基面中徑與錐角是判斷量規(guī)合格與否的主要參數，基面中徑與中徑錐角的誤差大小直接決定量規(guī)與被檢測螺紋的旋合長度，從而影響螺紋的合格性判斷。

目前，圓錐管螺紋環(huán)規(guī)基面中徑的測量方法不多，主要是在不同測量儀器上采用雙球接觸法進行測量。本文介紹的是使用德國Mahr公司生產的PLM600型測長機，采用單桿雙球法測量圓錐管螺紋環(huán)規(guī)的基面中徑，并對基面中徑測量結果進行不確定度評定。

1 測量原理

由于環(huán)規(guī)基面中徑在量規(guī)的大頭端面處，不能直接測量得到，必須通過測量距基面l處的中徑，再換算成基面處中徑(即基面中徑)。如圖1所示。

美制圓錐管內螺紋環(huán)規(guī)(NPT)基面中徑公式[1]：

(1-tan2α/2tan2φ)+2l·tanφ

(1)

式中，d2為基面中徑處螺紋中徑；M1、M2為測桿的移動距離；L為測頭的兩側球的距離；d為測球直徑；P為螺距；α/2為牙型半角；φ為圓錐半角；l為距基面距離。

美制圓錐管內螺紋環(huán)規(guī)(NPT)基面中徑簡化公式[2]：

(2)

式中，k為錐度。

圖1 雙球法測量圓錐內螺紋

2 測量方法

測量前需選擇接近最佳直徑的測頭直徑d，以減少牙型半角誤差給測量結果帶來的影響。

測量時，首先應該在六維工作臺上安裝儀器自帶的不銹鋼平板，使測頭先后接觸平板兩側并通過Z軸上的數顯千分表兩次讀取高度數據，調整水平旋鈕使兩側度數一致以確保工作臺上平板處于水平狀態(tài)，如此才盡可能保證測量時M1、M2為螺紋環(huán)規(guī)的水平二維實際移動距離。

為得到基面中徑d2的測量結果，l與L的數值尤為關鍵，它們數值的獲取需通過對儀器自帶的標準規(guī)進行定度。需要注意的是，軟件上標有標準規(guī)內徑值與上凹槽到底面的距離值，要根據證書上的實際值進行修改。

如圖1所示，儀器在螺紋環(huán)規(guī)的1、2、3、4四個位置進行采樣后，軟件自動記錄各位置的坐標(x,z)，得到M1、M2、ΔH和l值，然后計算出距離基面l處的中徑值，和經過換算后的基面中徑值。

如有需要，可對環(huán)規(guī)的多個方向位置進行測量，由于制造工藝等因素造成了環(huán)規(guī)橢圓形與錐角不一致等情況，致使基面中徑值測量結果存較大差異。

3 基面中徑測量結果不確定度評定

下面以NPT1/2-14美制圓錐管螺紋環(huán)規(guī)為例對其基面中徑測量結果進行不確定評定。

3.1 數學模型

tan2α/2tan2φ)+2l·tanφ

(3)

3.2 方差與靈敏系數

(4)

測量NPT1/2-14圓錐管螺紋環(huán)規(guī)時：d=1.100mm，α/2=π/6，P=1.814mm, 2tanφ=0.0625,l=3.5mm。

式中，

3.3 標準不確定度評定

3.3.1 測桿移動距離引入的標準不確定度u(M)

1)測長機的測量重復性引入的標準不確定度分項u1(M)

在重復性條件下，對NPT1/2-14美制圓錐管螺紋環(huán)規(guī)重復測量10次，得到測量列，采用A類方法進行評定，得實驗標準偏差s=0.65μm。

故u1(M)=0.65μm，自由度：ν1=10-1=9。

2)測長機示值誤差引入的標準不確定u2(M)

PLM600型測長機內尺寸示值最大允許誤差MPE:±(0.22+L/2000)μm，以均勻分布估計,由于測桿兩次移動M1、M2引入的不確定度分量彼此完全正相關，故

3)線膨脹系數差引入的標準不確定度u3(M)

測量時，室內溫度在21℃，被測螺紋量規(guī)線膨脹系數與PLM600型測長機光柵尺的線膨脹系數均為(11.5±1)×10-6℃-1，其最大差值半寬估計為2×10-6℃-1，認為其服從均勻分布，則

4)工件與儀器溫度差引入標準不確定度u4(M)

5) 測桿移動距離引入的標準不確定度u(M)

=0.664μm

3.3.2 測頭的兩側球距離引入的標準不確定度u(L)

u(L)主要來源為定度標準規(guī)內徑誤差引入的不確定度u1(L)；測長機示值誤差引入的標準不確定u2(L)。

1)定度標準規(guī)內徑誤差引入的不確定度u1(L)

根據標準規(guī)校準證書，定度用標準規(guī)內徑值的測量不確定度為U=0.7μm，k=2。

則

2)測長機示值誤差引入的標準不確定度u2(L)

PLM600型測長機內尺寸示值最大允許誤差MPE:±(0.22+L/2000)μm，以均勻分布估計,則

3)測頭的兩側球的距離引入的標準不確定度u(L)

3.3.3 測球直徑形狀誤差引入的不確定度u(d)

根據該測長機的技術指標，測球的球徑誤差為Δ=±1.0μm，以均勻分布估計，則

3.3.4 螺紋牙型半角誤差引入的標準不確定度u(α/2)

參照行業(yè)標準JB/T—1999《用螺紋密封的管螺紋量規(guī)》，對于圓錐管螺紋量規(guī)，其牙型半角允許誤差為±11′,認為其服從均勻分布，則：

3.3.5 螺距誤差引入的標準不確定度u(P)

參照行業(yè)標準JB/T—1999《用螺紋密封的管螺紋量規(guī)》，對于圓錐管螺紋量規(guī)，其螺距允許誤差為±5μm，認為其服從三角分布，則：

3.3.6 所測中徑位置距環(huán)規(guī)基面距離引入的標準不確定度u(l)

根據標準規(guī)校準證書，凹槽高度值的測量不確定度為U=2.0μm，k=2。

則

2)Z方向示值誤差引入的的標準不確定u2(l)

Z方向示值誤差MPE：5μm，以均勻分布估計，則

3)所測中徑位置距環(huán)規(guī)基面距離引入的標準不確定度u(l)

3.3.7 被測螺紋環(huán)規(guī)錐度值誤差引入的標準不確定度u(φ)

根據該儀器技術資料，圓錐半角φ的測量不確定度U=1′;k=2，則

3.4 標準不確定度分量一覽表

引入的各種標準不確定度分量，有測量設備、測量環(huán)境和被測環(huán)規(guī)本身誤差等因素，詳見表1。

表1標準不確定度分量一覽表

3.5 合成標準不確定度

=(0.6642+0.3742+0.5772+

0.3362+1.7682+0.192+1.022)1/2

=2.29(μm)

3.6 擴展不確定度

取k=2， 故

U=kuc=2×2.29=4.6(μm)

3.7 測量不確定度報告

NPT1/2-14美制圓錐管螺紋環(huán)規(guī)基面中徑測量結果的擴展不確定度：

U=4.6μm；k=2

4 結束語

綜上分析，圓錐管螺紋環(huán)規(guī)基面中徑測量結果不確定度引入的因素有很多，測量應盡量減少各可控因素的影響量,特別是測頭直徑d選用要接近最佳直徑，測量位置l要靠近螺紋規(guī)基面位置，標準規(guī)精度要提高等。

使用Mahr PLM600測長機能準確、有效、并較為快捷地對圓錐管螺紋環(huán)規(guī)的基面中徑進行測量，對目前較難解決的圓錐管螺紋量規(guī)的符合性判斷提供了一份可靠地依據。

[1] 費業(yè)泰,等．新編螺紋測量手冊[M]．合肥：安徽科學技術出版社，1988:659-660

[2] 徐孝恩． 螺紋檢驗與測量[M]．北京：計量出版社，1984:323-325

[3] 高宇海．對多個螺紋環(huán)規(guī)中徑測量方法的探討[J]．計量技術，2008(10)：65-67

[4] JB/T—1999 用螺紋密封的管螺紋量規(guī)[S]

[5] JJF 1059—1999 測量不確定度評定表示[S]．北京：中國計量出版社，1999