基于比較法在外螺紋中徑的測(cè)量方法與應(yīng)用

方大磊，王 兵，王立兵，吳駿超

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

精密傳動(dòng)螺紋是行星滾柱絲杠產(chǎn)品的核心傳動(dòng)副，為保證穩(wěn)定大行程輸出傳動(dòng)，大多采用非60°的多頭非標(biāo)螺紋，對(duì)多頭螺紋中徑一致性的要求非常高。針對(duì)行星滾柱絲杠類螺紋零件特點(diǎn)，在生產(chǎn)制造過程中，采用傳統(tǒng)三針測(cè)量法在設(shè)備上測(cè)量多頭螺紋、長(zhǎng)螺紋需多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，占用大量的生產(chǎn)加工時(shí)間，對(duì)工人技能水平要求高，且勞動(dòng)強(qiáng)度高。改用比較測(cè)量法后測(cè)量效率能夠得到明顯提升，同時(shí)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)技能水平的要求相應(yīng)降低，精度控制效果也非常好。

1 原理簡(jiǎn)介

基本原理來源于傳統(tǒng)三針測(cè)量法，因此先對(duì)三針測(cè)量法展開介紹。

1.1 三針測(cè)量法

三針測(cè)量法是測(cè)量外螺紋單一中徑的傳統(tǒng)方法，廣泛應(yīng)用于各種精密螺紋的測(cè)量，可借助于測(cè)量外徑尺寸的通用量具（如：杠桿千分尺、公法線千分尺和測(cè)長(zhǎng)儀等），小螺距（導(dǎo)程）螺紋可直接使用千分尺兩端的測(cè)桿搭在三針上進(jìn)行測(cè)量，大螺距（導(dǎo)程）螺紋則可以借助塊規(guī)搭在兩針一側(cè)，輔助測(cè)出M值，再減去塊規(guī)尺寸，通過計(jì)算得出被測(cè)螺紋中徑d2值，通過三角函數(shù)來推導(dǎo)一下螺紋中徑的通用計(jì)算公式，基本原理和計(jì)算參見圖1（在不考慮螺旋升角的情況下）。

圖1 三針測(cè)量法截面示意圖（單位：mm）

式中：M為三針測(cè)量值，mm；d2為螺紋中徑，mm；dL為測(cè)針直徑，mm；P為螺距，mm；α為牙型角，(°)。

綜上可知，在實(shí)際測(cè)量過程中，通常已知螺紋理論中徑d2和測(cè)針直徑dL（實(shí)際測(cè)量中測(cè)針的直徑不可能正好切在螺紋中徑位置，因此實(shí)際在選取測(cè)針時(shí)，應(yīng)與牙槽相切位置盡量靠近中徑，有關(guān)測(cè)針直徑選取問題參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22522—2021測(cè)量螺紋用米制系列量針，通過三針測(cè)出被測(cè)螺紋的M值即可計(jì)算出該螺紋中徑是否符合質(zhì)量要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中也可以直接給定對(duì)應(yīng)指定測(cè)針直徑時(shí)的M值范圍，這樣既滿足設(shè)計(jì)要求又符合實(shí)際測(cè)量情況。

1.2 雙針測(cè)量法

雙針測(cè)量法顧名思義就是使用2根測(cè)針來輔助測(cè)量外螺紋中徑的方法，當(dāng)螺紋圈數(shù)較少或者螺距較大，不便于使用三針法測(cè)量，則可以使用兩針來進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法可分為2種。

1）方法1：借助螺紋大徑，將2根測(cè)針放在同一面牙槽中進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)測(cè)量值定義為M’，基本原理和計(jì)算見圖2。

圖2 兩針測(cè)量法截面示意圖1（單位：mm）

式中：M’為兩針測(cè)量值，mm；d為螺紋外徑，mm。

綜上可知，通過兩針測(cè)出被測(cè)螺紋的M’值和三針測(cè)量法一樣再通過計(jì)算得出該螺紋中徑是否符合質(zhì)量要求。此方法在實(shí)際測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量技能的要求更低，但會(huì)受到螺紋大徑公差和形位公差的影響，因此在測(cè)量前應(yīng)確定該零件上道工序外徑公差離散情況，或者在測(cè)量螺紋M’值前先測(cè)量外徑誤差。

2）方法2：將2根測(cè)針分別放在螺紋兩邊牙槽中，此時(shí)測(cè)量值定義為M”，基本原理和計(jì)算參見圖3。

圖3 兩針測(cè)量法截面示意圖2（單位：mm）

綜上可知，通過此方法測(cè)量出M’’值的同時(shí)，也可以計(jì)算出中徑是否符合質(zhì)量要求。此方法在實(shí)際測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量技能的要求要更高，測(cè)量時(shí)需找到最大的測(cè)量值，若手法有誤則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

1.3 雙球比較法

基本原理和兩針測(cè)量方法二相同，只是用2個(gè)直徑相同的鋼球來替代2個(gè)測(cè)針，當(dāng)鋼球與牙槽兩邊相切于最大點(diǎn)時(shí)即是兩針測(cè)量時(shí)的M”值，規(guī)避兩針測(cè)量可能出現(xiàn)的量具偏擺誤差問題。在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，可先用三針多次測(cè)量同一位置得出一個(gè)假定真值（平均值），然后用兩球去測(cè)這個(gè)真值得到兩球比較法的一個(gè)測(cè)量值；將該測(cè)量值作為比較法的比較基準(zhǔn)，每次將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與兩球測(cè)量的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，來快速確定螺紋中徑是否合格。在實(shí)際應(yīng)用中非常適合高精度長(zhǎng)螺桿在線檢測(cè)，當(dāng)需要全行程多次測(cè)量時(shí)，無需從機(jī)床上拆卸零件，即可實(shí)現(xiàn)快速、高精度的中徑尺寸評(píng)定。

2 雙球比較法應(yīng)用

2.1 千分尺的選擇

雙球比較法用千分尺應(yīng)選擇高精度快速測(cè)量千分尺做為主要測(cè)量工具。如圖4所示，該類千分尺的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過量塊和“5測(cè)力裝置”校準(zhǔn)至一個(gè)給定的基準(zhǔn)尺寸，然后用“3鎖緊裝置”鎖住千分尺，再通過按動(dòng)“6活動(dòng)測(cè)砧按鈕”快速與給定基準(zhǔn)尺寸進(jìn)行測(cè)量比較。該千分尺設(shè)計(jì)符合阿貝原則（被測(cè)尺寸測(cè)量軸線與量具測(cè)量基準(zhǔn)軸線重合），同時(shí)測(cè)量過程中最大可能地減少了人為因素的影響，符合批量產(chǎn)品防呆檢查的要求。

圖4 高精度快速測(cè)量千分尺

2.2 輔具的設(shè)計(jì)與制造

測(cè)量輔具見圖5。

圖5 兩針測(cè)量法測(cè)頭示意圖

輔具主體材質(zhì)采用沉淀硬化型不銹鋼，鋼球采用耐磨鎢鋼或軸承鋼材質(zhì)，采用銅焊或粘結(jié)工藝將2部分固定在一起，鋼球直徑Sφ與被測(cè)螺紋選用的三針直徑相同或接近，將做好的輔具分別安裝在“1固定測(cè)砧”和“2測(cè)微螺桿”上，通過3個(gè)M2.5的螺釘調(diào)節(jié)鋼球中心大致在一條直線上，準(zhǔn)備好上述工作后便可開始測(cè)量。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)螺紋的選取

螺紋標(biāo)準(zhǔn)真值的選取類似量具的校準(zhǔn)塊。在實(shí)際應(yīng)用中，由于該應(yīng)用采用比較的方法，無需嚴(yán)格制作標(biāo)準(zhǔn)螺紋的標(biāo)準(zhǔn)塊，僅需一個(gè)接近的螺紋，通過三針多次測(cè)量同一個(gè)位置，而后計(jì)算得出一個(gè)平均值，用該量具測(cè)量該位置，測(cè)出值即對(duì)應(yīng)三針測(cè)量的這個(gè)平均值，并將該值定義為測(cè)量基準(zhǔn)值。當(dāng)用該量具測(cè)量其他零件螺紋得出一個(gè)實(shí)測(cè)值時(shí)，與測(cè)量基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，便可間接掌握螺紋中徑誤差與測(cè)量基準(zhǔn)值之間的差距，了解是否還需加工修正，以及需要修正的量。在實(shí)際使用中，可直接用于分析多頭螺紋不同頭的螺紋中徑差異和長(zhǎng)絲杠不同位置的中徑差異等。

圖6 測(cè)量切入、測(cè)最大值

2.4 零件實(shí)測(cè)結(jié)果與三針測(cè)量的比較

現(xiàn)場(chǎng)加工5頭螺紋絲杠時(shí)，由于需要綜合考慮因零件裝夾與砂輪不垂直造成的中徑錐度、砂輪因螺旋線過長(zhǎng)造成的磨損以及設(shè)備本身的多頭分度精度等誤差，需同時(shí)對(duì)長(zhǎng)絲杠左、中、右3個(gè)部位以及0°、90°進(jìn)行中徑監(jiān)控（尤其在尺寸接近圖紙要求的磨削后期），也就是1根絲杠在設(shè)備上一次需要測(cè)量最少30次，用三針測(cè)量每次大約1 min（熟練工人），整體檢查一遍需要花費(fèi)約30 min。改用該量具后一次測(cè)量約5 s，測(cè)量一遍需要花費(fèi)大約3 min。在現(xiàn)場(chǎng)使用三針測(cè)量時(shí)，為了確認(rèn)千分尺與測(cè)針是否擺正（其中，兩針和另外一針是在螺旋升角方向相互垂直），需要消耗大量的時(shí)間，而使用該量具鋼球是直接與牙槽相切，鋼球通過牙槽可找到最大值，簡(jiǎn)單方便。

2.5 輔具應(yīng)用限制

該輔具最適合進(jìn)行大螺距或大導(dǎo)程外螺紋測(cè)量的，對(duì)于小螺距或小導(dǎo)程外螺紋（螺距小于1 mm），尤其是當(dāng)螺距很小時(shí)，除了制造輔具困難，跨牙槽誤差也會(huì)變得很小，易卡錯(cuò)牙槽。由于頭部鋼球需要與牙槽相切，因此不能用于矩形螺紋中徑的測(cè)量。

3 結(jié)論

該測(cè)量方法原理基于兩針測(cè)量法的拓展應(yīng)用，但屬于比較測(cè)量方法，能夠有效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)螺紋加工后對(duì)中徑的快速測(cè)量，保證多頭長(zhǎng)螺紋能夠在不拆卸零件的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度中徑控制，并為螺紋加工節(jié)省了大量的測(cè)量時(shí)間。同時(shí)，該方法符合防呆法的要求，使檢測(cè)工作更加輕松、無需耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行技能訓(xùn)練、不依賴測(cè)量人員的感官，可從千分尺表盤上直觀地讀出數(shù)值，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)螺紋中徑一致性快速測(cè)量，同時(shí)適用于螺紋中徑的分組測(cè)量工作。