美制统一螺纹测量方法比较与分析

作者:刘春学 / 上海市质量监督检验技术研究院来源:《上海计量测试》2020年12月,厦门斯可威转载网址:http://www.scv-lock.com/

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/2 000) 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 = 10.253 6 mm,扩展不确定度:U1 = 3.4 μm (k = 2)。


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(10.249 0 ~ 10.255 0) mm, 均值为 M2 = 10.252 0 mm,扩展不确定度:U2 = 3.7 μm(k = 2)。


    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]。


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。

参考文献

[1] Oliveira MSN,McKinley GH.Iterated stretching and multiple beadson-a-string phenomena in dilute solutions of highly extensible flexible polymers [J].Physics of Fluids,2005(7):1704-1711.

[2] 高友珍.英制螺纹标准简介[J].铁道技术监督,2004,(1):9-11.

[3] 宫美望,王召孟,张莉娟.基于泰勒原则的螺纹工件检验与其不 合格品的追溯方向分析[J].工业计量,2010,(3):7-9.

[4] 宋毓琼,代娜,杨军.三针法测量圆柱螺纹塞规中径的测量不确 定度评定[J].计量技术,2012(11):75-76.

[5] 刘盼.基于螺纹综合扫描仪的螺纹参数测量方法研究[J].航空制造 技术,2017(13):100-104+109.

[6] 曾瑞准.采用非最佳三针测量螺纹中径的数学模型[J].计量技术, 2009(5):46-47.


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