圓錐螺紋量規中徑測量方法探討

上海機動車檢測中心 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。它與圓柱螺紋相比有許多優點，如其在結合時不需要任何填料，依靠螺牙變形得到必要的緊密性；若有足夠的端面余量，則可用軸間位移來補償直徑誤差。加工時不需要特殊刀具，與圓柱螺紋結合接觸良好；因牙型角位置都相同還簡化了圓錐螺紋各主要參數的測量，它被廣泛應用在汽車、拖拉機及航空器上。

圓錐中徑是指在給定的基準平面上，沿垂直于軸線方向量得平均圓錐上的直徑，而平均圓錐是假想的，在平均圓錐母線上牙厚與牙槽寬度相等。圓錐外螺紋基準平面的理論位置位于垂直于螺紋軸線，與小端面相距一個基準距離的平面內；內螺紋基準平面位于垂直于螺紋軸線的端面內。圓錐螺紋基準規、校對規和工作規之間，工作規與產品螺紋之間的尺寸傳遞是按照螺紋基面的中徑進行。圓錐螺紋因為存在錐度，各截面上的有效徑數值不相同，采用普通圓柱螺紋的測量方法就有錐度修正的問題。

目前圓錐螺紋塞規中徑的測量方法有儀器測量法、量規綜合檢驗法和正弦尺測量法等。采用量規綜合檢驗法，即用圓錐螺紋校對塞規檢驗圓錐內螺紋，用圓錐螺紋校對環規檢驗圓錐外螺紋，通過檢驗量規和被檢錐體螺紋的相對位置給出結論。這種方法雖然能快速、綜合地判斷被檢量規合格與否，但不能給出確切的數據。用正弦尺測量，根據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，把三針放在被測圓錐螺紋的上下溝槽內，并在被測圓錐螺紋小端安置輔助量塊組和精密圓柱。用測微計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、三針、量塊組和精密圓柱都沒有有效的固定，測量難度較高，精度也較差。用影像法測量，雖然測量過程簡單，但受到成像質量，儀器調整和瞄準精確度等各方面的影響，測量精度不高。故對精密度要求較高的圓錐螺紋的測量，推薦用萬能工具顯微鏡加上測量刀進行軸切法測量。

一、測量原理

用軸切法測量時，需要測量出如圖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測量中徑。將測得的尺寸通過公式（1）、（2）、（3）即可求得圓錐螺紋塞規基面中徑。在實際生產中1/16的錐度最為常見，本文都以1/16錐度為例。

圖1 圓錐外螺紋上的測量

二、測量工具

圓錐螺紋量規作為實際生產中檢驗產品是否合格的重要工具，應按一定的檢驗周期測量，檢驗一下由于長期使用是否有磨損。用蔡司（j）UMM200型萬能工具顯微鏡，再配上萬工顯的測量附件包括測量刀。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。由于顯微鏡視場中心的成像質量比邊緣要好些，應優先考慮使用0.3mm刻線的測量刀。必須使用3×測量物鏡，因為測量刀的刻線距是按3×物鏡設計的。

三、圓錐螺紋塞規中徑的測量方法及計算公式

測量前做好將螺紋從管子中敲出、去除毛刺及清潔等預備工作，通過圓錐螺紋塞規的兩頂針孔，將螺紋安裝在萬能工具顯微鏡的兩頂針間，保證螺紋軸線與測量軸線的一致性。調整萬工顯的焦距使測量刀影像最清晰。測量刀架安裝在萬工顯縱導板中間帶T形槽的準平面上，通過彈簧壓板將測量刀固定在測量刀架上。對刀時使量刀左右平移與牙側接觸，不能平行推進，易造成測量刀的損壞或快速磨損，直到刀口與牙側相切密合為止。用測量刀靠住圓錐螺紋的基面，盡量使米字線和量刀刀口對準。此處以圓錐螺紋的基面作為測量時的基準平面，因為測量的結果是要計算出基面的中徑，如果以其他端面為基準平面，由于端面的磨損或變形等原因最終換算到基面中徑時會造成一定誤差。在縱向讀數螺旋顯微鏡上進行讀數并將其記為x1。將萬工顯縱導板沿小端方向移動，根據牙形角旋轉米字線，將測量刀移到緊鄰基面的牙側，與牙側密合接觸，使米字線中心處于牙側中間位置，鎖緊縱導板定位手把，縱向讀數記為x2，橫向讀數記為y1。移動橫向導板至圓錐螺紋的另一邊，取同向測量刀，刀口與另一邊的牙側緊密相切，記下橫向讀數y2。為了消除螺紋軸線與測量軸線傾斜引起的中徑測量誤差，須在螺紋左、右牙側分別測量，取反向的兩把測量刀，測量另一側牙側中徑，方法與之前相同。記下縱向讀數x3，兩次橫向讀數分別為y3和y4。取兩次測量結果的算術平均值作為中徑的測量值。

圖1中各測量尺寸的定義如下：

a- 右牙側中間點離基面的距離；

b- 左牙側中間點離基面的距離；

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。

在測量中獲得的縱向讀數x2與x1之差的絕對值就是距離基面a距離的值即a=|x2-x1|，在此截面上測得的橫向讀數y1與y2之差的絕對值就是此截面的中徑即da2=|y1-y2|；在測量中獲得的縱向讀數x3與x1之差的絕對值就是距離基面b距離的值即b=|x3-x1|，在此截面上測得的橫向讀數y3與y4之差的絕對值就是此截面的中徑即db2=|y3-y4|。為了減少螺紋軸線與導板移動方向的不垂直或不平行引起的測量誤差，取兩次測量的算術平均值。，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，還應進行錐度換算。圖2中根據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、圓錐螺紋環規中徑的測量方法及計算公式

圓錐螺紋環規為內螺紋，由于其存在錐度無法用儀器單獨測量，其檢驗和驗收以校對螺紋塞規為準。用手將圓錐螺紋塞規旋入環規中，直至旋不動為止。圓錐螺紋環規、塞規均有三個不同高度的平面，用高測微儀測量圓錐螺紋塞規基準面與環規基準面的高度差，使用中的環規與校對規基面的偏差達到或超過-0.37mm時，環規報廢，若小于這個高度差則合格。在某些一定要給出螺紋環規中徑確切數據的情況下，通過塞規與環規的高度差值及錐度可以計算出環規的中徑。如果環規的基面高于塞規的基面，則說明環規基面中徑大于塞規基面中徑，反之，則環規基面中徑小于塞規基面中徑。各尺寸間的幾何關系可以參見圖2。以錐度為1/16的圓錐螺紋環規基面中徑為例，

五、測量誤差的來源分析

采用軸切法測量圓錐螺紋塞規的測量不確定度主要來源于測量儀器即萬工顯的測量精度，用高精度的萬工顯可以減小這方面的不確定度；測量人員在測量時的讀數誤差，當測量人員眼睛疲勞時會加重此項誤差，不過可以通過安裝電子顯示器來緩解；測量刀的磨損也會引起測量結果的不確定度，要定期檢查測量刀刀頭的直線度察看是否磨損甚至損壞，不符合要求時應立即更換；對刀時測量刀與牙側的縫隙以及人眼的瞄準是不可避免的誤差，只能通過不斷地對刀和多次測量盡量減小誤差。用圓錐螺紋塞規檢驗環規時，由于不同測量人員旋入的力度不同會產生一定的誤差。這些測量不確定度對照尺寸公差范圍是可以接受的，計算測量結果時可以忽略不計。

六、結語

圓錐螺紋塞規的測量方法經過筆者反復的實踐測量與驗證，每次的測量數據均符合《公制、美制和英制螺紋標準手冊》（第二版）中列出的一般密封管螺紋工作量規的基本尺寸和公差范圍，其準確性和重復性都很好。筆者認為借助萬工顯和測量刀的軸切法測量精度要求高的圓錐螺紋是一個行之有效的方法。

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