米制螺紋檢測要求的現狀和未來趨勢

李曉濱

（全國螺紋標準化技術委員會秘書處， 北京100044）

0 引言

米制螺紋是由德國和法國等西歐發達工業國家所創建的標準螺紋。因西歐國家主導ISO 國際標準活動（一國一票的投票制度和聯合工作的維也納協議），ISO 組織發布的絕大多數螺紋標準是米制螺紋。 例如，ISO 米制普通螺紋（M）、ISO 米制梯形螺紋（Tr）和ISO 小螺紋（S）。 米制螺紋除具有尺寸單位優勢外， 它還有公差等級和公差帶位置多、公差帶標記簡單等顯著特點。 目前，米制螺紋是世界機械工業領域的主流。 歐洲和亞洲工業國家主要采用米制螺紋，英聯邦國家也積極采用米制螺紋。

在管螺紋領域， 由英國惠氏螺紋演變的密封管螺紋（R）和非密封管螺紋（G）已經實現米制化，在歐洲、亞洲、英聯邦國家和ISO 組織已得到廣泛采用。

1 米制螺紋標準的技術缺陷

1891—1898 年，西歐工業國家建立了米制普通螺紋（M）歐洲標準?？墒敲字破胀菁y的公差標準（ISO 965-1[1]）一直沒有規定螺紋單項要素（螺距、牙側角、錐度、圓度、跳動）要求。 同樣，米制梯形螺紋（Tr）、小螺紋（S）和管螺紋（R、G）也都沒有規定螺紋單項要素公差。這是米制螺紋標準技術體系的一個致命缺陷。

在米制螺紋標準創建初期， 歐洲螺紋標準不規定螺紋單項要素公差是可以理解的。 全面認識和掌握一項新技術需要一定時間的實踐探索。 隨著大規模生產到來，歐洲發達國家必然發現不控制螺紋單項要素偏差的螺紋產品是無法正常使用的。 可是歐洲國家沒有及時修訂米制螺紋國際標準， 而是在國際標準中隱藏了這個非常重要的技術要求。

在螺紋軸線平面內：

（1） 螺距誤差會導致內、 外螺紋只有3 個牙側接觸，其他牙側處于懸空位置，同時內、外螺紋牙側的接觸高度減少。

（2） 牙側角誤差會將內、外螺紋的牙側面接觸變為牙側點接觸，螺紋配合接觸面積大大縮小。

（3） 錐度誤差會縮小內、外螺紋沿軸向的配合長度。

在螺紋徑向平面內，圓度誤差會減少內、外螺紋沿圓周方向的配合長度。

螺紋頂徑相對中徑的跳動誤差導致螺紋中徑圓柱或圓錐與頂徑圓柱或圓錐不同心，這會影響內、外螺紋配合的牙接觸高度及在牙底和牙頂位置的間隙。

歐洲工業發達國家將螺紋單項要素公差要求放入公司標準，對外實施技術保密。而廣大的發展中國家不知道控制螺紋單項要素要求，只能生產低端螺紋產品，絕大多數的高端螺紋產品依靠進口。 螺紋單項要素偏差的控制水平是西方工業發達國家與發展中國家螺紋質量的分水嶺。發展中國家的螺紋質量低劣，除了對控制螺紋單項要素偏差認識不到位， 還與它們的螺紋檢測手段不足和對通、止螺紋量規檢驗結果理解不深入相關。

找到生產現場快速檢測工件螺紋的實用方法非常重要。1905 年，英國人泰勒發明了通、止螺紋量規（內螺紋塞規和外螺紋卡規，英國專利號GB190506900）。 之后，通、止螺紋環規和塞規成為螺紋檢驗的主要手段 （量規標準見ISO 1502[2]或GB/T 3934[3]）。使用通、止螺紋量規的前提是：螺紋單項要素偏差較小。 這時它可以高效、低成本地控制螺紋質量。所以，這種螺紋量規一直沿用至今。但是，當螺紋單項要素偏差較大時，這種螺紋量規只能保證內、外螺紋間的裝配性，不能保證螺紋配合質量（螺紋聯結性能）。 用通、止螺紋量規不能發現螺紋單項要素偏差的大小。發展中國家絕大多數技術人員不知道通、止螺紋量規的使用前提和局限性， 長期找不到生產高端螺紋工件的技術突破口。

與緊固螺紋類似， 用密封管螺紋臺階量規檢驗合格的螺紋不能保證管螺紋的密封性。 檢驗合格僅僅給出手旋合后，內、外管螺紋的軸向配合位置。 管螺紋密封性主要取決于螺紋單項要素偏差的控制，要消除內、外螺紋配合牙之間的間隙。

中國對外開放30 余年，許多機械領域生產技術已有突飛猛進發展。可是中國螺紋生產技術沒有本質改進。在零部件和量刃具行業低價競爭的殘酷環境下， 標準未規定米制螺紋單項要素極限偏差的技術缺陷竟然成為降低生產成本的途徑， 中國成為世界粗糙螺紋工件第一生產大國。 這種狀況嚴重影響中國整個機械行業產品質量提升，高端螺紋產品基本依靠進口。

2 近期米制螺紋檢測要求進展

世界有三大螺紋標準技術體系。 它們分別是英制螺紋、美制螺紋和米制螺紋。英國首先創建了英制螺紋技術體系；在英國技術基礎上，美國創建了美制螺紋；最后出現西歐的米制螺紋。目前，米制螺紋和美制螺紋是世界舞臺的主角，英制螺紋已經失去往日輝煌。

除尺寸單位劣勢外， 美國擁有世界上最完整的螺紋標準技術要求及相應檢測體系和檢測手段。 第二次世界大戰期間及隨后相當長的時期內， 美國軍方曾經直接制定美國螺紋標準，例如統一螺紋（UN），對美國螺紋技術進步起到了積極推動作用。 美國標準列出與螺紋質量相關的所有螺紋要素，建立了完整螺紋檢測體系，并給出每個螺紋要素的對應檢測手段。 美國螺紋檢測手段是世界上最多的。美國螺紋技術正是目前中國急需補充的，它彌補了ISO 米制螺紋標準的技術不足。

2016—2018 年， 中國參照美國標準ASME B1.3：2007[4]發布了GB/T 37050—2019 《緊固螺紋檢測體系》 國家標準。 給出中國控制螺紋單項要素偏差依據和對應各個螺紋單項要素的檢測方法。

2018—2020 年， 中國參照美國緊固件協會標準IFI 301：2008 （量規校準）[5]和將于2021 年出版的美國標準ASME B1.2（UN 和UNJ 螺紋量規）[6]發布了GB/T 39641—2020《螺紋指示量規檢測緊固螺紋方法》國家標準。 1999年，美國緊固件協會IFI 發布技術公告[7]，向美國緊固螺紋行業推薦螺紋指示量規控制螺紋單項要素技術。 此技術在提高螺紋質量同時，還降低了螺紋擠壓板（輪）受力，從而大大延長螺紋工具和設備壽命，降低生產成本。這是一個在生產現場非常實用的技術， 為中國控制螺紋質量提供了實施途徑。

2018 年， 中國向德國建議在ISO 米制普通螺紋公差國際標準（ISO 965-1：2013）增加控制螺紋單項要素技術內容（資料性附錄），給出控制螺紋單項要素綜合誤差之和（牙型綜合偏差）技術指導。將控制水平等級分為三個，對應螺紋中徑公差的占比分別為30%、40%、50%?？傻聡J為德國螺紋質量水平已經世界領先， 目前的國際標準沒有問題，否決了中國提議。歐洲仍然堅持隱藏螺紋單項要素控制要求。 2020 年，中國降低了標準修改規模，在ISO米制螺紋公差國際標準第6 章的表4 前， 增加一個標準條文注釋：“對于精密螺紋，進一步控制螺紋單項要素（螺距、牙側角、錐度、圓度、跳動）是重要的”，發布為ISO 965-1：2013/AMD 1：2021。

傳動螺紋的檢測體系可以直接借鑒緊固螺紋的。 美國已經在梯形螺紋B1.5 和鋸齒螺紋B1.9 標準中實施了這種作法。 將來，中國也會擴大GB/T 37050 國家標準的適用范圍。

世界上還沒有密封管螺紋檢測體系。2017 年1 月，為提高中國密封管螺紋質量， 中國螺紋專家向美國螺紋委員會發起如何建立《密封管螺紋檢測體系》技術討論，美國螺紋量規專家積極響應。 密封管螺紋檢測體系的初步討論結果是：①建立單獨的密封管螺紋檢測體系；②建立第1、2、4 級檢測體系（分別對應NPT、1 級NPTF、2 級NPTF螺紋的美國檢驗要求）；③去掉第4 級體系內的牙底檢測要求，作為第3 級檢測體系（美國生產已經使用）；④在第4 級基礎上，增加螺紋單項要素檢測要求，作為第5 級檢測體系（石油螺紋已經使用，滿足高精度要求）；⑤從第1級至第5 級，檢測項目逐步增加；⑥此體系要強調密封管螺紋量規的使用順序及它們之間的相互關系 （其他量規的檢測結果要與L1 量規檢測結果有一定的位置要求）。

中國專家認為第3、4 級應屬于同一級別， 應改為3A、3 級。 總的檢測級別為4 級。

3 螺紋參數的檢測體系

表1 為緊固外螺紋檢測體系。 其第1 列給出緊固外螺紋各個檢測參數；第3 列給出了檢測方式；最后三列給出三個檢測體系（A、B、C）要檢測的螺紋參數組合。

表2 為緊固內螺紋檢測體系。 與表1 的外螺紋相比，內螺紋檢測參數沒有圓弧底底徑和牙底圓弧半徑兩項。

表1 緊固外螺紋檢測體系（來源于GB/T 37050—2019）Tab.1 The gauging systems for fastening external threads

表2 緊固內螺紋檢測體系（來源于GB/T 37050—2019）Tab.2 The gauging systems for fastening internal threads

中國螺紋檢測體系A、B 和C 分別對應美國ASME B1.3螺紋檢測體系21、22 和23。

體系A 與體系B 的主要差異為兩者檢測的最小實體中徑不同。 體系A 用止端螺紋量規檢測旋入端局部止端中徑；體系B 則檢測各個位置的中徑或單一中徑。在中國，許多人不知道“止端中徑”與“單一中徑”差異，認為兩者相同。通過仔細觀察檢測這兩種螺紋中徑的不同測頭，就會找出兩種中徑的不同。 當用體系B 檢測各個位置的中徑或單一中徑合格， 用檢測體系A 檢測選入端局部止端中徑就一定合格；而當用體系A 檢測止端中徑合格，不能保證用體系B 檢測中徑或單一中徑一定合格。

體系C 檢測項目比體系B 多出七項， 體系C 的檢測要求更嚴格。 當用體系C 檢測合格，用體系B 檢測一定合格；而當用體系B 檢測合格，不能保證用體系C 檢測一定合格。

體系A 對應目前中國的螺紋檢測水平， 用它只能生產低端螺紋產品。

中國標準的“徑向中徑差”、“軸向中徑差”和“牙型綜合偏差”螺紋參數分別對應相應美國螺紋標準的“圓度”、“錐度”和“螺紋單項參數誤差之和”術語。 美國螺紋圓度和錐度術語極易與GPS 形位公差術語混淆。兩者的英文詞完全相同，而技術內容大相徑庭。 許多國家學習美國螺紋技術都會落入美國螺紋術語陷阱，美國技術人員有時也會發生爭議。 中國螺紋標準采用不發生誤解的中文短語表述，為中國順利實施美國技術鋪平了道路。

為了幫助中國技術人員理解體系A 與體系B 的不同， 中國專門創建了 “止端中徑”術語。 明確用止端量規檢測的止端中徑與螺紋術語規定的中徑和單一中徑不同。 這對提高中國螺紋質量非常必要。

當實際螺紋產品所要檢測的螺紋參數組合與標準提供的三個常用體系（A、B、C）不同時，可以對其進行修正（增加或減少檢測的螺紋參數）。

4 螺紋參數的檢測方法

GB/T 37050—2019《緊固螺紋檢測體系》國家標準另外一個功能是提供各個螺紋參數的檢測方法（見資料性附錄A）。 它為每種螺紋量規和量儀進行編號，此編號來源于美國標準。

外螺紋參數檢測量規和量儀見表3。目前，中國在生產現場所使用的主導螺紋量規只有通、止螺紋量規（編號1.1、1.2），種類太少，根本無法滿足高精度螺紋生產需要。 中國基本不用螺紋卡規（第2 類）和螺紋指示量規（第4 類），螺紋千分尺（第6、7 類）的使用也很少。

表3 常用緊固外螺紋參數檢測器具（來源于GB/T 37050—2019）Tab.3 Screw thread gauges and measuring equipment usually used for fastening external thread characteristics

內螺紋參數檢測量規和量儀表與外螺紋的類似，具體情況請查看國家標準。

美國將這部分內容放在標準正文內。 考慮螺紋量規和量儀技術發展較快， 中國將這部分內容放入資料性附錄中。

螺紋指示量規的差分測量技術非常實用。1999 年起，美國重點推廣此技術。為在中國快速推廣該技術，中國發布GB/T 39641—2020 《螺紋指示量規檢測緊固螺紋方法》國家標準。 測量外螺紋的螺距、牙側角、牙型綜合偏差的方法分別見圖1～圖3。 具體測量步驟請查看國家標準。

圖1 外螺紋螺距（導程）偏差測量（來源于GB/T 39641—2020）Fig.1 The measurement for pitch or lead deviation of external threads

圖2 外螺紋牙側角偏差測量（來源于GB/T 39641—2020）Fig.2 The measurement for flank angle deviation of external threads

圖3 外螺紋牙型綜合偏差測量（來源于GB/T 39641—2020）Fig.3 The measurement for cumulative form deviation of external threads

6 結束語

在世界范圍內，涂鍍后螺紋的檢驗方法是容易出現分歧的地方之一。因個別人編寫的緊固件培訓教材誤導（用通端螺紋量規和止端螺紋量規檢驗涂鍍后的螺紋尺寸）， 這個問題在中國更加普遍。

對商品螺紋緊固件，如無特殊說明，螺紋標記中的螺紋公差帶適用于涂鍍前螺紋。要用相應的通端螺紋量規和止端螺紋量規檢驗涂鍍前螺紋尺寸。 涂鍍后，只用H 或h 公差帶位置的通端螺紋量規進行檢驗，以保證螺紋最大實體尺寸合格。涂鍍后不能用止端螺紋量規來檢驗螺紋表面的鍍層厚度。緊固件涂鍍層厚度的檢測位置不在螺紋表面。

今后，中國會繼續努力，直到在米制螺紋國際標準增加具體的螺紋單項要素偏差要求。在國內，中國將制定《螺紋指示量規校準測量方法》國家標準。 目前，國內的螺紋指示量規主要依靠進口。 待國內螺紋指示量規生產技術成熟，中國還要制定《指示螺紋量規》標準。

密封管螺紋檢測體系需要與美國專家繼續討論。 時機成熟后，起草國家標準。