螺紋表面處理檢測參數研究與應用

摘 要：螺紋連接是實現零部件組裝的主要方法，螺紋連接簡單，拆卸方便，已被廣泛應用于航空航天、石油化工、5G通信、新能源汽車、兵器和模具等行業。隨著科學技術的不斷發展，對螺紋連接的要求也日益提高，因而螺紋加工過程中進行監測是質量保證的重要手段。應用螺紋連接的裝備產品為保證其長貯要求，會對帶有螺紋的零部件進行表面處理，表面處理后螺紋尺寸發生變化，為使用專用螺紋量具完成螺紋加工各階段的檢測。因此，需要進行表面處理前、后螺紋檢測參數的研究與應用，以控制表面處理前、后螺紋的加工質量，正確地檢測表面處理前、后螺紋尺寸是否合格。

關鍵詞：螺紋檢測；參數變化；表面處理；專用螺紋量具；螺紋類型

中圖分類號：TG722 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0122-05

Abstract： Thread connection is the main method to realize parts assembly. Thread connection is simple and easy to disassemble. It has been widely used in aerospace， petrochemical， 5G communications， new energy vehicles， weapons， molds and other industries. With the continuous development of science and technology， the demand for thread connection is increasing day by day， so monitoring in the thread machining process is an important means of quality assurance. In order to ensure the long storage requirements of the equipment products with thread connection， the parts with threads will be treated with surface treatment， and the thread size will change after surface treatment. In order to use special thread gauges to complete the detection of each stage of thread processing， therefore， it is necessary to study and apply the thread detection parameters before and after surface treatment in order to control the processing quality of threads before and after surface treatment and correctly check whether the thread size before and after surface treatment is qualified.

Keywords： thread detection; parameter change; surface treatment; special thread measuring tool; thread type

航空航天、石油化工、5G通信、新能源汽車、兵器和模具制造等領域，均通過各部分零部件裝配而成，在各部分零部件的裝配過程中，最常見、簡便的聯結方式便是螺紋連接[1]。因此，螺紋的加工質量對各領域的產品而言非常重要。然而，零部件在生產過程中，由于長貯、外觀、性能等技術要求，需對各零部件進行表面處理，從而加大了螺紋加工過程中尺寸控制的難度和螺紋檢測的難度。

目前，各產品的螺紋檢測一般只關注成品螺紋檢測，即有表面處理要求的零部件，使用成品螺紋量規檢測表面處理后成品螺紋尺寸是否合格，屬于最終檢測方法，而螺紋加工的過程、表面處理前的螺紋檢測參數尚無研究，沒有明確其數值，無法實現加工過程中的螺紋尺寸檢測及螺紋加工過程中的質量控制。從而致使有表面處理層厚度要求的帶螺紋零部件良品率比較低，原材料、人工工時、設備利用的大量浪費，已成為完成此類零部件生產任務的瓶頸。因此，在產品的生產過程中，急需進行產品螺紋表面處理檢測參數的研究與應用。

1 螺紋檢測原理

螺紋的尺寸主要有螺紋大徑、螺紋中徑、螺紋小徑、螺距和牙型角等，常采用的檢測工具主要有專用螺紋量規（圖1）、光滑極限量規（圖2）、螺紋千分尺、游標卡尺或千分尺測長儀、三針法、輪廓儀、萬能工具顯微鏡、坐標測量機和二維螺紋量規掃描儀等[2]。

螺紋測量主要有單項測量和綜合測量2類[3]。單項測量法即使用不同測量方法獲取螺紋量規各項參數具體數值，但需要花費較長時間;綜合測量法即使用校對螺紋量規對被測量規進行旋合檢驗，便可判斷其合格與否，但無法獲得被測量規參數具體數值。

螺紋專用量規[4-5]檢測屬于螺紋的綜合測量方法，對螺紋的大徑、中徑、小徑、螺距和牙型角等實現綜合尺寸檢測。螺紋專用量規是依據被測零部件的螺紋的大徑、中徑、小徑、螺距和牙型角等尺寸，以及公差進行設計，主要實現了內、外螺紋的中徑尺寸、牙型角、螺距及其公差的檢測；外螺紋中徑尺寸還可以采用三針法或螺紋千分尺單項檢測法完成檢測；螺紋頂徑（內螺紋的小徑，外螺紋的大徑）檢測一般采用光滑極限量規進行檢測（圖2），也可以采用通用量規（游標卡尺、千分尺等）進行檢測。螺紋專用量規和光滑極限量規均有通規和止規，分別主要控制螺紋的中徑和頂徑的上極限尺寸和下極限尺寸[6]。

在螺紋的生產加工和應用過程中，螺紋中徑的大小決定了螺紋的配合質量和旋合性，且螺紋中徑的生產加工和檢測難度比較大，因此，重點進行螺紋中徑檢測參數的研究及應用。

螺紋中徑檢測方法主要采用專用螺紋量規進行檢測，外螺紋中徑也可以用三針法或螺紋千分尺檢測。由圖3內、外螺紋量規中徑的公差帶圖可知，專用螺紋量規的中徑的設計依據是內、外螺紋中徑的基本尺寸及其公差值、不同類型螺紋量規國家標準規定的設計公式，通過設計計算得出專用螺紋量規的中徑值及其公差值；三針法或螺紋千分尺檢測外螺紋中徑，檢測參數的依據為外螺紋的中徑值及其公差值。因此，針對有表面處理層厚度的零部件的專用螺紋量規設計及其螺紋尺寸的檢測，需明確表面處理前、后各階段的螺紋中徑值，才能有效控制表面處理前、后螺紋的尺寸及螺紋表面處理層的厚度。

因此，當產品圖樣要求有螺紋的零部件進行表面處理，且表面處理有厚度要求時（例如：表面處理要求Fe/EpZn 7.c2c，表示鋼鐵基體上電鍍鋅層厚度為7μm），按產品圖樣要求進行螺紋的加工、表面處理，最終要得到合格的零部件，需在螺紋的加工階段、表面處理前，提前對螺紋的加工參數進行控制。結合螺紋的檢測原理，需要研究表面處理前的螺紋檢測參數，并予以應用。

2 檢測參數研究

根據螺紋牙型的不同，螺紋可分為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋等，常見螺紋對應的牙型和牙型角見表1。三角形螺紋主要用于零部件的連接、密封，梯形螺紋、鋸齒形螺紋主要用于零部件的連接及動力傳動。螺紋的理想中徑處，牙型上的溝槽寬度值與牙型厚度值相等。

2.1 三角形螺紋檢測參數

普通三角形螺紋[7]的基本牙型是截取一定高度的原始正三角形，牙型角為60°、均分，適用于一般用途的機械緊固螺紋聯接，廣泛應用于各領域的產品連接。假設零部件表面處理層厚度要求為t，普通三角形螺紋中徑值將由d2變為d2′（外螺紋）或D2′變為D2（內螺紋），螺紋中徑尺寸理想變化情況及圖示分析如圖4所示。

根據圖示要求進行分析計算，可以得出：D2′-D2=d2′-d2=2×t/sin30°=4t，即普通三角形螺紋表面處理前螺紋中徑值與表面處理后螺紋中徑值的差值是表面處理層厚度的4倍，在進行普通三角形螺紋專用量規設計時，可以根據此參數進行螺紋專用量規的設計，用于控制普通三角形螺紋的加工質量。

2.2 梯形螺紋參數

梯形螺紋[8]的基本牙型為等腰梯形如圖5所示，梯形螺紋牙型角30°、均分，具有穩定的連接性能和安全性，在多領域都有廣泛的應用。假設零部件表面處理層厚度要求為t，梯形螺紋中徑值將由d2變為d2＇（外螺紋）或D2＇變為D2（內螺紋），螺紋中徑尺寸理想變化情況及圖示分析如圖5所示。

根據圖示要求進行分析計算，可以得出：D2＇-D2=d2＇-d2=2×t/sin15°≈7.7t，即梯形螺紋表面處理前螺紋中徑值與表面處理后螺紋中徑值的差值是鍍層厚度的7.7倍，在進行梯形螺紋專用量規設計時，可以根據此參數進行螺紋專用量規的設計，用于控制梯形螺紋的加工質量。

2.3 45°、3°鋸齒形螺紋參數

鋸齒形螺紋基本牙型為不等腰梯形，可以增強螺紋接頭的連接強度，增加連接的穩固度，廣泛應用于機械制造和汽車工業等領域，同時適用于產品壓強較大的螺紋連接處，如承受高鏜壓的發動機螺紋連接處，可以有效提高螺紋的連接強度。以45°、3°鋸齒螺紋為例，假設有45°、3°鋸齒螺紋[9]的零部件表面處理層厚度要求為t，其螺紋中徑值將由d2變為d2′（外螺紋）或D2′變為D2（內螺紋），45°、3°鋸齒形螺紋中徑理想變化情況及圖示分析如圖6所示。

根據圖示要求進行分析計算，可以得出：D2′-D2=d2′-d2=2×/×sin（66°+3°）≈4.6t，即45°、3°鋸齒形螺紋表面處理前螺紋中徑值與表面處理后螺紋中徑值差值約是鍍層厚度的4.6倍，在進行45°、3°鋸齒形螺紋專用量規設計時，可以根據此參數進行螺紋專用量規設計，用于控制45°、3°鋸齒形螺紋的加工質量。

同理，30°、3°鋸齒形螺紋的D2′-D2=d2′-d2=2××sin（73.5°+3°）≈6.8，即30°、3°鋸齒形螺紋表面處理前螺紋中徑值與表面處理后螺紋中徑值差值約是鍍層厚度的6.8倍，在進行30°、3°鋸齒形螺紋專用量規設計時，可以根據此參數進行螺紋專用量規設計，用于控制30°、3°鋸齒形螺紋的加工質量。

2.4 任意類型螺紋參數

假設任意類型（普通螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋，矩形螺紋除外）的螺紋表面處理層厚度要求是t，其螺紋中徑值由d2變為d2′（外螺紋）或D2′變為D2（內螺紋），任意類型的螺紋中徑理想變化情況及圖示分析如圖7所示。

根據圖示要求進行分析計算，可以得出：D2-D2′=d2′-d2=2××sin（+β）=2t·cos/sin（α+β≠0），即任意類型（普通螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋等）螺紋的表面處理前螺紋中徑值與表面處理后螺紋中徑值差值是表面處理層厚度的2·cos/sin倍，在進行任意類型的螺紋專用量規設計時，可以根據此結論參數進行專用螺紋量規設計，用于控制任意類型螺紋（普通螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋）的加工質量。

2.5 結論

任意類型的螺紋（普通螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋，矩形螺紋除外），表面處理前的螺紋中徑值可以依據以下的公式計算得出，用于表面處理前螺紋量規的設計及螺紋參數的檢測。

外螺紋：d2=d2′-2t·cos/sin；（1）

內螺紋：D2′=D2-2t·cos/sin。（2）

2.6 結論驗證

2.6.1 普通三角形螺紋參數驗證

根據普通三角形螺紋的基本牙型是截取一定高度的原始正三角形，可知普通三角形螺紋α=30°，β=30°，將其代入本文2.5結論公式中，D2-D2′=d2′-d2=2t·cos/sin=2t·cos0°/sin30°=4t，與本文2.1普通三角形螺紋中徑參數的計算結果一致。因此，驗證普通三角形螺紋表面處理前、后中徑參數變化情況的結論成立。

2.6.2 梯形螺紋參數

根據梯形螺紋的α=15°，β=15°，將其代入本文2.5結論公式中，D2-D2＇=d2＇-d2=2t·cos/sin=2t·cos0°/sin15°≈7.7t，與本文2.2梯形螺紋中徑參數的計算結果一致。因此，驗證梯形螺紋表面處理前、后中徑參數變化情況的結論成立。

2.6.3 45°、3°鋸齒形螺紋參數

根據45°、3°鋸齒形螺紋α=45°，β=3°，將其代入本文2.5結論公式中，D2-D2′=d2′-d2=2t·cos/sin=2t·cos21°/sin24°≈4.6t，與本文2.3鋸齒形（45°、3°）螺紋中徑參數的計算結果一致。因此，驗證45°、3°鋸齒形螺紋表面處理前、后中徑參數變化情況的結論成立。

2.6.4 30°、3°鋸齒形螺紋參數

根據30°、3°鋸齒形螺紋α=30°，β=3°，將其代入本文2.5結論公式中，D2-D2′=d2′-d2=2t·cos/sin=2t·cos13.5°/sin16.5°≈6.8t，與本文2.3鋸齒形（30°、3°）螺紋中徑參數的計算結果一致。因此，驗證30°、3°鋸齒形螺紋表面處理前、后中徑參數變化情況的結論成立。

因此，普通三角形螺紋、梯形螺紋、（45°、3°）鋸齒形螺紋、（30°、3°）鋸齒形螺紋的表面處理前、后螺紋中徑值變化統計情況見表2。

3 結束語

在實際生產過程中，普通三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋表面處理前、后參數變化值已大量應用于螺紋加工過程中，作為螺紋中徑的過程檢測參數、過程質量控制參數及專用螺紋量規的設計依據，有效地控制了有表面處理層厚度要求的螺紋零部件的加工質量，提高了產品生產良品率，減少了原材料、人工工時、設備使用等加工要素的浪費，保障了產品的裝配質量。

生產應用實踐證明，這是一種簡單、有效的普通三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋加工控制方法。

參考文獻：

[1] 陳汪林，李喆，黃勇浩，等.螺紋絲錐表面處理研究進展[J].表面技術，2023，52（10）：124-140.

[2] 崔永丹，禹靜，李紀珍，等.螺紋量規三維數字化計量模型參數計算及精度分析[J].電子測量與儀器學報，2023，37（7）：113-120.

[3] 何燕俠，劉振寧.淺析螺紋的幾種測量方法[J].汽車實用術，2016（4）：127-128.

[4] 普通螺紋量規 技術條件：GB/T 3934—2003[S].2003.

[5] 梯形螺紋量規 技術條件：GB/T 8124—2004[S].北京：中國標準出版社，2004.

[6] 周文玲，周渝明.互換性與測量技術[M].3版.北京：機械工業出版社，2010.

[7] 普通螺紋基本牙型：GB/T 192—2003[S].2003.

[8] 梯形螺紋：GB/T 5796—2002[S]2002.

[9] 鋸齒形螺紋的牙型和基本尺寸：GB/T 13576—1992[S].1992.