《測量螺紋用米制系列量針》國際標準介紹及分析

李曉濱 茅振華 陳向磊

（1. 中機生產力促進中心，北京 100044；2. 浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018；3. 浙江時代計量科技有限公司，浙江 常山 324200）

螺紋聯結涉及幾乎所有機械工業產品。螺紋質量檢驗主要依靠螺紋量規。保證螺紋量規合格性是重要的工業技術基礎。螺紋量針是測量螺紋塞規中徑的主要手段。螺紋兩針和三針跨線測量法具有測量精度高、操作性好、較經濟等特點，是螺紋產品質量控制體系中的重要環節。工業國家對此都比較重視，許多國家制訂有螺紋量針國家標準。2013年前，各國螺紋量針技術體系不同（直徑、公差項目、檢驗方法、升角和測力修正），世界上一直沒有螺紋量針國際標準。這是世界機械制造基礎技術領域的一個缺失，給全球機械產品貿易和技術交流帶來技術隱患。

2004年，中國承擔ISO國際螺紋技術委員會（ISO/TC1）秘書處，中國開始主導國際螺紋標準化工作。2010年1月，中國提出制訂螺紋量針國際標準申請。該申請獲得主要工業國家支持，中國專家擔任螺紋量針國際標準制訂工作的項目召集人和標準起草人（本文作者）。經過艱苦努力，中國專家在螺紋量針的直徑系列、公差項目和檢測方法等方面都有技術創新，糾正過去世界螺紋領域長期存在的許多技術誤區。工業國家量針標準在這些技術誤區都犯過錯，新國際標準能夠得到工業國家的一致肯定是很不易的。2013年10月，螺紋量針國際標準全票通過；2013年11月，ISO 16239:2013《測量螺紋用米制系列量針》正式發布。該標準的技術水平已經處于國際領先。

1 標準的適用范圍

螺紋量針國際標準適用于具有對稱牙型、標準規格系列的螺紋。它包括世界上所有常用螺紋。緊固螺紋有普通螺紋（M）和統一螺紋（UN）；管螺紋有惠氏管螺紋（G、R）和美國密封管螺紋（NPT、NPSC、NPTF）；梯形螺紋有米制梯形螺紋（Tr）。這些常用螺紋具有以下參數特征：對稱牙型，牙型角有60°、55°和30°共3種；螺紋升角不大于5°；螺紋錐度不大于1/16。考慮到測量精度和實際可操作性，螺紋量針主要用于測量螺紋塞規的中徑尺寸。

非對稱牙型螺紋主要指鋸齒形螺紋，其承載牙側角遠遠小于非承載牙側角。例如米制鋸齒形螺紋（B）的承載和非承載牙側角分別為3°和30°。因非對稱螺紋的承載牙側角與非承載牙側角差異較大，螺紋量針與承載牙側和非承載牙側無法同時在中徑線位置接觸。非對稱螺紋不存在“最佳量針”。這是對稱牙型螺紋與非對稱牙型螺紋量針的主要不同。目前，工業國家在確定非對稱螺紋量針直徑方面存在較大分歧。主要有下面3種量針直徑確定方法：一是量針只與承載牙側在中徑線處接觸，或者量針只與非承載牙側在中徑線處接觸（兩種方案有不同側重：前者側重承載牙側是工作牙側；后者側重非承載牙側角對中徑測量影響較大）（例如英國標準BS 1657:1950《鋸齒螺紋》）；二是量針與承載和非承載牙側的接觸點分別處于中徑線的兩側，兩個接觸點到中徑線的徑向距離相等（例如歐盟認可合作組織指南EA-10/10:1999《用機械測頭確定圓柱螺紋量規中徑指南》）；三是量針與承載和非承載牙側的接觸點分別處于中徑線的兩側，兩個接觸點到中徑線的徑向距離之比符合規定比例（例如1978版美國聯邦螺紋標準手冊FEDSTD-H28/附錄A13《用三針法測量愛克母和鋸齒螺紋中徑》）。中國專家對上述3種傳統方法都不滿意，認為應該按照牙側角誤差影響最小原則、利用計算公式重新建立各種非對稱螺紋量針直徑的確定方法。因螺紋量針國際標準已經納入足夠多的新技術內容，并要在規定期限內完成標準制訂任務，本國際標準沒有包含非對稱螺紋量針部分。

2 量針直徑系列

國際標準給出的 “最佳量針”定義為：與具有零升角假想螺紋在中徑圓柱（牙側）處接觸的量針。與此定義相對應的對稱牙型、圓柱螺紋最佳量針直徑計算公式為：

式中：P為螺距；α/2為牙側角。

因實際螺紋產品上的螺紋升角不為零，上述為最佳量針及其直徑的近似定義和公式。

美國、英國、日本和俄羅斯的普通螺紋（M）量針直徑系列見表1。它們基本采用最佳量針直徑，只有日本有6個直徑。采用最佳量針直徑是世界螺紋量針的主流，本國際標準所規定的量針直徑系列均為最佳量針直徑。

美國螺紋量針直徑的基本尺寸保留5位小數，英國和日本量針直徑的基本尺寸保留4位小數。這不符合機械行業米制量規直徑基本尺寸保留3位小數（微米級）慣例。美國、英國和日本堅持超常規地多保留量針直徑基本尺寸位數作法，源于量針直徑的準確性對跨線測量螺紋中徑精度影響較大。例如對60°牙型角的對稱、圓柱螺紋，其螺紋中徑近似計算公式為：

式中：MW為跨線測量的跨距；P為螺距；w為量針直徑。

表1 美國、英國、日本、俄羅斯的普通螺紋（M）量針直徑系列（單位：mm）

從公式（2）看到，量針直徑誤差會以3倍方式反映到螺紋中徑測量結果中。為說服美、英、日3國放棄其直徑的多位數作法，中國專家在世界上首次提出對稱牙型、圓柱螺紋的最佳量針直徑精確計算方程組（考慮升角因素）。

式中：Ph為導程；P為螺距；d2為中徑；d0為最佳量針直徑；α/2為牙側角（弧度）；

θ為θ平面（過量針與牙側的一個切點和螺紋軸線的平面）與測量方向平面（過螺紋軸線、平行測量方向的平面）的夾角（弧度）；

ω為過切點的量針徑向直線與θ平面的夾角（弧度）。

利用迭代法計算最佳量針直徑的精確值。標準單線普通螺紋（M）最佳量針直徑的精確與近似值比較見表2。從表2可知，有近半數的最佳量針直徑差異發生在第3位小數。美、英、日3國的超多位數作法是沒有依據的。國際標準內的最佳量針直徑只保留3位小數。

為方便計算，本國際標準內的最佳量針及其直徑仍然采用近似定義和公式。

德國沒有專門的螺紋量針國家標準，它用一般幾何參數測量的通用量針標準（DIN 2269:1998《幾何參數檢驗—圓柱測量針》）來兼顧螺紋量針。該標準資料性附錄B給出兩個螺紋量針系列。表B1為螺紋最佳量針直徑系列；表B2為蔡司公司（Zeiss）的螺紋量針直徑系列，它與最佳量針直徑系列有較大差異。德國正處于新、舊螺紋量針系列過渡期。蔡司直徑系列是德國過去使用的螺紋量針系列；最佳量針系列是世界螺紋量針的主流。因這些信息屬于參考信息，表1沒有列出德國螺紋量針直徑的雙系列。

中國有螺紋量針國家標準（GB/T 22522-2008《螺紋測量用三針》）。該標準資料性附錄給出螺距與量針直徑的對應關系。它不是最佳量針，而且一個量針直徑可能要兼顧不同螺紋的幾個螺距（或牙數）。中國量針直徑個數較少。因中國量針直徑與螺距對應關系僅為參考信息，它也沒有列入表1。

瑞典有螺紋量針國家標準（SS 1744-1988《用量針檢驗螺紋》）。其量針直徑系列源于VOLVO汽車公司。瑞典為減少量針直徑個數，其標準量針直徑的基本尺寸僅保留兩位或一位小數，個別直徑甚至取為整數。瑞典量針不是最佳量針。因瑞典量針直徑的位數過少，與其他國家相差較大，表1沒有列入瑞典螺紋量針直徑。

3 量針公差

3.1 基本情況主要工業國家螺紋量針的直徑和形狀公差比較見表2。

相對于量針公稱直徑，各國規定了量針直徑的極限偏差。為在一套量針內的不同量針間和一個量針的不同位置取得更加一致的直徑，美國、日本、英國、德國和中國又規定了限制更嚴的最大允許直徑變化量或差異量。量針實際直徑相對于量針公稱直徑的差異可以大些，因為測量精度要求高時可以進行相應修正。而量針之間的直徑差異量和一個量針不同位置的直徑變化量會影響中徑測量不確定度，這是無法修正的，對此要嚴加控制。目前，瑞典和俄羅斯還沒有認識到區分這兩種不同直徑公差的重要性，其標準內只規定了量針直徑的極限偏差。另外，有些國家用單只量針的“平均直徑”計算量針與公稱直徑間以及不同量針間的直徑差異量。中國專家認為這不利于嚴格控制量針直徑尺寸，會放松有關技術要求。

國際標準規定了兩套不同公差：相對于公稱直徑的極限偏差和不同量針間及量針自身不同位置處的最大允許直徑變化量。

中國螺紋量針國家標準規定了兩套沿軸線方向允許直徑變化的公差值。一個是較嚴的公差，如上所述；另一個以“錐度公差”方式給出較松公差（在公稱直徑極限偏差范圍內）。此“錐度公差”方式類似于瑞典和俄羅斯的較松公差體系，它是中國標準的一個技術失誤。

過去，世界普遍認為螺紋量針的形狀誤差對螺紋中徑測量影響較大，量針標準都有形狀公差要求。測量形狀誤差要用專用設備和采集大量數據。不但要花費大量檢測時間，購買專用形狀測量儀器也大大增加成本。這是許多工業國家的錯誤認識，實際生產中也是行不通的。計量部門往往調低或取消螺紋量針的形狀檢測要求，導致許多國家量針參數要求與實際檢測方法不相協調，經常發生螺紋量針檢測爭議。在起草國際標準中，中國專家花費大量精力甄別各國實際真正執行的量針公差項目。例如，美國螺紋量針標準使用錐度（taper）和圓度（roundness）術語規定量針公差。與美國國家標準院（NIST）螺紋測量專家核實，這兩個幾何形狀術語與螺紋量針的形狀要求沒有關系（但美國生產廠家的認識還不統一）。量針公差術語混亂與歷史上的術語習慣有關。實際上這兩個術語分別對應沿軸線方向和沿圓周方向的直徑變化量。中國標準錯誤出現“錐度公差”要求可能與此術語有關。

表2 主要工業國家螺紋量針公差比較

3.2 量針直徑的測量條件

英國、德國、中國、瑞典和俄羅斯的螺紋量針直徑測量條件是：測力較小，測量時量針沒有大的變形。在這些國家，測量量針直徑時不考慮螺紋中徑測量中的變形修正問題。國際標準采用了這種小測力量針直徑測量法。

美國和日本的量針直徑是在特定條件下測量的。要使用特制的輔助測量棒和施壓圓盤、特定的大測力。螺紋量針直徑是在有較大變形條件下測量的。美國和日本要模擬測量螺紋中徑時所發生的螺紋量針變形量，從而在螺紋中徑測量時不再考慮量針變形修正。這種變形修正方法源于大量試驗驗證數據。這種方法可補償中徑測量所發生變形量中的大部分，但無法做到變形量的準確補償。

3.3 圓周方向直徑變化量的測量方法

控制圓周方向的直徑變化，美國、日本和英國允許在60°V形槽內旋轉量針，測量量針最高點的垂直方向變化量。此方法不但比較接近用量針測量螺紋中徑的工作狀態，而且它比測量圓度誤差更易實現。德國和中國則不同，他們仍然堅持控制圓度公差。

圓度公差是兩個同心圓的半徑差，它與圓周方向的直徑變化量差異較大。直徑變化量是半徑變化量的兩倍。德國沒有注意此差異，其直徑最大允許變化量與圓度公差取值相同。要使兩者相互協調，圓度公差值應取最大允許直徑變化量的一半。這是德國標準的一個失誤。中國螺紋量針標準的公差體系來源于德國，此錯誤在中國標準內同樣存在。

美國要對60°V形槽內轉動量針所產生的行程值除以1.5。通過此修正，得到量針的直徑變化量。日本標準沒有行程測量值修正步驟，其實際圓周方向的直徑變化量要比規定公差（0.5 μm）控制得要嚴。英國沒有明確其行程測量值是否修正，要靠測量操作者自己判別。中國要對60°V形槽內轉動量針所產生的行程值除以3，得到量針的半徑變化量（圓度公差）。在世界范圍內，這里極易引發技術糾紛。在起草國際標準期間，美國廠家發生量針修正爭議，來信咨詢中國專家。

本國際標準明確規定采用60°V形槽檢測法和除1.5的修正方式。

美國螺紋量針標準規定了兩種測量沿圓周方向直徑變化量方法。除60°V形槽測量外，另一種方法是使用專業的圓度測量儀。為照顧老產品，美國標準還沒有刪除過去使用的圓度儀法。兩種方法的檢驗結果不同，極易引發檢測爭議。為此，美國標準（ASME B1.2-1983附錄B）《統一寸制螺紋量規及檢驗》已經刪除圓度儀測量法。美國國家標準局的《測量螺紋量針》研究報告（NBS REPORT ON THE MEASUREMENT OF THREAD MEASURING WIRES，1973年，報告編號10987）也刪除了圓度儀測量法。

中國螺紋量針計量規范也規定了兩種圓度檢測方法：60°V形槽法和圓度儀法。

規定量針圓度公差是不對的。德國出現圓度要求是因為德國只有用于一般幾何參數測量的通用量針標準，沒有專門的螺紋量針標準。而一般幾何參數測量用通用量針是有圓度要求的。這個圓度公差被錯誤地帶到德國螺紋量針產品上。中國量針國家標準是由通用量具量儀標準委員會（SAC/TC132）制訂的，由于不了解螺紋量針和量規的設計要求。導致中國螺紋量針標準采用德國公差體系，中國絕大多數螺紋量規標準也存在嚴重技術問題。

3.4 直線度公差

英國和中國標準有量針母線的直線度要求。一般采用透光法檢驗。標準螺紋的升角不大，量針與螺紋牙側接觸的軸向長度很短，所以要求直線度公差是沒有必要的。另外，細量針容易彎曲，要求直線度也不現實。細量針要在施加壓力后才會變直，可中國標準沒有規定施加壓力這個必要的測量條件。

除透光法外，中國計量規范還規定可用輪廓儀測量量針母線的直線度。中國計量部門應該已經看到中國透光測量法所存在的局限性。

國際標準沒有形狀公差要求，只規定有量針直徑的尺寸公差。在世界上首次還原螺紋量針真實的技術要求。為避免檢驗糾紛，國際標準還規定了具體的量針軸向和周向測量位置。

4 量針工作表面

主要工業國家螺紋量針工作表面的硬度和粗糙度要求見表3。

表3 主要工業國家螺紋量針工作表面的硬度和粗糙度要求

使用兩種硬度單位（HRC、HV）的國家個數相同。因HV硬度單位更加適合小試驗力的量針表面，國際標準采用HV硬度單位，并且規定試驗力為5 kgf。

絕大多數國家控制表面粗糙度Ra指標（表面輪廓的算術平均偏差）。這個指標對不同表面反應不夠敏感，它是所有峰值的平均。對量針，表面峰值對螺紋中徑測量影響較大。為此，國際標準選擇Rz作為表面粗糙度指標（表面輪廓的最大高度）。

5 總結

本國際標準在世界上首次統一了螺紋量針的直徑系列、公差項目及其測量方法、表面質量等重要技術參數。特別在直徑和公差方面，糾正了長期過多保留公稱直徑位數和誤用形狀公差的混亂局面。國際標準的技術水平處于世界領先。同時，國際標準大大降低了螺紋量針的生產成本。國際標準頒布后，英國立即等同采用了本國際標準（BS ISO 16239:2013）；2014年，美國螺紋委員會啟動修訂美國螺紋量針國家標準工作。

中國螺紋專家在起草螺紋量針國際標準中發揮了巨大作用，得到發達國家專家的一致肯定。可是，在世界上中國的量針標準卻比較落后，存在很多技術錯誤。中國螺紋標準委員會（SAC/TC108）不歸口中國的螺紋量規和量針國家標準是出現這些問題的根源。螺紋委員會能制訂螺紋量規和量針國際標準，但不能制訂對應的中國標準。世界上沒有任何其他國家存在這種螺紋標準化錯位管理體系。希望我國標準化管理體制在今后的調整和改革中，能夠盡快解決此難題。

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