關于小尺寸圓柱螺紋塞規中徑的測量方法探討

關之濃，王永亮

(北京實驗工廠，北京100076)

0 引言

螺紋校對塞規是檢定螺紋環規用的標準量具，其中徑、牙型半角和螺距是影響其性能的主要參數，其中螺紋中徑更是檢定規程中要求的必檢項目之一，它是在螺紋使用中極為重要的參數。

在實際工作中，嚴格按照定義來測量牙間距和牙厚相等的地方的中徑是比較困難的。因為一般量具和測具很難找到牙間距和牙厚相等的地方，為便于測量才引入單一中徑的概念。在國家計量技術規范JJF 1345-2012中對于圓柱螺紋量規的單一中徑規定了四種測量方法，分別是測長儀上三針法、萬能工具顯微鏡上軸切法、坐標測量機測量和二維螺紋量規掃描儀測量［1-2］。

目前我所不具備后三種測量方法的設備，所以只能采用在測長儀上用三針法檢定圓柱螺紋校對規的中徑值，經分析該方法在檢定標準螺距的大尺寸螺紋時的測量不確定度基本滿足量值傳遞的要求。但是，對于公稱直徑小于M4以下的螺紋，在檢定其中徑值時，會出現重復性不好的問題，而且安裝、操作都比較困難，因此如何更準確、便捷地檢定小尺寸細牙圓柱螺紋校對塞規的中徑值，是我們與大家共同探討的問題。

1 測量方法

在測長儀上用三針法檢定圓柱螺紋校對塞規中徑的示意圖如圖1所示。

圖1 三針法檢定圓柱螺紋校對塞規中徑的示意圖

測量操作過程:調整兩測頭的平行，在工作臺上安裝上頂尖架，將被測螺紋規按圖1所示水平放置在頂尖架上，三針豎直放入螺紋溝槽內，調整工作臺位置在目鏡內找拐點，上下調至最大值，水平調至最大值，左右旋轉至最小值。三值合一，此時即可讀出中經之M值，通過公式(1)換算即可得出中經值d2［3］。

式中:d0為三針直徑;t為螺距。

用此種方法測量螺紋中徑公差值在9μm以上的螺紋校對塞規比較合適。但是，按照GB/T3934-2003普通螺紋量具技術條件中的要求，對于公稱直徑小于M4以下6 h級的螺紋校對規，其中徑公差值基本要求為6μm，3.8μm的測量不確定度顯然不能滿足量值傳遞的要求。分析檢定M4的螺紋校對規中徑的測量不確定度時，其中較大的誤差來源是測量重復性和儀器找正誤差，因此，在沒有精度等級更高的三坐標等精密儀器的情況下，我們將探討如何在檢定操作時減小其安裝、找正誤差，以達到提高測量重復性和準確性的目的。

2 解決措施

2.1 總體思路

仔細分析檢定操作過程，發現是被檢螺紋遮擋住了操作者放置第三針時的視線，因此容易發生安放位置錯誤，造成測量錯誤的L值，最終影響螺紋中徑的測量結果，如圖2所示。

安放三針時，易產生被測尺寸與測量方向不平行，而使得每次測量讀數差值較大。而且，豎直安放三針還要對徑向、水平和扭轉三個方向進行找正，引入的誤差來源多。

檢定螺紋塞規的中徑時，為了確保操作者能完全看見三針的位置，保證其安放準確無誤，最好的辦法是將被檢塞規豎直放置，三針沿著螺紋旋向方向依次水平插入，這樣就不會出現安放位置誤差。但是通常在萬能測長儀上測量中，配備的標準安裝固定的工具只有一對頂針，而且只能如圖3所示水平放置。

圖3 水平放置示意圖

因此，為了解決上述的安裝、找正問題，我們將從以下兩個方面來考慮:

1)改變三針豎直安放的方向，確保操作者能完全看見三針的位置，保證其安放準確無誤。

2)隨著三針方向的變動，螺紋塞規也將改變方向，為此要想辦法將螺紋塞規固定，保證安裝穩定、牢靠。

鑒于以上考慮，我們考慮設計一套安裝被測螺紋規的工裝，我們所設計的工裝主要作用是為了將螺紋量規豎直放置在測長儀的工作臺上，使操作者在放置三針時可以正確地判斷位置的正確與否。

2.2 設計工裝

為了解決上述問題，設計制作了一套V型定位工裝(平面度:0.003μm;V型槽的對稱度:0.003μm;V型槽的垂直度:0.002μm)，如圖4所示。

圖4 V型定位工裝

為了將螺紋量規豎直放置在測長儀的工作臺上，使操作者在放置三針時能正確地判斷放置位置的正確與否，在工裝上設計了垂直與底面的V型槽，以方便適應不同尺寸的量規的安裝，將被測螺紋量規用工裝緊固夾板緊固在V型槽內，工裝底座將工裝與測長儀固定在一起，使測量更加穩定可靠。利用此套工裝實際檢定操作時的示意圖見圖5。

圖5 操作示意圖

測量過程:調整兩測頭的平行，在工作臺上安裝上自制工裝并使用壓板固定于工作臺上，將螺紋規垂直放置在工裝內，三針如圖5所示位置垂直放入螺紋溝槽內，調整工作臺位置，由于此時螺紋的溝槽面對操作者，故很容易將工作臺調至最大直徑，并很方便將三針正確地放入溝槽中，無需再通過目鏡找拐點來確認是否在最大直徑上，水平方向調至最大值，由于測頭平行已調整過，故此時水平方向無需調整，此時即可讀出中經之M值，通過公式(1)換算即可得出中徑值d2。

3 測量結果與分析

3.1 兩種測量方法的實驗數據

現以檢定M1.4-6h-TZ的中徑值為例，對被測工件分別用兩種方法進行測量，每種方法各測量10次。測量結果見表1。

表1 兩種測量方法給出的測量結果

3.2 測量結果的不確定度分析

以檢定M1.4-6h-TZ的中徑值為例，分析其測量不確定度。

1)萬能測長儀示值誤差引入的不確定分量u1

2)儀器找正誤差引入的不確定分量u2

3)測量重復性引入的不確定分量u3

采用常規方法對被測量連續測量10次，求出標準偏差s，有

由表1數據，使用工裝前:u3=1.7μm;使用工裝后:u3=0.8μm。

4)三針示值誤差引入的不確定分量u4

5)合成標準不確定度uc和擴展不確定度U使用工裝前，可得

使用工裝后，可得

由于M4以下6 h級螺紋量規的公差要求普遍在6μm左右，因此使用工裝后，2.1μm的測量不確定度能夠滿足量值傳遞的要求。

3.3 測量方法與結果比對

兩種測量方法的特點及依據測量結果和不確定度分析得到的結果如表2所示。通過比較可知，使用工裝后的結果明顯好于使用工裝前。

表2 方法和結果比較

4 結束語

綜上所述可得出:采用新的測量模式后，不但可以滿足量值傳遞的要求，避免了檢定時，由于被檢螺紋的安裝、找正誤差影響了測量結果的準確性，同時此模式使操作變得更加簡單易行，不僅提高了螺紋量規的測量準確度，而且極大地提高了檢定效率，減少了誤判、退貨、返工的幾率，此工裝完全滿足小尺寸圓柱螺紋塞規及相應工件的測量要求。

［1］國家質量技術監督檢驗檢疫總局.GB 3756-99測量不確定度的表示與評定［S］.北京:中國計量出版社，1999.

［2］國家質量技術監督檢驗檢疫總局.JJF 1345-2012圓柱螺紋量規校準規范［S］.北京:中國計量出版社，2012.

［3］國防科工委科技與質量司.幾何量計量［M］.北京:原子能出版社，2002.