关于小尺寸圆柱螺纹塞规中径的测量方法探讨

关之浓，王永亮

(北京实验工厂，北京100076)

0 引言

螺纹校对塞规是检定螺纹环规用的标准量具，其中径、牙型半角和螺距是影响其性能的主要参数，其中螺纹中径更是检定规程中要求的必检项目之一，它是在螺纹使用中极为重要的参数。

在实际工作中，严格按照定义来测量牙间距和牙厚相等的地方的中径是比较困难的。因为一般量具和测具很难找到牙间距和牙厚相等的地方，为便于测量才引入单一中径的概念。在国家计量技术规范JJF 1345-2012中对于圆柱螺纹量规的单一中径规定了四种测量方法，分别是测长仪上三针法、万能工具显微镜上轴切法、坐标测量机测量和二维螺纹量规扫描仪测量［1-2］。

目前我所不具备后三种测量方法的设备，所以只能采用在测长仪上用三针法检定圆柱螺纹校对规的中径值，经分析该方法在检定标准螺距的大尺寸螺纹时的测量不确定度基本满足量值传递的要求。但是，对于公称直径小于M4以下的螺纹，在检定其中径值时，会出现重复性不好的问题，而且安装、操作都比较困难，因此如何更准确、便捷地检定小尺寸细牙圆柱螺纹校对塞规的中径值，是我们与大家共同探讨的问题。

1 测量方法

在测长仪上用三针法检定圆柱螺纹校对塞规中径的示意图如图1所示。

图1 三针法检定圆柱螺纹校对塞规中径的示意图

测量操作过程:调整两测头的平行，在工作台上安装上顶尖架，将被测螺纹规按图1所示水平放置在顶尖架上，三针竖直放入螺纹沟槽内，调整工作台位置在目镜内找拐点，上下调至最大值，水平调至最大值，左右旋转至最小值。三值合一，此时即可读出中经之M值，通过公式(1)换算即可得出中经值d2［3］。

式中:d0为三针直径;t为螺距。

用此种方法测量螺纹中径公差值在9μm以上的螺纹校对塞规比较合适。但是，按照GB/T3934-2003普通螺纹量具技术条件中的要求，对于公称直径小于M4以下6 h级的螺纹校对规，其中径公差值基本要求为6μm，3.8μm的测量不确定度显然不能满足量值传递的要求。分析检定M4的螺纹校对规中径的测量不确定度时，其中较大的误差来源是测量重复性和仪器找正误差，因此，在没有精度等级更高的三坐标等精密仪器的情况下，我们将探讨如何在检定操作时减小其安装、找正误差，以达到提高测量重复性和准确性的目的。

2 解决措施

2.1 总体思路

仔细分析检定操作过程，发现是被检螺纹遮挡住了操作者放置第三针时的视线，因此容易发生安放位置错误，造成测量错误的L值，最终影响螺纹中径的测量结果，如图2所示。

安放三针时，易产生被测尺寸与测量方向不平行，而使得每次测量读数差值较大。而且，竖直安放三针还要对径向、水平和扭转三个方向进行找正，引入的误差来源多。

检定螺纹塞规的中径时，为了确保操作者能完全看见三针的位置，保证其安放准确无误，最好的办法是将被检塞规竖直放置，三针沿着螺纹旋向方向依次水平插入，这样就不会出现安放位置误差。但是通常在万能测长仪上测量中，配备的标准安装固定的工具只有一对顶针，而且只能如图3所示水平放置。

图3 水平放置示意图

因此，为了解决上述的安装、找正问题，我们将从以下两个方面来考虑:

1)改变三针竖直安放的方向，确保操作者能完全看见三针的位置，保证其安放准确无误。

2)随着三针方向的变动，螺纹塞规也将改变方向，为此要想办法将螺纹塞规固定，保证安装稳定、牢靠。

鉴于以上考虑，我们考虑设计一套安装被测螺纹规的工装，我们所设计的工装主要作用是为了将螺纹量规竖直放置在测长仪的工作台上，使操作者在放置三针时可以正确地判断位置的正确与否。

2.2 设计工装

为了解决上述问题，设计制作了一套V型定位工装(平面度:0.003μm;V型槽的对称度:0.003μm;V型槽的垂直度:0.002μm)，如图4所示。

图4 V型定位工装

为了将螺纹量规竖直放置在测长仪的工作台上，使操作者在放置三针时能正确地判断放置位置的正确与否，在工装上设计了垂直与底面的V型槽，以方便适应不同尺寸的量规的安装，将被测螺纹量规用工装紧固夹板紧固在V型槽内，工装底座将工装与测长仪固定在一起，使测量更加稳定可靠。利用此套工装实际检定操作时的示意图见图5。

图5 操作示意图

测量过程:调整两测头的平行，在工作台上安装上自制工装并使用压板固定于工作台上，将螺纹规垂直放置在工装内，三针如图5所示位置垂直放入螺纹沟槽内，调整工作台位置，由于此时螺纹的沟槽面对操作者，故很容易将工作台调至最大直径，并很方便将三针正确地放入沟槽中，无需再通过目镜找拐点来确认是否在最大直径上，水平方向调至最大值，由于测头平行已调整过，故此时水平方向无需调整，此时即可读出中经之M值，通过公式(1)换算即可得出中径值d2。

3 测量结果与分析

3.1 两种测量方法的实验数据

现以检定M1.4-6h-TZ的中径值为例，对被测工件分别用两种方法进行测量，每种方法各测量10次。测量结果见表1。

表1 两种测量方法给出的测量结果

3.2 测量结果的不确定度分析

以检定M1.4-6h-TZ的中径值为例，分析其测量不确定度。

1)万能测长仪示值误差引入的不确定分量u1

2)仪器找正误差引入的不确定分量u2

3)测量重复性引入的不确定分量u3

采用常规方法对被测量连续测量10次，求出标准偏差s，有

由表1数据，使用工装前:u3=1.7μm;使用工装后:u3=0.8μm。

4)三针示值误差引入的不确定分量u4

5)合成标准不确定度uc和扩展不确定度U使用工装前，可得

使用工装后，可得

由于M4以下6 h级螺纹量规的公差要求普遍在6μm左右，因此使用工装后，2.1μm的测量不确定度能够满足量值传递的要求。

3.3 测量方法与结果比对

两种测量方法的特点及依据测量结果和不确定度分析得到的结果如表2所示。通过比较可知，使用工装后的结果明显好于使用工装前。

表2 方法和结果比较

4 结束语

综上所述可得出:采用新的测量模式后，不但可以满足量值传递的要求，避免了检定时，由于被检螺纹的安装、找正误差影响了测量结果的准确性，同时此模式使操作变得更加简单易行，不仅提高了螺纹量规的测量准确度，而且极大地提高了检定效率，减少了误判、退货、返工的几率，此工装完全满足小尺寸圆柱螺纹塞规及相应工件的测量要求。

［1］国家质量技术监督检验检疫总局.GB 3756-99测量不确定度的表示与评定［S］.北京:中国计量出版社，1999.

［2］国家质量技术监督检验检疫总局.JJF 1345-2012圆柱螺纹量规校准规范［S］.北京:中国计量出版社，2012.

［3］国防科工委科技与质量司.几何量计量［M］.北京:原子能出版社，2002.