内螺纹测量方法研究

摘要：简要介绍了内螺纹的应用以及对内螺纹测量精度和高效性的要求，讨论了内螺纹测量的几种方法及效率和应用范围，分析了国内外内螺纹测量方法的发展现状，并对内螺纹测量方法发展趋势及新的测量方法进行了预测。

    内螺纹在机械工业中应用广泛，主要用途是紧固、密封、传递动力和位移，其制造水平对机械零件连接的可靠性、工作性能甚至正常功能的发挥都起着至关重要的作用[1]。由于内螺纹的内部结构形状比较复杂，内部空间相对来说比较狭小，测量时对测头的结构和大小都有严格的要求，同时需要系统有较高的定位精度，生产现场对内螺纹测量精度、高效性都有迫切性要求。因此，内螺纹的测量比较困难，国内、外在这方面的研究成果还远远不能满足工程需要，其研究尚具有很广阔的前景。分析和研究内螺纹测量方法不仅能使工程技术人员更好应用这些测量方法，还有助于找到新的测量方法，继而提升我国内螺纹检测水平。

1 内螺纹测量方法

1.1 内螺纹测量要求

    对于普通连接用内螺纹，是通过螺纹塞规的通止端来综合判断待检验螺纹是否合格，无法给出具体几何参数数值。国标主要规定的内螺纹检测参数有单一中径、小径、螺距和牙型半角，螺纹塞规可用来对各参数进行综合性检验。而对于塞规的测量国家标准[2]指出：对于单一中径的测量，宜采用测长仪和量针；对于小径的测量其测量器具主要有万能工具显微镜；对于螺距的测量其测量器具主要有万能工具显微镜和螺距仪；对于牙型半角的测量其测量器具是万能工具显微镜。

    石油管螺纹也是螺纹检测的重要组成部分，石油专用管螺纹是一种气密性良好、质量要求极高的专用螺纹。根据美国石油学会American Petroleum Institute（API）标准，石油管螺纹是带有一定锥度的螺纹，其主要测量参数是基面中径、基面中径圆锥锥度、螺距、螺纹牙侧角、齿高、紧密距，测量方法是量球法、影像法、量规法[3]。

    根据国标螺纹的分类，动力类内螺纹主要有矩形螺纹、梯形螺纹、滚珠丝杠螺纹之分。矩形螺纹是指牙型为正方形、牙厚为螺距的一半，传动效率较其

他螺纹高，其主要测量参数有螺距和中径，其主要测量方法是量球测量法[4]；梯形螺纹是指牙型为梯形、牙型角为α=30°，螺纹副的小径和大径处有相等的间隙，与矩形螺纹相比效率略低，但工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙，其主要测量方法是量球法和影像法；滚珠丝杠螺纹的牙型也是梯形螺纹，但是由于其传动效率高、灵敏度高、定位精度高、使用寿命长、可逆向传动等特点，其主要测量方式是量球法和影像法。

1.2 常用内螺纹测量检具

    内螺纹的综合性检测性量具是塞规检测，塞规是一种没有刻度的专用检验工具，它用于检验工件尺寸和形位误差，只能判断工件是否合格，而不能得出具体的测量数据[5]，此种方法使用方便，操作简单，可以在短时间内进行进行批量检验，具有很高的工作效率。

    对于内螺纹的单向参数检定常用的测量检具有量球、专用仪器等。内螺纹测量的量球测量借鉴外螺纹测量的三针法，可以实现普通螺纹、梯形螺纹、石油管螺纹等的内螺纹中径、牙型角、螺距参数的测量[6]，此种方法具有很高的测量精度和测量效率；专用测量仪器主要有千分尺、测长仪、光学比较仪。千分尺测量方法主要测量参数是内螺纹中径，此方法适用于内螺纹顶径大于M15 以上，精确度取决于千分尺、测球的精度和工件形状误差[7]，效率较高；测长仪所用的主要方法是量球法和侧规法，侧规法是一种比较测量法[8]，主要测出内螺纹中径及公差，测量精度较高，操作简单，效率较高；光学比较仪测量方法[9]一次可以测量出内螺纹中径、牙型角、螺距等多个参数，但是此方法安装复杂、技术要求高、引起误差因素比较多、测量精度不高。

1.3 内螺纹测量方法

1.3.1 综合测量法

    综合测量法是按照泰勒（Taylor）包容原则，采用通端螺纹量规检验螺纹制件的可旋合性，用止端螺纹量规检验中径单项的制造偏差，这样的检测方法统称综合检验，其主要反映螺纹使用性能的检验。对于内螺纹综合测量，采用塞规测量法，螺纹塞规是测量内螺纹尺寸的正确性的工具，此种测量方法是一种典型的综合测量法，用来检测内螺纹是否合格，测量不确定度可达到2.5μm，测量精度不是很高，只要符合一定的误差范围就可以，效率很高用起来很方便，实用性很好可以现场应用。

1.3.2 单项测量法

    单项参数检测法是指用计量工具或仪器对螺纹的每个参数进行独立测量。通过对各参数误差的分析，以进一步控制螺纹的参数指标，测量方法是接触法、非接触法。

（1）接触测量方法

    接触法主要是利用量球代替量针对内螺纹进行测量，量球测量法借鉴三针法测量外螺纹中径的原理，利用双球量杆测量内螺纹中径[10]。将双球杆深入内螺纹中（如图1 所示），在水平和垂直两个方向使量杆测球在径向剖面内与螺纹牙侧接触，然后移动量杆使其与另一边的牙侧进行接触，从而实现不同位置的中径尺寸测量和螺距测量，仪器移动距离为M，被测内螺纹中径D2 可以按下公式进行计算：

    此种测量方法，操作简单，使用方便，具有较高的测量精度和测量效率。

（2）非接触测量方法

1）光纤传感测量法

    这是一种基于光纤位移传感器的内螺纹参数非接触测量方法[11]。原理见图2、图3。

    如图2、3 所示，两光纤束间隔180°。对称放置并固定于探头内，探头在内螺纹内沿轴向移动。由激光光源发出的光耦合入发射照明光纤中，经被测表面反射后，由排列成同心圆结构的两路接收光纤同时接收反射光。传输的光通过光电接收器件及后续电路进行数据采集与处理。接收光纤输出光强与被测距离d 之间存在对应关系，该关系可通过标定获得。因此根据检测到的光强信号便得到探头光纤端面与被测表面间的距离d1、d2 的值。然后结合探头结构参数d0 及螺纹的基本牙型即可获得内螺纹的相关参数。若设D 为径向距离，则D = d0 + d1 + d2，分析可知：所测数据中D 值极小值的平均值Dave即为螺纹中径值；D1min +D2min +d0即为小径值；D1max +D2max +d0即为大径值。同时通过轴向移动所得的测量曲线，可实现对螺距及牙型的检测。

    此种测量方法基于光纤传感的内螺纹参数非接触测量方法，与传统方法相比具有原理直观、结构简单、数据处理方便、不存在测量损伤等优点，测量精

度可以达到0.001 mm，并且易于实现快速测量。

2）激光三角测量法

    激光三角测量法[12]应用广泛，具有很强实用性。原理图如图4 所示。

    如图4 所示，L1 和L2 是准直透镜，LD 为激光光源，通过成像原理可以计算出x 和x' 之间的关系。

    CCD 接受到x' 之后，会对数据镜像采集很分析，从而对内螺纹进行模拟和拟合，还可以通过测头部分光路的改进量从而实现对测量螺纹截面量的测量，根据扫描测得的数据，可以快速地得出内螺纹各个参数。

    此种测量办法具有非接触，高精度，容易控制等特点，此种方法的测量精度能达到0.008 mm，同时也可以应用于微小尺寸的高速测量。但是此测量方法也有不足之处，该方法受环境温度和被测物体表面特性的影响，在后期数据图像处理时要把影响因素考虑进去。

3）影像测量法

    影像法的主要原理是利用光截法。光截法[13]是利用棱镜与万能工具显微镜进行配合来测量内螺纹参数，它将内螺纹轮廓直接成像在万能工具显微镜分划板上，利用万工显微镜分划板直接读取内螺纹的螺距和牙型角。

2 内螺纹测量方法比较

    内螺纹的接触式综合测量，其主要目的是检验合格性，适合车间生产条件下成批的生产测量，检测效率高，在螺纹检测中占主导地位。但人为因素影响较大，量规的质量不易控制，经常出现争议的工作规判定，只能判断是否合格，而不能给出具体的螺纹几何参数值，只适用于一般准确度螺纹制件的检验。接触式单项参数检测法比较复杂，各项参数需要经过公式计算、补偿后才能得到，但测量效率不高，一次只能测量一个参数，并且不能反映各参数之间的综合关系，使螺纹存在质量隐患。而对于内螺纹非接触测量，尽管在各个方面有了很大的进步，但是内螺纹非接触测量测量效率不是很高，容易受到外界客观因素的影响，而且非接触式测量造价较高，所以非接触测量技术仍需改进。

    内螺纹各测量方法比较如表1 所示。

3 内螺纹测量方法发展趋势及新方法预测

    接触式测量是利用量球与被测螺纹表面进行轴向截面轮廓的接触扫描，由测量系统获得螺纹轴向轮廓的形貌，按螺纹参数的相关定义进行分析，计算获得螺纹的综合参数，其测量、计算完全符合螺纹参数的定义。接触式测量具有测量方法简单、准确度高、效率高、综合成本低等优点，是目前螺纹综合参数测量的发展趋势。

    非接触式测量检测技术的关键是获得螺纹形面测量数据，即测得螺纹轴截面牙型轮廓数据值，经数据处理获得相应螺纹参数。螺纹形面的测量采用光学测量方法很难实现精确测量，特别是对内螺纹参数的检测所需的测量探头设计，是目前螺纹牙型轮廓数据采集中难以攻克的技术难题，目前国内外尚未取得突破性进展。

    目前，国内外已在一些关键技术突破的基础上成功研发了高精度螺纹综合测量仪，最典型的代表是美国章森螺纹专业制造公司研制的内螺纹综合测量仪可以检测出内螺纹的各个参数，操作方便，测量精度高。高精度螺纹综合测量仪采用接触式螺纹测量方法，与传统测量方法和非接触式测量方法相比具有极大的优点和可行性，具有准确度高、使用方便、功能强等优点，对于内螺纹的测量具有很巨大的借鉴价值。

参考文献：

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[2] GB-T3934-2003，普通螺纹量规技术条件[S].

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