圆柱螺纹量规检测方法分析

张巳东 张国良

摘要：在机械制造中常见螺纹量规检测，作为控制螺纹产品质量的重要依据。基于此，本文先分析了螺纹量规检测的重要性，然后详细分析了螺纹量规检测方法。以期使用合适方法提高检测精度，满足机械生产的实际需要。

关键词：圆柱螺纹;量规检测;三针测量法

引言：螺纹量规用于检测螺纹综合误差，操作方便，广泛应用于机械制造中。在机械制造中针对螺纹量规检测是判断螺纹精度的重要指标，通过对螺纹单一中径测量，评估螺纹的制造精度，代表着我国机械制造的生产水平和产品质量。因此针对螺纹量规的检测意义重大，需要进行针对性研究。

一、圆柱螺纹量规检测的重要性

我国是世界前列的制造大国，尤其是机械制造行业，在我国工业和经济中占据重要位置，对于我国就业和社会的贡献巨大。在机械制造行业中，螺纹制件十分常见，在机械制造中也发挥着重要作用，螺纹制造精准度可以代表我国工业制造的水平，是决定我国制造工业优势的关键。尤其是在螺纹生产中，热处理后可能造成螺纹变形，或者精磨工序时间过长，都会影响螺纹直径和设计尺寸差异过大，造成精度降低，难以满足客户对于尺寸精度的要求。如今越来越多国际贸易在我国开展，其他国家的量规也开始进入我国市场，造成螺纹制件明显增多。不同国家的牙型、种类以及标记等位置存在明显差异，很难互换，造成生产检测的难度升级，也对螺纹制造精度提出了更高的要求。目前在螺纹量规检测上，我国仍然使用三针法进行测量，使用高效精准的测量方法更有利于节约生产时间，提高检测精度。相比于其他检测方法，三针法具有丰富的检测经验，操作相对简单，且精度良好，可以满足螺纹量规检测的要求。

二、圆柱螺纹量规检测方法

（一）三针测量法

三针测量是最为常见一种精密测量方法，作为间接接触测量，使用测长仪进行测量，按照螺纹螺距选择三针放入牙槽内，保证三针和螺纹中径相切，通过计算可以获得中径。如下图所示为中径测量图，螺纹单一中径的计算公式为：d=M-（3d0-0.866P），牙型角为60°，其中d0为三针直径，d为单一中径，螺距为P。

（二）螺纹千分尺测量法

使用螺纹千分尺测量单一中径，精度较低，在量规加工过程中较为常见，可以确定螺纹中径磨削余量[1]。测量时受到角度误差的影响，甚至误差可以达到0.5mm左右，需要对测量过程严格控制，谨慎使用。要根据被测螺纹的螺距选择合适的测量头，安装在千分尺两侧进行测量。注意充分考虑到牙型和螺距误差造成的影响，从而控制误差，提高测量的精度。但由于影响因素多，控制难度高，很难有效实现精度的控制。

（三）综合测量仪

随着科技的发展，近年来螺纹综合测量仪应用于测量工作中，提高了外螺纹的检测精度和效率显著提高。其利用螺纹测量仪高精度轴承驱动探针和螺纹接触扫描，使用高精度进口光栅测量记录扫描过程，用计算机系统合成二维数据，按照螺纹参数分析计算获得螺纹中径。

（四）优劣势分析

使用螺纹千分尺进行螺纹量规中径的测量，测量的精度相对较差，受到的影响因素较多，需要谨慎使用。使用三针法测量具有较高精度，但是操作相对复杂，需要花费较长的时间进行测量。且存在螺距以及牙型角的影响，存在一定误差。螺纹综合测量仪进行量规的测量，能够一次测量出螺距以及牙型角，测量精度高，效率高，时间短，更符合螺纹量规的校准，建议优先选择综合测量仪。但是由于设备精密，成本较高，对于经济条件的要求高，需要有技术人员掌握操作方法，正确使用。

三、三针测量法在圆柱螺纹量规检测中的应用

（一）测量原理

使用三针法测量主要利用专用量仪或量距进行测量，设备集合了电子技术、机械、光学等技术，具有精度高、效率高的优势，是一种强大的三维测量设备。该测量设备的应用大幅提高了检测的效率，测量结果更加准确。根据探头和工作台情况安装探针。首先需要安装大探针装配为Z型，采集端面以及圆元素建立坐标系。在坐标系内，使用三角函数公式进行坐标值以及长度的计算。并通过设备扫描功能测量牙侧面各个点的坐标数值，使用最小二乘法进行拟合为3D线，使用三针法测量，利用对称功能可以获得真实的中经线，将中经线拟合为圆柱，进行量规中经值的测量。

（二）检测方法

安装探针，对被测量规进行清洗，固定安装在工作台上，若测量机为固定探头，无法旋转工作台，可以装配Z型探针，使用小直径探针装配成十字型，对X、Y两个截面进行测量。从螺纹第一牙一直测量至最后一牙，测量3牙以上。建立坐标系使用量规端面和内圆建立坐标系，由于螺纹量规是回转体，螺纹牙型差异较大，需要进行自动化测量，确定起始点十分关键。找到最小x数值，移动Z轴至螺距一半。在牙顶点建立坐标系，进行牙面和坐标的长度，并对结果进行处理。

在牙型对称援助螺纹母线上，上牙和下牙侧面的测量长度在一点相交，使用坐标机进行定位，在牙顶任意位置进行测量，顺沿Z轴向下移动至中径的一半。自定心測量缓慢滑入牙槽，直到接触点均匀受力，采集点元素。根据在X轴上自定心和圆心的差，可以利用三角函数进行计算，得到定点到牙顶距离。

计算中径，通过对母线上所有侧面点元素进行扫描，将其拟合成上牙、下牙侧面直线，圆柱和直线夹角为牙侧角，将牙侧面直线做对称，对称线和侧面直线相交，使用交点拟合3D线，这条线就是中径线，将中径线拟合为圆柱，圆柱直径作为螺纹中径[2]。中径为螺纹轴向的横截面内牙上沟槽和宽度相等的圆柱直径，如果中径沟槽和凸起宽度不相同，不能使用对称线的方法进行中径的计算。计算螺距，经过对中径的计算，在同一母线上，所有上牙侧面直线和中径线相连接，交点的Z坐标相减，可以获得螺距值。

（三）确定三针直径

根据公式d0=P/（2cosα/2）可以计算得到最佳三针直径，避免牙型误差影响到检定结果准确性，探针和牙侧面接触点位于中径上。测量中，由于螺纹量规具有较多规格以及种类，每一量规对应一个三针很难实现。三针直径可能存在偏差，难以保证最佳三针。当三针和牙型面外侧相切时，可以得到外跨距测量尺寸的最大，螺纹中径和外跨距尺寸可以为最佳三针直径得到的跨距值。当三针正好放入螺纹牙槽中，外跨距尺寸和螺距相近，螺纹中径是三针最小直径。测量方法并未考虑螺纹升角对于测量数据的影响，计算的三针直径相对较大，三针的直径变化和牙型半角、测量精度都有直接关系，因此最后还需要根据螺距对半角误差的规定计算出直径范围。

结论：综上所述，在机械制造中使用三针测量法进行螺纹量规检测，配合牙侧面扫描能够提高检测进度，保证测量数据准确。同时可以扩大测量的范围，满足多个种类的螺纹量规需要，尤其是特殊牙型螺纹，使用三针法同样可以测量。三针法操作简便，节约大量检测时间，也提高了生产效率。检测成本适中，不会增加螺纹产品的生产成本，使用这一方法即可完成所有参数的检测，无需使用大型设备或材料，节约人力资源，具有较高应用价值，更有利于机械制造的发展。

参考文献：

[1]李文娟，肖俊仓，梁勇.关于圆柱螺纹量规检测方法探究[J].工业计量，2020，30（05）：84-86.

[2]马琳.接触扫描法测量圆柱螺纹量规中径的测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2020，47（03）：111-114.