《測量螺紋用米制系列量針》國際標(biāo)準(zhǔn)介紹及分析

李曉濱 茅振華 陳向磊

（1. 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2. 浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018；3. 浙江時(shí)代計(jì)量科技有限公司，浙江 常山 324200）

螺紋聯(lián)結(jié)涉及幾乎所有機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品。螺紋質(zhì)量檢驗(yàn)主要依靠螺紋量規(guī)。保證螺紋量規(guī)合格性是重要的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。螺紋量針是測量螺紋塞規(guī)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(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，是螺紋產(chǎn)品質(zhì)量控制體系中的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)國家對(duì)此都比較重視，許多國家制訂有螺紋量針國家標(biāo)準(zhǔn)。2013年前，各國螺紋量針技術(shù)體系不同（直徑、公差項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法、升角和測力修正），世界上一直沒有螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)。這是世界機(jī)械制造基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)缺失，給全球機(jī)械產(chǎn)品貿(mào)易和技術(shù)交流帶來技術(shù)隱患。

2004年，中國承擔(dān)ISO國際螺紋技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC1）秘書處，中國開始主導(dǎo)國際螺紋標(biāo)準(zhǔn)化工作。2010年1月，中國提出制訂螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)申請(qǐng)。該申請(qǐng)獲得主要工業(yè)國家支持，中國專家擔(dān)任螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)制訂工作的項(xiàng)目召集人和標(biāo)準(zhǔn)起草人（本文作者）。經(jīng)過艱苦努力，中國專家在螺紋量針的直徑系列、公差項(xiàng)目和檢測方法等方面都有技術(shù)創(chuàng)新，糾正過去世界螺紋領(lǐng)域長期存在的許多技術(shù)誤區(qū)。工業(yè)國家量針標(biāo)準(zhǔn)在這些技術(shù)誤區(qū)都犯過錯(cuò)，新國際標(biāo)準(zhǔn)能夠得到工業(yè)國家的一致肯定是很不易的。2013年10月，螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)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(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平已經(jīng)處于國際領(lǐng)先。

1 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)適用于具有對(duì)稱牙型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)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(shù)特征：對(duì)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(shí)際可操作性，螺紋量針主要用于測量螺紋塞規(guī)的中徑尺寸。

非對(duì)稱牙型螺紋主要指鋸齒形螺紋，其承載牙側(cè)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非承載牙側(cè)角。例如米制鋸齒形螺紋（B）的承載和非承載牙側(cè)角分別為3°和30°。因非對(duì)稱螺紋的承載牙側(cè)角與非承載牙側(cè)角差異較大，螺紋量針與承載牙側(cè)和非承載牙側(cè)無法同時(shí)在中徑線位置接觸。非對(duì)稱螺紋不存在“最佳量針”。這是對(duì)稱牙型螺紋與非對(duì)稱牙型螺紋量針的主要不同。目前，工業(yè)國家在確定非對(duì)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(cè)在中徑線處接觸，或者量針只與非承載牙側(cè)在中徑線處接觸（兩種方案有不同側(cè)重：前者側(cè)重承載牙側(cè)是工作牙側(cè)；后者側(cè)重非承載牙側(cè)角對(duì)中徑測量影響較大）（例如英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1657:1950《鋸齒螺紋》）；二是量針與承載和非承載牙側(cè)的接觸點(diǎn)分別處于中徑線的兩側(cè)，兩個(gè)接觸點(diǎn)到中徑線的徑向距離相等（例如歐盟認(rèn)可合作組織指南EA-10/10:1999《用機(jī)械測頭確定圓柱螺紋量規(guī)中徑指南》）；三是量針與承載和非承載牙側(cè)的接觸點(diǎn)分別處于中徑線的兩側(cè)，兩個(gè)接觸點(diǎn)到中徑線的徑向距離之比符合規(guī)定比例（例如1978版美國聯(lián)邦螺紋標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)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(duì)上述3種傳統(tǒng)方法都不滿意，認(rèn)為應(yīng)該按照牙側(cè)角誤差影響最小原則、利用計(jì)算公式重新建立各種非對(duì)稱螺紋量針直徑的確定方法。因螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)納入足夠多的新技術(shù)內(nèi)容，并要在規(guī)定期限內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)制訂任務(wù)，本國際標(biāo)準(zhǔn)沒有包含非對(duì)稱螺紋量針部分。

2 量針直徑系列

國際標(biāo)準(zhǔn)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(cè)）處接觸的量針。與此定義相對(duì)應(yīng)的對(duì)稱牙型、圓柱螺紋最佳量針直徑計(jì)算公式為：

式中：P為螺距；α/2為牙側(cè)角。

因?qū)嶋H螺紋產(chǎn)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(gè)直徑。采用最佳量針直徑是世界螺紋量針的主流，本國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)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(shù)，英國和日本量針直徑的基本尺寸保留4位小數(shù)。這不符合機(jī)械行業(yè)米制量規(guī)直徑基本尺寸保留3位小數(shù)（微米級(jí)）慣例。美國、英國和日本堅(jiān)持超常規(guī)地多保留量針直徑基本尺寸位數(shù)作法，源于量針直徑的準(zhǔn)確性對(duì)跨線測量螺紋中徑精度影響較大。例如對(duì)60°牙型角的對(duì)稱、圓柱螺紋，其螺紋中徑近似計(jì)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(huì)以3倍方式反映到螺紋中徑測量結(jié)果中。為說服美、英、日3國放棄其直徑的多位數(shù)作法，中國專家在世界上首次提出對(duì)稱牙型、圓柱螺紋的最佳量針直徑精確計(jì)算方程組（考慮升角因素）。

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

θ為θ平面（過量針與牙側(cè)的一個(gè)切點(diǎn)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(diǎn)的量針徑向直線與θ平面的夾角（弧度）。

利用迭代法計(jì)算最佳量針直徑的精確值。標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的最佳量針直徑差異發(fā)生在第3位小數(shù)。美、英、日3國的超多位數(shù)作法是沒有依據(jù)的。國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的最佳量針直徑只保留3位小數(shù)。

為方便計(jì)算，本國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，它用一般幾何參數(shù)測量的通用量針標(biāo)準(zhǔn)（DIN 2269:1998《幾何參數(shù)檢驗(yàn)—圓柱測量針》）來兼顧螺紋量針。該標(biāo)準(zhǔn)資料性附錄B給出兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22522-2008《螺紋測量用三針》）。該標(biāo)準(zhǔn)資料性附錄給出螺距與量針直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。它不是最佳量針，而且一個(gè)量針直徑可能要兼顧不同螺紋的幾個(gè)螺距（或牙數(shù)）。中國量針直徑個(gè)數(shù)較少。因中國量針直徑與螺距對(duì)應(yīng)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)（SS 1744-1988《用量針檢驗(yàn)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(gè)數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)量針直徑的基本尺寸僅保留兩位或一位小數(shù)，個(gè)別直徑甚至取為整數(shù)。瑞典量針不是最佳量針。因瑞典量針直徑的位數(shù)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(yè)國家螺紋量針的直徑和形狀公差比較見表2。

相對(duì)于量針公稱直徑，各國規(guī)定了量針直徑的極限偏差。為在一套量針內(nèi)的不同量針間和一個(gè)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(guī)定了限制更嚴(yán)的最大允許直徑變化量或差異量。量針實(shí)際直徑相對(duì)于量針公稱直徑的差異可以大些，因?yàn)闇y量精度要求高時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)修正。而量針之間的直徑差異量和一個(gè)量針不同位置的直徑變化量會(huì)影響中徑測量不確定度，這是無法修正的，對(duì)此要嚴(yán)加控制。目前，瑞典和俄羅斯還沒有認(rèn)識(shí)到區(qū)分這兩種不同直徑公差的重要性，其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)只規(guī)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(jì)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(rèn)為這不利于嚴(yán)格控制量針直徑尺寸，會(huì)放松有關(guān)技術(shù)要求。

國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩套不同公差：相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩套沿軸線方向允許直徑變化的公差值。一個(gè)是較嚴(yán)的公差，如上所述；另一個(gè)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(nèi)）。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(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)技術(shù)失誤。

過去，世界普遍認(rèn)為螺紋量針的形狀誤差對(duì)螺紋中徑測量影響較大，量針標(biāo)準(zhǔn)都有形狀公差要求。測量形狀誤差要用專用設(shè)備和采集大量數(shù)據(jù)。不但要花費(fèi)大量檢測時(shí)間，購買專用形狀測量儀器也大大增加成本。這是許多工業(yè)國家的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中也是行不通的。計(jì)量部門往往調(diào)低或取消螺紋量針的形狀檢測要求，導(dǎo)致許多國家量針參數(shù)要求與實(shí)際檢測方法不相協(xié)調(diào)，經(jīng)常發(fā)生螺紋量針檢測爭議。在起草國際標(biāo)準(zhǔn)中，中國專家花費(fèi)大量精力甄別各國實(shí)際真正執(zhí)行的量針公差項(xiàng)目。例如，美國螺紋量針標(biāo)準(zhǔn)使用錐度（taper）和圓度（roundness）術(shù)語規(guī)定量針公差。與美國國家標(biāo)準(zhǔn)院（NIST）螺紋測量專家核實(shí)，這兩個(gè)幾何形狀術(shù)語與螺紋量針的形狀要求沒有關(guān)系（但美國生產(chǎn)廠家的認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一）。量針公差術(shù)語混亂與歷史上的術(shù)語習(xí)慣有關(guān)。實(shí)際上這兩個(gè)術(shù)語分別對(duì)應(yīng)沿軸線方向和沿圓周方向的直徑變化量。中國標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤出現(xiàn)“錐度公差”要求可能與此術(shù)語有關(guān)。

表2 主要工業(yè)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(shí)量針沒有大的變形。在這些國家，測量量針直徑時(shí)不考慮螺紋中徑測量中的變形修正問題。國際標(biāo)準(zhǔn)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(shí)所發(fā)生的螺紋量針變形量，從而在螺紋中徑測量時(shí)不再考慮量針變形修正。這種變形修正方法源于大量試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。這種方法可補(bǔ)償中徑測量所發(fā)生變形量中的大部分，但無法做到變形量的準(zhǔn)確補(bǔ)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(nèi)旋轉(zhuǎn)量針，測量量針最高點(diǎn)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(tài)，而且它比測量圓度誤差更易實(shí)現(xiàn)。德國和中國則不同，他們?nèi)匀粓?jiān)持控制圓度公差。

圓度公差是兩個(gè)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(xié)調(diào)，圓度公差值應(yīng)取最大允許直徑變化量的一半。這是德國標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)失誤。中國螺紋量針標(biāo)準(zhǔn)的公差體系來源于德國，此錯(cuò)誤在中國標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)同樣存在。

美國要對(duì)60°V形槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)量針?biāo)a(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)沒有行程測量值修正步驟，其實(shí)際圓周方向的直徑變化量要比規(guī)定公差（0.5 μm）控制得要嚴(yán)。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(duì)60°V形槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)量針?biāo)a(chǎn)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(nèi)，這里極易引發(fā)技術(shù)糾紛。在起草國際標(biāo)準(zhǔn)期間，美國廠家發(fā)生量針修正爭議，來信咨詢中國專家。

本國際標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yè)的圓度測量儀。為照顧老產(chǎn)品，美國標(biāo)準(zhǔn)還沒有刪除過去使用的圓度儀法。兩種方法的檢驗(yàn)結(jié)果不同，極易引發(fā)檢測爭議。為此，美國標(biāo)準(zhǔn)（ASME B1.2-1983附錄B）《統(tǒng)一寸制螺紋量規(guī)及檢驗(yàn)》已經(jīng)刪除圓度儀測量法。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的《測量螺紋量針》研究報(bào)告（NBS REPORT ON THE MEASUREMENT OF THREAD MEASURING WIRES，1973年，報(bào)告編號(hào)10987）也刪除了圓度儀測量法。

中國螺紋量針計(jì)量規(guī)范也規(guī)定了兩種圓度檢測方法：60°V形槽法和圓度儀法。

規(guī)定量針圓度公差是不對(duì)的。德國出現(xiàn)圓度要求是因?yàn)榈聡挥杏糜谝话銕缀螀?shù)測量的通用量針標(biāo)準(zhǔn)，沒有專門的螺紋量針標(biāo)準(zhǔn)。而一般幾何參數(shù)測量用通用量針是有圓度要求的。這個(gè)圓度公差被錯(cuò)誤地帶到德國螺紋量針產(chǎn)品上。中國量針國家標(biāo)準(zhǔn)是由通用量具量儀標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（SAC/TC132）制訂的，由于不了解螺紋量針和量規(guī)的設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)致中國螺紋量針標(biāo)準(zhǔn)采用德國公差體系，中國絕大多數(shù)螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也存在嚴(yán)重技術(shù)問題。

3.4 直線度公差

英國和中國標(biāo)準(zhǔn)有量針母線的直線度要求。一般采用透光法檢驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)螺紋的升角不大，量針與螺紋牙側(cè)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(xì)量針容易彎曲，要求直線度也不現(xiàn)實(shí)。細(xì)量針要在施加壓力后才會(huì)變直，可中國標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定施加壓力這個(gè)必要的測量條件。

除透光法外，中國計(jì)量規(guī)范還規(guī)定可用輪廓儀測量量針母線的直線度。中國計(jì)量部門應(yīng)該已經(jīng)看到中國透光測量法所存在的局限性。

國際標(biāo)準(zhǔn)沒有形狀公差要求，只規(guī)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(shí)的技術(shù)要求。為避免檢驗(yàn)糾紛，國際標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)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(yè)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(yè)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(gè)數(shù)相同。因HV硬度單位更加適合小試驗(yàn)力的量針表面，國際標(biāo)準(zhǔn)采用HV硬度單位，并且規(guī)定試驗(yàn)力為5 kgf。

絕大多數(shù)國家控制表面粗糙度Ra指標(biāo)（表面輪廓的算術(shù)平均偏差）。這個(gè)指標(biāo)對(duì)不同表面反應(yīng)不夠敏感，它是所有峰值的平均。對(duì)量針，表面峰值對(duì)螺紋中徑測量影響較大。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)選擇Rz作為表面粗糙度指標(biāo)（表面輪廓的最大高度）。

5 總結(jié)

本國際標(biāo)準(zhǔn)在世界上首次統(tǒng)一了螺紋量針的直徑系列、公差項(xiàng)目及其測量方法、表面質(zhì)量等重要技術(shù)參數(shù)。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(shù)和誤用形狀公差的混亂局面。國際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先。同時(shí)，國際標(biāo)準(zhǔn)大大降低了螺紋量針的生產(chǎn)成本。國際標(biāo)準(zhǔn)頒布后，英國立即等同采用了本國際標(biāo)準(zhǔn)（BS ISO 16239:2013）；2014年，美國螺紋委員會(huì)啟動(dòng)修訂美國螺紋量針國家標(biāo)準(zhǔn)工作。

中國螺紋專家在起草螺紋量針國際標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)揮了巨大作用，得到發(fā)達(dá)國家專家的一致肯定。可是，在世界上中國的量針標(biāo)準(zhǔn)卻比較落后，存在很多技術(shù)錯(cuò)誤。中國螺紋標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（SAC/TC108）不歸口中國的螺紋量規(guī)和量針國家標(biāo)準(zhǔn)是出現(xiàn)這些問題的根源。螺紋委員會(huì)能制訂螺紋量規(guī)和量針國際標(biāo)準(zhǔn)，但不能制訂對(duì)應(yīng)的中國標(biāo)準(zhǔn)。世界上沒有任何其他國家存在這種螺紋標(biāo)準(zhǔn)化錯(cuò)位管理體系。希望我國標(biāo)準(zhǔn)化管理體制在今后的調(diào)整和改革中，能夠盡快解決此難題。

[1]ASME B1.2-1983Gages and Gaging for Unif i ed Inch Screw Threads[S].

[2]ASME B 89.1.17-2001Measurement of ThreadMeasuring Wires[S].

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[9]GOST 2475-1988Wires and rolls.Specif i cations[S].

[10]ISO 16239:2013Metric series wires for measuring screw threads[S].

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[13]SS 1744-1988Screw thread gauging with wires[S].

[14]VDI/VDE/DGQ 2618-4.2:2007Inspection of measuring an test equipment - Test instruction for cylindrical measuring pins/pins for screw threads[S].■