螺紋檢測技術的發展趨勢

作者：深圳市中圖儀器科技有限公司  歐協鋒
摘要：簡要介紹了螺紋測量的現狀和目前存在的問題，對比了常用螺紋測量方法的優缺點。傳統的檢測方法大多只對螺紋的部分螺紋參數分別測量，缺少整體的合格判定依據，已不能滿足生產的實際需要，螺紋參數綜合檢測已成為迫切需要解決的問題。文中最后介紹了本公司研發的SJ5200高精度螺紋綜合測量機，該產品采用當前螺紋測量最好的方案——接觸掃描式，實現了螺紋參數的高精度綜合測量，很好地滿足了各省市計量院所、企業的需要。
關鍵詞：螺紋檢測、綜合測量、接觸式
1.引言
在古代，螺紋是人類最早發明的六種簡單機械之一。人們利用螺紋固定戰袍的鎧甲、壓榨油料、制酒、提升物體等。

圖1 阿基米德螺紋用于在尼羅河中提水

螺紋具有容易裝配的特性，使得比較復雜的機械部件可以由幾個幾何形狀相對簡單的零件組裝而成，從而大大提高了機械裝備制造的工藝性和質量。同時螺紋具有可拆性，使得人們可以方便地對設備進行維修和替換部件。上述優越性，使得螺紋廣泛地應用到機械制造、航空航天、核電、化工、軍工等領域。螺紋標準也成為重要的機械基礎標準。工業國家都制定有自己的螺紋國家標準，國際標準化組織（ISO）成立的第一個標準化技術委員會就是螺紋標準化委員會（ISO/TC1）。如今螺紋標準化已經歷經近200年了，螺紋的種類多達500余種。
螺紋零件是機械產品中的最重要的基礎性零件，其質量直接影響產品的使用性能，如精度、強度、穩定性和使用壽命等。隨著螺紋制造等級越來越高，螺紋在航空航天、軍事、車輛、化工等重要領域占據關鍵位置，螺紋產品的優劣直接影響人們的生命財產安全。如2007年俄羅斯發生的“質子-M”火箭爆炸事故，就是因為負責在二、三級火箭分離時起爆炸解鎖作用的爆炸螺栓沒有正常工作。

圖2 俄羅斯“質子-M”火箭爆炸

螺紋零件的機械性能除與材料、加工工藝相關外，幾何參數的加工質量也是影響其性能的重要因素。因此，螺紋幾何參數的檢測是螺紋零件生產過程中的重要環節。對螺紋進行測量分析，給出評定，可以有效減少不合格螺紋的使用，預防連接失效。
傳統的檢測方法大多只對螺紋的部分螺紋參數分別測量，缺少整體的合格判定依據，已不能滿足生產的實際需要。

2.螺紋定義、分類和參數簡介
2.1螺紋的定義
螺紋是指在圓柱（或圓錐）面上，沿著螺旋線而形成的，具有相同剖面的連續凸起或溝槽（見圖4）。螺紋有外螺紋、內螺紋之分。

圖4 螺紋示意圖

2.2螺紋的分類
螺紋按標準分類可以分為標準螺紋和特殊螺紋。標準螺紋可分為普通螺紋、管螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋等，具有通用性和互換性等特點，廣泛應用于各種工業場合；而特殊螺紋（如矩形螺紋、端面螺紋、變導程螺紋等）主要應用于有特殊要求的機械結構中。
螺紋按用途可分為連接螺紋、傳動螺紋和密封螺紋三大類。
2.3螺紋的主要參數
螺紋是多參數的復雜零件，主要幾何參數有中徑（D2，d2）、大徑(D，d)、小徑（D1，d1）、螺距P、牙型半角α/2、螺紋升角φ、螺紋旋合長度等。

圖5 外螺紋的幾何參數定義

任何參數的誤差，都會對螺紋的整體質量產生重要影響。影響螺紋互換性和工作質量的幾何參數主要就是中徑、螺距和牙型半角三項。為了保證螺紋的互換性，各國都制定或遵循了相應的螺紋標準，標準中對螺紋的幾何參數，如大徑、中徑、小徑、螺距（導程）、牙型角等的公差都進行了嚴格規定。因此，需要對螺紋參數進行嚴格的檢測分析，減少不合格螺紋的使用，預防連接失效。


3.螺紋檢測的現狀
傳統的螺紋檢測方法分為兩類：一類是綜合檢測法；另一類是單項檢測法。
3.1綜合檢測法
綜合檢驗法是按照泰勒（Taylor）包容原則，采用通端螺紋量規檢驗螺紋制件的可旋合性，用止端螺紋量規檢驗中徑單項的制造偏差，這樣的檢測方法統稱綜合檢驗，其主要反映螺紋使用性能的檢驗，又稱功能檢驗（Function Inspection）。其目的是檢驗合格性，適合車間生產條件下成批的生產測量，檢測效率高，在螺紋檢測中有主導地位。但人為因素影響較大，量規的質量不易控制，經常出現爭議的工作規判定，只能判斷是否合格，而不能給出具體的螺紋幾何參數值，且規格種類繁多，檢測精度不高，只適合于一般精度螺紋制件的檢驗。
螺紋量規按內、外螺紋分為螺紋塞規和螺紋環規，如圖6所示。

圖6 螺紋量規

3.2單項檢測法
單項參數檢測法是指用計量工具或儀器對螺紋的每個參數進行獨立測量。通過對各參數誤差的分析，以進一步控制螺紋的參數指標，故又稱為分析檢測（Analytical Inspection）。其主要特點是對每一參數都可以定量得出結果，從而為分析各項工藝因素造成的螺紋質量問題提供基礎，并對各參數本身的制造偏差在綜合誤差中所占的比重提供較確切的數據。常用的單項參數檢測方法有量針法、雙球法、影像法等。與綜合檢驗法相比，單項參數檢測法檢測比較復雜，各項參數需要經過公式計算、補償后才能得到，對螺紋是否符合要求具有一定的依據和說服力，但測量效率不高，一次只能測量一個參數，并且不能反映各參數之間的綜合關系，不能完整檢測出螺紋的綜合情況，使螺紋存在質量隱患。
4. 螺紋參數綜合檢測的意義
4.1螺紋參數綜合檢測可以滿足國際最新標準的需求
隨著制造業水平的不斷提高，對螺紋連接件的檢測要求也明顯提高，從早期只注重連接性的功能檢測要求逐漸完善到對精度、強度、可靠性等方面的檢測要求。例如：美國率先制定了緊固螺紋檢測標準（ASME B1.3-2007），該標準中將螺紋檢測體系分為三個等級水平，分別是System21、22、23三種體系，其螺紋質量保證水平相應地從低到高。美國航空標準委員會（NASC）修訂了兩項關于螺紋合格性檢測的軍用標準MIL-S-008879B和MIL-S-007742C，要求除公稱直徑D≤4.826mm的內螺紋允許繼續使用螺紋量規進行檢測外，對其它直徑的螺紋所有參數都必須進行檢測。我國軍用標準GJB3.2~3.5中關于航天、航空工業中用的MJ螺紋5.2條中規定：在中徑公差范圍內，半角誤差、螺距（導程）誤差、圓度誤差、錐度誤差以及其它影響螺紋形狀的誤差所對應的中徑當量總和不能超過中徑公差的一半。
4.2 螺紋參數綜合檢測是質量保證的前提
2012年，中國已經成為世界貿易第一大國。隨著我國制造能力的提高，螺紋產品出口需求非常大，螺紋緊固件出口量已經位居世界第一，對螺紋品質的要求越來越高。國外為了應對中國大量出口產品的沖擊，利用標準和市場準入兩張王牌構筑技術壁壘（TBT）。例如，歐洲利用ISO 7標準的控制權，將亞洲和北美洲大量生產和使用的密封管螺紋產品排除在ISO標準之外；美國利用“緊固件質量行動”的市場準入制度，阻礙中國螺紋緊固件進入美國；德國花費13年的時間，強行按德國的DIN標準修改ISO的普通螺紋標準。雖然我國是螺紋生產、出口大國，但螺紋生產技術、檢測水平等遠落后發達國家，難以保證螺紋產品的質量，沒有可以保證螺紋質量的理論體系，溯源體系作為依據，被稱為“粗糙螺紋”生產大國。我國當前螺紋加工水平與國外二十世紀中期的水平相當，這些都嚴重地制約到我國機械產品的質量和出口。
提高螺紋檢測水平是提高螺紋制造質量的基礎和動力。因此，對螺紋參數檢測技術的研究和開發具有廣泛的應用價值。如實完整再現螺紋的實際情況，以螺紋綜合狀態作為判定依據，才能使螺紋的質量得到保證。
4.3螺紋參數綜合檢測是螺紋溯源的基礎
螺紋作為幾何量中的重要分支，是機械產品中不可缺少的元素，但由于螺紋是一種復雜的幾何體，測量設備的落后及檢測手段的不統一，我國一直沒有進行量值傳遞工作。目前，國家計量院等權威機構正組織有關部門著手進行螺紋量值傳遞的準備工作。要實現量值傳遞，前提是有準確的檢測參數，才能保證量值傳遞關系能如實進行。故而螺紋多參數的準確測量是實現螺紋溯源的基礎。
5.螺紋參數綜合檢測的發展
隨著對螺紋參數重要性認識的不斷提高，傳統的檢測方式已不能完全滿足現代工業化水平所要求的全面、精確、高效的檢測需求。目前國內外許多學者已經深入開展了如何有效地提高螺紋參數檢測的研究，國外多家研究機構也致力于新檢測領域的研究，正積極地朝螺紋接觸式和非接觸式掃描前沿技術進行探索，實現螺紋參數的綜合檢測。螺紋參數的綜合檢測，具有反映幾何形狀全面、能準確反映各個參數對螺紋性能的綜合影響等優點，分為非接觸式測量和接觸式測量。
5.1非接觸式檢測
非接觸式測量的檢測系統為光學測量系統，檢測技術的關鍵是獲得螺紋形面測量數據，即測得螺紋軸截面牙型輪廓數據值，按照定義，經數據處理獲得相應螺紋參數。目前研究和應用較多的測量方法為影像測量法和激光三角測量法。影像測量法的基本原理是對工件的投影圖像進行采集分析，測量精度易受到CCD像素的制約，易造成成像邊緣畸變、偏差等測量誤差，受限于對螺紋的表面質量要求較高，且只能檢測外螺紋。激光三角測量法以傳統光學三角測量原理為基礎，受螺紋表面質量、牙型角、外界環境等因素的影響，且激光測量頭里測量儀的成本較高，推廣應用較難。螺紋形面的測量采用光學測量方法很難實現精確測量，特別是對內螺紋參數的檢測所需的測量探頭設計，是目前螺紋牙型輪廓數據采集中難以攻克的技術難題，目前國內外尚未取得突破性進展。
5.2接觸式螺紋檢測
接觸式螺紋檢測技術顛覆了傳統的螺紋檢測方法，其突破性、歷史性地解決了螺紋參數檢測的方法，能較真實地綜合反映螺紋的各項性能指標。接觸式測量是利用掃描針與被測螺紋表面進行軸向截面輪廓的接觸掃描，由測量系統獲得螺紋軸向輪廓的形貌，按螺紋參數的相關定義進行分析，計算獲得螺紋的綜合參數，其測量、計算完全符合螺紋參數的定義。接觸式測量具有測量方法簡單、精度高、效率高、綜合成本低等優點，是目前螺紋綜合參數測量的發展趨勢。
6.常用螺紋測量方法的優缺點
    綜上，常用的螺紋測量方法的優缺點比較如表1。
表1 常用的螺紋測量方法的優缺點

7.市場上高科技創新產品——高精度螺紋綜合測量機
接觸式螺紋測量與傳統測量方法和非接觸式測量方法相比具有極大的優點和可行性。在對國內外螺紋測量技術充分調研的基礎上，深圳市中圖儀器科技有限公司通過整合本企業在精密儀器設計、精密驅動控制、精密導軌設計、精密光柵系統設計、精密氣浮軸承設計和多功能自動化軟件設計等方面的技術積累和優勢，在國內首先研制成功了SJ5200高精度螺紋綜合測量機，該產品實現了螺紋參數的高精度綜合測量，很好地滿足了各省市計量院所、企業的需要。
SJ5200高精度螺紋綜合測量機采用接觸掃描式，是目前測量螺紋最好的方案。該產品具有精度高、使用方便、功能強等優點，一次裝夾，能夠全自動檢定圓柱螺紋塞規、圓柱螺紋環規、錐螺紋塞規、錐螺紋環規、光面環規、光面塞規等各種內外尺寸量規的作用中徑、單一中徑、大徑、小徑、螺距、牙型半角、牙型輪廓偏差、輪廓角、錐度等參數的測量，非常適合各等級螺紋規檢定和測量。
本產品對關鍵技術的突破和研發成功，打破了國外公司的技術和價格壟斷，填補我國在高端螺紋檢測技術上的空白，提高我國計量檢測水平和我國螺紋產品的，對推動我國檢測計量行業的發展和技術創新具有重大意義和應用價值。

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市場上檢測螺紋的手段還不止這些。

能測量直徑300-600的錐螺紋塞規、錐螺紋環規嗎

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