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如何检验螺纹?竟然有这么多测量方法和设备

发布日期:2022-01-21 06:26   来源:未知   阅读:

  螺纹是在工业领域中广泛应用的紧固连接结构,在军工型号和产品中, 80%以上的结构连接是通过螺纹完成的,螺纹合格与否直接影响到设备的装配性能和使用安全。

  2007年9月6日,俄罗斯“质子”火箭发生坠毁事故,事后调查结果表明负责在二、三级火箭分离时起爆炸解锁作用的关键螺栓出现问题,导致二、三级火箭未能正常分离。

  事实上,螺纹参数的不准确可引起的问题包括:连接松弛、脱落、扭矩/预紧力损失、变形、震动松弛、过早疲劳破坏等等。因此,螺纹的高精度加工和检测显得尤为重要,对大型设备研制成功具有重要作用。

  GB/T197-1981《普通螺纹公差与配合》规定了螺纹中径合格性的判断原则是:“实际螺纹的作用中径不能超出最大实体牙型的中径,而实际螺纹上任何部位的单一中径不能超出最小实体牙型的中径。

  这个判断原则的基本依据就是“泰勒原则(包容原则)。按照该原则,把内、外螺纹型面的配合看作是直径等于螺纹中径的圆柱面之间的配合。在中等旋合长度下,通常用最大实体牙型的中径来控制实际螺纹的作用中径,就可以保证螺纹的旋合性。

  因此,用最大实体牙型的中径作为边界值来判断实际螺纹能否旋合就是唯一的依据。通端螺纹量规(通规)就是按照该边界值设计的。也就是说,用通端螺纹量规来检查螺纹的作用中径,能够保证螺纹的旋合性。

  止端螺纹量规(止规)是按最小实体牙型的中径设计的。单一中径的合格性一般采用止端螺纹量规检查,也可用三针法定量测量。

  我国目前绝大多数螺纹检测的依据是“螺纹中径合格性判断原则,即采用传统的通、止规检验法。在螺纹的日常检验中,经常出现对使用量规的争议。

  也就是说检验螺纹时,在用新量规和旧量规检验同一工件的螺纹所出现不同的检验结论。这在出厂检验和复验中是经常发生的,是争议最多的一项检验事件。

  为解决因采用的新旧不同程度的量规,其量规螺纹实际极限(新与旧的磨损)不同而产生的争议,在GB/T3934-1983《普通螺纹量规》(ISO1502)中规定了“验收量规”和“工作量规”。

  验收量规指检验部门或用户代表在验收工件螺纹时所用的螺纹量规,工作量规一般用于生产过程螺纹检验的量规。这两种量规的使用原则是:即用新的或较新通规,旧的或接近磨损极限的止规作为工作量规;用旧的或接近磨损极限的通规,新的或较新的止规作为验收量规。

  同时在其第1.6条中还规定:“当检验中发生争议时,若判断工件螺纹为合格的螺纹量规是符合本标准规定的,则该工件螺纹应作为合格处理”。

  螺纹是一个复杂的立体曲面,它由许多几何参数构成,如牙高(大径、中径、小径)、牙侧角、螺距、锥度、圆度、直线度、牙底圆弧半径。这些参数都在不同程度上影响着螺纹的质量。从理论上讲,只有对螺纹的各个参数都进行单独的定量检测,才能准确地确定螺纹的质量水平,这也是螺纹检测技术发展的方向。

  早在20世纪80年代初期,一些发达工业国家研究出用螺纹指示量规代替传统的螺纹通、止规。指示量规可以定量地检测出参数的具体量值,而且还可以将螺纹的许多单项参数从综合测量中分离出来,给出单项参数的检测值,这样可以更好地控制螺纹的质量。

  迄今为止,一些先进工业国家对螺纹的检测手段已经多达几十种。为规范统一螺纹的检验测试方法,美国在1979年首先颁布了ANSI/ASMEB1.3-1979(2001年确认)《螺纹尺寸接收检验方法》标准,较好地解决统一了这个问题。该标准规定了螺纹三种测量方法,即“21”方法、“22”方法和“23”方法,具体内容如表1所示。

  在螺纹参数的测量中,按照测量设备的不同,螺纹参数测量方法主要可以分为以下几种:

  按泰勒原则的传统通、止规检验法,只能达到螺纹检测中的最低检测要求。这种检验方法的优点是快捷、经济、实用。对于生产工艺水平较高的企业,使用合格的螺纹成型刀具以及专用的螺纹加工设备(如螺纹丝锥、板牙、滚丝机、搓丝机等),都可以较好地控制螺纹的质量水平。

  这种检验方法的主要缺点是只能定性地检查螺纹中径是否合格,只能知道螺纹中径是否位于最小的单一中径和最大的作用中径之间,无法知道螺纹尺寸的具体值。对于半角误差、螺距误差及各种形状误差等参数,无法单独定量控制。

  而随着工业的发展,特别是航空、航天工业的发展,对螺纹连接的互换性和可靠性提出了越来越高的要求,这种传统的综合测量方法难以满足检测需要。

  螺纹千分尺属于专用的螺旋测微量具,结构如图2所示,螺纹千分尺具有特殊的测量头,测量头的形状做成与螺纹牙形相吻合的形状,即一个是 V 型测量头,与牙型凸起部分相吻合,另一个为圆锥形测量头,与牙型沟槽相吻合。千分尺有一套可换测量头,每一对测量头只能用来测量一定螺距范围的螺纹。

  按螺纹千分尺的技术指标,其最大综合误差为±0.028mm,由于其测头存在一定的角度误差,工件外螺纹的螺距和牙侧角也存在较大误差,故在用绝对法测量时,其中径测量不确定度可达0.10mm。该方法用于精度要求不高的工件外螺纹中径测量。

  三针(如图3)是一组具有确定的相同直径的三根量针,以间接法测量螺纹中径。通过将三根量针放入螺纹两侧牙槽中,配合杠杆千分尺测量整体外径,通过螺纹中径与量针直径,牙型角以及螺距的函数关系,计算螺纹单一中径。为简化计算过程,要选用合适直径的量针。

  该方法进行测量时,要求检验人员有一定的检测经验,手法细致度要求高,所以测量稳定性受操作影响大,不推荐一般检验人员操作。

  目前,国外一些企业已经在关键技术突破的基础上,成功研发了高精度量规式螺纹综合测量仪(如图4)。最典型的代表是美国章森螺纹专业制造公司研制的螺纹综合测量仪,可以检测出螺纹的各个参数,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(原理如图5),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,对于螺纹的测量具有很巨大的借鉴价值。

  目前,采用影像法测量螺纹的常用检测设备有投影仪和万能工具显微镜(如图6)。投影仪通过放大的被测件轮廓,通过目视定位和坐标平移对螺柱的各项参数进行测量,由于采用目视边界对准,同时投影法对螺纹中径的测量本身存在局限性,投影法精度一般非常粗略。

  万能工具显微镜利用光学系统将螺纹轮廓投影在目镜视场内,运用光栅尺平移,可以用来检验各项螺纹参数,尤其是镜头偏转可以有效的解决螺旋角的问题,对于螺纹有较高的测量精度。

  使用该方法进行测量时,要定位测量基准线(通常为紧画件轴线),偏转、对准、变倍等,检测效率不高,不适合大批量的检测需求。且受万能工具显微镜视场的限制,给检验工作造成一定的阻碍。

  为了减少人为观测会带来不少的测量误差,演变出了通过计算机提取螺纹的二维轮廓数据,自动计算包括中径在内的各项螺纹参数的设备。如采用万能工具显微镜加CCD的方式采集螺纹轮廓数据,以机器视觉的自动测量方法计算螺纹参数的螺纹轮廓测量仪(如图7)。

  激光三角测量作为另一种无损检测的方法,受到了广泛的关注。其主要根据传统光学的三角测量原理(如图8),得到螺纹表面的轴截面轮廓数据点集,再求出螺纹各项参数。

  CCD 接受到激光束之后,会对数据镜像采集很分析,从而对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,同时也可以应用于微小尺寸的高速测量。但是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去。

  三坐标测量机广泛应用于机械、汽车、航空、军工、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量。通过对三坐标测量机的改造,测量螺纹参数的方法已有不少。

  但三坐标测量机是一种广泛应用的通用设备,缺少针对螺纹测量的探针,对于小尺寸螺纹需要定制探针头。软件开发也受制于三坐标测量机本身的软件平台,很难定制针对螺纹几何形貌的轮廓跟随控制系统。而且其成本也比专用的螺纹测量设备要高得多。

  触针扫描式螺纹轮廓测量仪(如图9)通过在螺纹轴向剖面的上、下轮廓表面连续扫描测量,再根据所得到的轮廓信息计算螺纹的中径、大径、小径、螺距、牙型半角、锥度等参数。

  通过螺纹测量夹具,保证螺纹基准轴线的准确程度,为实现牙侧角和螺距等参数的高精度测量提供保障。同时,螺纹各参数可以一次计算出来并标注在螺纹轮廓图形上,测量效率大大提高。

  测量数据亦可以以文本形式保存或输出,制造商可根据这些信息对加工机器或工具做相应调整,计量工作者可对测量结果进行详细的鉴定和评估。这种高精度、高效率、高信息化的检测方法对生产企业进行产品质量检验与质量管理具有非常重要的意义。

  考虑到目前对螺纹的检测有多种手段以及泰勒原则的局限性,GB/T197-2003《普通螺纹公差》已经删除了有关螺纹中径的规定,而由产品设计者自己决定选择何种螺纹的检测方法。

  我国军用标准 GJB3.2~3.5中,针对航空、航天工业中用的 MJ 螺纹规定:在中径公差范围内,螺距(导程)误差、半角误差、圆度误差、锥度误差以及其他任何影响螺纹形状的误差所对应的中径当量总和,不得超过中径公差之半。

  此外,又给出了螺纹工件的螺距公差和半角公差数值。这都是为了给螺纹的量化检测提供依据。

  触针扫描式螺纹轮廓测量仪利用触针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,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。

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