螺纹检测技术的发展趋势

螺纹检测技术的发展趋

势

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螺纹检测技术的发展趋势1.引言

在古代，螺纹是人类最早发明的六种简单机械之一。人们利用螺纹固定战袍的铠

甲、压榨油料、制酒、提升物体等。

图1 阿基米德螺纹用于在尼罗河中提水

螺纹具有容易装配的特性，使得比较复杂的机械部件可以由几个几何形状相对简单

的零件组装而成，从而大大提高了机械装备制造的工艺性和质量。同时螺纹具有可拆

性，使得人们可以方便地对设备进行维修和替换部件。上述优越性，使得螺纹广泛地应

用到机械制造、航空航天、核电、化工、军工等领域。螺纹

标准也成为重要的机械基础标准。工业国家都制定有自己的

螺纹国家标准，国际标准化组织（ISO）成立的第一个标准

化技术委员会就是螺纹标准化委员会（ISO/TC1）。如今螺

纹标准化已经历经近200年了，螺纹的种类多达500余种。

螺纹零件是机械产品中的最重要的基础性零件，其质量直接影响产品的使用性能，如精度、强度、稳定性和使用寿命等。随着螺纹制造等级越来越高，螺纹在航空航天、军事、车辆、化工等重要领域占据关键位置，螺纹产品的优劣直接影响人们的生命财产安全。如2007年俄罗斯发生的“质子-M”火箭爆炸事故，就是因为负责在二、三级火箭分离时起爆炸解锁作用的爆炸螺栓没有正常工作。

图2 俄罗斯“质子-M”火箭爆螺纹零件的机械性能除与材料、加工工艺相关外，几何参数的加工质量也是影响其

性能的重要因素。因此，螺纹几何参数的检测是螺纹零件生产过程中的重要环节。对螺

纹进行测量分析，给出评定，可以有效减少不合格螺纹的使用，预防连接失效。

传统的检测方法大多只对螺纹的部分螺纹参数分别测量，缺少整体的合格判定依据，已不能满足生产的实际需要。

2.螺纹定义、分类和参数简介

螺纹的定义

螺纹是指在圆柱（或圆锥）面上，沿着螺旋线而形成的，具有相同剖面的连续凸起或沟槽（见图4）。螺纹有外螺纹、内螺纹之分。

图4 螺纹示意图

螺纹的分类

螺纹按标准分类可以分为标准螺纹和特殊螺纹。标准螺纹可分为普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹等，具有通用性和互换性等特点，广泛应用于各种工业场合；而特殊螺纹（如矩形螺纹、端面螺纹、变导程螺纹等）主要应用于有特殊要求的机械结构中。

螺纹按用途可分为连接螺纹、传动螺纹和密封螺纹三大类。

螺纹的主要参数

螺纹是多参数的复杂零件，主要几何参数有中径（D2，d2）、大径(D，d)、小径（D1，d1）、螺距P、牙型半角α/2、螺纹升角φ、螺纹旋合长度等。

图5 外螺纹的几何参数定义

任何参数的误差，都会对螺纹的整体质量产生重要影响。影响螺纹互换性和工作质量的几何参数主要就是中径、螺距和牙型半角三项。为了保证螺纹的互换性，各国都制定或遵循了相应的螺纹标准，标准中对螺纹的几何参数，如大径、中径、小径、螺距（导程）、牙型角等的公差都进行了严格规定。因此，需要对螺纹参数进行严格的检测分析，减少不合格螺纹的使用，预防连接失效。

3.螺纹检测的现状

传统的螺纹检测方法分为两类：一类是综合检测法；另一类是单项检测法。

综合检测法

综合检验法是按照泰勒（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，又称功能检验（Function Inspection）。其目的是检验合格性，适合车间生产条件下成批的生产测量，检测效率高，在螺纹检测中有主导地位。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，且规格种类繁多，检测精度不高，只适合于一般精度螺纹制件的检验。

螺纹量规按内、外螺纹分为螺纹塞规和螺纹环规，如图6所示。

图6 螺纹量规

单项检测法

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，故又称为分析检测（Analytical Inspection）。其主要特点是对每一参数都可以定量得出结果，从而为分析各项工艺因素造成的螺纹质量问题提供基础，并对各参数本身的制造偏差在综合误差中所占的比重提供较确切的数据。常用的单项参数检测方法有量针法、双球法、影像法等。与综合检验法相比，单项参数检测法检测比较复杂，各项参数需要经过公式计算、补偿后才能得到，对螺纹是否符合要求具有一定的依据和说服力，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，不能完整检测出螺纹的综合情况，使螺纹存在质量隐患。

4. 螺纹参数综合检测的意义

螺纹参数综合检测可以满足国际最新标准的需求

随着制造业水平的不断提高，对螺纹连接件的检测要求也明显提高，从早期只注重连接性的功能检测要求逐渐完善到对精度、强度、可靠性等方面的检测要求。例如：美

国率先制定了紧固螺纹检测标准（ASME ），该标准中将螺纹检测体系分为三个等级水平，分别是System21、22、23三种体系，其螺纹质量保证水平相应地从低到高。美国航空标准委员会（NASC）修订了两项关于螺纹合格性检测的军用标准MIL-S-008879B和MIL-S-007742C，要求除公称直径D≤的内螺纹允许继续使用螺纹量规进行检测外，对其它直径的螺纹所有参数都必须进行检测。我国军用标准~中关于航天、航空工业中用的MJ螺纹条中规定：在中径公差范围内，半角误差、螺距（导程）误差、圆度误差、锥度误差以及其它影响螺纹形状的误差所对应的中径当量总和不能超过中径公差的一半。

螺纹参数综合检测是质量保证的前提

2012年，中国已经成为世界贸易第一大国。随着我国制造能力的提高，螺纹产品出口需求非常大，螺纹紧固件出口量已经位居世界第一，对螺纹品质的要求越来越高。国外为了应对中国大量出口产品的冲击，利用标准和市场准入两张王牌构筑技术壁垒（TBT）。例如，欧洲利用ISO 7标准的控制权，将亚洲和北美洲大量生产和使用的密封管螺纹产品排除在ISO标准之外；美国利用“紧固件质量行动”的市场准入制度，阻碍中国螺纹紧固件进入美国；德国花费13年的时间，强行按德国的DIN标准修改ISO的普通螺纹标准。虽然我国是螺纹生产、出口大国，但螺纹生产技术、检测水平等远落后发达国家，难以保证螺纹产品的质量，没有可以保证螺纹质量的理论体系，溯源体系作为依据，被称为“粗糙螺纹”生产大国。我国当前螺纹加工水平与国外二十世纪中期的水平相当，这些都严重地制约到我国机械产品的质量和出口。

提高螺纹检测水平是提高螺纹制造质量的基础和动力。因此，对螺纹参数检测技术的研究和开发具有广泛的应用价值。如实完整再现螺纹的实际情况，以螺纹综合状态作为判定依据，才能使螺纹的质量得到保证。

螺纹参数综合检测是螺纹溯源的基础

螺纹作为几何量中的重要分支，是机械产品中不可缺少的元素，但由于螺纹是一种复杂的几何体，测量设备的落后及检测手段的不统一，我国一直没有进行量值传递工作。目前，国家计量院等权威机构正组织有关部门着手进行螺纹量值传递的准备工作。要实现量值传递，前提是有准确的检测参数，才能保证量值传递关系能如实进行。故而螺纹多参数的准确测量是实现螺纹溯源的基础。

5.螺纹参数综合检测的发展

随着对螺纹参数重要性认识的不断提高，传统的检测方式已不能完全满足现代工业化水平所要求的全面、精确、高效的检测需求。目前国内外许多学者已经深入开展了如何有效地提高螺纹参数检测的研究，国外多家研究机构也致力于新检测领域的研究，正积极地朝螺纹接触式和非接触式扫描前沿技术进行探索，实现螺纹参数的综合检测。螺纹参数的综合检测，具有反映几何形状全面、能准确反映各个参数对螺纹性能的综合影响等优点，分为非接触式测量和接触式测量。

非接触式检测

非接触式测量的检测系统为光学测量系统，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，按照定义，经数据处理获得相应螺纹参数。目前研究和应用较多的测量方法为影像测量法和激光三角测量法。影像测量法的基本原理是对工件的投影图像进行采集分析，测量精度易受到CCD像素的制约，易造成成像边缘畸变、偏差等测量误差，受限于对螺纹的表面质量要求较高，且只能检测外螺纹。激光三角测量法以传统光学三角测量原理为基础，受螺纹表面质量、牙型角、外界环境等因素的影响，且激光测量头里测量仪的成本较高，推广应用较难。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。

接触式螺纹检测

接触式螺纹检测技术颠覆了传统的螺纹检测方法，其突破性、历史性地解决了螺纹参数检测的方法，能较真实地综合反映螺纹的各项性能指标。接触式测量是利用扫描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，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、精度高、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。

6.常用螺纹测量方法的优缺点

综上，常用的螺纹测量方法的优缺点比较如表1。

表1 常用的螺纹测量方法的优缺点