螺紋檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1、螺 紋 檢 測(cè) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 趨 勢(shì)1 .引言在古代，螺紋是人類最早發(fā)明的六種簡(jiǎn)單機(jī)械之一。人們利用螺紋固定戰(zhàn)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(fù)雜的機(jī)械部件可以由幾個(gè)幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的 零件組裝而成，從而大大提高了機(jī)械裝備制造的工藝性和質(zhì)量。同時(shí)螺紋具有可拆性，使 得人們可以方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修和替換部件。上述優(yōu)越性，使得螺紋廣泛地應(yīng)用到機(jī)械 制造、航空航天、核電、化工、軍工等領(lǐng)域。螺紋標(biāo)準(zhǔn)也成為重要的機(jī)械基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)國(guó)家都制定有自己的螺紋t國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)就是螺紋標(biāo)

2、準(zhǔn)化委員會(huì)（ISO/TC1）。如今螺紋標(biāo)準(zhǔn)化/已經(jīng)歷經(jīng)近200年了，螺紋白W中類多達(dá)50僚種。螺紋零件是機(jī)械產(chǎn)品中的最重要的基礎(chǔ)性零件，其虛第質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的使用性能，如精度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和使用壽命等。隨著螺紋制造等級(jí)越來 越高，螺紋在航空航天、軍事、車輛、化工等重要領(lǐng)域占據(jù)關(guān)鍵位置，螺紋產(chǎn)品的優(yōu)劣直接影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。如2007年俄羅斯發(fā)生的“質(zhì)子-M”火箭爆炸事故，就是因?yàn)?負(fù)責(zé)在二、三級(jí)火箭分離時(shí)起爆炸解鎖作用的爆炸螺栓沒胸枷HWf “質(zhì)子-M”火箭爆螺紋零件的機(jī)械性能除與材料、加工工藝相關(guān)外，幾何參數(shù)的加工質(zhì)量也是影響其性 能的重要因素。因此，螺紋幾何參數(shù)的檢測(cè)是螺紋零件生產(chǎn)過

3、程中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)螺紋進(jìn) 行測(cè)量分析，給出評(píng)定，可以有效減少不合格螺紋的使用，預(yù)防連接失效。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法大多只對(duì)螺紋的部分螺紋參數(shù)分別測(cè)量，缺少整體的合格判定依據(jù), 已不能滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。2 .螺紋定義、分類和參數(shù)簡(jiǎn)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(xù)凸起或 溝槽（見圖4）。螺紋有外螺紋、內(nèi)螺紋之分。圖4螺紋示意圖2.2 螺紋的分類螺紋按標(biāo)準(zhǔn)分類可以分為標(biāo)準(zhǔn)螺紋和特殊螺紋。標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合；而特 殊螺紋（如矩形螺紋、端面螺紋、變導(dǎo)程螺紋等）主要應(yīng)用

4、于有特殊要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。螺紋按用途可分為連接螺紋、傳動(dòng)螺紋和密封螺紋三大類。2.3 螺紋的主要參數(shù)螺紋是多參數(shù)的復(fù)雜零件，主要幾何參數(shù)有中徑（d2）、大徑（D, d）、小徑（D,&）、螺距P、牙型半角a /2、螺紋開角小、螺紋旋合長(zhǎng)度等。圖5外螺紋的幾何參數(shù)定義任何參數(shù)的誤差，都會(huì)對(duì)螺紋的整體質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。影響螺紋互換性和工作質(zhì)量 的幾何參數(shù)主要就是中徑、螺距和牙型半角三項(xiàng)。為了保證螺紋的互換性，各國(guó)都制定或 遵循了相應(yīng)的螺紋標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺紋的幾何參數(shù)，如大徑、中徑、小徑、螺距（導(dǎo)程） 牙型角等的公差都進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。因此，需要對(duì)螺紋參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)分析，減少不合格螺紋的使用

5、，預(yù)防連接失效3 .螺紋檢測(cè)的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的螺紋檢測(cè)方法分為兩類：一類是綜合檢測(cè)法；另一類是單項(xiàng)檢測(cè)法。3.1 綜合檢測(cè)法綜合檢驗(yàn)法是按照泰勒(Taylor )包容原則，采用通端螺紋量規(guī)檢驗(yàn)螺紋制件的可旋 合性，用止端螺紋量規(guī)檢驗(yàn)中徑單項(xiàng)的制造偏差，這樣的檢測(cè)方法統(tǒng)稱綜合檢驗(yàn)，其主要 反映螺紋使用性能的檢驗(yàn)，又稱功能檢驗(yàn)(Function Inspection )。其目的是檢驗(yàn)合格性, 適合車間生產(chǎn)條件下成批的生產(chǎn)測(cè)量，檢測(cè)效率高，在螺紋檢測(cè)中有主導(dǎo)地位。但人為因 素影響較大，量規(guī)的質(zhì)量不易控制，經(jīng)常出現(xiàn)爭(zhēng)議的工作規(guī)判定，只能判斷是否合格，而 不能給出具體的螺紋幾何參數(shù)值，且規(guī)格種類繁多，檢測(cè)精度

6、不高，只適合于一般精度螺 紋制件的檢驗(yàn)。螺紋量規(guī)按內(nèi)、外螺紋分為螺紋塞規(guī)和螺紋環(huán)規(guī)，如圖6所示。圖6螺紋量規(guī)3.2 單項(xiàng)檢測(cè)法單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)法是指用計(jì)量工具或儀器對(duì)螺紋的每個(gè)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。通過對(duì)各參數(shù)誤差的分析，以進(jìn)一步控制螺紋的參數(shù)指標(biāo)，故又稱為分析檢測(cè)( AnalyticalInspection )。其主要特點(diǎn)是對(duì)每一參數(shù)都可以定量得出結(jié)果，從而為分析各項(xiàng)工藝因素造 成的螺紋質(zhì)量問題提供基礎(chǔ)，并對(duì)各參數(shù)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(shù)據(jù)。常用的單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)方法有量針法、雙球法、影像法等。與綜合檢驗(yàn)法相比， 單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)法檢測(cè)比較復(fù)雜，各項(xiàng)參數(shù)需要經(jīng)過公式計(jì)算、補(bǔ)償后才

7、能得到，對(duì)螺紋是否符合要求具有一定的依據(jù)和說服力，但測(cè)量效率不高，一次只能測(cè)量一個(gè)參數(shù)，并且不 能反映各參數(shù)之間的綜合關(guān)系，不能完整檢測(cè)出螺紋的綜合情況，使螺紋存在質(zhì)量隱患。4 .螺紋參數(shù)綜合檢測(cè)的意義4.1 螺紋參數(shù)綜合檢測(cè)可以滿足國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)的需求隨著制造業(yè)水平的不斷提高，對(duì)螺紋連接件的檢測(cè)要求也明顯提高，從早期只注重連 接性的功能檢測(cè)要求逐漸完善到對(duì)精度、強(qiáng)度、可靠性等方面的檢測(cè)要求。例如：美國(guó)率 先制定了緊固螺紋檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（ASMBB1.3-2007）,該標(biāo)準(zhǔn)中將螺紋檢測(cè)體系分為三個(gè)等級(jí)水 平，分別是System21、22、23三種體系，其螺紋質(zhì)量保證水平相應(yīng)地從低到高。美國(guó)航空 標(biāo)準(zhǔn)委

8、員會(huì)（NASC修訂了兩項(xiàng)關(guān)于螺紋合格性檢測(cè)的軍用標(biāo)準(zhǔn) MIL-S-008879B和 MIL-S-007742C,要求除公稱直徑DK 4.826mm勺內(nèi)螺紋允許繼續(xù)使用螺紋量規(guī)進(jìn)行檢測(cè)外， 對(duì)其它直徑的螺紋所有參數(shù)都必須進(jìn)行檢測(cè)。我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3.23.5中關(guān)于航天、航空工業(yè)中用的MJg紋5.2條中規(guī)定：在中徑公差范圍內(nèi)，半角誤差、螺距（導(dǎo)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(duì)應(yīng)的中徑當(dāng)量總和不能超過中徑公差的 一半。4.2 螺紋參數(shù)綜合檢測(cè)是質(zhì)量保證的前提2012年，中國(guó)已經(jīng)成為世界貿(mào)易第一大國(guó)。隨著我國(guó)制造能力的提高，螺紋產(chǎn)品出口 需求非常大，螺紋緊固件出口量已經(jīng)位

9、居世界第一，對(duì)螺紋品質(zhì)的要求越來越高。國(guó)外為 了應(yīng)對(duì)中國(guó)大量出口產(chǎn)品的沖擊，利用標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)準(zhǔn)入兩張王牌構(gòu)筑技術(shù)壁壘（TBT）。例如，歐洲利用ISO 7標(biāo)準(zhǔn)的控制權(quán)，將亞洲和北美洲大量生產(chǎn)和使用的密封管螺紋產(chǎn)品排除 在ISO標(biāo)準(zhǔn)之外；美國(guó)利用“緊固件質(zhì)量行動(dòng)”的市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，阻礙中國(guó)螺紋緊固件進(jìn)入 美國(guó)；德國(guó)花費(fèi)13年的時(shí)間，強(qiáng)行按德國(guó)的DIN標(biāo)準(zhǔn)彳改ISO的普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國(guó)是 螺紋生產(chǎn)、出口大國(guó)，但螺紋生產(chǎn)技術(shù)、檢測(cè)水平等遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國(guó)家，難以保證螺紋產(chǎn)品的質(zhì)量，沒有可以保證螺紋質(zhì)量的理論體系，溯源體系作為依據(jù)，被稱為“粗糙螺紋”生 產(chǎn)大國(guó)。我國(guó)當(dāng)前螺紋加工水平與國(guó)外二十世紀(jì)中期的水平相當(dāng)

10、，這些都嚴(yán)重地制約到我 國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和出口。提高螺紋檢測(cè)水平是提高螺紋制造質(zhì)量的基礎(chǔ)和動(dòng)力。因此，對(duì)螺紋參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的 研究和開發(fā)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。如實(shí)完整再現(xiàn)螺紋的實(shí)際情況，以螺紋綜合狀態(tài)作為判 定依據(jù)，才能使螺紋的質(zhì)量得到保證。4.3 螺紋參數(shù)綜合檢測(cè)是螺紋溯源的基礎(chǔ)螺紋作為幾何量中的重要分支，是機(jī)械產(chǎn)品中不可缺少的元素，但由于螺紋是一種復(fù) 雜的幾何體，測(cè)量設(shè)備的落后及檢測(cè)手段的不統(tǒng)一，我國(guó)一直沒有進(jìn)行量值傳遞工作。目 前，國(guó)家計(jì)量院等權(quán)威機(jī)構(gòu)正組織有關(guān)部門著手進(jìn)行螺紋量值傳遞的準(zhǔn)備工作。要實(shí)現(xiàn)量 值傳遞，前提是有準(zhǔn)確的檢測(cè)參數(shù)，才能保證量值傳遞關(guān)系能如實(shí)進(jìn)行。故而螺紋多參數(shù) 的準(zhǔn)確

11、測(cè)量是實(shí)現(xiàn)螺紋溯源的基礎(chǔ)。5 .螺紋參數(shù)綜合檢測(cè)的發(fā)展隨著對(duì)螺紋參數(shù)重要性認(rèn)識(shí)的不斷提高，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式已不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)化 水平所要求的全面、精確、高效的檢測(cè)需求。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)深入開展了如何有 效地提高螺紋參數(shù)檢測(cè)的研究，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)也致力于新檢測(cè)領(lǐng)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(shù)進(jìn)行探索，實(shí)現(xiàn)螺紋參數(shù)的綜合檢測(cè)。螺紋參數(shù)的 綜合檢測(cè)，具有反映幾何形狀全面、能準(zhǔn)確反映各個(gè)參數(shù)對(duì)螺紋性能的綜合影響等優(yōu)點(diǎn)， 分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量。5.1 非接觸式檢測(cè)非接觸式測(cè)量的檢測(cè)系統(tǒng)為光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)， 檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是獲得螺紋形面測(cè)量數(shù)據(jù)， 即測(cè)得螺紋軸截面牙型

12、輪廓數(shù)據(jù)值，按照定義，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得相應(yīng)螺紋參數(shù)。目前研究 和應(yīng)用較多的測(cè)量方法為影像測(cè)量法和激光三角測(cè)量法。影像測(cè)量法的基本原理是對(duì)工件 的投影圖像進(jìn)行采集分析，測(cè)量精度易受到 CCEB素的制約，易造成成像邊緣畸變、偏差 等測(cè)量誤差，受限于對(duì)螺紋的表面質(zhì)量要求較高，且只能檢測(cè)外螺紋。激光三角測(cè)量法以 傳統(tǒng)光學(xué)三角測(cè)量原理為基礎(chǔ)，受螺紋表面質(zhì)量、牙型角、外界環(huán)境等因素的影響，且激 光測(cè)量頭里測(cè)量?jī)x的成本較高，推廣應(yīng)用較難。螺紋形面的測(cè)量采用光學(xué)測(cè)量方法很難實(shí) 現(xiàn)精確測(cè)量，特別是對(duì)內(nèi)螺紋參數(shù)的檢測(cè)所需的測(cè)量探頭設(shè)計(jì)，是目前螺紋牙型輪廓數(shù)據(jù) 采集中難以攻克的技術(shù)難題，目前國(guó)內(nèi)外尚未取得突破性進(jìn)展。

13、5.2 接觸式螺紋檢測(cè)接觸式螺紋檢測(cè)技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的螺紋檢測(cè)方法，其突破性、歷史性地解決了螺紋參 數(shù)檢測(cè)的方法，能較真實(shí)地綜合反映螺紋的各項(xiàng)性能指標(biāo)。接觸式測(cè)量是利用掃描針與被 測(cè)螺紋表面進(jìn)行軸向截面輪廓的接觸掃描，由測(cè)量系統(tǒng)獲得螺紋軸向輪廓的形貌，按螺紋 參數(shù)的相關(guān)定義進(jìn)行分析，計(jì)算獲得螺紋的綜合參數(shù)，其測(cè)量、計(jì)算完全符合螺紋參數(shù)的 定義。接觸式測(cè)量具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單、精度高、效率高、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前 螺紋 綜合參數(shù)測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)。6 .常用螺紋測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)綜上，常用的螺紋測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表 1。表1常用的螺紋測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)測(cè)量方法使用設(shè)備優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)綜合測(cè)量法（量規(guī)測(cè)量法）螺紋量規(guī)效率高、便于批量檢測(cè)只能針對(duì)單一公差尺寸測(cè)量、無(wú) 法提供測(cè)量的精確數(shù)據(jù)、人為影 響大、規(guī)格種類繁多、檢測(cè)精度 不圖單項(xiàng)測(cè)量法（量針法）測(cè)長(zhǎng)機(jī)、千分尺三針測(cè)量外螺紋中徑，精度可達(dá)48um只能測(cè)量