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导读 作者：李晓滨 （全国螺纹标准化技术委员会秘书处， 北京 100044） 来源：《机电产品开发与创新》2022年1月 摘要：介绍了米制螺纹检测要求体系不完整现状及近期中国在此方面的最新进展；介绍了紧固螺纹检测 体系和螺纹指示量规检测紧固螺纹方法两项新国家标准的主要内容。给出涂镀螺纹检测提示。 0 引言 米制螺纹是由德国和法国等西欧发达工业国家所创 建的标准螺纹。因西欧国家主导 ISO 国际标准活动（一国 一票的投票制度和联合工作的维也纳协议），ISO 组织发 布的绝大多数螺纹标准是米制螺纹。例如，ISO 米制普通 螺纹（M）、ISO 米制梯形螺纹（Tr）和 ISO 小螺纹（S）。米制 螺纹除具有尺寸单位优势外， 它还有公差等级和公差带 位置多、公差带标记简单等显著特点。目前，米制螺纹是 世界机械工业领域的主流。欧洲和亚洲工业国家主要采 用米制螺纹，英联邦国家也积极采用米制螺纹。 在管螺纹领域， 由英国惠氏螺纹演变的密封管螺纹 （R）和非密封管螺纹（G）已经实现米制化，在欧洲、亚洲、 英联邦国家和 ISO 组织已得到广泛采用。 1 米制螺纹标准的技术缺陷 1891—1898 年，西欧工业国家建立了米制普通螺纹（M）欧洲标准。可是米制普通螺纹的公差标准（ISO 965-1[1]）一 直没有规定螺纹单项要素（螺距、牙侧角、锥度、圆度、跳 动）要求。同样，米制梯形螺纹（Tr）、小螺纹（S）和管螺纹 （R、G）也都没有规定螺纹单项要素公差。这是米制螺纹标 准技术体系的一个致命缺陷。 在米制螺纹标准创建初期， 欧洲螺纹标准不规定螺 纹单项要素公差是可以理解的。全面认识和掌握一项新 技术需要一定时间的实践探索。随着大规模生产到来，欧 洲发达国家必然发现不控制螺纹单项要素偏差的螺纹产 品是无法正常使用的。可是欧洲国家没有及时修订米制 螺纹国际标准， 而是在国际标准中隐藏了这个非常重要 的技术要求。 在螺纹轴线平面内： （1） 螺距误差会导致内、 外螺纹只有 3 个牙侧接触， 其他牙侧处于悬空位置，同时内、外螺纹牙侧的接触高度 减少。 （2） 牙侧角误差会将内、外螺纹的牙侧面接触变为牙 侧点接触，螺纹配合接触面积大大缩小。 （3） 锥度误差会缩小内、外螺纹沿轴向的配合长度。在螺纹径向平面内，圆度误差会减少内、外螺纹沿圆 周方向的配合长度。 螺纹顶径相对中径的跳动误差导致螺纹中径圆柱或 圆锥与顶径圆柱或圆锥不同心，这会影响内、外螺纹配合的牙接触高度及在牙底和牙顶位置的间隙。 欧洲工业发达国家将螺纹单项要素公差要求放入公 司标准，对外实施技术保密。而广大的发展中国家不知道 控制螺纹单项要素要求，只能生产低端螺纹产品，绝大多 数的高端螺纹产品依靠进口。螺纹单项要素偏差的控制 水平是西方工业发达国家与发展中国家螺纹质量的分水 岭。发展中国家的螺纹质量低劣，除了对控制螺纹单项要 素偏差认识不到位， 还与它们的螺纹检测手段不足和对 通、止螺纹量规检验结果理解不深入相关。 找到生产现场快速检测工件螺纹的实用方法非常重 要。1905 年，英国人泰勒发明了通、止螺纹量规（内螺纹塞 规和外螺纹卡规，英国专利号 GB190506900）。之后，通、 止螺纹环规和塞规成为螺纹检验的主要手段 （量规标准 见 ISO 1502[2]或 GB/T 3934[3]）。使用通、止螺纹量规的前提 是：螺纹单项要素偏差较小。这时它可以高效、低成本地 控制螺纹质量。所以，这种螺纹量规一直沿用至今。但是， 当螺纹单项要素偏差较大时，这种螺纹量规只能保证内、 外螺纹间的装配性，不能保证螺纹配合质量（螺纹联结性 能）。用通、止螺纹量规不能发现螺纹单项要素偏差的大 小。发展中国家绝大多数技术人员不知道通、止螺纹量规 的使用前提和局限性， 长期找不到生产高端螺纹工件的 技术突破口。 与紧固螺纹类似， 用密封管螺纹台阶量规检验合格 的螺纹不能保证管螺纹的密封性。检验合格仅仅给出手 旋合后，内、外管螺纹的轴向配合位置。管螺纹密封性主 要取决于螺纹单项要素偏差的控制，要消除内、外螺纹配 合牙之间的间隙。 中国对外开放 30 余年，许多机械领域生产技术已有 突飞猛进发展。可是中国螺纹生产技术没有本质改进。在 零部件和量刃具行业低价竞争的残酷环境下， 标准未规 定米制螺纹单项要素极限偏差的技术缺陷竟然成为降低 生产成本的途径， 中国成为世界粗糙螺纹工件第一生产 大国。这种状况严重影响中国整个机械行业产品质量提 升，高端螺纹产品基本依靠进口。 2 近期米制螺纹检测要求进展 世界有三大螺纹标准技术体系。它们分别是英制螺 纹、美制螺纹和米制螺纹。英国首先创建了英制螺纹技术 体系；在英国技术基础上，美国创建了美制螺纹；最后出 现西欧的米制螺纹。目前，米制螺纹和美制螺纹是世界舞 台的主角，英制螺纹已经失去往日辉煌。除尺寸单位劣势外， 美国拥有世界上最完整的螺纹 标准技术要求及相应检测体系和检测手段。第二次世界 大战期间及随后相当长的时期内， 美国军方曾经直接制 定美国螺纹标准，例如统一螺纹（UN），对美国螺纹技术进步起到了积极推动作用。美国标准列出与螺纹质量相 关的所有螺纹要素，建立了完整螺纹检测体系，并给出每 个螺纹要素的对应检测手段。美国螺纹检测手段是世界 上最多的。美国螺纹技术正是目前中国急需补充的，它弥 补了 ISO 米制螺纹标准的技术不足。 2016—2018 年， 中国参照美国标准 ASME B1.3：2007[4] 发布了 GB/T 37050—2019 《紧固螺纹检测体系》 国家标 准。给出中国控制螺纹单项要素偏差依据和对应各个螺 纹单项要素的检测方法。 2018—2020 年， 中国参照美国紧固件协会标准 IFI 301：2008 （量规校准）[5] 和将于 2021 年出版的美国标准 ASME B1.2（UN 和 UNJ 螺纹量规）[6]发布了 GB/T 39641— 2020《螺纹指示量规检测紧固螺纹方法》国家标准。1999 年，美国紧固件协会 IFI 发布技术公告[7]，向美国紧固螺 纹行业推荐螺纹指示量规控制螺纹单项要素技术。此技 术在提高螺纹质量同时，还降低了螺纹挤压板（轮）受力， 从而大大延长螺纹工具和设备寿命，降低生产成本。这是 一个在生产现场非常实用的技术， 为中国控制螺纹质量 提供了实施途径。 2018 年， 中国向德国建议在 ISO 米制普通螺纹公差 国际标准（ISO 965-1：2013）增加控制螺纹单项要素技术 内容（资料性附录），给出控制螺纹单项要素综合误差之 和（牙型综合偏差）技术指导。将控制水平等级分为三个， 对应螺纹中径公差的占比分别为 30%、40%、50%。可德国 认为德国螺纹质量水平已经世界领先， 目前的国际标准 没有问题，否决了中国提议。欧洲仍然坚持隐藏螺纹单项 要素控制要求。2020 年，中国降低了标准修改规模，在ISO 米制螺纹公差国际标准第 6 章的表 4 前， 增加一个标准 条文注释：“对于精密螺纹，进一步控制螺纹单项要素（螺 距、牙侧角、锥度、圆 度 、跳动 ）是 重 要 的 ”，发 布 为 ISO 965-1：2013/AMD 1：2021。 传动螺纹的检测体系可以直接借鉴紧固螺纹的。美 国已经在梯形螺纹 B1.5 和锯齿螺纹 B1.9 标准中实施了 这种作法。将来，中国也会扩大 GB/T 37050 国家标准的 适用范围。 世界上还没有密封管螺纹检测体系。2017 年 1 月，为 提高中国密封管螺纹质量， 中国螺纹专家向美国螺纹委 员会发起如何建立《密封管螺纹检测体系》技术讨论，美 国螺纹量规专家积极响应。密封管螺纹检测体系的初步 讨论结果是：①建立单独的密封管螺纹检测体系；②建立 第 1、2、4 级检测体系 （分别对应 NPT、1 级NPTF、2 级 NPTF 螺纹的美国检验要求）；③去掉第 4 级体系内的牙底检测 要求，作为第 3 级检测体系（美国生产已经使用）；④在第 4 级基础上，增加螺纹单项要素检测要求，作为第 5 级检 测体系（石油螺纹已经使用，满足高精度要求）；⑤从第 1级至第 5 级，检测项目逐步增加；⑥此体系要强调密封管 螺纹量规的使用顺序及它们之间的相互关系 （其他量规 的检测结果要与 L1 量规检测结果有一定的位置要求）。 中国专家认为第 3、4 级应属于同一级别， 应改为 3A、3 级。总的检测级别为 4 级。 3 螺纹参数的检测体系 表 1 为紧固外螺纹检测体系。其第 1 列给出紧固外 螺纹各个检测参数；第 3 列给出了检测方式；最后三列给 出三个检测体系（A、B、C）要检测的螺纹参数组合。 表 2 为紧固内螺纹检测体系。与表 1 的外螺纹相比， 内螺纹检测参数没有圆弧底底径和牙底圆弧半径两项。中国螺纹检测体系 A、B 和 C 分别对应美国 ASME B1.3 螺纹检测体系 21、22 和 23。
体系 A 与体系 B 的主要差异为两者检测的最小实 体中径不同。体系 A 用止端螺纹量规检测旋入端局部止 端中径；体系 B 则检测各个位置的中径或单一中径。在中 国，许多人不知道“止端中径”与“单一中径”差异，认为两 者相同。通过仔细观察检测这两种螺纹中径的不同测头， 就会找出两种中径的不同。当用体系 B 检测各个位置的 中径或单一中径合格， 用检测体系 A 检测选入端局部止 端中径就一定合格；而当用体系 A 检测止端中径合格，不 能保证用体系 B 检测中径或单一中径一定合格。 体系 C 检测项目比体系 B 多出七项， 体系 C 的检测要 求更严格。当用体系 C 检测合格，用体系 B 检测一定合格；而当用体系 B 检测合格，不能保证用体系 C 检测一定合格。体系 A 对应目前中国的螺纹检测水平， 用它只能生 产低端螺纹产品。 中国标准的“径向中径差”、“轴向中径差” 和“牙型综合偏差”螺纹参数分别对应相应美 国螺纹标准的“圆度”、“锥度”和“螺纹单项参 数误差之和”术语。美国螺纹圆度和锥度术语 极易与 GPS 形位公差术语混淆。两者的英文词 完全相同，而技术内容大相径庭。许多国家学 习美国螺纹技术都会落入美国螺纹术语陷阱， 美国技术人员有时也会发生争议。中国螺纹标 准采用不发生误解的中文短语表述，为中国顺 利实施美国技术铺平了道路。 为了帮助中国技术人员理解体系 A 与体 系 B 的不同， 中国专门创建了 “止端中径”术 语。明确用止端量规检测的止端中径与螺纹术 语规定的中径和单一中径不同。这对提高中国 螺纹质量非常必要。 当实际螺纹产品所要检测的螺纹参数组合 与标准提供的三个常用体系（A、B、C）不同时，可 以对其进行修正（增加或减少检测的螺纹参数）。 4 螺纹参数的检测方法 GB/T 37050—2019《紧固螺纹检测体系》国 家标准另外一个功能是提供各个螺纹参数的 检测方法（见资料性附录 A）。它为每种螺纹量 规和量仪进行编号，此编号来源于美国标准。 外螺纹参数检测量规和量仪见表 3。目前， 中国在生产现场所使用的主导螺纹量规只有 通、止螺纹量规（编号 1.1、1.2），种类太少，根本 无法满足高精度螺纹生产需要。中国基本不用 螺纹卡规（第 2 类）和螺纹指示量规（第 4 类）， 螺纹千分尺（第 6、7 类）的使用也很少。 内螺纹参数检测量规和量仪表与外螺纹的类似，具体情况请查看国家标准。美国将这部分内容放在标准正文内。 考虑螺纹量规 和量仪技术发展较快， 中国将这部分内容放入资料性附 录中。 螺纹指示量规的差分测量技术非常实用。1999 年起，美国重点推广此技术。为在中国快速推广该技术，中国 发布 GB/T 39641—2020 《螺纹指示量规检测紧固螺纹 方法》国家标准。测量外螺纹的螺距、牙侧角、牙型综 合偏差的方法分别见图 1~图 3。具体测量步骤请查看 国家标准。
6 结束语 在世界范围内，涂镀后螺纹的检验方法是容 易出现分歧的地方之一。因个别人编写的紧固件 培训教材误导（用通端螺纹量规和止端螺纹量规 检验涂镀后的螺纹尺寸）， 这个问题在中国更加 普遍。 对商品螺纹紧固件，如无特殊说明，螺纹标 记中的螺纹公差带适用于涂镀前螺纹。要用相应 的通端螺纹量规和止端螺纹量规检验涂镀前螺 纹尺寸。涂镀后，只用 H 或 h 公差带位置的通端 螺纹量规进行检验，以保证螺纹最大实体尺寸合 格。涂镀后不能用止端螺纹量规来检验螺纹表面 的镀层厚度。紧固件涂镀层厚度的检测位置不在 螺纹表面。 今后，中国会继续努力，直到在米制螺纹国 际标准增加具体的螺纹单项要素偏差要求。在国 内，中国将制定《螺纹指示量规校准测量方法》国 家标准。目前，国内的螺纹指示量规主要依靠进 口。待国内螺纹指示量规生产技术成熟，中国还 要制定《指示螺纹量规》标准。 密封管螺纹检测体系需要与美国专家继续
讨论。时机成熟后，起草国家标准。 |
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