董良海 邵丹 / 無錫市計(jì)量測(cè)試院
圓錐螺紋塞規(guī)主要用于綜合檢驗(yàn)密封管工件內(nèi)螺紋。其中常見的有英制密封管螺紋量規(guī)(55°)和美制密封管螺紋量規(guī)(60°)?;鶞?zhǔn)平面上的中徑是圓錐螺紋塞規(guī)的主要參數(shù),目前常用的測(cè)量方法有測(cè)球法和螺紋掃描法,但是這兩種方法對(duì)于設(shè)備的要求比較高,不太適用于一般企業(yè)。本文提出了一種利用萬能工具顯微鏡軸切法測(cè)量基面中徑的方法,經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,效果良好。
測(cè)量前,一般需先將塞規(guī)手柄卸除。檢查塞規(guī)頂尖孔是否完好,如有毛刺則要用高粒度油石打磨光滑,并用溶劑汽油清洗干凈。
將被測(cè)塞規(guī)安裝在工具顯微鏡的頂尖架上,根據(jù)被測(cè)螺紋的螺距選擇并安裝好合適的測(cè)量刀,螺距為0.5~3 mm,選用刃口與分度線間距為0.3 mm的測(cè)量刀;螺距為3~6 mm,選用刃口與分度線間距為0.9 mm的測(cè)量刀,所選用的測(cè)量刀事先應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn),其刃口與分度線間距誤差一般不大于±0.5 μm。調(diào)整焦距進(jìn)行對(duì)刀,使測(cè)量刀刃在螺紋軸線平面上與螺紋牙型輪廓密合,并刀刃口影像清晰。對(duì)刀前,應(yīng)根據(jù)被測(cè)螺紋的螺旋升角使顯微鏡的立柱傾斜一個(gè)角度,在正式測(cè)量時(shí),顯微鏡的立柱應(yīng)恢復(fù)零位。
測(cè)量應(yīng)在被測(cè)螺紋的前、后端進(jìn)行,如圖1所示。選定第一個(gè)測(cè)量位置后,瞄準(zhǔn)測(cè)量刀分度線,使測(cè)量刀分度線與目鏡中相應(yīng)虛線對(duì)準(zhǔn),讀取和記錄萬能工具顯微鏡縱橫向坐標(biāo)示值(x1,y1),保持縱向位置不動(dòng),橫向移動(dòng)顯微鏡到螺紋軸線的另一邊,瞄準(zhǔn)測(cè)量刀分度線,讀取和記錄第二個(gè)坐標(biāo)值(x1,y2),兩次橫向測(cè)量示值之差即為x1位置處的中徑測(cè)量示值。為消除螺紋軸線與縱向坐標(biāo)軸線不平行引起的系統(tǒng)誤差,應(yīng)在螺紋牙型左、右兩側(cè)各測(cè)量一次,再得到x2位置處的中徑測(cè)量示值。由于圓錐螺紋塞規(guī)存在中徑錐度,因此兩次測(cè)量計(jì)算的平均值作為(x2+x1)/2 位置處的中徑d2a:
圖1 軸切法測(cè)量中徑示意圖
按同樣步驟,在被測(cè)螺紋的后端進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量位置應(yīng)盡可能靠近基面,得到(x4+x3)/2位置處的中徑d2b:
根據(jù)基準(zhǔn)平面位置xl1計(jì)算基面處中徑d2:
式中:d2——圓錐螺紋塞規(guī)基面中徑,mm;
d2a——塞規(guī)前端(靠近小端面)中徑,mm;
d2b——塞規(guī)后端(靠近基面)中徑,mm
將式(3)簡(jiǎn)化為
式中:X1——塞規(guī)前端中徑距小端距離,mm;
X2——塞規(guī)后端中徑距小端距離,mm;
X基——塞規(guī)基面距小端距離,為常數(shù),mm
對(duì)(4)式中各影響量求偏導(dǎo)數(shù),得:
式中:c1,c2,c3,c4分別為前端中徑測(cè)量值,后端中徑測(cè)量值,前端中徑測(cè)量位置,后端中徑測(cè)量位置對(duì)基面中徑影響量的靈敏系數(shù)
實(shí)際測(cè)量時(shí),根據(jù)實(shí)際測(cè)量位置,可計(jì)算得到各測(cè)量值對(duì)中徑的影響量。
以R3/4塞規(guī)為例,實(shí)際測(cè)量時(shí),根據(jù)R3/4塞規(guī)的實(shí)際牙數(shù)確定測(cè)量位置,假定前端中徑測(cè)量位置為距小端面0.5P的位置,后端中徑在距基面-0.5P(P= 1.814 mm)的位置處測(cè)量(該塞規(guī)只有一個(gè)臺(tái)階面,因此測(cè)量時(shí)可以通過旋轉(zhuǎn)量規(guī)盡量避開臺(tái)階面找到靠近基面處的全牙型進(jìn)行測(cè)量)。經(jīng)過計(jì)算可以得到:
通過計(jì)算靈敏系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),基面中徑測(cè)量的主要不確定度來源為前后截面的中徑測(cè)量誤差,后測(cè)量面的位置測(cè)量誤差,由前測(cè)量面的位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略。
令u(d2a) =u(d2b),則
式(5)中,u(d2b)可認(rèn)為是用軸切法測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)任一截面中徑時(shí)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,主要由u1,u2,u3,u4四個(gè)分量構(gòu)成,由后測(cè)量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(X2)。
2.3.1 由萬能工具顯微鏡示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1
在萬能工具顯微鏡上用軸切法測(cè)量錐螺紋中徑時(shí),取牙型左右兩側(cè)中徑值的平均值做為中間位置處的中徑值,萬能工具顯微鏡的最大允許誤差為MPEV:(1 +L/100)μm,按均勻分布計(jì)算:
2.3.2 由測(cè)量刀分度線與刃口距離誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2
應(yīng)選擇未磨損的測(cè)量刀進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量刀的分度線與刃口間的距離誤差為±0.5 μm,每一個(gè)截面需要用兩把測(cè)量刀,按均勻分布計(jì)算,考慮到螺紋牙側(cè)角的影響,測(cè)量刀分度線至刃口距離的誤差對(duì)螺紋中徑的影響應(yīng)乘以系數(shù)則
2.3.3 由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
在重復(fù)性條件下,連續(xù)測(cè)量某一截面中徑10次,計(jì)算其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差:
即:u3=s=0.8 μm
重復(fù)性測(cè)量時(shí)已經(jīng)包含了對(duì)刀誤差、對(duì)線誤差及分辨力誤差,因此在評(píng)定時(shí)不予考慮該三項(xiàng)誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。
2.3.4 由被測(cè)螺紋及相關(guān)測(cè)量程序等未明確因素引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4
在用軸切法測(cè)量過程中,被測(cè)量規(guī)的形狀誤差,測(cè)量刀的密合度以及測(cè)量程序中未明確因素等都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,其約為
u4= 0.5 μm
由此可計(jì)算得到用軸切法測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)任意截面中徑產(chǎn)生的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
2.3.5 由后測(cè)量位置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(X2)
u(X2)的分量組成與u(d2b)類似,其中測(cè)量刀分度線至刃口距離的誤差對(duì)軸向距離的影響系數(shù)變?yōu)橥ㄟ^實(shí)際計(jì)算后得到:
u(X2) = 1.0 μm
由式(5)可以基面中徑的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
取包含因子k= 2,則擴(kuò)展不確定度U= 3.2 μm。
實(shí)際測(cè)量時(shí),根據(jù)塞規(guī)規(guī)格不同以及臺(tái)階面形式的不同,測(cè)量時(shí)距離基面的位置可能也會(huì)不同。表1列出了后端測(cè)量位置距基面不同位置處時(shí)的靈敏系數(shù)變化。
表1 后端測(cè)量位置距基面不同位置處時(shí)的靈敏系數(shù)
通過表1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)后截面測(cè)量位置在基面上時(shí),該位置處的中徑測(cè)量誤差即為基面中徑測(cè)量誤差。當(dāng)測(cè)量位置小于基面時(shí),隨著距離的增加測(cè)量誤差有一個(gè)明顯的放大作用。當(dāng)測(cè)量位置大于基面時(shí),影響塞規(guī)基面中徑測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素為前后端兩位置的中徑測(cè)量誤差,無明顯放大。因此測(cè)量時(shí),測(cè)量位置應(yīng)盡可能地靠近基面。
除儀器本身的準(zhǔn)確度外,用軸切法測(cè)量塞規(guī)基面中徑的另一個(gè)主要誤差來源為測(cè)量者的熟練程度,包括對(duì)刀誤差、對(duì)線誤差、示值誤差等,需要操作者加強(qiáng)測(cè)量熟練度。
通過實(shí)際測(cè)量與不確定度分析,可以看出用萬能工具顯微鏡軸切法可以準(zhǔn)確測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)的基面中徑。對(duì)于一些小型螺紋加工或使用企業(yè)來說,不可能配置昂貴的螺紋測(cè)量專用設(shè)備,因此通過軸切法測(cè)量圓錐螺紋塞規(guī)的方法可以有效地幫助企業(yè)解決難題,使其提高產(chǎn)品質(zhì)量。