《测量螺纹用米制系列量针》国际标准介绍及分析

李晓滨 茅振华 陈向磊

（1. 中机生产力促进中心，北京 100044；2. 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018；3. 浙江时代计量科技有限公司，浙江 常山 324200）

螺纹联结涉及几乎所有机械工业产品。螺纹质量检验主要依靠螺纹量规。保证螺纹量规合格性是重要的工业技术基础。螺纹量针是测量螺纹塞规中径的主要手段。螺纹两针和三针跨线测量法具有测量精度高、操作性好、较经济等特点，是螺纹产品质量控制体系中的重要环节。工业国家对此都比较重视，许多国家制订有螺纹量针国家标准。2013年前，各国螺纹量针技术体系不同（直径、公差项目、检验方法、升角和测力修正），世界上一直没有螺纹量针国际标准。这是世界机械制造基础技术领域的一个缺失，给全球机械产品贸易和技术交流带来技术隐患。

2004年，中国承担ISO国际螺纹技术委员会（ISO/TC1）秘书处，中国开始主导国际螺纹标准化工作。2010年1月，中国提出制订螺纹量针国际标准申请。该申请获得主要工业国家支持，中国专家担任螺纹量针国际标准制订工作的项目召集人和标准起草人（本文作者）。经过艰苦努力，中国专家在螺纹量针的直径系列、公差项目和检测方法等方面都有技术创新，纠正过去世界螺纹领域长期存在的许多技术误区。工业国家量针标准在这些技术误区都犯过错，新国际标准能够得到工业国家的一致肯定是很不易的。2013年10月，螺纹量针国际标准全票通过；2013年11月，ISO 16239:2013《测量螺纹用米制系列量针》正式发布。该标准的技术水平已经处于国际领先。

1 标准的适用范围

螺纹量针国际标准适用于具有对称牙型、标准规格系列的螺纹。它包括世界上所有常用螺纹。紧固螺纹有普通螺纹（M）和统一螺纹（UN）；管螺纹有惠氏管螺纹（G、R）和美国密封管螺纹（NPT、NPSC、NPTF）；梯形螺纹有米制梯形螺纹（Tr）。这些常用螺纹具有以下参数特征：对称牙型，牙型角有60°、55°和30°共3种；螺纹升角不大于5°；螺纹锥度不大于1/16。考虑到测量精度和实际可操作性，螺纹量针主要用于测量螺纹塞规的中径尺寸。

非对称牙型螺纹主要指锯齿形螺纹，其承载牙侧角远远小于非承载牙侧角。例如米制锯齿形螺纹（B）的承载和非承载牙侧角分别为3°和30°。因非对称螺纹的承载牙侧角与非承载牙侧角差异较大，螺纹量针与承载牙侧和非承载牙侧无法同时在中径线位置接触。非对称螺纹不存在“最佳量针”。这是对称牙型螺纹与非对称牙型螺纹量针的主要不同。目前，工业国家在确定非对称螺纹量针直径方面存在较大分歧。主要有下面3种量针直径确定方法：一是量针只与承载牙侧在中径线处接触，或者量针只与非承载牙侧在中径线处接触（两种方案有不同侧重：前者侧重承载牙侧是工作牙侧；后者侧重非承载牙侧角对中径测量影响较大）（例如英国标准BS 1657:1950《锯齿螺纹》）；二是量针与承载和非承载牙侧的接触点分别处于中径线的两侧，两个接触点到中径线的径向距离相等（例如欧盟认可合作组织指南EA-10/10:1999《用机械测头确定圆柱螺纹量规中径指南》）；三是量针与承载和非承载牙侧的接触点分别处于中径线的两侧，两个接触点到中径线的径向距离之比符合规定比例（例如1978版美国联邦螺纹标准手册FEDSTD-H28/附录A13《用三针法测量爱克母和锯齿螺纹中径》）。中国专家对上述3种传统方法都不满意，认为应该按照牙侧角误差影响最小原则、利用计算公式重新建立各种非对称螺纹量针直径的确定方法。因螺纹量针国际标准已经纳入足够多的新技术内容，并要在规定期限内完成标准制订任务，本国际标准没有包含非对称螺纹量针部分。

2 量针直径系列

国际标准给出的 “最佳量针”定义为：与具有零升角假想螺纹在中径圆柱（牙侧）处接触的量针。与此定义相对应的对称牙型、圆柱螺纹最佳量针直径计算公式为：

式中：P为螺距；α/2为牙侧角。

因实际螺纹产品上的螺纹升角不为零，上述为最佳量针及其直径的近似定义和公式。

美国、英国、日本和俄罗斯的普通螺纹（M）量针直径系列见表1。它们基本采用最佳量针直径，只有日本有6个直径。采用最佳量针直径是世界螺纹量针的主流，本国际标准所规定的量针直径系列均为最佳量针直径。

美国螺纹量针直径的基本尺寸保留5位小数，英国和日本量针直径的基本尺寸保留4位小数。这不符合机械行业米制量规直径基本尺寸保留3位小数（微米级）惯例。美国、英国和日本坚持超常规地多保留量针直径基本尺寸位数作法，源于量针直径的准确性对跨线测量螺纹中径精度影响较大。例如对60°牙型角的对称、圆柱螺纹，其螺纹中径近似计算公式为：

式中：MW为跨线测量的跨距；P为螺距；w为量针直径。

表1 美国、英国、日本、俄罗斯的普通螺纹（M）量针直径系列（单位：mm）

从公式（2）看到，量针直径误差会以3倍方式反映到螺纹中径测量结果中。为说服美、英、日3国放弃其直径的多位数作法，中国专家在世界上首次提出对称牙型、圆柱螺纹的最佳量针直径精确计算方程组（考虑升角因素）。

式中：Ph为导程；P为螺距；d2为中径；d0为最佳量针直径；α/2为牙侧角（弧度）；

θ为θ平面（过量针与牙侧的一个切点和螺纹轴线的平面）与测量方向平面（过螺纹轴线、平行测量方向的平面）的夹角（弧度）；

ω为过切点的量针径向直线与θ平面的夹角（弧度）。

利用迭代法计算最佳量针直径的精确值。标准单线普通螺纹（M）最佳量针直径的精确与近似值比较见表2。从表2可知，有近半数的最佳量针直径差异发生在第3位小数。美、英、日3国的超多位数作法是没有依据的。国际标准内的最佳量针直径只保留3位小数。

为方便计算，本国际标准内的最佳量针及其直径仍然采用近似定义和公式。

德国没有专门的螺纹量针国家标准，它用一般几何参数测量的通用量针标准（DIN 2269:1998《几何参数检验—圆柱测量针》）来兼顾螺纹量针。该标准资料性附录B给出两个螺纹量针系列。表B1为螺纹最佳量针直径系列；表B2为蔡司公司（Zeiss）的螺纹量针直径系列，它与最佳量针直径系列有较大差异。德国正处于新、旧螺纹量针系列过渡期。蔡司直径系列是德国过去使用的螺纹量针系列；最佳量针系列是世界螺纹量针的主流。因这些信息属于参考信息，表1没有列出德国螺纹量针直径的双系列。

中国有螺纹量针国家标准（GB/T 22522-2008《螺纹测量用三针》）。该标准资料性附录给出螺距与量针直径的对应关系。它不是最佳量针，而且一个量针直径可能要兼顾不同螺纹的几个螺距（或牙数）。中国量针直径个数较少。因中国量针直径与螺距对应关系仅为参考信息，它也没有列入表1。

瑞典有螺纹量针国家标准（SS 1744-1988《用量针检验螺纹》）。其量针直径系列源于VOLVO汽车公司。瑞典为减少量针直径个数，其标准量针直径的基本尺寸仅保留两位或一位小数，个别直径甚至取为整数。瑞典量针不是最佳量针。因瑞典量针直径的位数过少，与其他国家相差较大，表1没有列入瑞典螺纹量针直径。

3 量针公差

3.1 基本情况主要工业国家螺纹量针的直径和形状公差比较见表2。

相对于量针公称直径，各国规定了量针直径的极限偏差。为在一套量针内的不同量针间和一个量针的不同位置取得更加一致的直径，美国、日本、英国、德国和中国又规定了限制更严的最大允许直径变化量或差异量。量针实际直径相对于量针公称直径的差异可以大些，因为测量精度要求高时可以进行相应修正。而量针之间的直径差异量和一个量针不同位置的直径变化量会影响中径测量不确定度，这是无法修正的，对此要严加控制。目前，瑞典和俄罗斯还没有认识到区分这两种不同直径公差的重要性，其标准内只规定了量针直径的极限偏差。另外，有些国家用单只量针的“平均直径”计算量针与公称直径间以及不同量针间的直径差异量。中国专家认为这不利于严格控制量针直径尺寸，会放松有关技术要求。

国际标准规定了两套不同公差：相对于公称直径的极限偏差和不同量针间及量针自身不同位置处的最大允许直径变化量。

中国螺纹量针国家标准规定了两套沿轴线方向允许直径变化的公差值。一个是较严的公差，如上所述；另一个以“锥度公差”方式给出较松公差（在公称直径极限偏差范围内）。此“锥度公差”方式类似于瑞典和俄罗斯的较松公差体系，它是中国标准的一个技术失误。

过去，世界普遍认为螺纹量针的形状误差对螺纹中径测量影响较大，量针标准都有形状公差要求。测量形状误差要用专用设备和采集大量数据。不但要花费大量检测时间，购买专用形状测量仪器也大大增加成本。这是许多工业国家的错误认识，实际生产中也是行不通的。计量部门往往调低或取消螺纹量针的形状检测要求，导致许多国家量针参数要求与实际检测方法不相协调，经常发生螺纹量针检测争议。在起草国际标准中，中国专家花费大量精力甄别各国实际真正执行的量针公差项目。例如，美国螺纹量针标准使用锥度（taper）和圆度（roundness）术语规定量针公差。与美国国家标准院（NIST）螺纹测量专家核实，这两个几何形状术语与螺纹量针的形状要求没有关系（但美国生产厂家的认识还不统一）。量针公差术语混乱与历史上的术语习惯有关。实际上这两个术语分别对应沿轴线方向和沿圆周方向的直径变化量。中国标准错误出现“锥度公差”要求可能与此术语有关。

表2 主要工业国家螺纹量针公差比较

3.2 量针直径的测量条件

英国、德国、中国、瑞典和俄罗斯的螺纹量针直径测量条件是：测力较小，测量时量针没有大的变形。在这些国家，测量量针直径时不考虑螺纹中径测量中的变形修正问题。国际标准采用了这种小测力量针直径测量法。

美国和日本的量针直径是在特定条件下测量的。要使用特制的辅助测量棒和施压圆盘、特定的大测力。螺纹量针直径是在有较大变形条件下测量的。美国和日本要模拟测量螺纹中径时所发生的螺纹量针变形量，从而在螺纹中径测量时不再考虑量针变形修正。这种变形修正方法源于大量试验验证数据。这种方法可补偿中径测量所发生变形量中的大部分，但无法做到变形量的准确补偿。

3.3 圆周方向直径变化量的测量方法

控制圆周方向的直径变化，美国、日本和英国允许在60°V形槽内旋转量针，测量量针最高点的垂直方向变化量。此方法不但比较接近用量针测量螺纹中径的工作状态，而且它比测量圆度误差更易实现。德国和中国则不同，他们仍然坚持控制圆度公差。

圆度公差是两个同心圆的半径差，它与圆周方向的直径变化量差异较大。直径变化量是半径变化量的两倍。德国没有注意此差异，其直径最大允许变化量与圆度公差取值相同。要使两者相互协调，圆度公差值应取最大允许直径变化量的一半。这是德国标准的一个失误。中国螺纹量针标准的公差体系来源于德国，此错误在中国标准内同样存在。

美国要对60°V形槽内转动量针所产生的行程值除以1.5。通过此修正，得到量针的直径变化量。日本标准没有行程测量值修正步骤，其实际圆周方向的直径变化量要比规定公差（0.5 µm）控制得要严。英国没有明确其行程测量值是否修正，要靠测量操作者自己判别。中国要对60°V形槽内转动量针所产生的行程值除以3，得到量针的半径变化量（圆度公差）。在世界范围内，这里极易引发技术纠纷。在起草国际标准期间，美国厂家发生量针修正争议，来信咨询中国专家。

本国际标准明确规定采用60°V形槽检测法和除1.5的修正方式。

美国螺纹量针标准规定了两种测量沿圆周方向直径变化量方法。除60°V形槽测量外，另一种方法是使用专业的圆度测量仪。为照顾老产品，美国标准还没有删除过去使用的圆度仪法。两种方法的检验结果不同，极易引发检测争议。为此，美国标准（ASME B1.2-1983附录B）《统一寸制螺纹量规及检验》已经删除圆度仪测量法。美国国家标准局的《测量螺纹量针》研究报告（NBS REPORT ON THE MEASUREMENT OF THREAD MEASURING WIRES，1973年，报告编号10987）也删除了圆度仪测量法。

中国螺纹量针计量规范也规定了两种圆度检测方法：60°V形槽法和圆度仪法。

规定量针圆度公差是不对的。德国出现圆度要求是因为德国只有用于一般几何参数测量的通用量针标准，没有专门的螺纹量针标准。而一般几何参数测量用通用量针是有圆度要求的。这个圆度公差被错误地带到德国螺纹量针产品上。中国量针国家标准是由通用量具量仪标准委员会（SAC/TC132）制订的，由于不了解螺纹量针和量规的设计要求。导致中国螺纹量针标准采用德国公差体系，中国绝大多数螺纹量规标准也存在严重技术问题。

3.4 直线度公差

英国和中国标准有量针母线的直线度要求。一般采用透光法检验。标准螺纹的升角不大，量针与螺纹牙侧接触的轴向长度很短，所以要求直线度公差是没有必要的。另外，细量针容易弯曲，要求直线度也不现实。细量针要在施加压力后才会变直，可中国标准没有规定施加压力这个必要的测量条件。

除透光法外，中国计量规范还规定可用轮廓仪测量量针母线的直线度。中国计量部门应该已经看到中国透光测量法所存在的局限性。

国际标准没有形状公差要求，只规定有量针直径的尺寸公差。在世界上首次还原螺纹量针真实的技术要求。为避免检验纠纷，国际标准还规定了具体的量针轴向和周向测量位置。

4 量针工作表面

主要工业国家螺纹量针工作表面的硬度和粗糙度要求见表3。

表3 主要工业国家螺纹量针工作表面的硬度和粗糙度要求

使用两种硬度单位（HRC、HV）的国家个数相同。因HV硬度单位更加适合小试验力的量针表面，国际标准采用HV硬度单位，并且规定试验力为5 kgf。

绝大多数国家控制表面粗糙度Ra指标（表面轮廓的算术平均偏差）。这个指标对不同表面反应不够敏感，它是所有峰值的平均。对量针，表面峰值对螺纹中径测量影响较大。为此，国际标准选择Rz作为表面粗糙度指标（表面轮廓的最大高度）。

5 总结

本国际标准在世界上首次统一了螺纹量针的直径系列、公差项目及其测量方法、表面质量等重要技术参数。特别在直径和公差方面，纠正了长期过多保留公称直径位数和误用形状公差的混乱局面。国际标准的技术水平处于世界领先。同时，国际标准大大降低了螺纹量针的生产成本。国际标准颁布后，英国立即等同采用了本国际标准（BS ISO 16239:2013）；2014年，美国螺纹委员会启动修订美国螺纹量针国家标准工作。

中国螺纹专家在起草螺纹量针国际标准中发挥了巨大作用，得到发达国家专家的一致肯定。可是，在世界上中国的量针标准却比较落后，存在很多技术错误。中国螺纹标准委员会（SAC/TC108）不归口中国的螺纹量规和量针国家标准是出现这些问题的根源。螺纹委员会能制订螺纹量规和量针国际标准，但不能制订对应的中国标准。世界上没有任何其他国家存在这种螺纹标准化错位管理体系。希望我国标准化管理体制在今后的调整和改革中，能够尽快解决此难题。

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