程芳 符偉民 王建偉/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

圓錐螺紋牙型為三角形，主要依靠牙的變形來保證螺紋副的緊密性，是一種聯(lián)接緊密、氣密性良好的聯(lián)接件，廣泛應(yīng)用于管道聯(lián)接、機(jī)械鉆探和管道輸送中。圓錐螺紋分為圓錐外螺紋和圓錐內(nèi)螺紋，本文研究的是60° NPT圓錐螺紋塞規(guī)的改進(jìn)測量方法以及相應(yīng)的計(jì)算公式。

利用L形墊鐵法實(shí)際測量小尺寸的NPT錐螺紋塞規(guī)時(shí)，萬能測長儀會(huì)遇到測量“死角”。本文就此問題提出了改進(jìn)的測量方法和計(jì)算公式，并且通過實(shí)際測量案例，制定了快速判定NPT中徑是否合格的表格，為測量人員的測量及后續(xù)的計(jì)算分析進(jìn)行了有效的理論論證。

1 NPT錐螺紋

NPT， 全 稱 National (American)Pipe Thread，是一種美國標(biāo)準(zhǔn)的圓錐管螺紋。該系列螺紋在我國機(jī)床行業(yè)和美國、前蘇聯(lián)應(yīng)用。它的代號(hào)，我國過去規(guī)定為K，后來規(guī)定為Z，現(xiàn)在改為NPT。NPT螺紋牙型角為60°，錐度為1∶16。

NPT錐螺紋在不同橫截面上的直徑各不相同，因此中徑需要在一個(gè)明確的規(guī)定基面上進(jìn)行測量。GB-T12716-91中規(guī)定，將垂直于螺紋軸線、具有基準(zhǔn)直徑的平面定為NPT的基面。在基面位置上，圓錐內(nèi)、外螺紋的基本直徑相同。從基準(zhǔn)平面到外螺紋小端面的距離稱為基準(zhǔn)距離，簡稱基距。NPT錐螺紋的中徑測量一般在基面上進(jìn)行。

如圖1所示，NPT錐螺紋中徑是在給定基面上沿垂直于軸線方向量得的平均圓錐上的直徑。平均圓錐是由截割圓錐螺紋牙凹和牙凸寬度相等的錐體母線所組成的假象圓錐[1]。

2 實(shí)際測量中的問題

NPT錐螺紋在不同橫截面上的中徑各不相同，因此中徑的測量規(guī)定在基面上完成。普通的長度測量儀器只能完成兩平行平面或直線之間的長度測量，對(duì)于帶錐度的螺紋則需要在合適的附件支持下才能完成測量任務(wù)[1]。NPT錐螺紋中徑的測量方法比較多，主要有影像法、三針法、正弦規(guī)法、組合測量法等[2]。其中，利用L形墊塊，輔以三針組合，在萬能測長儀上即可較好地完成NPT圓錐外螺紋中徑的測量工作。該方法所得測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，測量效率較高[1]。

然而在使用L形墊塊的實(shí)際測量中，對(duì)于一些小尺寸的NPT塞規(guī)而言，螺紋實(shí)體比較小，加之L形墊塊右側(cè)有一傾斜角度，造成萬能測長儀的測頭在還未測量到塞規(guī)實(shí)體之前就碰觸到了L形墊塊，形成了一個(gè)測量的“死角”，無法對(duì)NPT塞規(guī)進(jìn)行測量，如圖2所示。

圖2 利用L形墊塊測量NPT塞規(guī)示意圖

為了將L形墊塊與三針的組合測量方法應(yīng)用于小尺寸的NPT塞規(guī)的中徑測量，本文提出了一種借助于量塊的組合測量方法。在小尺寸NPT塞規(guī)與L形墊塊之間放置3等量塊，使得萬能測長儀能順利地進(jìn)行NPT塞規(guī)中徑測量，如圖3所示。其中，選取尺寸適當(dāng)?shù)牧繅K，量塊的高度以實(shí)際測長儀能進(jìn)行測量為準(zhǔn)，不宜過高或過低，避免增加誤差。

圖3 改進(jìn)的利用L形墊塊測量NPT塞規(guī)示意圖

3 改進(jìn)的測量方法及中徑的計(jì)算

針對(duì)小尺寸的NPT塞規(guī)，采用L形墊塊、量塊和三針的組合測量方法，利用萬能測長儀的測量得出測量值，然后通過幾何計(jì)算，最終得出所需的NPT圓錐螺紋塞規(guī)的基面中徑。

3.1 測量方法

在萬能測長儀上用L形墊塊、量塊和三針配合測量圓錐螺紋塞規(guī)時(shí)，先將墊塊置于儀器的工作臺(tái)上，如圖4所示。選用適當(dāng)尺寸的量塊，置于墊塊內(nèi)角傾斜β的平面（E-E′面）上，然后將螺紋塞規(guī)的小端面與量塊上表面相接觸，在塞規(guī)基面附件的牙槽內(nèi)插入三針，調(diào)整萬能測長儀工作臺(tái)的位置，找出極值，從儀器上讀取M的實(shí)際值，然后通過計(jì)算，求得NPT圓錐螺紋塞規(guī)的基面中徑。其中，所插入的三針的直徑按最佳三針直徑計(jì)算公式求得。

圖4 改進(jìn)的測量NPT塞規(guī)示意圖

最佳三針直徑d0的計(jì)算公式：

式中：d0— 最佳三針直徑；

P — 被測圓錐螺紋塞規(guī)螺距；

3.2 NPT螺紋塞規(guī)基面中徑的計(jì)算

根據(jù)圖4所示，利用幾何原理，可以求得實(shí)測值M與基面直徑d0之間的關(guān)系。

將（3）式代入（2）式得：

式中：d2— 被測圓錐螺紋塞規(guī)的基面中徑；

M — 萬能測長儀上所得的實(shí)測值；

d0— 最佳三針直徑；

β — 被測圓錐螺紋塞規(guī)的半錐角（本文特別針對(duì)NPT螺紋塞規(guī)，錐度是1:16，因此，

P — 被測圓錐螺紋塞規(guī)螺距；

L — 被測圓錐螺紋塞規(guī)的基面至小端面的距離；

h — 所墊量塊的高度；

H — E點(diǎn)到J—F工作面的距離。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

在實(shí)際測量小尺寸的NPT螺紋塞規(guī)中徑值時(shí)，選用了兩組不同高度的量塊作為附件，并且根據(jù)這兩組量塊的高度制定了一張表格，便于實(shí)際測量工作中快速判定被測NPT螺紋塞規(guī)是否合格。

根據(jù)公式(5)，將其進(jìn)行簡化，

式中，C隨所墊量塊高度h的變化而不同。

本案例中，選取了高度不同的兩塊量塊作為附件，對(duì)NPT螺紋塞規(guī)的中徑進(jìn)行測量，即：

所用L形墊塊的H值為已知參數(shù)，即：

根據(jù)以上所推公式的計(jì)算，得出判定NPT中徑合格的快速計(jì)算表（表1）。該表格便于測量人員在查找和計(jì)算NPT螺紋塞規(guī)的中徑值時(shí)，無需再進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，能夠迅速判斷所測值是否在規(guī)定的合格范圍內(nèi)。

5 小結(jié)

本文通過加入量塊作為輔助測量工具的方法，改進(jìn)了L形墊塊和三針組合測量NPT圓錐螺紋塞規(guī)中徑的測量方法，解決了小尺寸NPT螺紋塞規(guī)的測量死角，并且推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式，制定了快速查詢表格，便于測量人員對(duì)所測數(shù)據(jù)的分析，提高了測量效率。

[1]唐東明, 吳報(bào)平. 圓錐螺紋中徑的測量及不確定度分析[J]. 應(yīng)用技術(shù), 2005, 5: 39-47.

[2]吳文生. 統(tǒng)一螺紋塞規(guī)中徑檢測的理論與實(shí)踐[J]. 上海計(jì)量測試,2010, 2: 40-47.

表1 實(shí)際測量時(shí)判定NPT中徑合格的快速計(jì)算表