李曉濱

（全國(guó)螺紋標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處， 北京100044）

0 引言

米制螺紋是由德國(guó)和法國(guó)等西歐發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家所創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)螺紋。因西歐國(guó)家主導(dǎo)ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)（一國(guó)一票的投票制度和聯(lián)合工作的維也納協(xié)議），ISO 組織發(fā)布的絕大多數(shù)螺紋標(biāo)準(zhǔn)是米制螺紋。 例如，ISO 米制普通螺紋（M）、ISO 米制梯形螺紋（Tr）和ISO 小螺紋（S）。 米制螺紋除具有尺寸單位優(yōu)勢(shì)外， 它還有公差等級(jí)和公差帶位置多、公差帶標(biāo)記簡(jiǎn)單等顯著特點(diǎn)。 目前，米制螺紋是世界機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的主流。 歐洲和亞洲工業(yè)國(guó)家主要采用米制螺紋，英聯(lián)邦國(guó)家也積極采用米制螺紋。

在管螺紋領(lǐng)域， 由英國(guó)惠氏螺紋演變的密封管螺紋（R）和非密封管螺紋（G）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)米制化，在歐洲、亞洲、英聯(lián)邦國(guó)家和ISO 組織已得到廣泛采用。

1 米制螺紋標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)缺陷

1891—1898 年，西歐工業(yè)國(guó)家建立了米制普通螺紋（M）歐洲標(biāo)準(zhǔn)。可是米制普通螺紋的公差標(biāo)準(zhǔn)（ISO 965-1[1]）一直沒有規(guī)定螺紋單項(xiàng)要素（螺距、牙側(cè)角、錐度、圓度、跳動(dòng)）要求。 同樣，米制梯形螺紋（Tr）、小螺紋（S）和管螺紋（R、G）也都沒有規(guī)定螺紋單項(xiàng)要素公差。這是米制螺紋標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系的一個(gè)致命缺陷。

在米制螺紋標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建初期， 歐洲螺紋標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定螺紋單項(xiàng)要素公差是可以理解的。 全面認(rèn)識(shí)和掌握一項(xiàng)新技術(shù)需要一定時(shí)間的實(shí)踐探索。 隨著大規(guī)模生產(chǎn)到來(lái)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家必然發(fā)現(xiàn)不控制螺紋單項(xiàng)要素偏差的螺紋產(chǎn)品是無(wú)法正常使用的。 可是歐洲國(guó)家沒有及時(shí)修訂米制螺紋國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 而是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中隱藏了這個(gè)非常重要的技術(shù)要求。

在螺紋軸線平面內(nèi)：

（1） 螺距誤差會(huì)導(dǎo)致內(nèi)、 外螺紋只有3 個(gè)牙側(cè)接觸，其他牙側(cè)處于懸空位置，同時(shí)內(nèi)、外螺紋牙側(cè)的接觸高度減少。

（2） 牙側(cè)角誤差會(huì)將內(nèi)、外螺紋的牙側(cè)面接觸變?yōu)檠纻?cè)點(diǎn)接觸，螺紋配合接觸面積大大縮小。

（3） 錐度誤差會(huì)縮小內(nèi)、外螺紋沿軸向的配合長(zhǎng)度。

在螺紋徑向平面內(nèi)，圓度誤差會(huì)減少內(nèi)、外螺紋沿圓周方向的配合長(zhǎng)度。

螺紋頂徑相對(duì)中徑的跳動(dòng)誤差導(dǎo)致螺紋中徑圓柱或圓錐與頂徑圓柱或圓錐不同心，這會(huì)影響內(nèi)、外螺紋配合的牙接觸高度及在牙底和牙頂位置的間隙。

歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將螺紋單項(xiàng)要素公差要求放入公司標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外實(shí)施技術(shù)保密。而廣大的發(fā)展中國(guó)家不知道控制螺紋單項(xiàng)要素要求，只能生產(chǎn)低端螺紋產(chǎn)品，絕大多數(shù)的高端螺紋產(chǎn)品依靠進(jìn)口。 螺紋單項(xiàng)要素偏差的控制水平是西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家螺紋質(zhì)量的分水嶺。發(fā)展中國(guó)家的螺紋質(zhì)量低劣，除了對(duì)控制螺紋單項(xiàng)要素偏差認(rèn)識(shí)不到位， 還與它們的螺紋檢測(cè)手段不足和對(duì)通、止螺紋量規(guī)檢驗(yàn)結(jié)果理解不深入相關(guān)。

找到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)工件螺紋的實(shí)用方法非常重要。1905 年，英國(guó)人泰勒發(fā)明了通、止螺紋量規(guī)（內(nèi)螺紋塞規(guī)和外螺紋卡規(guī)，英國(guó)專利號(hào)GB190506900）。 之后，通、止螺紋環(huán)規(guī)和塞規(guī)成為螺紋檢驗(yàn)的主要手段 （量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)見ISO 1502[2]或GB/T 3934[3]）。使用通、止螺紋量規(guī)的前提是：螺紋單項(xiàng)要素偏差較小。 這時(shí)它可以高效、低成本地控制螺紋質(zhì)量。所以，這種螺紋量規(guī)一直沿用至今。但是，當(dāng)螺紋單項(xiàng)要素偏差較大時(shí)，這種螺紋量規(guī)只能保證內(nèi)、外螺紋間的裝配性，不能保證螺紋配合質(zhì)量（螺紋聯(lián)結(jié)性能）。 用通、止螺紋量規(guī)不能發(fā)現(xiàn)螺紋單項(xiàng)要素偏差的大小。發(fā)展中國(guó)家絕大多數(shù)技術(shù)人員不知道通、止螺紋量規(guī)的使用前提和局限性， 長(zhǎng)期找不到生產(chǎn)高端螺紋工件的技術(shù)突破口。

與緊固螺紋類似， 用密封管螺紋臺(tái)階量規(guī)檢驗(yàn)合格的螺紋不能保證管螺紋的密封性。 檢驗(yàn)合格僅僅給出手旋合后，內(nèi)、外管螺紋的軸向配合位置。 管螺紋密封性主要取決于螺紋單項(xiàng)要素偏差的控制，要消除內(nèi)、外螺紋配合牙之間的間隙。

中國(guó)對(duì)外開放30 余年，許多機(jī)械領(lǐng)域生產(chǎn)技術(shù)已有突飛猛進(jìn)發(fā)展?？墒侵袊?guó)螺紋生產(chǎn)技術(shù)沒有本質(zhì)改進(jìn)。在零部件和量刃具行業(yè)低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的殘酷環(huán)境下， 標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定米制螺紋單項(xiàng)要素極限偏差的技術(shù)缺陷竟然成為降低生產(chǎn)成本的途徑， 中國(guó)成為世界粗糙螺紋工件第一生產(chǎn)大國(guó)。 這種狀況嚴(yán)重影響中國(guó)整個(gè)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升，高端螺紋產(chǎn)品基本依靠進(jìn)口。

2 近期米制螺紋檢測(cè)要求進(jìn)展

世界有三大螺紋標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系。 它們分別是英制螺紋、美制螺紋和米制螺紋。英國(guó)首先創(chuàng)建了英制螺紋技術(shù)體系；在英國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)上，美國(guó)創(chuàng)建了美制螺紋；最后出現(xiàn)西歐的米制螺紋。目前，米制螺紋和美制螺紋是世界舞臺(tái)的主角，英制螺紋已經(jīng)失去往日輝煌。

除尺寸單位劣勢(shì)外， 美國(guó)擁有世界上最完整的螺紋標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求及相應(yīng)檢測(cè)體系和檢測(cè)手段。 第二次世界大戰(zhàn)期間及隨后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)， 美國(guó)軍方曾經(jīng)直接制定美國(guó)螺紋標(biāo)準(zhǔn)，例如統(tǒng)一螺紋（UN），對(duì)美國(guó)螺紋技術(shù)進(jìn)步起到了積極推動(dòng)作用。 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)列出與螺紋質(zhì)量相關(guān)的所有螺紋要素，建立了完整螺紋檢測(cè)體系，并給出每個(gè)螺紋要素的對(duì)應(yīng)檢測(cè)手段。 美國(guó)螺紋檢測(cè)手段是世界上最多的。美國(guó)螺紋技術(shù)正是目前中國(guó)急需補(bǔ)充的，它彌補(bǔ)了ISO 米制螺紋標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)不足。

2016—2018 年， 中國(guó)參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.3：2007[4]發(fā)布了GB/T 37050—2019 《緊固螺紋檢測(cè)體系》 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 給出中國(guó)控制螺紋單項(xiàng)要素偏差依據(jù)和對(duì)應(yīng)各個(gè)螺紋單項(xiàng)要素的檢測(cè)方法。

2018—2020 年， 中國(guó)參照美國(guó)緊固件協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IFI 301：2008 （量規(guī)校準(zhǔn)）[5]和將于2021 年出版的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.2（UN 和UNJ 螺紋量規(guī)）[6]發(fā)布了GB/T 39641—2020《螺紋指示量規(guī)檢測(cè)緊固螺紋方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 1999年，美國(guó)緊固件協(xié)會(huì)IFI 發(fā)布技術(shù)公告[7]，向美國(guó)緊固螺紋行業(yè)推薦螺紋指示量規(guī)控制螺紋單項(xiàng)要素技術(shù)。 此技術(shù)在提高螺紋質(zhì)量同時(shí)，還降低了螺紋擠壓板（輪）受力，從而大大延長(zhǎng)螺紋工具和設(shè)備壽命，降低生產(chǎn)成本。這是一個(gè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)非常實(shí)用的技術(shù)， 為中國(guó)控制螺紋質(zhì)量提供了實(shí)施途徑。

2018 年， 中國(guó)向德國(guó)建議在ISO 米制普通螺紋公差國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 965-1：2013）增加控制螺紋單項(xiàng)要素技術(shù)內(nèi)容（資料性附錄），給出控制螺紋單項(xiàng)要素綜合誤差之和（牙型綜合偏差）技術(shù)指導(dǎo)。將控制水平等級(jí)分為三個(gè)，對(duì)應(yīng)螺紋中徑公差的占比分別為30%、40%、50%?？傻聡?guó)認(rèn)為德國(guó)螺紋質(zhì)量水平已經(jīng)世界領(lǐng)先， 目前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)沒有問題，否決了中國(guó)提議。歐洲仍然堅(jiān)持隱藏螺紋單項(xiàng)要素控制要求。 2020 年，中國(guó)降低了標(biāo)準(zhǔn)修改規(guī)模，在ISO米制螺紋公差國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第6 章的表4 前， 增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條文注釋：“對(duì)于精密螺紋，進(jìn)一步控制螺紋單項(xiàng)要素（螺距、牙側(cè)角、錐度、圓度、跳動(dòng)）是重要的”，發(fā)布為ISO 965-1：2013/AMD 1：2021。

傳動(dòng)螺紋的檢測(cè)體系可以直接借鑒緊固螺紋的。 美國(guó)已經(jīng)在梯形螺紋B1.5 和鋸齒螺紋B1.9 標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)施了這種作法。 將來(lái)，中國(guó)也會(huì)擴(kuò)大GB/T 37050 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。

世界上還沒有密封管螺紋檢測(cè)體系。2017 年1 月，為提高中國(guó)密封管螺紋質(zhì)量， 中國(guó)螺紋專家向美國(guó)螺紋委員會(huì)發(fā)起如何建立《密封管螺紋檢測(cè)體系》技術(shù)討論，美國(guó)螺紋量規(guī)專家積極響應(yīng)。 密封管螺紋檢測(cè)體系的初步討論結(jié)果是：①建立單獨(dú)的密封管螺紋檢測(cè)體系；②建立第1、2、4 級(jí)檢測(cè)體系（分別對(duì)應(yīng)NPT、1 級(jí)NPTF、2 級(jí)NPTF螺紋的美國(guó)檢驗(yàn)要求）；③去掉第4 級(jí)體系內(nèi)的牙底檢測(cè)要求，作為第3 級(jí)檢測(cè)體系（美國(guó)生產(chǎn)已經(jīng)使用）；④在第4 級(jí)基礎(chǔ)上，增加螺紋單項(xiàng)要素檢測(cè)要求，作為第5 級(jí)檢測(cè)體系（石油螺紋已經(jīng)使用，滿足高精度要求）；⑤從第1級(jí)至第5 級(jí)，檢測(cè)項(xiàng)目逐步增加；⑥此體系要強(qiáng)調(diào)密封管螺紋量規(guī)的使用順序及它們之間的相互關(guān)系 （其他量規(guī)的檢測(cè)結(jié)果要與L1 量規(guī)檢測(cè)結(jié)果有一定的位置要求）。

中國(guó)專家認(rèn)為第3、4 級(jí)應(yīng)屬于同一級(jí)別， 應(yīng)改為3A、3 級(jí)。 總的檢測(cè)級(jí)別為4 級(jí)。

3 螺紋參數(shù)的檢測(cè)體系

表1 為緊固外螺紋檢測(cè)體系。 其第1 列給出緊固外螺紋各個(gè)檢測(cè)參數(shù)；第3 列給出了檢測(cè)方式；最后三列給出三個(gè)檢測(cè)體系（A、B、C）要檢測(cè)的螺紋參數(shù)組合。

表2 為緊固內(nèi)螺紋檢測(cè)體系。 與表1 的外螺紋相比，內(nèi)螺紋檢測(cè)參數(shù)沒有圓弧底底徑和牙底圓弧半徑兩項(xiàng)。

表1 緊固外螺紋檢測(cè)體系（來(lái)源于GB/T 37050—2019）Tab.1 The gauging systems for fastening external threads

表2 緊固內(nèi)螺紋檢測(cè)體系（來(lái)源于GB/T 37050—2019）Tab.2 The gauging systems for fastening internal threads

中國(guó)螺紋檢測(cè)體系A(chǔ)、B 和C 分別對(duì)應(yīng)美國(guó)ASME B1.3螺紋檢測(cè)體系21、22 和23。

體系A(chǔ) 與體系B 的主要差異為兩者檢測(cè)的最小實(shí)體中徑不同。 體系A(chǔ) 用止端螺紋量規(guī)檢測(cè)旋入端局部止端中徑；體系B 則檢測(cè)各個(gè)位置的中徑或單一中徑。在中國(guó)，許多人不知道“止端中徑”與“單一中徑”差異，認(rèn)為兩者相同。通過(guò)仔細(xì)觀察檢測(cè)這兩種螺紋中徑的不同測(cè)頭，就會(huì)找出兩種中徑的不同。 當(dāng)用體系B 檢測(cè)各個(gè)位置的中徑或單一中徑合格， 用檢測(cè)體系A(chǔ) 檢測(cè)選入端局部止端中徑就一定合格；而當(dāng)用體系A(chǔ) 檢測(cè)止端中徑合格，不能保證用體系B 檢測(cè)中徑或單一中徑一定合格。

體系C 檢測(cè)項(xiàng)目比體系B 多出七項(xiàng)， 體系C 的檢測(cè)要求更嚴(yán)格。 當(dāng)用體系C 檢測(cè)合格，用體系B 檢測(cè)一定合格；而當(dāng)用體系B 檢測(cè)合格，不能保證用體系C 檢測(cè)一定合格。

體系A(chǔ) 對(duì)應(yīng)目前中國(guó)的螺紋檢測(cè)水平， 用它只能生產(chǎn)低端螺紋產(chǎn)品。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的“徑向中徑差”、“軸向中徑差”和“牙型綜合偏差”螺紋參數(shù)分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)美國(guó)螺紋標(biāo)準(zhǔn)的“圓度”、“錐度”和“螺紋單項(xiàng)參數(shù)誤差之和”術(shù)語(yǔ)。 美國(guó)螺紋圓度和錐度術(shù)語(yǔ)極易與GPS 形位公差術(shù)語(yǔ)混淆。兩者的英文詞完全相同，而技術(shù)內(nèi)容大相徑庭。 許多國(guó)家學(xué)習(xí)美國(guó)螺紋技術(shù)都會(huì)落入美國(guó)螺紋術(shù)語(yǔ)陷阱，美國(guó)技術(shù)人員有時(shí)也會(huì)發(fā)生爭(zhēng)議。 中國(guó)螺紋標(biāo)準(zhǔn)采用不發(fā)生誤解的中文短語(yǔ)表述，為中國(guó)順利實(shí)施美國(guó)技術(shù)鋪平了道路。

為了幫助中國(guó)技術(shù)人員理解體系A(chǔ) 與體系B 的不同， 中國(guó)專門創(chuàng)建了 “止端中徑”術(shù)語(yǔ)。 明確用止端量規(guī)檢測(cè)的止端中徑與螺紋術(shù)語(yǔ)規(guī)定的中徑和單一中徑不同。 這對(duì)提高中國(guó)螺紋質(zhì)量非常必要。

當(dāng)實(shí)際螺紋產(chǎn)品所要檢測(cè)的螺紋參數(shù)組合與標(biāo)準(zhǔn)提供的三個(gè)常用體系（A、B、C）不同時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行修正（增加或減少檢測(cè)的螺紋參數(shù)）。

4 螺紋參數(shù)的檢測(cè)方法

GB/T 37050—2019《緊固螺紋檢測(cè)體系》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)另外一個(gè)功能是提供各個(gè)螺紋參數(shù)的檢測(cè)方法（見資料性附錄A）。 它為每種螺紋量規(guī)和量?jī)x進(jìn)行編號(hào)，此編號(hào)來(lái)源于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

外螺紋參數(shù)檢測(cè)量規(guī)和量?jī)x見表3。目前，中國(guó)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的主導(dǎo)螺紋量規(guī)只有通、止螺紋量規(guī)（編號(hào)1.1、1.2），種類太少，根本無(wú)法滿足高精度螺紋生產(chǎn)需要。 中國(guó)基本不用螺紋卡規(guī)（第2 類）和螺紋指示量規(guī)（第4 類），螺紋千分尺（第6、7 類）的使用也很少。

表3 常用緊固外螺紋參數(shù)檢測(cè)器具（來(lái)源于GB/T 37050—2019）Tab.3 Screw thread gauges and measuring equipment usually used for fastening external thread characteristics

內(nèi)螺紋參數(shù)檢測(cè)量規(guī)和量?jī)x表與外螺紋的類似，具體情況請(qǐng)查看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

美國(guó)將這部分內(nèi)容放在標(biāo)準(zhǔn)正文內(nèi)。 考慮螺紋量規(guī)和量?jī)x技術(shù)發(fā)展較快， 中國(guó)將這部分內(nèi)容放入資料性附錄中。

螺紋指示量規(guī)的差分測(cè)量技術(shù)非常實(shí)用。1999 年起，美國(guó)重點(diǎn)推廣此技術(shù)。為在中國(guó)快速推廣該技術(shù)，中國(guó)發(fā)布GB/T 39641—2020 《螺紋指示量規(guī)檢測(cè)緊固螺紋方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 測(cè)量外螺紋的螺距、牙側(cè)角、牙型綜合偏差的方法分別見圖1～圖3。 具體測(cè)量步驟請(qǐng)查看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 外螺紋螺距（導(dǎo)程）偏差測(cè)量（來(lái)源于GB/T 39641—2020）Fig.1 The measurement for pitch or lead deviation of external threads

圖2 外螺紋牙側(cè)角偏差測(cè)量（來(lái)源于GB/T 39641—2020）Fig.2 The measurement for flank angle deviation of external threads

圖3 外螺紋牙型綜合偏差測(cè)量（來(lái)源于GB/T 39641—2020）Fig.3 The measurement for cumulative form deviation of external threads

6 結(jié)束語(yǔ)

在世界范圍內(nèi)，涂鍍后螺紋的檢驗(yàn)方法是容易出現(xiàn)分歧的地方之一。因個(gè)別人編寫的緊固件培訓(xùn)教材誤導(dǎo)（用通端螺紋量規(guī)和止端螺紋量規(guī)檢驗(yàn)涂鍍后的螺紋尺寸）， 這個(gè)問題在中國(guó)更加普遍。

對(duì)商品螺紋緊固件，如無(wú)特殊說(shuō)明，螺紋標(biāo)記中的螺紋公差帶適用于涂鍍前螺紋。要用相應(yīng)的通端螺紋量規(guī)和止端螺紋量規(guī)檢驗(yàn)涂鍍前螺紋尺寸。 涂鍍后，只用H 或h 公差帶位置的通端螺紋量規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證螺紋最大實(shí)體尺寸合格。涂鍍后不能用止端螺紋量規(guī)來(lái)檢驗(yàn)螺紋表面的鍍層厚度。緊固件涂鍍層厚度的檢測(cè)位置不在螺紋表面。

今后，中國(guó)會(huì)繼續(xù)努力，直到在米制螺紋國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)增加具體的螺紋單項(xiàng)要素偏差要求。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)將制定《螺紋指示量規(guī)校準(zhǔn)測(cè)量方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 目前，國(guó)內(nèi)的螺紋指示量規(guī)主要依靠進(jìn)口。 待國(guó)內(nèi)螺紋指示量規(guī)生產(chǎn)技術(shù)成熟，中國(guó)還要制定《指示螺紋量規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)。

密封管螺紋檢測(cè)體系需要與美國(guó)專家繼續(xù)討論。 時(shí)機(jī)成熟后，起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。