圆柱螺纹公差与检测.docx

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圆柱螺纹公差与检测

圆柱螺纹公差与检测

在工业生产中，圆柱螺纹结合的应用很普遍，尤其是普通螺纹结合的应用极为广泛。

为了满足普通螺纹的使用要求，保证其互换性，我国发布了一系列普通螺纹国家标准，主要有GB／T14791—1993《螺纹术语》、GB／T192—2003《普通螺纹基本牙型》、GB／T193—2003《普通螺纹直径与螺距系列》、GB／T197—2003《普通螺纹公差》以及GB／T3934—1983《普通螺纹量规》。

为了满足机床行业的需要，原机械电子工业部发布了JB／T2886—1992《机床梯形螺纹丝杠、螺母技术条件》。

本章结合上述标准，介绍普通螺纹的公差、配合与检测以及机床梯形螺纹丝杠、螺母的精度和公差。

§1概述

一、螺纹的种类及使用要求

螺纹通常按用途分为以下三类。

1．紧固螺纹

紧固螺纹主要用于连接和紧固各种机械零件，包括普通螺纹、过渡配合螺纹和过盈配合螺纹等，其中普通螺纹的应用最为普遍。

紧固螺纹的使用要求是保证旋合性和连接强度。

2．传动螺纹

传动螺纹用于传递动力和位移，包括梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如机床传动丝杠和量仪的测微螺杆上的螺纹。

传动螺纹的使用要求是传递动力的可靠性和传递位移的准确性。

3．管螺纹

管螺纹主要用于管道系统中的管件连接，包括非螺纹密封的管螺纹和螺纹密封的管螺纹，如水管和煤气管道中的管件连接。

管螺纹的使用要求是连接强度和密封性。

二、普通螺纹的基本牙型和主要几何参数

普通螺纹的牙型是指在通过螺纹轴线的剖面上螺纹的轮廓形状，由原始三角形形成，该三角形是高度为H的等边三角形，其底边平行于螺纹轴线，如图9-1a所示。

普通螺纹的基本牙型如图9-1b中的粗实线所示，它是按规定的削平高度，将原始三角形的顶部和底部削去后所形成的内、外螺纹共有的理论牙型，是规定螺纹极限偏差的基础。

普通螺纹的主要几何参数（参看图9-1b和图9-2）如下。

1．大径

大径是指与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱的直径。

内、外螺纹的基本大径分别用代号D和d表示，且D=d，是内、外螺纹的公称直径。

2．小径

小径是指与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的假想圆柱的直径。

内、外螺纹的基本小径分别用代号D1和d1表示，且D1=d1。

外螺纹的大径和内螺纹的小径统称为顶径；外螺纹的小径和内螺纹的大径统称为底径。

3．中径

中径是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。

内、外螺纹的基本中径分别用代号D2和d2表示，且D2=d2。

4．螺距

螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

螺距的基本值用代号P表示。

5．单一中径

单一中径是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线通过牙型上沟槽宽度等于螺距基本值一半（P／2）的地方，见图9-2。

内、外螺纹的单一中径分别用代号D2s和d2s表示。

单一中径可以用三针法测得（详见§4），以表示中径实际尺寸的数值。

6．牙型角和牙侧角

牙型角是指在螺纹牙型上，相邻的两牙侧间的夹角，用代号α表示，如图9-3a所示。

牙型角的一半称为牙型半角。

普通螺纹牙型半角为30°。

牙侧角是指在螺纹牙型上，牙侧与螺纹轴线的垂线间的夹角，左、右牙侧角分别用代号α1和α2表示，如图9-3b所示。

普通螺纹牙侧角的基本值为30°。

7．螺纹接触高度

螺纹接触高度是指在两个相互配合螺纹的牙型上，它们的牙侧重合部分在垂直于螺纹轴线方向上的距离。

普通螺纹的接触高度的基本值等于5H／8，见图9-1b。

8．螺纹旋合长度

螺纹旋合长度是指两个相互配合的螺纹沿螺纹轴线方向相互旋合部分的长度。

§2普通螺纹J-L何参数误差对互换性的影响

要实现普通螺纹的互换性，必须满足其使用要求，即保证其旋合性和连接强度。

前者是指相互结合的内、外螺纹能够自由旋入，并获得指定的配合性质。

后者是指相互结合的内、外螺纹的牙侧能够均匀接触，具有足够的承载能力。

在螺纹加工过程中，其几何参数不可避免地会产生误差，因而影响其互换性，分析如下。

一、螺纹直径偏差的影响

螺纹直径（包括大径、小径和中径）的偏差是指螺纹加工后直径的实际尺寸与螺纹直径的基本尺寸之差。

由于相互结合的内、外螺纹直径的基本尺寸相等，因此，如果外螺纹直径的偏差大于内螺纹对应直径的偏差，则不能保证它们的旋合性；倘若外螺纹直径的偏差比内螺纹对应直径的偏差小得多，那么，虽然它们能够旋入，但会使它们的接触高度减小，从而削弱它们的连接强度。

由于螺纹的配合面是牙侧面，故中径偏差对螺纹互换性的影响比大径偏差、小径偏差的更大。

鉴于此，必须控制螺纹直径的实际尺寸，对直径规定适当的上、下偏差。

相互结合的内、外螺纹在顶径处和底径处应分别留有适当的间隙，以保证它们能够自由旋合。

为了保证螺纹的连接强度，螺纹的牙底应制成圆弧形状。

二、螺距误差的影响

螺距误差分为螺距偏差△P和螺距累积误差△PΣ。

△p是指螺距的实际值与其基本值之差。

△PΣ是指在规定的螺纹长度内，任意两同名牙侧与中径线交点间的实际轴向距离与其基本值之差中的最大绝对值。

△PΣ对螺纹互换性的影响比△P更大。

参看图9-4，相互结合内、外螺纹的螺距的基本值为P，假设内螺纹为理想螺纹，其所有的几何参数皆无误差；而外螺纹仅存在螺距误差，它的n个螺距的实际轴向距离L外大于其基本值nP（内螺纹的实际轴向距离L内=nP），因此它的螺距累积误差为△PΣ=│L外-nP│。

△Pz使内、外螺纹牙侧产生干涉（图中阴影部分）而不能旋合。

为了使上述具有△PΣ的外螺纹能够旋人理想的内螺纹，保证旋合性，应将外螺纹的干涉部分切掉，使其牙侧上的B点移至与内螺纹牙侧上的C点接触（螺牙另一侧的间隙不变）。

也就是说，将外螺纹的中径减小一个数值fp，使外螺纹轮廓刚好能被内螺纹轮廓包容。

同理，如果内螺纹存在螺距累积误差，为了保证旋合性，则应将内螺纹的中径增大一个数值Fp。

fp（或Fp）称为螺距误差的中径当量。

由图9-4中的△ABC可求出：

fp（或Fp）=1.732·△PΣ（9-1）

应当指出，虽然增大内螺纹中径或（和）减小外螺纹中径可以消除△PΣ对旋合性的不利影响，但△PΣ会使内、外螺纹实际接触的螺牙减少，载荷集中在接触部位，造成接触压力增大，降低螺纹的连接强度。

三、牙侧角偏差的影响

牙侧角偏差是指牙侧角的实际值与其基本值之差，它包括螺纹牙侧的形状误差和牙侧相对于螺纹轴线的垂线的位置误差。

参看图9-5，相互结合内、外螺纹的牙侧角的基本值为30°，假设内螺纹1（粗实线）为理想螺纹，而外螺纹2（细实线）仅存在牙侧角偏差（左牙侧角偏差△α1＜0，右牙侧角偏差△α2＞0），使内、外螺纹牙侧产生干涉（图中画斜线部分）而不能旋合。

为了使上述具有牙侧角偏差的外螺纹能够旋人理想的内螺纹，保证旋合性，应将外螺纹的干涉部分切掉，把外螺纹螺牙径向移至虚线3处，使外螺纹轮廓刚好能被内螺纹轮廓包容。

也就是说，将外螺纹的中径减小一个数值fa。

同理，当内螺纹存在牙侧角偏差时，为了保证旋合性，应将内螺纹中径增大一个数值Fa。

fa（或Fa）称为牙侧角偏差的中径当量。

由图9-5可以看出，由于牙侧角偏差△α1和△α2的大小和符号各不相同，因此左、右牙侧干涉区的最大径向干涉量不相同（AA＇＞DD＇），通常取它们的平均值作为fa／2，即：

△ABC的边长BC=AA＇，△DEF的边长EF=DD＇，在△ABC和△DEF中应用正弦定理，并注意到牙型半角为30°时，

，经整理、运算并进行单位换算后得：

fa=0.073P（3│△α1│+2△α2）（μm）

式中，螺距基本值P的单位为mm；牙侧角偏差△α1、△α2的单位是分（＇）。

考虑到左、右牙侧角偏差均有可能为正值或负值，并且考虑内螺纹Fa的计算，将上式

写成通式如下：

fa（或Fa）=0.073P（K1│△α1│+K2│△α2│）（9—2）

式中，系数K1、K2的数值分别取决于△α1、△α2的正、负号。

对于外螺纹，当△α1（或△α2）为正值时，在中径与小径之间的牙侧产生干涉，相应的系数K1（或K2）取2；当△α1（或△α2）为负值时，在中径与大径之间的牙侧产生干涉，相应的系数K1（或K2）取3。

对于内螺纹，当△α1（或△α2）为正值时，在中径与大径之间的牙侧产生干涉，相应的系数K1（或K2）取3；当△α1（或△α2）为负值时，在中径与小径之间的牙侧产生干涉，相应的系数K1（或K2）取2。

应当指出，虽然增大内螺纹中径或（和）减小外螺纹中径可以消除牙侧角偏差对旋合性的不利影响，但牙侧角偏差会使内、外螺纹牙侧接触面积减少，载荷相对集中到接触部位，造成接触压力增大，降低螺纹的连接强度。

四、作用中径对螺纹旋合性的影响

从以上的分析可知：

影响螺纹旋合性的主要因素是中径偏差、螺距误差和牙侧角偏差。

它们的综合结果可用作用中径表示。

前已述及，当外螺纹存在螺距累积误差和牙侧角偏差时，需将它的中径减小（fp+fa），它方能与理想的内螺纹旋合。

若不减小它的中径，则它只能与一个中径较大的内螺纹相旋合。

同理，存在螺距累积误差和牙侧角偏差的实际内螺纹，只能与一个中径较小的外螺纹旋合。

参看图9-6，在规定的旋合长度内，恰好包容实际外螺纹的假想内螺纹的中径，称为该外螺纹的作用中径，用代号d2m表示；恰好包容实际内螺纹的假想外螺纹的中径，称为内螺纹的作用中径，用代号D2m表示。

这假想螺纹具有理想的螺距、牙侧角和牙型高度，并且分别能够在牙顶处和牙底处留有间隙，以保证它包容实际螺纹时两者的大径、小径处不发生干涉。

外螺纹和内螺纹的作用中径可分别按下式计算：

d2m=d2s+（fp+fa）（9-3）

D2m=D2s-（Fp+Fa）（9-4）

显然，内、外螺纹能够自由旋合的条件是：

d2m≤D2m，或者外螺纹d2m不大于其中径最大极限尺寸，内螺纹D2m不小于其中径最小极限尺寸。

五、普通螺纹合格性的判断

螺纹的检测手段是多种多样的，应根据螺纹的不同使用场合及螺纹加工条件，由产品设计者自己决定采用何种检验手段，来判断被测螺纹合格与否。

对于生产批量不大的螺纹，或者为了查找螺纹加工误差的产生原因，可以用工具显微镜、螺纹千分尺、三针法等分别测出螺纹的单一中径、螺距误差和牙侧角偏差。

对于生产批量较大的螺纹，可以按泰勒原则使用螺纹量规检验，来判断被测螺纹的旋合性和连接强度合格与否。

参看图9-7，泰勒原则是指为了保证旋合性，实际螺纹的作用中径应不超出最大实体牙型的中径；为了保证连接强度，该实际螺纹任何部位的单一中径应不超出最小实体牙型的中径。

所谓最大和最小实体牙型是指在螺纹中径公差范围内，分别具有材料量最多和最少且具有与基本牙型一致的螺纹牙型。

外螺纹的最大和最小实体牙型中径分别等于其中径最大和最小极限尺寸d2max、d2min，内螺纹的最大和最小实体牙型中径分别等于其中径最小和最大极限尺寸D2min、D2max。

按泰勒原则，螺纹中径的合格条件如下：

对于外螺纹

d2m≤d2max且d2s≥d2min

对于内螺纹

D2m≥D2min且D2s≤D2max

§3普通螺纹的公差与配合

GB／T197—2003对基本大径为1～355mm、螺距基本值为0.2～8mm的普通螺纹规定了配合最小间隙为零以及具有保证间隙的螺纹公差带、旋合长度和公差精度。

螺纹的公差带由公差带的位置和公差带的大小决定；螺纹的公差精度则由公差带和旋合长度决定，如图9-8所示。

一、螺纹公差带

螺纹公差带是沿基本牙型的牙侧、牙顶和牙底分布的公差带，由基本偏差和公差两个要素构成，在垂直于螺纹轴线的方向计量其大、中、小径的极限偏差和公差值。

1．螺纹的基本偏差

螺纹的基本偏差用来确定公差带相对于基本牙型的位置。

GB／T197—2003对螺纹的中径和顶径规定了基本偏差，并且它们