《互换性与几何量测量技术》课件第9章

第9章螺纹结合的互换性与检测

9.1螺纹结合的基本概念

9.2影响螺纹互换性的因素

9.3普通螺纹公差

9.4普通螺纹精度的检测

9.1螺纹结合的基本概念

9.1.1螺纹的种类

螺纹在机电设备和仪器仪表中应用极为广泛。螺纹的种类很多，按其用途可分为紧固螺纹、传动螺纹、密封螺纹以及特殊用途的螺纹；按螺纹所在表面的形状可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹；按螺纹牙型可分为三角形、梯形、矩形、锯齿形、圆弧形和双圆弧形；此外，螺纹还有左旋与右旋、单线与多线、粗牙与细牙以及米制和英制之分。9.1.2螺纹结合的使用要求

1.普通螺纹的使用要求

普通螺纹主要用作紧固件和联结件，通常也称为紧固螺纹。这种螺纹的使用要求是具有可旋合性和足够的联结强度。旋合性是指用不大的力即可将内、外螺纹自由旋合，这就要求螺纹结合具有间隙；联结强度是指内、外螺纹旋合后承受载荷(横向或轴向载荷，静载荷或动载荷)的能力。

普通螺纹是各种螺纹中使用最普遍的一种，采用的大多是三角形牙型的圆柱螺纹，有粗牙和细牙之分。细牙螺纹的联结强度高，自锁性好，一般用于薄壁零件或受交变载荷、冲击及振动作用的联结中，也用于精密机构的调整件上。例如，作为紧固件可用于汽车轮缘与轮毂之间的紧固；作为联结件可用于管道之间的联结。

2.传动螺纹的使用要求

传动螺纹用于传递动力或位移，其牙型有梯形、矩形、锯齿形、双圆弧形，以及三角形。传递位移的螺纹(如机床进给机构中的丝杠和千分尺的测微丝杆)主要用来传递精确位移，其使用要求是传递位移的精度高，传动灵活。所以螺纹结合应能够保证间隙，用以储存润滑油，但间隙又不能过大，以免螺纹在反转时产生晃动和回程误差。传递动力螺纹(如千斤顶、压力机和轧钢机等的螺旋机构)主要用来传递载荷，因此，其使用要求是具有足够大的强度和一定的间隙，而对位移的准确性没有严格的要求。

3.紧密螺纹的使用要求

紧密螺纹用于使两个零件紧密连接而无泄漏的结合，主要有管螺纹和锥螺纹两种，如在各种机械设备的液压、气动、润滑和冷却等管路系统中，管子与接头以及管子与机体联结所用的螺纹。其使用要求是保证密封性，使内、外螺纹配合后在一定的压力下，管道内的流体不从螺牙间流出，即达到不漏液、不漏气的作用。

9.1.3普通螺纹的基本牙型及主要参数

世界各国用于紧固联接的圆柱螺纹标准有三种体系：第一种是英国惠氏Whitworth，牙型角为55°(牙型角是在螺纹牙形上，相邻两牙侧之间的夹角)，称为英制螺纹；第二种是美国塞氏Sellers，牙型角为60°，也称为英制螺纹；第三种是法国米制螺纹，牙型角为60°，称为米制螺纹。美国、英国、加拿大将这三种螺纹称为统一螺纹（UnifiedScrewThread），而德国、法国、瑞士则称为国际米制螺纹（InternationalMetricThreadSystem）。上述三种螺纹不能互换。ISO米制螺纹是在国际米制螺纹的基础上制定的，已被世界上大多数国家所接受，我国采用的是米制螺纹。

1.基本牙型

螺纹的牙型是轴剖面内螺纹轮廓的形状。基本牙型是以标准规定的削平高度，削去原始三角形的顶部和底部后得到的牙型。基本牙型具有螺纹的基本尺寸。图9－1所示的粗实线代表GB/T192—2003所规定的基本牙型。其中，代号大写字母为内螺纹；小写字母为外螺纹。

图9－1普通螺纹的基本牙型

2.几何参数

1）基本大径（D，d）

基本大径是指与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱的直径。国标规定，普通螺纹大径的基本尺寸为螺纹的公称直径尺寸。公称直径与螺距标准组合系列如表9－1所示。表9－1公称直径与螺距标准组合系列

表9－1公称直径与螺距标准组合系列

2）基本小径（d1，D1）

基本小径是指与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体的直径，称为小径。内螺纹的小径（D1）和外螺纹大径（d）又称为顶径；内螺纹大径（D）和外螺纹小径（d1）又称为底径。它们有下列关系：

式中：H为原始三角形的高度，

P为螺距。

3）基本中径（d2，D2）

基本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，此直径称为中径，且D2=d2。中径有下列关系：

4）单一中径（d2a，D2a）

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尺寸一半的地方，如图9－2所示。单一中径是按三针法测量中径定义的，在测量中常用来代替实际中径。图9－2普通螺纹中径与单一中径

5）螺距与导程（P，Ph）

螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。导程是指同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对于单线螺纹，导程等于螺距；对于多线螺纹，导程等于螺距与螺纹线数的乘积Ph=nP，n为线数。

6）牙型角与牙侧角（α，α/2）

牙型角是指在螺纹牙型上相邻两牙侧之间的夹角。普通螺纹的理论牙型角为60°。牙侧角是指某一牙侧与螺纹轴线的垂线之间的夹角。普通螺纹的牙侧角为30°。实际螺纹的牙型角正确并不一定说明牙侧角正确。

7）螺纹升角（∅）

螺纹升角指在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角。螺纹升角与螺距P和中径d2之间的关系为

8）螺纹旋合长度

螺纹旋合长度是指两个互相配合的螺纹，沿螺纹轴线方向上相互旋合部分的长度，如图9－3所示。

图9－3旋合长度L

表9－2普通螺纹的基本尺寸

表9－2普通螺纹的基本尺寸表9－2普通螺纹的基本尺寸

9.2影响螺纹互换性的因素

9.2.1中径偏差的影响

螺纹实际直径的大小直接影响螺纹结合的松紧。要保证螺纹结合的旋合性，就必须使内螺纹的实际直径大于或等于外螺纹的实际直径。由于相配合的内、外螺纹的基本尺寸相等，因此，使内螺纹的实际直径大于或等于其基本尺寸(即内螺纹直径的实际偏差为正值)，而外螺纹的实际直径小于或等于其基本尺寸(即外螺纹直径的实际偏差为负值)，就能保证内、外螺纹结合的旋合性。但是，内螺纹实际小径不能过大，外螺纹实际大径不能过小，否则会使螺纹的接触高度减小，导致螺纹的连接强度不足。内螺纹实际中径也不能过大，外螺纹实际中径也不能过小，否则将削弱螺纹的连接强度。所以，必须限制螺纹直径的实际尺寸，使之不过大，也不过小。

在螺纹三个直径参数中，中径的实际尺寸的影响是主要的，它直接决定了螺纹结合的配合性质。中径偏差是指实际中径与其公称中径之差，即：

除特殊螺纹外，内、外螺纹仅在螺牙侧面接触，而在顶径和底径处留有间隙。因顶径与底径都是限制性尺寸，故决定螺纹旋合性的直径为中径。中径也是决定螺纹配合性质的主要参数，因此，对中径偏差必须加以限制。为保证旋合性，对于普通螺纹，内螺纹最小中径应大于或等于外螺纹的最大中径。

△D2=D2a-D2△d2=d2a-d2

9.2.2螺距偏差的影响

螺距偏差可分为局部偏差（单个螺距偏差ΔP）和螺距累积偏差ΔPΣ两种。螺距的局部偏差ΔP是在螺纹的全长上，任意单个实际螺距对公称螺距的最大值。螺距累积偏差ΔPΣ是在规定长度内，任意个实际螺距对其公称值的最大差值。前者与旋合长度无关，后者与旋合长度有关，而且后者对螺纹的旋合性影响最大，因此必须加以限制。

现假设内螺纹有理想的中径、半角和螺距，而外螺纹有正螺距误差。如图9－4所示，当外螺纹有累积误差ΔPΣ时，会造成理想内螺纹在牙侧部位发生干涉，螺纹不能旋合。为保证旋合性，可将外螺纹的中径减小fp，或将内螺纹增大一个数值fp

，这个fp就是补偿螺距偏差折算到中径上的数值，称为螺距偏差的中径当量。

图9-4螺距偏差的中径当量

在图9－4中，由△abc可知：

（9－1）

当α=60°时，则有：

fp=1.732|△P∑|(9-2)式中，ΔPΣ为螺距累积误差，之所以取绝对值，是因为ΔPΣ不论是正值或负值，都不会影响旋合性，只是改变牙侧干涉的位置。

9.2.3

牙侧角偏差的影响

根据前述牙侧角的定义可知，若螺纹的牙型角正确，牙侧角不一定正确，而牙侧角偏差直接影响螺纹的旋合性和牙侧接触面积，因此，对其也应加以限制。假如当内、外螺纹的实际中径相等，但牙侧角不相等，内外螺纹的牙侧发生干涉，它们也不能自由旋合。为讨论方便，设内螺纹具有理想牙性，外螺纹的中径和螺距与内螺纹相同，仅有牙侧角偏差，如图9-5所示，阴影部分就是干涉部分。

图9－5牙侧角偏差的中径当量

因

很小,故有:将各式代入后可得：

如以“分”计（1分=0.291×10-3弧度），H以毫米计，则得：

当α=60°，H=0.866P时，有:

此时

2. 时牙侧角偏差的中径补偿值

如图9－5（b）所示，同理可推，在三角形△DEF中：

当α=60°，H=0.866P时，有:

此时

3.螺牙左、右牙侧角不同时的中径补偿值

(1)当

(2)当

(3)当(４)当以上四式中,都以“分”计，P按毫米计，按微米计值。

上面四个式子可以简化为：

其中，K1和K2值，当

时取值0.291，当

时取值0.44。

9.2.4螺纹作用中径和螺纹中径合格性的判断原则

1.螺纹中径（综合）公差

螺纹中径公差综合了螺纹中径加工误差、牙侧角偏差的中径补偿值和螺距误差的中径补偿值三项因素。对于普通螺纹，不再给定螺距和牙侧角偏差的公差值。据统计，在螺纹的中径公差中，实际中径的加工误差、螺距误差的中径当量及牙侧角偏差中径当量的比例大约为2∶1∶1，如图9－6所示。这个中径公差应该同时控制中径、螺距及牙侧角三项参数的偏差，即

外螺纹：

（9－4）

内螺纹：

（9－5）

图9－6螺纹中径公差

2.作用中径（D2fe，d2fe）

实际螺纹同时存在螺纹中径、螺距和牙侧角偏差，因而判别实际螺纹是否符合旋合性要求，不仅要看螺纹的实际中径，还要考虑螺距误差和牙侧角偏差的影响。假设外螺纹有螺距误差和牙侧角偏差，这时就不能与同样中径大小的理想内螺纹旋合，而只能与一个中径较大的理想内螺纹旋合。这就像外螺纹的中径被增大了一样。这个假想增大的外螺纹中径称做外螺纹的作用中径d2fe，如图9－7所示。同理，实际内螺纹存在螺距偏差和牙侧角偏差，也相当于实际内螺纹的中径减小了fp和。在规定的旋合长度内，具有基本牙型且包容实际内螺纹的假想外螺纹的中径就称为内螺纹的作用中径代号为D2fe。所谓作用中径,是指在规定的旋合长度内，正好包容实际轮廓的一个理想螺纹的中径。外螺纹：

内螺纹：

（9－6）

（9－7）

式中,d2a、D2a为外、内螺纹的单一中径（代替实际中径）。

图9－7螺纹作用中径与单一中径

3.中径合格性的判断原则

1905年，英国威廉·泰勒取得了“螺纹量改进措施”的专利（No.6900）。他提出了量规的设计原则：通规要具有完整的形状，以便同时检查最大实体状态中的全部参数；止规用于检查最小实体状态中螺纹的各个参数。这个原则就是著名的泰勒原则，该原则不仅用于螺纹极限量规，也用于一般极限量规。对螺纹来说，要保证螺纹的旋合性就必须控制作用中径，而为了保证螺纹的强度就必须控制单一中径。也就是说，实际螺纹作用中径的应不超越最大实体中径，实际螺纹的单一中径不超越最小实体中径，用公式表示普通螺纹中径的合格条件为

对外螺纹：

(9－8)即外螺纹中径最大极限尺寸控制作用中径，外螺纹中径最小极限尺寸控制实际中径。对内螺纹：

(9－9)即内螺纹中径最小极限尺寸控制作用中径，内螺纹中径最大极限尺寸控制实际中径。

9.3普通螺纹公差

9.3.1普通螺纹公差带

普通螺纹公差带是在通过螺纹轴线平面上沿基本牙型的牙侧、牙顶和牙底分布的牙型公差带，由公差(公差带大小)和基本偏差(公差带位置)两个要素构成，可在垂直于螺纹轴线的方向上计量其基本大径、中径、小径的极限偏差和公差。标准规定：公差带的代号为T；内螺纹上、下偏差的代号为ES、EI；外螺纹上、下偏差的代号为es、ei。

1.普通螺纹的公差

普通螺纹公差带的大小由公差值确定，而公差值的大小取决于公差等级和公称直径。内、外螺纹的中径和顶径的公差等级如表9－3所示。3级公差值最小，精度最高；9级公差值最大，精度最低；6级为基本级。各级中径公差和顶径公差的数值如表9－4和表9－5所示。

表9－3螺纹的公差等级(摘自GB／T197—2003)表9－4内、外螺纹的中径公差

表9－5内、外螺纹的顶径公差(摘自GB/T197—2003)

2.普通螺纹的基本偏差

普通螺纹公差带的位置由其基本偏差确定。基本偏差为公差带两极限偏差中靠近零线的那个极限偏差，它确定了公差带相对于基本牙型的位置。国标规定，内螺纹的基本偏差是下偏差EI，有H、G两种基本偏差，如图9－8所示；而外螺纹的基本偏差是上偏差es，规定有h、g、f和e四种基本偏差，如图9－9所示。内、外螺纹的中径、顶径和底径基本偏差如表9－6所示。

图9－8内螺纹的公差带位置

图9－9外螺纹的公差带位置

表9－6内、外螺纹的基本偏差(摘自GB/T197-2003)9.3.2螺纹的旋合长度与公差精度等级

国标中对螺纹旋合长度规定了短旋合长度(S)、中等旋合长度(N)和长旋合长度(L)三组。设计时一般采用中等旋合长度（N）。螺纹的精度与螺纹直径公差等级和螺纹旋合长度有关。当公差等级一定时，旋合长度越长，则加工时产生的螺距累积误差和牙侧角误差就可能越大，加工就越困难。因此，公差等级相同而旋合长度不同的螺纹的精度不相同。国标按螺纹公差带和旋合长度规定了三种公差精度等级，从高到低分别为精密级、中等级和粗糙级。精密级用于精密螺纹以及要求配合性质稳定和保证定位精度的螺纹;中等级广泛用于一般的螺纹;粗糙级用于不重要的螺纹以及制造困难的螺纹，如较深的盲孔中的螺纹。为了减少螺纹刀具和螺纹量规的规格和数量，必须对螺纹公差等级和基本偏差组合的种类加以限制。国标规定了内、外螺纹的推荐公差带，如表9－7所示。表9－8为从标准中摘出的三个尺寸段的旋合长度值。

表9－7内、外螺纹的推荐公差带

表9-8螺纹的旋合长度(摘自GB／T197—2003)mm

9.3.3保证配合性质的其他技术要求

对于普通螺纹，一般不规定形位公差，其形位误差不得超出螺纹轮廓公差带所限定的极限区域；仅对高精度螺纹规定了在旋合长度内的圆柱度、同轴度和垂直度等形位公差，它们的公差值一般不大于中径公差的50％，并按包容要求控制。

螺纹牙侧的表面粗糙度主要按用途和公差等级来确定，可参考表9－9。

表9－9螺纹牙侧的表面粗糙度Ra的上限值9.3.4螺纹公差与配合的选用

1.螺纹公差精度与旋合长度的选用

螺纹公差精度的选用主要取决于螺纹的用途。精密级用于精密的螺纹连接，即要求配合性质稳定，配合间隙小，需保证一定的定心精度的螺纹连接。中等级用于一般用途的螺纹连接。粗糙级用于不重要的螺纹连接，以及制造比较困难(如长盲孔的攻丝)或热轧棒上和深盲孔加工的螺纹。

通常选用中等旋合长度(N)。对于调整用的螺纹，可根据调整行程的长短选取旋合长度；对于铝合金等强度较低的零件上的螺纹，为了保证螺牙的强度，可选用长旋合长度(L)；对于受力不大且受空间位置限制的螺纹，如锁紧用的特薄螺母的螺纹,可选用短旋合长度(S)。

2.螺纹公差带与配合的选用

在设计螺纹零件时，为了减少螺纹刀具和螺纹量规的品种、规格，提高技术经济效益，应从表9－7中选取螺纹公差带。对于大量生产的精制紧固螺纹，推荐采用带方框的粗体字公差带，例如内螺纹选用6H，外螺纹选用6g。表9－7中，粗体字公差带应优先选用，其次选用一般字体公差带，加括号的公差带尽量不用。表9－7中只有一个公差带代号(6H、6g)表示中径和顶径公差带相同；有两个公差带代号(如5H6H、5g6g)表示中径公差带和顶径公差带不相同。

从保证足够的接触高度出发，完工后的螺纹最好组成H／g、H／h、G／h配合。对于公称直径小于或等于1.4mm的螺纹，应选用5H／6h、4H／6h或更精密的配合。对于需要涂镀的外螺纹，当镀层厚度为10μm时，可选用g；当镀层厚度为20μm时，可选用f；当镀层厚度为30μm时，可选用e。当内、外螺纹均需涂镀时，可选用G／e或G／f配合。

9.3.5螺纹的标记

1.特征代号

普通螺纹特征代号用字母“M”表示。

2.尺寸代号

包括公称直径(D、d)、导程(Ph)和螺距(P)的代号，对粗牙螺纹可省略标注其螺距项，其数值单位均为mm。

1)单线螺纹的尺寸代号为“公称直径×螺距”。

2)多线螺纹尺寸代号为“公称直径×Ph导程×P螺距”。如要需要说明螺纹线数时，可在P的数值后加括号用英语说明，如双线twostarts；三线为threestarts；四线为fourstarts。

3.公差带代号

公差带代号是指中径和顶径公差带代号。中径公差带代号在前，顶径公差带代号在后。如果中径和顶径公差带代号相同，则只标一个公差带代号。螺纹尺寸代号与公差带代号间用半字线“－”分开。

(1)标准规定，在下列情况下，最常用的中等公差精度的螺纹不标注公差带代号：

①公称直径D≤1.4mm的5H，D≥1.6mm的6H和螺距P=0.2mm，公差等级为4级的内螺纹；

②公称直径d≤1.4mm的6h和d≥1.6mm的6g的外螺纹。

(2)内外螺纹配合时，它们的公差带中间用斜线分开，左边为内螺纹公差带，右边为外螺纹公差带。例如，M20×6H／5g6g表示内螺纹的中径和顶径公差带均为6H，外螺纹的中径公差带为5g，顶径公差带为6g。

4.旋合长度代号

对于短旋合和长旋合，要求在公差带代号后分别标注“S”和“L”，与公差带代号间用半字线“－”分开。中等旋合长度不标注“N”。

5.旋向代号

对于左旋螺纹，要在旋合长度代号后标注“LH”代号，与旋合长度代号间用半字线“－”分开。右旋螺纹省略旋向代号。

6.完整的螺纹标注示例

(1)M6×0.75－5h6h－S－LH：表示公称直径为6mm，螺距为0.75mm，中径公差带为5h，顶径公差带为6h，短旋合长度，左旋单线细牙普通外螺纹。

(2)M14×Ph6P2－7H－L－LH或M14×Ph6P2(threestarts)－7H－L－LH：表示公称直径为14mm，导程为6mm，螺距为2mm，中径和顶径公差带为7H，长旋合，左旋三线普通内螺纹。

(3)M6表示公称直径为6mm，粗牙，中等公差精度(省略6H或6g)，中等旋合长度，右旋单线普通螺纹。

(3)判断大径的合格性。

dmax=d+es=24+(-0.038)=23.962mm因dm