博士论文开题报告-基于黑匣子的掘进机载荷谱测定与分析方法研究

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1 前言

近年来汽车行业高速发展，随着人们生活水平的不断提高，人们对汽车的需求和要求越来越高，于此同时，对汽车制造业也提出了越来越高的要求。制造企业要在外部激烈的环境变动下生存下来，就要努力掌握自身的运行性能，不懈的进行创新和优 化。在汽车主要零部件中，变速箱箱体占有重要的一部分，而对于汽车变速箱箱体加工工艺的研究，作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，各个方面的个性化需求越加强烈，汽车变速箱箱体的发展面临着严峻的挑战。目前，国内获得零件形状的方法主要是采用机械加工的方法，是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除来获得的。根据机床运动的不同、刀具的不同，可分为不同的加工方法，主要有：车削、铣削、磨削、钻削、镗削及特种加工等。[1]在机械制造行业加工中，根据产品的加工要求，一般采用粗、半精、精多次加工才能完成。因此，高精度、高效率、低成本孔隙加工工艺的研究就成了设计人员要解决的关键课题。对于一个企业来说，如何能在保证质量的前提下有效降低成本，提高产品的获利能力，成为每个厂家在这场市场大战中获胜的关键所在和努力的方向。本设计基于此分析了变速箱箱体加工工艺方案的设计原则，制定出了一套针对变速箱箱体加工的工艺路线，制作出一套完整的机械加工工序卡片并设计出了一套经济适用的专用夹具。

近年来，我国的制造业与制造技术也得到了长足的发展。改革开发以来，开放与引进在一定程度上促进了我国制造业的发展及制造技术的提高，但与工业发达国家相比，我们还存在这十分明显的差距。我国现在已经是制造大国，要想称为制造强国，还有很长的路要走。因此，为振兴我国制造业，必须走自主发展的道路。[2]

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2 零件的分析

2.1

零件的作用

变速箱箱体的主要作用是支撑各传动轴，保证各轴之间的中心距及平行度，并保证变速箱部件与发动机正确安装。因此汽车变速箱箱体零件的加工质量，不但直接影响汽车变速箱的装配精度和运动精度，而且还会汽车的工作精度、使用性能和寿命。汽车变速箱箱主要是实现汽车的变速，改变汽车的运动速度。汽车变速箱箱体零件的前后端面支撑孔Φ90、Φ130，用以安装传动轴，实现其变速功能。

2.2

零件的工艺分析

图 1-1

由图1-1汽车变速箱箱体零件图可知，汽车变速箱箱体是一个薄壁壳体零件，它的外表面上有三个平面需要进行加工。此外各表面上还需要加工一些支撑孔、螺纹孔、凸台孔。因此可将其分为三组加工表面，它们之间有一定的位置要求，现分析如下：

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图1-2

（1）、以底面为主要加工表面的加工面如图1-2所示，这一组加工面主要包括：底面的铣削加工、Φ31、Φ102的工艺孔及凸台孔加工。其中要保证底面的表面粗糙度要求为Ra3.2um，两工艺孔之间的距离为803.25±0.05mm。

（2）、以前后端面为主要加工表面的加工面如图1-1所示，这一组加工表面包括三小部分，一部分为前后端面的铣削，另一部分为前端面上Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130、Φ130孔的镗削，最后一部分为后端面上Φ130、Φ130、Φ120、Φ95、Φ125、孔的镗削及钻Φ10的孔，还有各个表面螺纹孔的加工，其中要保证前端面上

?0.063Φ420孔、Φ358孔对后端面上Φ90孔的同轴度Φ0.075及尺寸公差Φ4200、Φ?0.0573580，保证后端面上Φ90、Φ120、Φ95、Φ125对后端面的垂直度Φ0.025。另0.022?0.0230.026?0.022?0.022外还要保证尺寸公差Φ95?、Φ130??0.013、Φ3550?0.014、Φ90?0.013、Φ120?0.013、Φ0.026?0.04130?。 ?0.014、Φ1250 （3）、以左侧面为主的加工面如图1-1所示，主要包括Φ18和Φ28两孔的钻铰。

?0.021?0.027保证尺寸公差Φ280、Φ180。

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2.3 定位基准的选择

2.3.1 粗基准的选择

在选择粗基准时应该从以下几个方面进行考虑：

（1)、余量均匀原则，即为了保证重要加工面的余量均匀，应选择其为粗基准。 （2）、为了加工面与非加工面之间的位置精度要求，应选非加工面为粗基准。 （3)、粗基准应平整光滑，定位可靠的原则。

（4）、为了保证各加工面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量最小的面为粗基准。

[3]

通过对零件的工艺分析及考虑到粗基准的选择原则，在加工变速箱箱体时，应选择变速箱箱体的输入轴和输出轴两支承孔及顶面作为粗基准，来加工底面和工艺孔。因此，以后再用底面定位加工主要支承孔时，孔加工余量是均匀的，这就遵循了（1）中的余量均匀原则。由于孔的位置与箱壁的位置是同一型芯铸出的。因此，孔的余量均匀也就间接保证了孔与箱壁的相对位置。选择的各孔和面都是铸造出来的，也遵循了（2）中以非加工面为粗基准的原则。 2.3.2 精基准的选择

在选择精基准时应该从以下几个方面进行考虑：

（1）、基准重合原则，即尽可能选用设计基准作为定位基准；

（2）、基准统一选择，即尽可能选用统一的定位基准加工各表面，以保证各表面之间的位置关系；

（3）互为基准、反复加工的原则； （4）自为基准原则。[4]

通过对零件加工工艺的分析及考虑到精基准的选择原则，它的底平面与各主要支承孔平行而且占有的面积较大，适于作精基准使用。但用一个平面定位仅仅能限制工件的三个自由度，如果使用典型的一面两孔定位方法，则可以满足整个加工过程，这也遵循了（2）中基准统一原则。因此，选择底平面及Φ31、Φ102的工艺孔作为精基准来加工其他的面和孔。

2.4 加工阶段的划分

零件的加工质量要求较高时，必须把整个加工过程划分为几个阶段：

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1）粗加工阶段，在这一阶段要切除较大的加工余量，加工变速箱箱体时，主要是粗铣前后端面及粗镗各孔。

2）半精加工阶段，在这一阶段应为主要表面的精加工阶段做好准备（达到一定的加工精度，保证一定的精加工余量），并完成一些次要表面的加工（钻孔、攻螺纹、等），一般在热处理之前进行。加工变速箱箱体时主要是半精加工前后端面及端面上各孔。

3）精加工阶段，保证各主要表面达到图样规定的质量要求。在加工变速箱箱体时主要是精铣底面前后端面及精镗各孔，以保证各加工精度、表面粗糙度及垂直度和同轴度要求。

2.5 加工顺序的安排

2.5.1 切削加工顺序

1）先粗后精。先安排粗加工，中间安排半精加工最后安排精加工。 2）先主后次。先按排主要表面的加工，后安排次要表面的加工。

3）先基面后其他。在变速箱箱体加工时，应先把底面加工出来然后再以底面为定位基准去加工其他的面。

4）先加工平面后加工孔。箱体零件的加工应遵循先面后孔的原则：即先加工箱体上的基准平面，以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。变速箱箱体的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大，用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固，因而容易保证孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件，便于对刀及调整，也有利于保护刀具。 2.5.2 热处理工序

1）为了改善切削性能而进行的热处理工序，如正火、调制、退火等，应安排在切削加工之前。

2）为了消除内应力而进行的热处理工序，应安排在粗加工之后、精加工之前进行。 3）为了得到所要求的物理机械性能，如渗碳、渗氮、淬火等，一般应安排在粗加工或半精加工之后、精加工之前。

4）对于整体淬火的零件，则应在淬火之前，将所有用金属切削刀具加工的表面都加工完，表面淬火后，一般只进行磨削加工。

5）为了得到表面耐磨、耐腐蚀或美观等所进行的热处理工序，如镀硌、阳极氧化、镀锌、发蓝等，一般都放在最后工序。[4] 2.5.3 辅助工序

如检验，在零件全部加工完毕后、各加工阶段结束时、关键工序前后，都要适

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当安排。其他辅助工序还有清洗、去毛刺、表面处理、气密试验、包装等，也应按其要求加入工艺过程。

2.6 机床的选择

2.6.1机床选择原则 1） 2） 3）

机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应。即小的工件应选择小的规格机床的结构取决于机床规格尺寸、加工工件的重量等因素的影响。

机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应。根据零件的加工精度要求选择机床，如精度要求低的粗加工工序，应选择精度低的机床，精度要求高的精加工工序，应选用精度高的机床。 4） 5）

机床的功率与刚度以及加工范围应与工序的性质和最合适的切削量相适应。如粗加工工序取出的毛坯余量大，就要求机床有大的功率和较好的刚度。 装夹方便、夹具结构简单也是选择数控设备最需要考虑的一个因素。选择采用卧式加工中心，还是选择立式加工中心，将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标，直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性。[5]

根据以上机床选择的原则及对零件整体的分析，可知对于变速箱箱体上底面及底面上工艺孔的加工、前后端面的铣削加工、前后端面上各主要孔及螺纹孔的加工和左侧面凸台孔的加工、主要采用HN100D-FC型卧式加工中心。具体规格如下：

行 程 X轴行程（工作台左右） 2030mm Y轴行程（主轴头上下） 1300mm Z轴行程（立柱前后） 1200mm W轴行程（主轴伸缩） 300mm U轴行程（车削头上下） 130mm 工作工作台台面 台 进给 速度 最大托盘承重 快速进给速度 X轴 Y轴 Z轴 U-W轴 切削进给速度X轴 Y-Z轴 U-W轴 精度 定位精度/全行程 带光栅尺 重复定位精度

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100031000mm 3500Kg 20m/min 15 m/min 15 m/min 15 m/min 1～6000mm/min 1～6000mm/min 1～4000mm/min N/A ±0.004mm N/A 概述 自动刀具交 换 主轴 主轴转速 面铣头转速 主轴最大扭矩 伸出主轴直径 主轴锥孔 面铣头直径 刀库容量 刀具选择 最大刀具长度 刀柄 最大刀具直径 最大刀具重量 刀具交换时间 机床重量 占地面积宽/长 机床高度 1500 min-1 600 min-1 659.5N2m 130mm No.50 700mm 60[90/119/179] 随机走捷径 550mm BT50 120/230mm 30kg 11.8s 31000kg 5580/9850mm 4715mm 的机床加工，而大的工件则选择大规格的机床加工，做到设备的合理使用。

面铣头最大扭矩 1486 N2m 济南大学毕业设计

3 制定工艺路线

3.1制定加工工艺路线时需要注意的问题

零件机械加工的工艺路线（简称工艺路线）是指零件生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序先后顺序。制定工艺路线的出发点应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证。在生产纲领以确定为大批生产的条件下，大多采用加工中心配以专用夹具来完成加工，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果、以使生产成本尽量提高。[5]

工艺路线的拟定是制定工艺规程中关键的一步，工艺路线合理与否、不但影响到零件的加工质量和效率，而且还影响到工人的劳动强度、设备投资、车间面积、生产成本等，必须严禁从事。

在变速箱箱体零件的加工中，对于加工精度要求较高和表面粗糙度要求较高时，常将工艺过程划分为粗加工和精加工两个阶段；对于加工精度要求很高和表面粗糙度要求也很高时，常将工艺过程划分为粗加工阶段、半精加工阶段和精加工阶段。同时，通过认真分析和研究零件图，对各加工表面和孔隙选择出相应定位基准、加工方法、加工顺序等，制定出合理的加工路线。

3.2 工艺路线的制定

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图 1-3

通过仔细分析零件图1-1，列出主要的加工部分如图1-2所示。加工路线如下 工艺路线一： 1. 粗、精铣底面

2. 粗镗工艺孔Φ31、Φ102 3. 半精镗工艺孔Φ31、Φ102 4. 精镗工艺孔Φ31、Φ102 5. 粗镗底面上的孔Φ30.8 6. 半精镗底面上的孔Φ30.8 7. 精镗底面上的孔Φ30.8 8. 镗底面上四个孔

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9. 钻底面上的凸台孔 10. 铰底面上的凸台孔 11. 粗、精铣前端面

12. 粗镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 13. 粗镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 14. 钻后端面孔2-Φ10H7 15. 钻前端面上各螺纹孔 16. 铰前端面上各螺纹孔

17. 半精镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 18. 半精镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 19. 精镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 20. 精镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 21. 铰后端面孔2-Φ10H7 22. 钻左侧面孔Φ18 23. 钻左侧面孔Φ28 24. 铰左侧面孔Φ18 25. 铰左侧面孔Φ28

26. 攻前后端面上螺纹孔的螺纹 27. 倒角，去毛刺 28. 检验 29. 清洗 30. 包装、入库 工艺路线二： 1. 粗、精铣底面

2. 粗镗工艺孔Φ31、Φ102 3. 粗镗底面上的孔Φ30.8 4. 粗镗底面上的四个孔 5. 钻底面上的凸台孔 6. 半精镗工艺孔Φ31、Φ102 7. 半精镗底面上的孔Φ30.8 8. 半精镗底面上的四个孔 9. 精镗工艺孔Φ31、Φ102 10. 精镗底面上的孔Φ30.8 11. 精镗底面上的四个孔 12. 铰底面上的凸台孔 13. 粗铣前端面

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14. 粗铣后端面 15. 精铣后端面 16. 精铣前端面

17. 粗镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 18. 粗镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 19. 钻后端面孔2-Φ10H7 20. 钻左侧面孔Φ18 21. 钻左侧面孔Φ28 22. 铰左侧面孔Φ18 23. 铰左侧面孔Φ28 24. 铰后端面孔2-Φ10H7

25. 半精镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 26. 半精镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 27. 精镗前端面孔Φ90、Φ355、Φ358、Φ420、Φ130 28. 精镗后端面孔Φ130、Φ95（背镗）、Φ120、Φ125 29. 钻后端面螺纹孔 30. 铰后端面螺纹孔 31. 攻螺纹

32. 钻前端面螺纹孔 33. 铰前端面螺纹孔 34. 攻螺纹 35. 倒角，去毛刺 36. 检验 37. 清洗 38. 包装、入库

3.3 工艺方案的分析与比较

上述两个工艺路线的特点在于：工艺路线一中首先加工出了底面和两个工艺孔Φ31、Φ102，以其为定位再加工出变速箱箱体的前后端面及其各孔，实现了基准统一选择，而且把两个工艺孔的加工放在了比较靠前的工序中，便于以后工序的加工，但在加工面、工艺孔与底孔的加工时没有划分明确粗精加工阶段，这样虽然可以减少了装夹次数、节省时间提高了生产率，但在粗加工过程中，由于粗加工余量大，工件容易振动，从而影响定位精度，这样也就直接影响了加工质量。因此最好把粗、精加工分开。另外，加工面和加工孔的工序混在了一起，违背了先面后孔的原则。

在工艺路线二中，不仅遵从了先面后孔的原则，而且很好的划分了粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段。这样有利于保证加工质量，便于使用机床，便于使用安

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排热处理工序。在粗加工各表面后可以及早的发现毛坯的缺陷，及时的进行补修，以免继续进行加工而浪费了工时和制造费用。另外，在加工完面时，直接加工面上的孔，这样可以节省工作台来回转动的时间及减少了工作台的磨损量。

但是在这两个加工路线中都出现了工序过多，加工繁琐的问题，会使工件反复的被拆卸安装，这样加工精度不容易保证，另外使辅助时间增多降低了生产率，增高了生产成本。因此应尽量在一次装夹中加工尽可能多的面和孔，提高生产率。

综上所述，最后的加工路线如机械加工工序卡片上所示(见最后附件)。

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4 机械加工余量、工序尺寸、及毛坯尺寸的确定

在由毛坯变为成品的过程中，在某加工表面上切除的金属层的总厚度称为该表面的加工总余量。每一道工序所切除的金属层厚度称为工序间加工余量。其中平面采用单边余量，孔采用双边余量。由于加工的需求，在工序简图或者工艺规程中要标注一些专供加工用的尺寸，这类尺寸就称为工序尺寸。可直接由参考文献[4]机械制造技术基础、[7]互换性与技术测量、[9]机械加工余量手册、[10]机械加工余量与公差手册查得以下加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸。

?0.0521、Φ310工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1） 确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.4mm，半精镗余量为：0.15mm，精镗为：0.075mm，总余量为1.625mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ31mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ31.15mm，粗镗后基本尺寸为Φ31.45mm，毛坯的基本尺寸为34.25mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.052 精镗： Φ310mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.039 半精镗：Φ31.150mm，表面粗糙度为6.3un。 ?0.026 粗镗： Φ31.450mm，表面粗糙度为12.5um。 ?0.025 毛坯： Φ34.250mm。

?0.035 2、Φ1020工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.5mm，半精镗余量为：0.2mm，精镗为：0.1mm，总余量为1.8mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ102mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ102.2mm，粗镗后基本尺寸为Φ102.6mm，毛坯的基本尺寸为Φ105.6mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.035 精镗： Φ1020mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.054 半精镗：Φ102.20mm，表面粗糙度为6.3un。 ?0.087 粗镗： Φ102.60mm，表面粗糙度为12.5um。

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?0.35 毛坯： Φ105.60mm。 0.0223、Φ90??0.013工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.5mm，半精镗余量为：0.2mm，精镗为：0.1mm，总余量为1.8mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ90mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ90.2mm，粗镗后基本尺寸为Φ90.6mm，毛坯的基本尺寸为Φ93.6mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.035 精镗： Φ89.9870mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.054 半精镗：Φ90.1870mm， 表面粗糙度为6.3un。 ?0.087 粗镗： Φ90.5870mm， 表面粗糙度为12.5um。 ?0.35 毛坯： Φ93.5870mm。 0.0224、Φ95??0.013工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.5mm，半精镗余量为：0.2mm，精镗为：0.1mm，总余量为1.8mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ95mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ95.2mm，粗镗后基本尺寸为Φ95.6mm，毛坯的基本尺寸为Φ98.6mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.035 精镗： Φ94.9870mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.054 半精镗：Φ95.1870mm， 表面粗糙度为6.3un。 ?0.087 粗镗： Φ95.5870mm， 表面粗糙度为12.5um。 ?0.35 毛坯： Φ98.5870mm。 ?0.045、Φ1250工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

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粗镗余量为：1.6mm，半精镗余量为：0.25mm，精镗为：0.125mm，总余量为1.975mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ125mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ125.25mm，粗镗后基本尺寸为Φ125.75mm，毛坯的基本尺寸为Φ128.95mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.04 精镗： Φ1250mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.063 半精镗：Φ125.250mm， 表面粗糙度为6.3un。 ?0.1 粗镗： Φ125.750mm， 表面粗糙度为12.5um。 ?0.4 毛坯： Φ128.950mm。 0.0266、Φ130??0.014工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.6mm，半精镗余量为：0.25mm，精镗为：0.125mm，总余量为1.975mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ130mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ130.25mm，粗镗后基本尺寸为Φ130.75mm，毛坯的基本尺寸为Φ133.95mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

?0.04 精镗： Φ129.9860mm， 表面粗糙度为3.2um。 ?0.063 半精镗：Φ130.2360mm， 表面粗糙度为6.3un。 ?0.1 粗镗： Φ130.7360mm， 表面粗糙度为12.5um。 ?0.4 毛坯： Φ133.9360mm。 ?0.0577、Φ3580工艺孔的加工路线如下：

粗镗---半精镗---精镗

（1）确定各工序间的加工余量

粗镗余量为：1.8mm，半精镗余量为：0.35mm，精镗为：0.175mm，总余量为2.325mm。 （2）计算各工序及毛坯的基本尺寸

由精镗后基本尺寸为Φ358mm，所以，半精镗后基本尺寸为Φ358.35mm，粗镗后基本尺寸为Φ359.05mm，毛坯的基本尺寸为Φ362.65mm。 （3）计算各工序及毛坯的尺寸公差

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