刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计（全套含CAD图纸）
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毕 业 设 计 任 务 书 （一号宋体，加粗，居中 正文小四号宋体，行距为固定值 20 磅） 院（系）： 机电工程学院 专业 材料成型及控制工程 班 级： 学生： 学号： 一、毕业设计课题 刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 二、毕业设计工作自 2012年 03 月 12 日起至 2012 年 06月 15日止 三、毕业设计进行地点 四、毕业设计的内容要求 (一 ) 设计之原始数据： 原始资料：刀 剪专用数控磨床装配总图图纸 1 套 (二 ) 设计计算及说明部分内容： （ 1）刀剪磨削工艺分析。 （ 2）消隙机构原理分析。 （ 3）旋转消隙机构的设计。 （ 4）消隙精度校核。 2. 设计要求： （ 1）刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构总装图（用计算机完成绘制装配图）； （ 2）齿轮齿条 零件图设计； （ 3）编写设计（论文）说明书（不少于 字，全部用计算机输出）； （ 4）综述文献（要求书写 6000 8000字与毕业设计内容相关的综述文章） (三 ) 主要参考资料 1、 李洪 实用机床设计手册 沈阳 辽宁科学技术出版社 2、机械师设计手册，机械 工业出版社 3、机械零件设计手册，冶金工业出版社 4、金属切削机床上海科学技术出版社 5、互换性与技术测量中国计量出版社 6、材料力学，高等教育出版社。 专业负责人 批准日期 、机床设计手册，机械工业出版社 (四 )附属专题 1、专题外文翻译 检索与阅读和设计题目相关的外文资料，并书面翻译 4 篇 (3000 5000 汉字 )外文资料。 指导教师 接受毕业设计任务开始执行日期 2012 年 3 月 12 日 学生签名 I 摘 要 对刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计，首先对原有刀剪数控磨床的外形和结构进行分析，查找相关资料，对 比不同方案的优缺点，初步选择设计方案。根据方案，选择切削刀具，分析刀具运动轨迹和制品的加工步骤，分析方案的合理性。然后对消隙机构的零部件进行计算或选择，如齿轮的设计、齿条的设计、回转轴的设计、轴承的选择、伺服电机的选择、滚珠丝杆副的计算与校核等等。根据以上计算和分析的结构，采用 外，通过机床不同部位的精度检测方法，校核所选择方案加工出来的制品是否满足使用要求。 关键词 ：刀剪专用数控磨床； 旋转消隙机构； 分析计算 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 of in C of in C of to of of as of of of to to In of of of in C 目 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 中国的刀具行业 . 1 加工刀剪的数控磨床的国内外技术发展现状与趋势 . 1 研发刀剪专用数控机床目的与意义 . 2 第二章 回转刀架的工艺分析 . 3 回转刀架的结构分析及技术要求 . 3 回转刀架的外形结构分析 . 3 回转刀架的消隙部位 . 3 回转刀架的精度要求 . 3 磨削面的种类及技术要求 . 4 削面的种类 . 4 削面的技术要求 . 4 第三章 设计方案的确定 . 5 齿轮与轴配合间隙的消除 . 5 轮与轴的安装方式 . 5 轮与轴的间隙消除 . 5 齿轮与齿条配合间隙的消除 . 6 消除齿轮与齿条配合间隙的种类 . 6 轮与齿条的间隙消除 . 6 第四章 回转刀架的回转机构设计 . 8 回转刀架机构的组成 . 8 齿轮齿条的设计 . 8 齿轮齿条的传动特点 . 8 模数的选择 . 9 齿轮参数的确 . 10 齿条参数的确定 . 11 回转轴的设计 . 12 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 2 回转轴的基本直径的估算 . 12 回转轴的最小直径的确定 . 13 回转轴的设计 . 13 回转机构的安装精度和润滑 . 14 第五章 回转刀架的传动机构设计 . 15 磨削力的分析 . 15 磨削力的介绍 . 15 磨削力的计算 . 15 伺服电机的总功率 . 17 电机的选择 . 18 滚珠丝杠副的确定 . 19 滚珠丝杆的特点 . 19 滚珠丝杠副的选择 . 20 轴承的选择 . 20 滚珠丝杠的轴端形式 . 20 轴承的选择 . 20 第六章 回转刀架的总装 . 22 回转刀架的总装配图 . 22 回转刀架在机床上的安装 . 23 第七章 机床精度检验 . 24 机床精度内容 . 24 机床精度保持性 . 24 机床精度检验方法 . 25 结 论 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 译文及原文影印件 . 30 第一章 绪论 1 第一章 绪论 中国的刀具行业 中国的刀具行业很早就面 临全面对外开放，国内市场早就实现了刀具采购全球化。外国工具商进入中国市场已有十几年的历史，销售网络、技术服务体系已相当健全，在中国各大城市都有若干办事处，销售和技术服务从业人员逾千人。他们以其优质的产品、完善的技术服务、不断降低的产品销售价（现在的进口刀具价格几乎已经降到 10 年前的 2/3 1/2）几乎垄断了中国的高档刀具市场。在经济全球化进程中，跨国工具公司已占有越来越明显的技术、资源、信息服务等综合优势，国产刀具的实力相差越来越远。 加工刀剪的数控磨床的国内外技术发展现状与趋势 当前刀剪 数控磨床主要以进口为主，其中以是德国的西普曼为代表产品。西普曼刀剪数控磨床，以高精度及高效率著称，但其使用时要采用进口的专用砂轮，无论是机床或砂轮，其巨额价格（机床约 100万元 /组，砂轮约 800元 /个）国人难予承受。台湾有生产此类磨床，其机床价格约 50 万元 /组，砂轮价格约 500 元 /个，同样存在价格昂贵的问题，并且，其精度及效率都比不上德国的西普曼产品。同时，进口刀剪数控磨床对刀剪毛坯平直度和厚度尺寸的要求非常严格，进一步制约了刀剪数控磨床的推广应用。目前国人使用较多的是液压刀剪机械，其机床价格约 5万元 /组， 砂轮价格约 50元 /个，但其加工的产品质量远达不到刀剪数控磨床加工的水平。 近几年，国内也有一些厂家进行了刀剪数控磨床的研制，例如阳江永威刀剪机械厂，他们只是在原有的液压刀剪磨床上加装数控车床系统而已，机床价格约 12万元 /组，砂轮价格约 50元 /个，虽然价格上有相当的优势，但对机械结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术缺乏研究，忽视了自主开发能力的培育，设计出的磨削机床存在磨削精度差，刚性不足，效率低等缺陷。而且对整体工艺与制造水平不够重视，加工质量得不到稳定与提高，产品可靠性差，加工的刀剪产品质量与液 压刀剪机械加工的无明显的提高。 随着数控技术的发展，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 2 研发刀剪专用数控机床目的与意义 刀剪行业是我国历史悠久的传统行业，刀剪五金产品，包括菜刀、套刀、小刀、陶瓷刀和工业用剪、民用剪刀、裁缝剪刀等，名副其实地呈现“小商品，大市场”的喜人形势。据 2009 年数据统计，我国从事刀剪生产的企业约有三千家，刀剪产品年工业总产值约在一百多亿元，年出口创汇超过 4亿美 元。但在国际市场上，我国的刀剪产品主要还是以中、低端的低附加值产品为主。到目前为止，还没有出现一家像德国“双立人”、日本“庄山郎”牌等世界知名品牌的刀剪产品。造成差距的最根本原因是：产品质量。我国刀剪企业在产品材料、加工工艺，以及刀剪磨削方面与发达国家相比有较大的差距。 刀剪需有相当高的硬度才可达到其锋利度和耐用性，大多刀剪都要通过磨削工艺来达到剪切面及刃口的锋利要求、几何尺寸要求和外观要求。目前，刀剪磨削设备主要是以液压磨床仿形磨削为主，存在磨削精度差、生产效率低等缺点。尽管个别企业（例如：阳江永威数控 刀剪机械厂）将目前的液压仿形改为数控方式，由于其机械制造精度达不到使用要求，并且数控编程只是采取车床系统圆弧插补方式，没有刀剪加工专用指令，也难予保证刀剪的磨削的几何及尺寸精度度及细腻的纹路。 社会的进步和人民生活的提高，人们对刀剪产品的质量也越来越高。并随着国际市场的不断变化，很多企业已经意识到，企业要生存、要发展，必须要提高产品的质量，提高产品档次。刀剪产品的磨削质量直接影刀剪产品的锋利程度和外观质量。本项目为提高刀剪产品磨削设备的加工质量和加工效率。而致力研究开发高精刀剪专用数控磨床。项目立项建设将 填补国内刀剪专用数控磨床的空白，有效地提高国内自制刀剪数控磨床的质量及性能和降低同类型产品的进口数量，加强企业的国际市场竞争力，推动企业技术的不断进步，扩大国产刀剪专用数控磨床销售量，发展地方经济，繁荣市场，目的明显，意义重大。 第二章 回转刀架的工艺分析 3 第二章 回转刀架的工艺分析 回转刀架的结构分析及技术要求 回转刀架的外形结构分析 如图 回转刀架由垂直方向的伺服驱动服带动滚珠丝杆转动，通过滚珠丝杆副把旋转运动转变为往复直线运动，从而带动齿条来回移动；经齿轮齿条啮合继而带动回转轴 的旋转运动，由于刀架与回转轴固定在一起，故回转轴的转动定会带动刀架一起转动，这便使刀架上的工件可转动一定的角度，角度的多少由与回转从动齿轮啮合的齿条的长度和滚珠丝杆副的移动距离所决定。 图 转刀架结构 回转刀架的消隙部位 由于刀架的转动是由齿条带动齿轮，再由齿轮带动回转轴实现的。而齿轮与齿条的啮合之间必定存在间隙；此外，要保证制品的高精度，齿轮与轴之间不能存在间隙且必须保证齿轮的轴线与轴的轴线之间的同轴度。 回转刀架的精度要求 各加工部位的表 面要求：刀纹路细腻均匀，清晰美观，不留刀痕；尺寸精度控制在 对于加工出来的制品所要达到的精度要求：要求一般磨削面粗糙度达到 口、剪切面达 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 4 磨削面的种类及技术要求 削面的种类 刀剪五金产品的磨削面除基本平面、斜面外，还应磨削非平面类成型面，如弧面、波浪面、外凸面、内凹面、螺旋面等。 a) 弧面、波浪面：将刀具或剪具装夹时形成相应要求的角度，利用数控两轴运行角度垂直下的投影线，磨出相应的弧面、波浪面； b) 外凸面 、内凹面：将工作台摆一定的角度，让刀具或剪具与桶形砂轮形成一定的角度，利用桶形砂轮的外侧面或内侧面进行磨削，磨出外凸面、内凹面； c）螺旋面：在工作台上增加一伺服控制的旋转刀架，在磨削过程中可进行相应的旋转要求而磨出螺旋面； d）在磨削过程中，要处理好砂轮面接触磨削弧线与弧线过度时不能出现明显磨削粗纹现象。 削面的技术要求 a)表面质量。磨削面粗糙度一般要求在 口、剪切面达 可通过调整磨料粒度、线速来获得高质量表面。 b)成型面精度。刀剪五金产品 成型面的磨削，一般靠几何仿形获得，通过仿形板理论曲线逼近法；也可通过电脑数控，由伺服电机控制完成。精度可达到 第三章 设计方案的确定 5 第三章 设计方案的确定 齿轮与轴配合间隙的消除 轮与轴的安装方式 轴上固定的齿轮，与轴的配合形式，视具体情况不同而有所不同。要考虑使用情况，如传递功率的大小，负载的平稳性、冲击性等。还要考虑装配的工艺性。一般的，载荷小、平稳，采用间隙配合就可以， H7/荷大、有冲击性，采用过渡配合， H7/7/上 2种 是常见的配合形式。如果是重载、严重冲击，就要考虑过盈配合了。 在实际装配时，过渡配合是既有间隙配合的可能，又有过盈配合的可能，只有零件加工成形后，在装配时才能决定的配合形式。可以适当选取过渡配合，如间隙配合性较大的过渡配合，或过盈配合性较大的过渡配合。 由于在此传动中，传动功率较小，且负载平稳，冲击性小等，故可选用小过盈量的配合。 轮与轴的间隙消除 由于采用间隙配合，齿轮与轴之间必定存在间隙，在传动的过程中 ,存在的问题是键槽一方面使工作压力沿工作面的分布不均匀 ,造成轴与轮毂的变形不对称 ;另一 方面 ,若有配合间隙 ,轴与轮毂工作时容易产生互相磨损 ,配合表层材料剥蚀 ,造成联结失效。这对于要求制品具有高质量、高精度是不允许的，对于齿轮与轴之间的间隙可采用加入胀紧联结套的形式予以消除，如图 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 6 齿轮与齿条配合间隙的消除 消除齿轮与齿条配合间隙的种类 a）差动齿轮与齿条啮合传动方式 齿条为普通金属制成，从动齿轮是由三层尺寸相同的齿轮铆接的组合齿轮，上下两层是磷青铜齿轮，中间装一层薄尼龙齿轮，虽然按同一尺寸加工，但在铆接后中间尼龙层略微挤出比铜轮稍大些 ，借以补偿误差消除间隙。 这是差动齿轮 ,适用于精密的传动机构 ,因为塑料齿轮的传动间隙比较大 ,所以经常要用这种结构来减少传动间隙。但是结构比较复杂，而且对于机床上使用的齿轮齿条一般为金属制成，传动间隙较小，故一般不采用此种方式。 b）拉簧控制齿轮齿条间隙消除装置 从齿轮中间开槽后镶嵌一个小齿条，小齿条一端弹性碟片固定，在运动过程中，主动齿条以往复移动驱动从动齿轮作旋转运动。当传动过程中存在间隙时，由弹性碟片控制的小齿条便会与大齿条形成一定的位错，使小齿条在运动中始终与齿轮的另一侧相接触，从而消除啮合间隙。如图 c）磁性齿轮齿条装置 磁性齿轮齿条传动装置应用在小扭矩的传动机构中。将齿轮齿条进行磁化，磁化后齿轮轴孔为 S 极、轮齿为 条轮齿为 N 极，背面为 然轮齿侧面都具有相同的磁性，在啮合传动中利用轮齿间的斥力降低啮合间隙的影响，减少轮齿间的冲击与噪音。 与传统机械传动相比 ,磁性齿轮齿条具有低噪声、高效率、便于维护、高可靠性以及过载保护等优点。但缺点是 对齿轮齿条材料的抗疲劳强度要求较高 , 另外制造较复杂 ,需要专门的设备 ,因而使其制造成本较高。 轮与齿条的间隙消除 方案一， 差动齿轮与齿条啮合传动方式：适用于精密的传动机构 ,因为塑料齿轮的传动间隙比较大 ,所以经常要用这种结构来减少传动间隙。但是结构比较复杂，而且对于机床上使用的齿轮齿条一般为金属制成，传动间隙较小，故一般不采用此种方式。 方案二， 磁性齿轮齿条装置：虽然与传统机械传动相比 ,磁性齿轮齿条具有低噪声、高效率、便于维护、高可靠性以及过载保护等优点。但对齿轮齿条材料的抗疲劳强度要求较高 , 另外制造较复杂 ,需要专门的设备 ,因而使其制造成本较高。 方案三，拉簧控制齿轮齿条间隙消除装置：只需在齿条 上开槽镶嵌一个消隙用的小第三章 设计方案的确定 7 齿条，并采用弹性碟片固定，结构简单，制造方便。 综上所述，依据在满足使用要求的前提下尽可能降低经济成本的原则，采用方案三是最好的选择 ,如图 示。 图 拉簧控制齿轮齿条间隙消除装置 1、 齿条 2、消隙齿条 3、压盖 4、胀紧联结套 5、回转轴 6、齿轮 7、蝶形弹簧 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 8 第四章 回转刀架的回转机构设计 回转刀架机构的组成 数控磨床的回转刀架机构的包括传动机构和回转机构两大部分，其中，传动机构包括齿条、滚珠丝杠副、滚动轴承、伺 服电机、支座等部件，而回转机构包括回转轴、齿轮、滚动轴承、前、后支座等部件，两者之间通过齿条与齿轮啮合进行传动。 因为刀剪磨削时除了 X 轴、 Z 轴方向进行磨削，对有曲面要求的刀剪还需要进行曲面磨削，而对刀剪的曲面磨削就是由传动机构与回转机构两部分联动所作的曲线运动完成的。在传动机构中，通过伺服电机转动，经滚珠丝杠副带动齿条作往复直线运动；而在回转机构中，由于齿条与齿轮啮合，回转齿轮在齿条的带动下作回转运动，通过控制齿条移动的距离控制齿轮转过的齿数，而齿轮的转动带动回转轴转过一定的度数，从而使制品转动一定的角度而 实现砂轮对制品的曲面磨削。 传动机构的支座和回转机构的前后支座均采用铸造制成，材料为灰铸铁 造出来的毛坯再按照尺寸精度要求进行精加工。 齿轮齿条的设计 齿轮齿条的传动特点 齿轮作回转运动，齿条作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷大的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变为直线。 当齿条为主动件时，齿条的速度等于齿轮节圆的线速度。 齿条直线的速度 v 与齿轮分度圆直径 d 、转速 n 之间的关系为 式（ 式中 d 齿轮分度圆直径， n 齿轮转速， 其啮合线12于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点2 齿轮与齿条啮合时，不论是否标准安装（齿轮与齿条标准安装即为齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切），其啮合角 恒等于齿轮分度圆压力角 ，也等于齿条的齿形角；齿轮的节圆也恒与分度圆重合。只是在非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。 齿轮与齿条正确啮合条件是基圆齿距相等，齿条的基圆齿距是其两相邻齿廓同侧直 60第四章 回转刀架的回转机构设计 9 线的垂直距离，即 c o s c o m 。 齿轮与齿条的实际啮合线为12齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线12齿轮齿条的啮合如图 示。 图 齿轮齿条的啮合 模数的选择 分度圆上的齿距 p 对 的比值称为模数，用 m 表示，单位 即齿轮的主要几何参数都与模数成正比， m 越大， p 越大，轮齿也越大，轮齿抗弯能力也越强，所以模数 m 又是轮齿抗弯能力的重 要标志。 齿轮模数是齿轮的主要设计参数 一对齿啮合和两对齿啮合之间的弯曲差是齿轮产生激振的主要原因 ,因此应提高齿轮的弯曲强度 ,而齿轮的弯曲强度与齿轮模数成正 比 ,故从提高齿轮强度减少激振的角度出发 ,总是希望齿轮模数大一些 ,齿轮模数 的增大 ,同时也意 味着齿轮误差的增大 目中 ,基节误差和齿形误差对噪声的影响最大 ,基节误差和齿形误差可用如下式（ 式（ 示 式（ 式（ 式中： .数（）节圆直径（）齿形误差（）基节误差（ o 刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 10 由此可见 ,上述两项齿轮误差与模 数 m 有关 ,模数越大 ,基节误差、齿形误差亦越大 使齿轮产生冲击 ,故齿形误差和基节误差越大 ,齿轮噪声也就越高 如果是 同一级精度的齿轮 ,其产生的基节误差和齿形误差随模数的减小而减小 减小模数 ,而不是提高精度 ,却能得到较小误差的齿轮 ,因此降低了齿轮的噪声 . 因此 ,从低噪声观点出发，理想的设计是，若齿轮强度允许，尽可能选小模数。当轮齿弯曲的影响大于加工误差的影响时，增大模数较为合理。当轮齿轻载，轮齿弯曲的影响较小时，则应优先考虑加工误 差的影响而采用模数小的齿轮。由于回转机构中齿轮传动的功率、扭矩都较小，通过类比法（参照类似的设备、机械装置，传动功率、转速相近，使用条件相近，有可比性）并结合 齿轮模数国家标准 选齿轮模数 。 齿轮参数的确 Z 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮的齿数可 取为 40201 Z 。虽然该回转机构的转速不高，但因为精度要求很高，且考虑到安装空间，初选回转齿轮的齿数 401 Z 。 、螺旋角 1 在两齿轮节圆相切点 齿廓曲线的公法线（即齿廓的受 力方向）与两节圆的公切线（即 夹的锐角称为压力角，也称啮合角。对单个齿轮即为齿形角。标准齿轮的压力角一般 201 。 由于该回转机构中的齿轮采用的是圆柱直齿齿轮，故螺旋角 01 。 x 、齿顶高系数 *1隙系数 *1C 对于标准齿轮齿条且按标注中心距进行安装的，其变位系数 0x ，齿顶高系数1*1 顶隙系数 C 。 d 查机械设计基础（第五版） 58P 知： 0402m 11 查机械设计手册可知对于齿轮齿条传动，其中心距： 0， 第四章 回转刀架的回转机构设计 11 b 齿宽是依据受力大小参考设计的，如果模数小，受力大，齿宽就大；如果模数小，受力小，则齿轮就相对较小。本机构的回转齿轮模数小，受力小，故齿宽应较小。 查机械设计基础（第五版）175轮相对于轴承非对称布置的情况，齿宽系数取 2.1d。故齿轮传动的齿宽 =齿宽系数 X 中心距 d ，取 01 。 根高1全高 1h 、 齿距 1p 查机械设计基础（第五版）58 21m* 11 1m*1* 11 ）（）（2111 齿条参数的确定 1）齿数 2Z 回转齿轮的齿数为 401 Z ，每转过一个齿，回转齿轮带动回转轴将转过 9 ，因此为了保证回转齿轮在齿条的带动下，转过的角度超过 30 ，必须使齿条不管向前还是向后作直线运动时齿轮至少都转过 4个齿，另外中间啮合时需要 1个齿，因此，齿条的齿数可取 112 Z 2）压力角 2 、螺旋角 由于齿条与齿轮是靠啮合传动的，所以齿条的螺旋角与压力角是与配套齿轮完全相同的，而标准直齿圆柱齿轮 的压力角一般 201 、螺旋角 01 ，故齿条的压力角 2012 、 012 。 3）变位系数 x 、齿顶高系数 *2隙系数 *2C 对于标准齿轮齿条且按标注中心距进行安装的，其变位系数 0x ， 齿顶高系数1*2顶隙系数 C 。 4）齿宽 2b 已知从动齿轮的齿宽 01 ，齿条的齿宽可取 012 ，这样既能保证轮齿有足够的啮合宽度，同时方便加工。 广东石油化工学院本科毕业设计 :刀剪专用数控磨床的旋转消隙机构设计 12 5）齿顶高2根高2全高 2h 、齿距 2p 由于是标准的齿条与齿轮且是按标准中心距进行安装的，故齿条的齿形与是与配套齿轮完全相同的，参考机械设计基础（第五版）58 21m* 22 1m*2* 22 ）（）（ 2222 6）齿条的长度 L 由 ，同时考虑到齿条的固定，可取 0 。 回转轴的设计 回转轴的基本直径的估算 通常， 轴的最小径向尺寸， 亦称为轴的基本直径，用 示。在设计轴时， 该尺寸是应首先确定的关键尺寸， 其它尺寸的确定都是在此基础上进行的。而且，这个尺寸往往就是端轴头或端轴颈尺寸， 轮毂、 轴承尺寸的确定都直接与其相关。轴的基本直径确定的方法很多，如按扭转强度进行初步计算、凭设计者的经验进行估计、类比设计等等。下表 4多年来采用统计学原理对实际生活中轴径的选择进行统计得出来的，在实际设
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