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1、面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之公差分析DFMADFMA第第 44 部分部分:公差分析公差分析Tolerance AnalysisTolerance Analysis鐘元鐘元7>2013/03/302013/03/30DFMADFMA內(nèi)容:一常見的公差分析做法二公差分析三公差分析的公差分析的計(jì)算步驟算步驟四四.公差分析的計(jì)算方法公差分析的計(jì)算方法五公差分析的三大原則六產(chǎn)品開發(fā)中的公差分析2DFMADFMA一 . 常見的公差分析做法1. 產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后,在design review 時(shí),針對O-ring 的壓縮量進(jìn)行公差分析;分析如下:3常見的公差分析做法2. 當(dāng)發(fā)現(xiàn)公差分析的結(jié)果不滿足要求
2、時(shí),修改尺寸鏈中的尺寸公差,從±0.15mm改到± 0.10mm發(fā)現(xiàn)依然不能滿足,繼續(xù)修改到± 0.05mm直到滿足O-ring的15%E縮量要求;成功完成公差分析4DFMADFMA一 . 常見的公差分析做法存在的問題:公差的設(shè)定沒有考慮到制程能力公差的設(shè)定沒有考慮到制程能力? 公差的設(shè)定沒有考慮到成本沒有縮短尺寸鏈的長度沒有縮短尺寸鏈的長度? 當(dāng)公差分析結(jié)果不滿足要求時(shí),沒有通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,而是通過嚴(yán)格要求零零件尺尺寸公差的方法;? 對尺寸公差沒有進(jìn)行二維圖標(biāo)注對尺寸公差沒有進(jìn)行制程管控對尺寸公差沒有進(jìn)行制程管控? 產(chǎn)品制造后,沒有利用真實(shí)的零件制程能力來驗(yàn)
3、證設(shè)計(jì)階段的公差分析在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后才開始進(jìn)行公差分析在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后才開始進(jìn)行公差分析5DFMADFMA一 . 常見的公差分析做法后果:產(chǎn)品不良率高產(chǎn)品不良率高? 要求嚴(yán)格的公差,產(chǎn)品制造成本高,但依然會(huì)出現(xiàn)不良品實(shí)實(shí)際產(chǎn)品公差分析驗(yàn)證6DFMADFMA二 . 公差分析1. 公差的概念:為什為什么為產(chǎn)生為產(chǎn)生公差差?? 加工制程的變異:?組裝制程的變異:? 材料特性的不同?組裝設(shè)備的精度? 設(shè)備或模具的精度?工裝夾具裝夾具的錯(cuò)誤錯(cuò)誤? 加工條件的不同? 操作員的不熟練? 模具磨損7DFMADFMA二 . 公差分析1. 公差的概念:公差是零件尺寸所允許的偏差值公差是零件尺寸所允許的偏差
4、值,設(shè)定零件的公差即是設(shè)定零件制造時(shí)設(shè)定零件的公差即是設(shè)定零件制造時(shí)尺寸允許的偏差范圍100.0799.759999.8888100.03100± 0.20100.05100100.000099.9999.92100100.1515100.30DFMADFMA二 . 公差分析1. 公差的概念:正態(tài)分布正態(tài)分布下偏差下偏差上偏差上偏差DFMADFMA二 . 公差分析2. 公差的本質(zhì):公差是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁和紐帶公差是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁和紐帶,是保證產(chǎn)品以優(yōu)異的質(zhì)量是保證產(chǎn)品以優(yōu)異的質(zhì)量、優(yōu)良的性能和較低的成本進(jìn)行制造的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)造功能功能用制造費(fèi)用性能外觀外觀選擇制造方法
5、選擇可裝配性機(jī)器設(shè)計(jì)限制穩(wěn)健性設(shè)計(jì)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖公差公差制造制制造費(fèi)裝配費(fèi)用制造方法精密寬松夾具檢不良率產(chǎn) 品 質(zhì) 量 產(chǎn) 品 質(zhì)返工率返工率客戶滿意10DFMADFMA二 . 公差分析2. 公差的本質(zhì):公差與成本的關(guān)系公差與成本的關(guān)系:零件公零件公差越嚴(yán)格,零件制造成本就越高嚴(yán)格的零件公差要求意味著嚴(yán)格的零件公差要求意味著:? 更高的模具費(fèi)用;? 更精密的設(shè)備和儀器;額外的加額外的加工程序程序;? 更長的生產(chǎn)周期;? 更高的不良率和返工率;? 要求更熟練的操作員和對操作員更多的培訓(xùn);? 更高的原材料質(zhì)量要求及其更高的原材料質(zhì)量要求及其產(chǎn)生的費(fèi)用。11DFMADFMA二 . 公差分析3. 寬松的零
6、件公差要求A. 設(shè)計(jì)合合理的的間隙? 設(shè)計(jì)合理的間隙,防止零件過約束,避免對零件尺寸的不必要的公差要求,不合理的零件間隙設(shè)計(jì)會(huì)帶來對零件不合理的公差要求合合理間隙間隙零件 A零件B零件C12DFMADFMA二 . 公差分析B. 簡化產(chǎn)品裝配關(guān)系,縮短裝配尺寸鏈? 對于重要的裝配尺寸對于重要的裝配尺寸,在產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)階段就要重點(diǎn)加以關(guān)注在產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)階段就要重點(diǎn)加以關(guān)注,簡化產(chǎn)簡化產(chǎn)品的裝配關(guān)系,避免重要裝配尺寸涉及更多的零件,從而減少尺寸鏈中尺寸的數(shù)目,達(dá)到減少累積公差的目的,產(chǎn)品設(shè)計(jì)于是能夠允許零件寬松的公差要求松的公差要求減少尺寸鏈的長度,尺寸允許較大的公差13DFMADFMA二 . 公差
7、分析C. 使用定位特征? 在零件的裝配關(guān)系中增加可以定位的特征在零件的裝配關(guān)系中增加可以定位的特征,例如定位柱等例如定位柱等,定位特征能定位特征能夠使得零件準(zhǔn)確的裝配在產(chǎn)品之中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)只需要對定位特征相關(guān)的尺寸公差進(jìn)行制程管控,對其他尺寸就可以允許寬松的公差要求D. 使用點(diǎn)或線或小平面與平面配合代替平面與平面配合? 使用點(diǎn)或線與平面配合的方式代替平面與平面的配合方式,避免平面的變形或者平面較高的粗糙度阻礙零件的順利運(yùn)動(dòng),從而可以對零件的平面度和粗糙度允許寬松的公差原始的設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)14DFMADFMA二 . 公差分析4. 公差分析的概念:? 公差分析是指在滿足產(chǎn)品功能公差分析是指在滿足產(chǎn)品
8、功能、性能性能、外觀和可裝配性等要求的前提下外觀和可裝配性等要求的前提下,合理定義和分配零件和產(chǎn)品的公差,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),以最小的成本和最高的質(zhì)量制造產(chǎn)品5. 公差分析的目的:? 合理設(shè)定零件的公差以減少零件的制造成本? 判斷零件的可裝配性,判斷零件是否在裝配過程中發(fā)生干涉? 判斷零件裝配后產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸是否滿足外觀、質(zhì)量以及功能等要求預(yù)測產(chǎn)品不良率預(yù)測產(chǎn)品不良率? 當(dāng)產(chǎn)品的裝配尺寸不符合要求時(shí),可以通過公差分析來分析制造和裝配過程中出現(xiàn)的問題過程中出現(xiàn)的問題,尋找問題的根本原因?qū)ふ覇栴}的根本原因? 優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì),這是公差分析非常重要的一個(gè)目的15DFMADFMA三 . 公差分析的步驟1. 定義
9、公差分析的關(guān)鍵尺寸及其公差:? 零件的裝配間隙零件的裝配間隙? 外觀零件的配合間隙? 零件之間的功能、性能和可靠性等配合尺寸16DFMADFMA三 . 公差分析的步驟2. 定義尺寸鏈:? 尺寸鏈尺寸鏈,是指在產(chǎn)品的裝配關(guān)系中是指在產(chǎn)品的裝配關(guān)系中,由互相聯(lián)系的尺寸按由互相聯(lián)系的尺寸按一定順序首尾定順序首尾相接排列而成的封閉尺寸組尺寸鏈兩大特點(diǎn)尺寸鏈兩大特點(diǎn):一是封閉性是封閉性,尺寸鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)尺寸首尾相連尺寸鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)尺寸首尾相連;二是關(guān)二是關(guān)聯(lián)性,組成尺寸鏈的每個(gè)尺寸都與關(guān)鍵尺寸有關(guān)聯(lián)性,尺寸鏈中每個(gè)尺寸的精度會(huì)影響到關(guān)鍵尺寸的精度? 如果公差分析計(jì)算出的關(guān)鍵尺寸名義值與設(shè)計(jì)值不相等,則說明尺
10、寸定義錯(cuò)誤17DFMADFMA三 . 公差分析的步驟3. 判斷尺寸鏈中尺寸的正負(fù):? 尺寸的正負(fù)可以使用尺寸的正負(fù)可以使用“箭頭法箭頭法”確定確定。箭頭法是指從關(guān)鍵尺寸的任箭頭法是指從關(guān)鍵尺寸的任一端端開始起畫單向箭頭,順著整個(gè)尺寸鏈一直畫下去,包括關(guān)鍵尺寸,直到最后一個(gè)形成閉合回路,然后按照箭頭方向進(jìn)行判斷,凡是箭頭方向與關(guān)鍵尺寸箭箭頭同向向的尺寸為負(fù)為負(fù)( - ) ,反向向的為為正(+)? 尺寸鏈中的尺寸的增加如果使得關(guān)鍵尺寸的值增加則為正(+) ,如果使得關(guān)鍵尺寸的值減少則為負(fù)使得關(guān)鍵尺寸的值減少則為負(fù)( ( - ) )18DFMADFMA公差分析的步驟4. 將非雙向?qū)ΨQ公差轉(zhuǎn)換為雙向?qū)?/p>
11、稱公差:00.2020?00 .101010010005. 公差分析的計(jì)算? 極值法極值法Dasmasm iiDD DD? 均方根法均方根法100 .10?0 .10asmasm iiTT TTasm i asm i6. 判斷和優(yōu)化19DFMADFMA四 . 公差分析的計(jì)算方法1. 計(jì)算方法:極值法極值法:極值法是考慮零件尺寸最不利的情況極值法是考慮零件尺寸最不利的情況,通過尺寸鏈中尺寸的最大值通過尺寸鏈中尺寸的最大值或最小值來計(jì)算關(guān)鍵尺寸的值均方根法均方根法:均方根法是統(tǒng)計(jì)分析法的均方根法是統(tǒng)計(jì)分析法的一種種,是把尺寸鏈中的各個(gè)尺寸公差的是把尺寸鏈中的各個(gè)尺寸公差的平方之和再開根即得到關(guān)鍵尺
12、寸的公差20DFMADFMA. 公差分析的計(jì)算方法2. 極值法:DD DD TT TT? 計(jì)算公式計(jì)算公式:asm i asm ii?實(shí)例:A尺寸的值和公差為 54.00 ±0.20, B為12.00 ±0.10 , C為1313.0000±±00.1010, DD 為為 1616.0000 ± ± 00.1515 , EE 為為1212.5050±±00.1010,利用極值法求關(guān)鍵利用極值法求關(guān)鍵尺寸 X 的名義值和公差計(jì)算計(jì)算:?計(jì)算 X 的名義值:DX DA + DB + DC + DD + DE5454.0
13、000+ -1212.0000 + -1313.0000 + -1616.0000 +-1212.50 5054.00 -12.00 -13.00 -16.00 -12.500.50 毫米?計(jì)算 X 的公差TX TA + TB + TC + TD + TE0.20 + 0.10 + 0.10 + 0.15 + 0.100.65 毫米?X 0.5 ± 0.6521DFMADFMA四 . 公差分析的計(jì)算方法3. 均方根法:計(jì)算公式計(jì)算公式:DDDD TTTT2asm iasm i?實(shí)例:A尺寸的值和公差為 54.00 ±0.20, B為12.00 ±0.10 , C為
14、1313.0000±±00.1010, DD 為為 1616.0000 ± ± 00.1515 , EE 為為1212.5050±±00.1010,利用極值法求關(guān)鍵利用極值法求關(guān)鍵尺寸X 的名義值和公差計(jì)算計(jì)算:?計(jì)算 X 的名義值:(方法與極值法相同)DX 0.50 毫米計(jì)算計(jì)算XX 的公差的公差T T 2 ?T 2 ?T 2 ?T 2 ?T 2X A B C D E00.20202 00.10102 00.10102 00.15152 00.101020.04 ?0.01?0.01?0.0225 ?0.010.09250.30?X
15、 0.5 ± 0.3022DFMADFMA四 . 公差分析的計(jì)算方法4. 極值法與均方根法的區(qū)別? 當(dāng)零件尺寸公差都是當(dāng)零件尺寸公差都是±±00.11 時(shí)時(shí),利用利用WCWC和RSSRSS法的計(jì)算結(jié)果區(qū)別如下方法的計(jì)算結(jié)果區(qū)別如下:? WC方法的累積公差更大,計(jì)算結(jié)果更大23DFMADFMA四 . 公差分析的計(jì)算方法4. 極值法與均方根法的區(qū)別當(dāng)產(chǎn)品裝配公差要求是當(dāng)產(chǎn)品裝配公差要求是±± 00.55 時(shí)時(shí), 利用利用WCWC和RSSRSS法方法,對零件尺寸公差要對零件尺寸公差要求的區(qū)別(假設(shè)尺寸鏈中的每個(gè)尺寸分配相同的公差)WCWCT法要求嚴(yán)格
16、的零件尺寸公差方法要求嚴(yán)格的零件尺寸公差24DFMADFMA四 . 公差分析的計(jì)算方法4. 極值法與均方根法的區(qū)別計(jì)算方法計(jì)算方法極值法極值法均方根法均方根法模型LSLUSLLSL USL1. 所有尺寸都是正態(tài)分布2. 尺 寸的分布是全部沒有偏差.假設(shè)所有尺寸都在公差范圍之內(nèi)3. 所有公差體現(xiàn)的都是相同標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)量oror s s .4. 尺 寸都是對稱公差.優(yōu)點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):如果零件實(shí)際制造尺寸都在公差范圍之1. RSS 是基于名義尺寸居中心,用概率那么產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)不合格品那么產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)不合格品;非常非常寸的趨勢,接近真接近真統(tǒng)計(jì)理論分析零件尺寸的趨勢統(tǒng)計(jì)理論分析零件尺優(yōu)缺點(diǎn)保守實(shí)性缺點(diǎn):2.比W
17、CS,其成本較低。零件尺寸都處在極限值狀態(tài)的機(jī)率是非缺點(diǎn):常低的太多的假設(shè)1.極 值 法 要 求 零 件 較 小 的 公 差 , 不 良 率 高如果零件尺寸部分或所有RSS假設(shè)是風(fēng) 險(xiǎn)2. 零 件 成 本 高 的 風(fēng) 險(xiǎn) .無效的,結(jié)果的可靠性會(huì)降低1.尺寸鏈尺寸不超過尺寸鏈尺寸不超過4 個(gè)個(gè)1. 尺寸鏈尺寸尺寸鏈尺寸4 個(gè)或個(gè)或4 個(gè)以上個(gè)以上五 . 公差分析的三大原則應(yīng)用場合2.對制造工藝不夠了解2. 對制造工藝足夠了解25DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則1. 寬松的零件公差要求? 公差越嚴(yán)格公差越嚴(yán)格,成本越高成本越高? 避免對零件尺寸提出嚴(yán)格的公差要求的公差要求262. 公差
18、的一致性? 零件的制造工藝能力決定了公差分析中尺寸公差的設(shè)定零件的制造工藝能力決定了公差分析中尺寸公差的設(shè)定;公差并不是隨公差并不是隨意設(shè)定的;二維圖紙中公差標(biāo)注與公差分析中的公差二維圖紙中公差標(biāo)注與公差分析中的公差一致致;? 對公差分析中的尺寸需要進(jìn)行制程管控;制造工藝公差分析中二維圖樣零能力 能力公差的設(shè)定公差的設(shè)定件公差標(biāo)注件公差標(biāo)注零件尺寸制程管控制程管控27DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):不推薦的做法的做法:? 調(diào)整尺寸鏈中的尺寸公差大小;? 增加關(guān)鍵尺寸的公差;推薦的做法推薦的做法:? 調(diào)整尺寸鏈中的尺寸大小? 減少尺寸鏈的長度;使用定
19、位特征使用定位特征;DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 調(diào) 整 尺 寸 鏈 中 的 尺 寸 大 小 調(diào) 整 尺 寸 鏈 中 的 尺 寸 大 小 ; 調(diào)整密封圈調(diào)整密封圈尺寸,壓縮量即符合設(shè)計(jì)要計(jì)要29DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 減少尺寸鏈的長度減少尺寸鏈的長度;? 減少尺寸鏈中的零件數(shù)量;? 同一零件中,減少尺寸鏈的長度,避免公差累積;如果兩個(gè)零件之間的關(guān)鍵尺寸很重要如果兩個(gè)零件之間的關(guān)鍵尺寸很重要, ,盡量使得尺寸鏈僅涉及到這兩個(gè)盡量使得尺寸鏈僅涉及到這兩個(gè)零件,避免涉及到第三個(gè)、第四個(gè)、第N
20、 個(gè)零件;涉及的零件越多,公差累積,越不容易滿足設(shè)計(jì)要求;如果涉及多個(gè)零件不可避免,則盡量減少涉及的零件個(gè)數(shù)減少涉及的零件個(gè)數(shù)30DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 減少尺寸鏈的長度減少尺寸鏈的長度;減少尺寸鏈的長度,減小累積公差31DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 減少尺寸鏈的長度減少尺寸鏈的長度;A 為 54.00 ±0.20, B 為 12.00 ±0.10 , C 為 13.00 ± 0.10 , D 為1616.0000±±00.1515,
21、EE為為 1212.5050 ± ± 00.1010原始的設(shè)計(jì)32DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 減少尺寸鏈的長度減少尺寸鏈的長度;A 為 54.00 ±0.20, C為 25.00 ±0.15 , D為 28.50 ±0.15優(yōu)化的設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)33DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 減少尺寸鏈的長度減少尺寸鏈的長度;針對開始的案例,縮短尺寸鏈,減少尺寸公差累積,分析結(jié)果有較大改善改善;優(yōu)化的設(shè)計(jì)34DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3.
22、當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 使用定位特征使用定位特征;? 好處:?定位特征可以提供較精密的尺寸公差定位特征的尺寸可以放置于比較容易進(jìn)行尺寸管控的區(qū)域定位特征的尺寸可以放置于比較容易進(jìn)行尺寸管控的區(qū)域?使用定位特征時(shí)可以減少和避免對其他尺寸的公差要求,只需嚴(yán)格管控定位特征的相關(guān)尺寸位特征的相關(guān)尺寸,就可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求就可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求?因?yàn)槎ㄎ惶卣骶雀撸褂枚ㄎ惶卣饔欣跍p少零件之間的尺寸公差累積35DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則3. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 未使用定位特征時(shí)未使用定位特征時(shí);尺寸A為50.00 ±0.30 ,尺寸B為50.00 &
23、#177;0.30。M3螺釘?shù)闹睆綖?2.8080±± 00.0505, 零件零件11 的螺釘孔的螺釘孔一般設(shè)計(jì)為般設(shè)計(jì)為33.5050±±00.0505零件 2零件 1原始的設(shè)計(jì)36DFMADFMA五 . 公差分析的三大原則4. 當(dāng)公差分析的結(jié)果不滿足要求時(shí):? 使用定位特征時(shí)使用定位特征時(shí);尺寸A為5.00 ±0.05 ,尺寸B為5.00 ±0.05。零件1右側(cè)的定位孔直徑為44.00±± 00.0505,左側(cè)定位孔為長圓孔左側(cè)定位孔為長圓孔,零件零件 22 的定位柱直徑為的定位柱直徑為33.99±&
24、#177;00.0505;零件 2零件 1優(yōu)化的設(shè)計(jì)37DFMADFMA六 . 產(chǎn)品開發(fā)中的公差分析定義關(guān)鍵尺寸及其公差優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)假設(shè)假設(shè)產(chǎn)品開發(fā)中的公差分析流程圖差分析流程圖公差分析二維圖紙尺寸公差標(biāo)注寸公差標(biāo)注制程能力測驗(yàn)證11量量真實(shí)產(chǎn)品公差分析差分析38DFMADFMA六 . 產(chǎn)品開發(fā)中的公差分析1. 定義公差分析的關(guān)鍵尺寸和公差:在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)完成后在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)完成后,在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前,根據(jù)產(chǎn)品的功能根據(jù)產(chǎn)品的功能、外觀和配合等外觀和配合等設(shè)計(jì)要求,明確定義那些尺寸是關(guān)鍵尺寸,以及關(guān)鍵尺寸的公差A(yù)A. 零件之間的功能零件之間的功能、性能和可靠性等配合尺寸性能和可 靠
25、性等配合尺寸實(shí)例:? 連接器之間的端子overlap 尺寸應(yīng)當(dāng)足夠大以保證連接? 卡勾的 overlapp 尺寸應(yīng)當(dāng)足夠大以保證配合強(qiáng)度? 導(dǎo)電泡棉的壓縮量應(yīng)當(dāng)足夠大以提供應(yīng)有的導(dǎo)電性能防水防水OO型圈的壓縮量應(yīng)當(dāng)足夠大以保證防水性能型圈的壓縮量應(yīng)當(dāng) 足夠大以保證防水性能? PCB 上的 IC 零件應(yīng)當(dāng)與金屬保持足夠大的距離,以防止短路運(yùn)動(dòng)零件之間或者運(yùn)動(dòng)零件與靜止零件之間應(yīng)當(dāng)保證足夠的間隙運(yùn)動(dòng)零件之間或者運(yùn)動(dòng)零件與靜止零件之間應(yīng)當(dāng)保證足夠的間隙,保證保證運(yùn)動(dòng)不發(fā)生干涉39DFMADFMA六 . 產(chǎn)品開發(fā)中的公差分析1. 定義公差分析的關(guān)鍵尺寸和公差:BB. 外觀零件的配合間隙外觀零件的配合間
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