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1、部分常用形位公差實(shí)際應(yīng)用初探周小飛 (無(wú)錫宏大紡織機(jī)械專件有限公司,江蘇 無(wú)錫 214062)摘 要:結(jié)合圖例詳細(xì)論訴了部分常用形位公差在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用、測(cè)量以及誤區(qū)等,在活學(xué)活用形位公差和深刻理解形位公差方面作了一些有益的探討。關(guān) 鍵 詞:形位公差 實(shí)際應(yīng)用 關(guān)系 測(cè)量Some of the Commonly Used Geometric Tolerance of the Practical Application ofZHOU Xiao-fei(Wuxi Hongda Texparts Machinery CO,LTD,Wuxi ,Jiangsu ,214062,China)Abs
2、tract:Combined with a detailed legend on the part of the common v. geometric tolerance in the design and production practice, as well as measurement errors, and so on, in the living-learning tolerance and a profound understanding of the geometric tolerance has done some useful discussion.Key words:G
3、eometric tolerance;Practical application;Relations;Measurement0 引言 一般從事機(jī)械設(shè)計(jì)類工作的同志都知道,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1182-2008產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差 形狀、方向、位置和跳動(dòng)公差標(biāo)注對(duì)形位公差的標(biāo)注、術(shù)語(yǔ)、定義和公差值等都作了較為詳細(xì)的規(guī)定。形位公差一般包括(一)形狀公差直線度、平面度、圓度、圓柱度、無(wú)基準(zhǔn)要求的線輪廓度、無(wú)基準(zhǔn)要求的面輪廓度;(二)位置公差,其又可分為輪廓公差有基準(zhǔn)要求的線輪廓度、有基準(zhǔn)要求的面輪廓度,定向位置公差平行度、垂直度、傾斜度,定位位置公差同軸度、對(duì)稱度、位置度,跳動(dòng)公差徑向
4、、斜向、端面圓跳動(dòng)和徑向、端面全跳動(dòng)。 以上這些公差項(xiàng)目中有些雖然在概念上不盡相同,但卻有著密切聯(lián)系,有些項(xiàng)目比較相似或受其他項(xiàng)目控制,有些是單項(xiàng)公差,有些則屬于綜合性公差,在一定的條件下可以互相取代應(yīng)用,所以要想真正理解和用好這些公差項(xiàng)目并不是一件容易的事。在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中,許多人對(duì)形位公差的正確標(biāo)注、測(cè)量等方面往往不夠重視或隨意曲解,常常造成標(biāo)注不當(dāng)、重復(fù)標(biāo)注、應(yīng)用混亂等問題,給零件的制造和檢測(cè)帶來許多不必要的麻煩,甚至因?yàn)槔斫忮e(cuò)誤而造成加工或測(cè)量失誤!鑒于此,我們有必要深刻的了解形狀和位置公差的概念、應(yīng)用范圍以及它們之間的相互關(guān)系,熟練掌握它們的各種用法,從而在實(shí)踐應(yīng)用中做到最簡(jiǎn)潔
5、、最明確、最實(shí)用,加工最經(jīng)濟(jì),檢測(cè)最方便! 下面,筆者將就一些常用的形位公差的使用、標(biāo)注、測(cè)量等作一些初步探討。1 形狀公差 形狀公差的含義是指單一實(shí)際要素所允許的變動(dòng)全量,其一般有4項(xiàng),另有無(wú)基準(zhǔn)要求的輪廓度公差兩項(xiàng)。下面筆者想就比較常用的圓度、圓柱度、直線度三種形狀公差談一談其使用、標(biāo)注、測(cè)量以及相互關(guān)系等。 在軸類、殼類等規(guī)則的回轉(zhuǎn)類零件的生產(chǎn)加工中,常用圓柱度、直線度、圓度等來有效控制零件的形狀公差。圓柱度是限制實(shí)際圓柱面對(duì)理想圓柱面變動(dòng)量的一項(xiàng)指標(biāo)。它的公差帶是以公差值t為半徑差的兩同軸圓柱面之間的區(qū)域。圓柱度公差控制了圓柱體橫剖面和軸剖面內(nèi)的各項(xiàng)形狀誤差(圓度、素線直線度、軸線直線
6、度等),是圓柱體各項(xiàng)形狀誤差的綜合性指標(biāo),也是國(guó)際上正在發(fā)展和推廣的一項(xiàng)評(píng)定圓柱面誤差的先進(jìn)指標(biāo)。因此,在實(shí)際運(yùn)用中,一般沒有特殊要求時(shí),標(biāo)注了圓柱度就沒有必要再標(biāo)注圓度或直線度了。如果一定要單獨(dú)標(biāo)注圓度、直線度,則其公差值必須小于圓柱度公差值(見圖 1),以表示在設(shè)計(jì)上對(duì)徑向或軸向形狀公差提出進(jìn)一步的要求。筆者以為在這里亦可引入獨(dú)立原則這個(gè)概念,即針對(duì)同一實(shí)體所標(biāo)注的不同的形位公差,均應(yīng)滿足各自的公差帶要求,它們之間是沒有互補(bǔ)關(guān)系的!這樣我們就不難理解前面所述的要求了,如若單獨(dú)標(biāo)注的圓度或直線度公差值t2大于圓柱度公差值t1,而圓柱度公差本身要求其所包容的圓度、直線度公差值均需t1,這樣就與
7、t2t1產(chǎn)生矛盾,不可能同時(shí)滿足二者,致使單獨(dú)標(biāo)注的圓度或直線度公差失去了意義,屬于無(wú)效的不合理標(biāo)注(見圖2)。 圖1 圓柱度與圓度或直線度同時(shí)標(biāo)注圖2 圓柱度與圓度包容區(qū)域示意圓柱度的檢驗(yàn)要求較高,通常最好用圓度儀(或其它類似儀器)或配備計(jì)算機(jī)的三坐標(biāo)測(cè)量裝置檢測(cè)。如果缺少這些裝置,則最好不要在圖樣中采用圓柱度,此時(shí)可分別用圓度和圓柱面素線的平行度組合來代替圓柱度使用(見圖3)。我公司專業(yè)生產(chǎn)高速回轉(zhuǎn)類紡織機(jī)械專件產(chǎn)品,如各種軸承,其核心零件如芯軸、軸殼、滾柱、外圈等對(duì)外圓的形狀要求很高,精度都精確到0.001mm,考慮我公司的生產(chǎn)和檢測(cè)現(xiàn)狀,在圖樣設(shè)計(jì)中普遍采用了圓度加圓柱面素線平行度的組
8、合手段來有效的控制該類零件的形狀公差,取得了良好的成效。 需要注意的是,當(dāng)用圓度和平行度組合來代替圓柱度時(shí),應(yīng)根據(jù)圓柱體的長(zhǎng)徑比確定圓度公差值與平行度公差值。若設(shè)圓柱體長(zhǎng)度為L(zhǎng),直徑為D,則: (1)當(dāng)圓柱體長(zhǎng)度大于其直徑時(shí)(LD),素線平行度公差值必須大于其圓度公差值(見圖 4a)。 (2)當(dāng)圓柱體長(zhǎng)度等于其直徑時(shí)(LD),素線平行度公差值必須等于其圓度公差值(見圖 4b)。 (3)當(dāng)圓柱體長(zhǎng)度小于其直徑時(shí)(LD,素線平行度公差值必須小于其圓度公差值(見圖 4c)。 圖3 圓度與平行度 圖4 按圓柱體長(zhǎng)徑比確定圓度與平行度公差值 組合代替圓柱度圓度的檢測(cè)相對(duì)圓柱度來講,對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求較寬,
9、針對(duì)不同形狀的零件可以設(shè)計(jì)各種專用或通用的自制量具來代替圓度儀在生產(chǎn)、檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行方便、快捷、準(zhǔn)確的測(cè)量。 (1)對(duì)于上圖4 a)所示情況,以長(zhǎng)軸類零件為例,圓度通常用軸承檢查儀或類似儀器配用扭簧比較儀進(jìn)行測(cè)量,關(guān)鍵只要保證要測(cè)量的外圓的軸線同量?jī)x的回轉(zhuǎn)軸線一致,同時(shí)固定軸向位置即可;而素線平行度一般用杠桿千分尺測(cè)量其頭、尾兩個(gè)位置X、Y方向的直徑差,取其最大值即可,此法一般要按軸的名義尺寸做一根標(biāo)準(zhǔn)芯棒,以作調(diào)校杠桿千分尺之用。 (2)對(duì)于上圖4 b)、c)所示情況,以圈、套類零件為例,圓度通常用自制的外圓量?jī)x配用扭簧比較儀進(jìn)行測(cè)量,同樣只要保證要測(cè)量的外圓的軸線同量?jī)x的回轉(zhuǎn)軸線一致,同時(shí)固
10、定軸向位置即可;素線平行度的測(cè)量基本同上,當(dāng)然也可用千分表配置自制測(cè)量座等方法進(jìn)行測(cè)量。 以上圓度測(cè)量方法需要運(yùn)用測(cè)量特征參數(shù)原則來測(cè)量圓度誤差,典型的即我們?cè)谏a(chǎn)中廣泛應(yīng)用的“兩點(diǎn)三點(diǎn)法”,該法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,測(cè)量方便。運(yùn)用兩點(diǎn)、三點(diǎn)法測(cè)量圓度誤差從理論上講,先要假定被測(cè)對(duì)象具有正弦波動(dòng)的特性,即零件表面呈“弧邊形”,生產(chǎn)上常稱其為棱圓,弧邊數(shù)稱之為棱數(shù)(包括二棱的橢圓),實(shí)際上被測(cè)對(duì)象的外表面往往是很復(fù)雜的,會(huì)出現(xiàn)二棱、三棱、五棱或不規(guī)則的情況。因此,兩點(diǎn)和三點(diǎn)測(cè)量法所反映的圓度誤差是一種近似值。 兩點(diǎn)測(cè)量法也稱直徑法,是在測(cè)量平面內(nèi)按多個(gè)方向測(cè)量直徑的變化情況,找到最大差值。但兩點(diǎn)法只
11、能反映偶數(shù)棱的圓度誤差,根據(jù)被測(cè)對(duì)象為正弦波動(dòng)的假設(shè),對(duì)于正奇數(shù)棱的狀態(tài)就不能反映出來,因此若單獨(dú)運(yùn)用兩點(diǎn)法測(cè)量,在測(cè)量前必須已知被測(cè)表面為偶數(shù)棱,否則測(cè)量結(jié)果將不可靠。當(dāng)已知被測(cè)對(duì)象為偶數(shù)棱,設(shè)兩點(diǎn)法測(cè)得的直徑最大差值為Fmax,則圓度誤差f為:f=Fmax/2。實(shí)際測(cè)量可用接觸式測(cè)量(百分表、內(nèi)徑表、內(nèi)徑尺、外徑千分尺),也可用非接觸式的如氣動(dòng)量?jī)x等,兩支承之一可采用可調(diào)式支承,這樣可實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)(見示意圖5)。 三點(diǎn)測(cè)量法一般可分為頂點(diǎn)式測(cè)量法和鞍式測(cè)量法兩類,其中頂點(diǎn)式測(cè)量法應(yīng)用較多,而鞍式測(cè)量法常用于測(cè)量大直徑零件。兩種方法下被測(cè)件回轉(zhuǎn)一周中儀器所示讀數(shù)的最大差值F都不是被測(cè)對(duì)象的圓
12、度誤差。圓度誤差f實(shí)際為:f = F / K (K校正系數(shù))以頂點(diǎn)式為例,其實(shí)際測(cè)量可用接觸式或非接觸式(見示意圖6、7)。圖5 兩點(diǎn)測(cè)量法 圖6對(duì)稱三點(diǎn)測(cè)量法(頂點(diǎn)式)圖7非對(duì)稱三點(diǎn)測(cè)量法(頂點(diǎn)式) 接著,我們?cè)僖皂旤c(diǎn)式為例具體的探討一下如何實(shí)施“兩點(diǎn)三點(diǎn)”測(cè)量法: (1)上面公式中提到的系數(shù)K與被測(cè)對(duì)象的棱數(shù)n,與測(cè)量裝置的兩固定支承間的夾角,以及測(cè)量方向的傾斜角度有關(guān),根據(jù)選擇及的基本原則,一般推薦使用:為60°、72°、90°、108°、120°,/為120°/60°、60°/30°。 (2)兩點(diǎn)
13、和三點(diǎn)聯(lián)合測(cè)量法是指對(duì)同一被測(cè)對(duì)象用一個(gè)二點(diǎn)測(cè)量裝置和兩個(gè)具有不同角度的三點(diǎn)測(cè)量裝置一起進(jìn)行測(cè)量,或用一個(gè)二點(diǎn)測(cè)量裝置和一個(gè)三點(diǎn)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。運(yùn)用兩點(diǎn)和三點(diǎn)聯(lián)合測(cè)量法,不僅可以獲得足夠大的校正系數(shù)K,而且對(duì)于不同棱數(shù)n絕大部分具有相同的校正系數(shù)K。 (3)對(duì)于頂點(diǎn)式對(duì)稱裝置,可以采用下列符號(hào)表示各種測(cè)量裝置:3S60°,3S72°,3S90°,3S108°,3S120°;對(duì)于頂點(diǎn)式非對(duì)稱裝置,可用3S120°/60°,3S60°/30°。其中的3表示三點(diǎn)測(cè)量法,S是Summit(頂點(diǎn)式)的縮寫。 (4
14、)聯(lián)合測(cè)量法,常用的組合有:2+3S90°+3S120°,2+3S72°+3S108°,2+3S120°/60°,2+3S60°/30°,2+3S60°等。 (5)以無(wú)心磨削的軸類零件圓度檢測(cè)為例,選?。?+3S72°+3S108°方案,若測(cè)量結(jié)果為:二點(diǎn)測(cè)量F1=1m,3S72°測(cè)量F2=8m,3S108°測(cè)量F3=3m,則圓度誤差: f = Fmax / 2 = 8 / 2 =4m 我們來看一下該法的測(cè)量誤差:通常無(wú)心磨床加工的零件以三棱圓形情況為多,故n=3時(shí)
15、,K值可查得為:二點(diǎn)測(cè)量K=0,三點(diǎn)測(cè)量(3S72°)K=2.62,三點(diǎn)測(cè)量(3S108°)K=1.38,因此理論上:f = F/ K = 8 / 2.62 3m,所以測(cè)量誤差:f = 4 - 3 = 1m。2 位置公差 位置公差的含義是指關(guān)聯(lián)實(shí)際要素的位置對(duì)基準(zhǔn)所允許的變動(dòng)全量。其一般有8項(xiàng),其中定向公差3項(xiàng),定位公差3項(xiàng),跳動(dòng)公差2項(xiàng),另外還有有基準(zhǔn)要求的面、線輪廓度兩項(xiàng)。 總的來講,零件被測(cè)要素的實(shí)際位置、方向總是和它的實(shí)際形狀緊密聯(lián)系在一起的。所以關(guān)聯(lián)要素的理想邊界控制了要素的實(shí)際位置和方向,也必然控制了該要素的形狀誤差。在實(shí)際測(cè)量時(shí),一般都直接測(cè)量需要控制的輪廓表
16、面,所以測(cè)得的位置誤差是實(shí)際位置和實(shí)際形狀所產(chǎn)生的綜合效果,即位置誤差包含了形狀誤差。由此我們不難得出這樣一個(gè)結(jié)論,針對(duì)同一要素給出的形狀公差值通常應(yīng)小于位置公差值才合理,否則所標(biāo)注的位置公差在測(cè)量時(shí)極易造成誤判!在這一點(diǎn)上部分初從事設(shè)計(jì)工作的同志往往不以為意,致使標(biāo)注不夠嚴(yán)謹(jǐn)(見圖8 )。圖8 形狀公差與位置公差同時(shí)標(biāo)注 下面筆者將從定向公差、定位公差、跳動(dòng)公差三類位置公差項(xiàng)目中,選取一些常用的公差項(xiàng)目分別就其使用、標(biāo)注、測(cè)量及其相互關(guān)系等方面作一些探討。 1.定向公差(關(guān)聯(lián)實(shí)際要素對(duì)基準(zhǔn)在方向上允許的變動(dòng)全量) 1.1平行度 平行度是指零件上的被測(cè)要素(面或直線)相對(duì)于基準(zhǔn)要素(面或直線)
17、平行的程度, 平行度公差一般有四種情況,即線對(duì)線、線對(duì)面、面對(duì)線、面對(duì)面。其中的線對(duì)線具有很強(qiáng)的方向性,又分在一個(gè)方向、相互垂直的兩個(gè)方向和任意方向三種!因此在實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)注中,稍不留心就會(huì)使標(biāo)注的平行度公差要求與自己的本意失之毫厘,謬以千里。 以線對(duì)線為例(見圖9),其中a)、b)表示一個(gè)方向的兩種情況,c)表示互相垂直的兩個(gè)方向,d)表示任意方向的情況。對(duì)于這幾種情況其公差帶的含義是完全不一樣的,我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)和標(biāo)注過程中很容易因理解不深而使標(biāo)注不合理,對(duì)此要予以重視。圖9 線對(duì)線平行度公差標(biāo)注示例 平行度的檢測(cè)方法、手段很多,可以用專用的設(shè)備、量?jī)x,如三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、水平儀等;在實(shí)際生產(chǎn)中可
18、以利用平板、高度游標(biāo)卡尺、指示器(杠桿百分表、百分表、千分表等)、(固定、可調(diào))支承(V型塊、方箱等)、自制測(cè)量芯軸等一系列專用、自制器具進(jìn)行靈活的組合,從而方便快捷的測(cè)量所需的平行度要求,在此不再贅述!1.2垂直度 垂直度是指零件上的被測(cè)要素(面或線)相對(duì)基準(zhǔn)要素(面或線)不垂直的程度,其根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能要求,又分為面對(duì)面垂直度,面對(duì)線垂直度,線對(duì)面(一個(gè)方向、相互垂直的兩個(gè)方向、任意方向)和線對(duì)線等四種情況,同平行度有點(diǎn)類似。 對(duì)于垂直度公差要求,比較容易出問題的主要在線對(duì)面這種情況。如下圖10所示三種情況,公差值前是否加需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求來定,并非想當(dāng)然的都要加或都不要加,加與不加的含
19、義是完全不一樣的,圖10 a)、b)表示允許的公差帶在指定方向上的兩平行平面之間,而圖10c)表示允許的公差帶在一個(gè)直徑為0.1的垂直于基準(zhǔn)平面的圓柱面內(nèi),因此其測(cè)量的方法與要求也是有區(qū)別的。圖10 線對(duì)面垂直度公差標(biāo)注示例 垂直度的測(cè)量方法也是多種多樣的,測(cè)量所需的量具一般也都是一些常用量具的組合。需要注意的是,對(duì)于面對(duì)面、面對(duì)線兩種情況,要測(cè)出理想狀態(tài)下被測(cè)面內(nèi)各點(diǎn)的數(shù)值是不現(xiàn)實(shí)和不實(shí)際的,我們需要根據(jù)零件表面的尺寸和精度等情況來定應(yīng)該測(cè)量多少個(gè)點(diǎn),一般來講需在被測(cè)表面內(nèi)按X、Y兩個(gè)方向來選點(diǎn)測(cè)量,如用帶指示器的測(cè)量架分別沿X、Y兩個(gè)方向移動(dòng)指示器,并記取最大與最小讀數(shù)之差即為垂直度誤差;
20、對(duì)于線對(duì)線,線對(duì)面方法類同平行度,只是所選基準(zhǔn)不同而已,另對(duì)于上圖10 c)所示任意方向的情況,在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為了簡(jiǎn)化測(cè)量,可僅在相互垂直的兩個(gè)方向(X、Y)上測(cè)量,即我們常說的測(cè)量特征參數(shù)原則(見圖11)。圖11 線對(duì)面垂直度測(cè)量方案1)測(cè)量設(shè)備:方箱、平板、高度游標(biāo)卡尺、杠桿百分表2)測(cè)量方向:X、Y兩個(gè)方向3)測(cè)量方法:在Y向測(cè)量距離為L(zhǎng)2的兩個(gè)位置上測(cè)得數(shù)值分別為M1、M2,則Y向垂直度誤差為:fy = M1-M2 4)綜合X、Y兩方向誤差,取其較大值作為該零件的垂直度誤差。2.定位公差(關(guān)聯(lián)實(shí)際要素對(duì)基準(zhǔn)在位置上允許的變動(dòng)全量) 這里筆者選取比較典型的同軸度來談一談。同軸度公差帶有兩種情
21、況,其一為點(diǎn)的同心度公差,其公差帶為一與基準(zhǔn)圓心同軸的圓區(qū)域,在一般機(jī)械制造企業(yè)中不常用到;其二為軸線的同軸度公差,其公差帶為一與基準(zhǔn)軸線同軸的圓柱面區(qū)域,在設(shè)計(jì)要求中很常見,下面便重點(diǎn)談一談自己對(duì)該情況應(yīng)用的一些體會(huì)。 對(duì)于軸線同軸度公差要求,在標(biāo)注中若不加注意也會(huì)出現(xiàn)一些小錯(cuò)誤(見圖12 ),圖12b)、c)、d)三種情況在某種程度來講也是由于對(duì)同軸度公差理解不深而引起的,值得我們注意。圖12 同軸度標(biāo)注示例 同軸度的檢驗(yàn)也較為靈活、簡(jiǎn)單,可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)情況使用各種專業(yè)檢測(cè)設(shè)備如圓度儀、三坐標(biāo)測(cè)量裝備等,也可以自行設(shè)計(jì)適用生產(chǎn)、檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的自制量具。比較常見的有,測(cè)以外圓為基準(zhǔn)的軸類
22、零件時(shí)采用平板、V型塊、帶指示器的測(cè)量架組合;測(cè)以內(nèi)孔為基準(zhǔn)的零件時(shí)采用綜合量規(guī)或自制測(cè)量座、帶指示器的測(cè)量架組合等,要求不高時(shí)甚至可用游標(biāo)卡尺檢驗(yàn)壁厚差的方法來間接檢驗(yàn)同軸度。3.跳動(dòng)公差(關(guān)連實(shí)際要素繞基準(zhǔn)軸線回轉(zhuǎn)一周或連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)所允許的最大跳動(dòng)量)跳動(dòng)公差按其特點(diǎn)一般分為圓跳動(dòng)和全跳動(dòng)兩種。這里我們主要分析一下比較常用的徑向圓跳動(dòng)公差,徑向圓跳動(dòng)公差是一項(xiàng)綜合性公差,它一般可以控制同軸度誤差,同時(shí)也包含了圓度誤差,你會(huì)發(fā)現(xiàn)在部分情況下其測(cè)量方法與同軸度的測(cè)量方法相似或一樣。 我們可以假設(shè),當(dāng)被測(cè)圓柱面的軸線與基準(zhǔn)軸線同軸時(shí),由于被測(cè)要素存在圓度誤差,因此必然會(huì)出現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)誤差;當(dāng)被測(cè)要素為理想圓,但存在同軸度誤差時(shí),也會(huì)出現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)誤差。由此可見,只要存在同軸度或圓度誤差,就必然存在徑向圓跳動(dòng)誤差。 徑向圓跳動(dòng)公差既可應(yīng)用于外圓控制,也可應(yīng)用于內(nèi)孔控制。因其具有綜合性,故對(duì)同一被測(cè)表面,若采用了徑向圓跳動(dòng)公差,如無(wú)更進(jìn)一步的要求,一般無(wú)需再標(biāo)注同軸度或圓度,其同軸度或圓度誤差必然滿足徑向圓跳動(dòng)公差的要求(見圖13)。圖13 徑向圓跳動(dòng)、圓度標(biāo)注示例另外, 徑向圓跳動(dòng)公差是用于控制零件的外圓表面或內(nèi)圓表面的位置公差的
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