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機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
課 程 設(shè) 計(jì)
題 目:分級變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(題目30)
專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級:
姓 名: xxx xxx xxxx
學(xué) 號: xxx xxx xxxx
指導(dǎo)教師:
2012年 月 日
《目錄》
摘要 ………………………………………………… 2
第1章 緒論………………………………………………3
第2章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)…………………………………………5
1.確定極限轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速數(shù)列,結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式..............5
2.主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖............................7
3.確定變速組齒輪齒數(shù),核算主軸轉(zhuǎn)速誤差................8
第3章 動(dòng)力計(jì)算…………………………………………9
1.傳動(dòng)件的計(jì)算轉(zhuǎn)速................................... 9
2.傳動(dòng)軸和主軸的軸徑設(shè)計(jì)............................ 10
3.計(jì)算齒輪模數(shù).......................................11
4.帶輪設(shè)計(jì)...........................................15
第4章 主要零部件選擇……………………………… 20
第5章 校核…………………………………………… 21
結(jié)束語……………………………………………………22
參考文獻(xiàn)…………………………………………………23
摘要
設(shè)計(jì)機(jī)床得主傳動(dòng)變速系統(tǒng)時(shí)首先利用傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法求出理想解和多個(gè)合理解。根據(jù)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性要求,分析了機(jī)電關(guān)聯(lián)分級調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法。從主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)入手,確定最佳機(jī)床主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性匹配方案,計(jì)算和校核相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。本說明書著重研究機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法,根據(jù)已確定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以變速箱展開圖的總中心距最小為目標(biāo),擬定變速系統(tǒng)的變速方案,以獲得最優(yōu)方案以及較高的設(shè)計(jì)效率。在機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中,為減少齒輪數(shù)目,簡化結(jié)構(gòu),縮短軸向尺寸,用齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)方法是試算,湊算法,計(jì)算麻煩且不易找出合理的設(shè)計(jì)方案。本文通過對主傳動(dòng)系統(tǒng)中三聯(lián)滑移齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的分析與研究,繪制零件工作圖與主軸箱展開圖及剖視圖。
第一章 緒論
(一) 課程設(shè)計(jì)的目的
《機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完本課程后,進(jìn)行一次學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的綜合性練習(xí)。通過課程設(shè)計(jì),使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的有關(guān)理論知識(shí),及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐技能,達(dá)到鞏固、加深和拓展所學(xué)知識(shí)的目的。通過課程設(shè)計(jì),分析比較機(jī)械系統(tǒng)中的某些典型機(jī)構(gòu),進(jìn)行選擇和改進(jìn);結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并編寫技術(shù)文件;完成系統(tǒng)主傳動(dòng)設(shè)計(jì),達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過設(shè)計(jì),掌握查閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料的方法,達(dá)到積累設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)技巧,提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。通過設(shè)計(jì),使學(xué)生獲得機(jī)械系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)技能的訓(xùn)練,提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力,并為進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。
(二) 課程設(shè)計(jì)題目、主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求
1 課程設(shè)計(jì)題目和主要技術(shù)參數(shù)
題目30:分級變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
技術(shù)參數(shù):Nmin=50r/min;Nmax=1120r/min;Z=8級;公比為1.41;電動(dòng)機(jī)功率P=4KW;電機(jī)轉(zhuǎn)速n=710/1420r/min
2 技術(shù)要求
1. 利用電動(dòng)機(jī)完成換向和制動(dòng)。
2. 各滑移齒輪塊采用單獨(dú)操縱機(jī)構(gòu)。
3. 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用單獨(dú)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
第二章 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定
(1) 轉(zhuǎn)速范圍。Rn== 1120/50=22.4
(2) 轉(zhuǎn)速數(shù)列。查《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表 2-9標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表,首先找到50r/min、然后每隔5個(gè)數(shù)取一個(gè)值,得出主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列為50 r/min、71 r/min、100r/min、140 r/min、200r/min、280r/min,400r/min,560r/min,800r/min,1120r/min共10級。
(3) 定傳動(dòng)組數(shù),選出結(jié)構(gòu)式。對于Z=8可得結(jié)構(gòu)式:Z=8=22×21×24。并在最后一級使用混合公比。
(4)根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式,畫結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)“前多后少”,“ 前密后疏”,“升2降4”,“前滿后快”的原則,選取傳動(dòng)方案 Z=22×23×24,可知第二擴(kuò)大組的變速范圍 r2=1.415=5.57<8滿足“升2降4”要求,其結(jié)構(gòu)網(wǎng)如圖2-1。 圖2-1結(jié)構(gòu)網(wǎng) Z=8=22×23×24
(5) 畫轉(zhuǎn)速圖。轉(zhuǎn)速圖如下圖2-2。
圖2-2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖
(6)畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù),畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2-3:
圖2-3 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
(7)齒輪齒數(shù)的確定。根據(jù)齒數(shù)和不宜過大原則一般推薦齒數(shù)和在100~120之間,和據(jù)設(shè)計(jì)要求Zmin≥17,原則。并且變速組內(nèi)取模數(shù)相等,變速組內(nèi)由《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表3-1,根據(jù)各變速組公比,可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù),各齒輪齒數(shù)如表2-2。
表2-2 齒輪齒數(shù)
傳動(dòng)比
第一擴(kuò)大組
第二擴(kuò)大組
1:1
1:2.8
1.41:1
1:2.8
代號
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
齒數(shù)
59
59
31
87
69
49
31
87
2 主軸傳動(dòng)件計(jì)算
2.1 計(jì)算轉(zhuǎn)速
(1).主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
本設(shè)計(jì)所選的是中型普通車床,所以由《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表3-2中的公式
=50×1.41(8/3-1) =88.6r/min 取90 r/min
(2). 傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
在轉(zhuǎn)速圖上,軸Ⅱ在最低轉(zhuǎn)速140r/min時(shí)經(jīng)過傳動(dòng)組b的69/49傳動(dòng)副,得到主軸轉(zhuǎn)速為200r/min。這個(gè)轉(zhuǎn)速高于主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速,在恒功率區(qū)間內(nèi),因此軸2的最低轉(zhuǎn)速為該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速即nIIj=140/min,同理可求得軸1的計(jì)算轉(zhuǎn)速為nIj=400r/min
(3)確定各齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)速
由機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)可知,一對嚙合齒輪只需要校核危險(xiǎn)的小齒輪,因此只需求出危險(xiǎn)小齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速。在傳動(dòng)組b中Z46在軸Ⅲ上具有1120r/min,560r/min,400r/min,200/min這六種轉(zhuǎn)速都在恒功率區(qū)間內(nèi),即都要求傳遞最大功率所以齒輪Z46的計(jì)算轉(zhuǎn)速為這四種轉(zhuǎn)速的最小值即=200r/min
同理可求得其余兩對嚙合齒輪中危險(xiǎn)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速即
, =400r/min =280r/min
3驗(yàn)算主軸轉(zhuǎn)速誤差
實(shí)際傳動(dòng)比所造成的主軸轉(zhuǎn)速誤差,一般不應(yīng)超過±10(-1)%,即
|實(shí)際轉(zhuǎn)速n`-標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n|
———————————— < 10(-1)%
標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n
對于標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n=50r/min時(shí),其實(shí)際轉(zhuǎn)速n`=400×31/87×31/87=50.78r/min
(50.78-50)/50=1.56%<4.1%
因此滿足要求。
同理可得各級轉(zhuǎn)速誤差如表
各級轉(zhuǎn)速誤差
n
50
100
140
200
280
400
560
1120
n`
50.78
101.57
142.53
200.70
285.06
394.29
563.27
1126.53
誤差
1.57%
1.57%
1.8%
0.35%
1.81%
1.42%
0.58%
0.58%
各級轉(zhuǎn)速都滿足要求,因此不需要修改齒數(shù)。
第三章 動(dòng)力計(jì)算
1.主軸傳動(dòng)軸直徑初選
(1)主軸軸徑的確定
在設(shè)計(jì)初期,由于主軸的結(jié)構(gòu)尚未確定,所以只能根據(jù)現(xiàn)有的資料初步確定主軸直徑。由<<機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)>>表4-9初選取前軸徑 ,后軸頸的軸徑為前軸徑,所以。
(2)傳動(dòng)軸直徑初定
傳動(dòng)軸直徑按文獻(xiàn)[5]公式(6)進(jìn)行概算
式中 d---傳動(dòng)軸直徑(mm)
Tn---該軸傳遞的額定扭矩(N*mm) T=9550000;
N----該軸傳遞的功率(KW)
----該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
---該軸每米長度的允許扭轉(zhuǎn)角,=~。
取=
N0=P0=4Kw。
N1=P1=P0×0.96=3.84Kw
N2=P2=P1×0.995×0.97=3.71Kw
N3=P3=P2×0.99=3.67Kw
軸Ⅰ:
取36mm
軸Ⅱ:
取44mm
軸Ⅲ:
取48mm
2.齒輪參數(shù)確定、齒輪應(yīng)力計(jì)算
(1) 齒輪模數(shù)的初步計(jì)算
一般同一組變速組中的齒輪取同一模數(shù),選擇負(fù)荷最小的齒輪,按簡化的接觸疲勞強(qiáng)度由文獻(xiàn)[5]公式(8)進(jìn)行計(jì)算:
式中:
為了不產(chǎn)生根切現(xiàn)象,并且考慮到軸的直徑,防止在裝配時(shí)干涉,對齒輪的模數(shù)作如下計(jì)算和選擇:
軸Ⅰ-軸Ⅱ:以最小齒輪齒數(shù)34為準(zhǔn)
m=16338 =2.93 取m=3
軸Ⅱ-軸Ⅲ:以最小齒輪齒數(shù)31為準(zhǔn)
m=16338=4.16 取m=4
(2) 齒輪參數(shù)的確定
計(jì)算公式如下:
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬 φm=6~10 取φm=8
由已選定的齒數(shù)和計(jì)算確定的模數(shù),將各個(gè)齒輪的參數(shù)計(jì)算如下表
(2)第一擴(kuò)大組齒輪計(jì)算。
第一擴(kuò)大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z1
Z1`
Z2
Z2`
齒數(shù)
59
59
31
87
分度圓直徑
177
177
93
261
齒頂圓直徑
183
183
99
267
齒根圓直徑
169.5
169.5
85.5
253.5
齒寬
25
25
25
25
按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度241HB~286HB,平均取260HB,大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度229HB~286HB,平均取240HB。計(jì)算如下:
① 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算:
接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為
彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為:
式中 T1——主動(dòng)軸傳遞扭矩(Nmm)
K——載荷系數(shù),
——傳動(dòng)比,,“+”用于外嚙合,“-”用于內(nèi)嚙合
——齒輪分度圓直徑(mm)
——齒寬(mm)
——齒輪模數(shù)(mm)
——齒寬系數(shù),
——齒輪齒數(shù)
——彈性系數(shù)
——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
——接觸強(qiáng)度重合系數(shù)
——齒形系數(shù)
——應(yīng)力修正系數(shù)
——彎曲強(qiáng)度重合度系數(shù)
——許用接觸應(yīng)力(Mpa)
——許用彎曲應(yīng)力(Mpa)
以上各系數(shù),可查《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材進(jìn)行確定:
取,根據(jù)取1.08
——許用接觸應(yīng)力取650 Mpa;
——許用彎曲應(yīng)力取275 Mpa;
根據(jù)上述公式,可求得及查取值可求得:
=488.15 Mpa
=89.72 Mpa
(3)第二擴(kuò)大組齒輪計(jì)算。
第二擴(kuò)大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z3
Z3`
Z4
Z4`
齒數(shù)
69
49
31
87
分度圓直徑
276
196
124
348
齒頂圓直徑
284
204
132
356
齒根圓直徑
266
186
114
338
齒寬
35
35
35
35
按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度241HB~286HB,平均取260HB,大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度229HB~286HB,平均取240HB。
同理根據(jù)第一擴(kuò)大組的計(jì)算,
查文獻(xiàn),可得:
取,=1.05
可求得:
3.帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
定V帶型號和帶輪直徑
(1).工作情況系數(shù).
(2).計(jì)算功率.
(3).選帶型號
.
(4).確定帶輪直徑D1D2
計(jì)算帶長
(1).初取中心距.
(2).計(jì)算帶.基準(zhǔn)長度.
(3).計(jì)算實(shí)際中心距
(4)確定中心距調(diào)整范圍
(13)小輪包角.
求帶根數(shù)
(1).確定額定功率P0
(2)確定各修正系數(shù)
(3)確定V帶根數(shù)Z
求軸上載荷
(1)確定單根V帶初拉力
(2)計(jì)算壓軸力
(3)帶輪結(jié)構(gòu).
由機(jī)械設(shè)計(jì)表3.5查的
Pc=KAP=1.1×4=4.4Kw
根據(jù)參考圖3.16及表3.3選帶型及小帶輪直徑
確定從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑
=177.5mm
取D2=180mm
計(jì)算實(shí)際傳動(dòng)比:
當(dāng)忽略滑動(dòng)率時(shí),
驗(yàn)算傳動(dòng)比相對誤差,題目的理論傳動(dòng)比
傳動(dòng)比相對誤差
=1204.0
按表3.2取標(biāo)準(zhǔn)值
=403mm
α=180。-=
由D1及n1查表3.6并用線性插值法求得P0=1.3Kw
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.8 kα=0.98
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.9 kL=0.93
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.7 △P0=0.15
=3.33
=124.27N
(《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.1 )
=
=983.31N
略.
KA=1.1
Pc=4.4Kw
A型
?。?00mm
D2=177.5mm
取D2=180mm
1.4%<5%
合格
=380mm
=1250mm
a=405mm
合格
P0=1.3Kw
kα=0.98
kL=0.93
△ P0=0.15
取z=4
=124.27N
FQ=983.31N
4 主軸合理跨距的計(jì)算
設(shè)機(jī)床最大加工回轉(zhuǎn)直徑為?400mm,電動(dòng)機(jī)功率P=4kw,,主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速為140r/min。
已選定的前后軸徑為:定懸伸量a=85mm。
軸承剛度,主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩:
TIII =
設(shè)該車床的最大加工直徑為300mm。床身上最常用的最大加工直徑,即經(jīng)濟(jì)加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑的50%,這里取60%,即180mm,故半徑為0.09m;
切削力(沿y軸) Fc=250.346/0.09=2781N
背向力(沿x軸) Fp=0.5 Fc=1390N
總作用力 F==3109N
此力作用于工件上,主軸端受力為F=3109N。
先假設(shè)l/a=2,l=3a=255mm。前后支承反力RA和RB分別為
RA=F×=3109×N
RB=F×=3109×N
根據(jù)《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》得:=3.39得前支承的剛度:KA= 1376.69 N/ ;KB= 713.73 N/;==1.93
主軸的當(dāng)量外徑de=(85+65)/2=75mm,故慣性矩為
I==1.55×10-6m4
η===0.38
查《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》圖 得 =2.5,與原假設(shè)接近,所以最佳跨距=85×2.5=212.5mm
合理跨距為(0.75-1.5),取合理跨距l(xiāng)=250mm。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要,主軸的實(shí)際跨距大于合理跨距,因此需要采取措施
增加主軸的剛度,增大軸徑:前軸徑D=85mm,后軸徑d=55mm。后支承采用背對背安裝的角接觸球軸承。
第四章 主要零部件的選擇
選擇電動(dòng)機(jī),軸承,鍵和操縱機(jī)構(gòu)
(1)電動(dòng)機(jī)的選擇:
轉(zhuǎn)速n=710/1420r/min,功率P=4kW
選用Y系列三相異步雙速電動(dòng)機(jī)
(2)軸承的選擇(軸承代號均采用新軸承代號)
Ⅰ軸:與帶輪靠近段安裝雙列深溝球軸承代號6007,另一安裝深溝球軸承代號6007。
Ⅱ軸:左側(cè)布置深溝球軸承代號6008,右側(cè)布置深溝球軸承代號6009。
Ⅲ軸:輸出安裝角接觸球軸承配合推力球軸承代號分別為7012和5013,另一端安裝雙列圓柱滾子軸承。
(3)鍵的選擇
Ⅰ軸:安裝帶輪處選擇普通平鍵:
安裝齒輪處選擇普通平鍵:
Ⅱ軸:左側(cè)齒輪選擇普通平鍵:
右側(cè)齒輪選擇普通平鍵:
Ⅲ軸:選擇普通平鍵:
(4)變速操縱機(jī)構(gòu)的選擇:
選用左右擺動(dòng)的操縱桿使其通過桿的推力來控制Ⅰ,Ⅱ軸上的二聯(lián)滑移齒輪。
第五章 校核
1.Ⅱ軸剛度校核
(1)Ⅱ軸撓度校核
單一載荷下,軸中心處的撓度采用文獻(xiàn)【5】中的公式計(jì)算:
L-----兩支承的跨距;
D-----軸的平均直徑;
X=/L;-----齒輪工作位置處距較近支承點(diǎn)的距離;
N-----軸傳遞的全功率;
校核合成撓度:
-----輸入扭距齒輪撓度;
-------輸出扭距齒輪撓度
;
---被演算軸與前后軸連心線夾角,取=91°,嚙合角=20°,齒面摩擦角=5.72°。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得:=0.147,=0.045,=0.075,=0.087。
合成撓度 =0.254;
查文獻(xiàn)【6】,帶齒輪軸的許用撓度=5/10000*L,即=0.287。
因合成撓度小于許用撓度,故軸的撓度滿足要求。
(2)Ⅱ軸扭轉(zhuǎn)角的校核
傳動(dòng)軸在支承點(diǎn)A,B處的傾角可按下式近似計(jì)算:
將上式計(jì)算的結(jié)果代入得:
由文獻(xiàn)【6】,查得支承處的=0.001
因〈0.001,故軸的轉(zhuǎn)角也滿足要求。
2.軸承壽命校核
由Ⅱ軸最小軸徑可取軸承為6008深溝球軸承,ε=3,P=XFr+YFa
X=1,Y=0。
對Ⅱ軸受力分析
得:前支承的徑向力Fr=2847.32N,由軸承壽命的計(jì)算公式:預(yù)期的使用壽命 [L10h]=15000h,
軸承壽命滿足要求。
結(jié)束語
經(jīng)過兩周的課程設(shè)計(jì),在老師的耐心指導(dǎo)和自己的努力分級變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及部分計(jì)算,到這里基本結(jié)束了,這次課程設(shè)計(jì)使我充分應(yīng)用了以前所學(xué)的知識(shí),并應(yīng)用這些知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題,進(jìn)一步鞏固和深化了以前的所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí), 同時(shí)也是對《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》學(xué)習(xí)的一個(gè)深入認(rèn)識(shí)和理解的過程。同時(shí)也鍛煉了自己獨(dú)立完成工作的能力,熟悉了一些設(shè)計(jì)思想懂得了一些設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng).本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步規(guī)范了制圖要求,學(xué)會(huì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范,和查閱相關(guān)資料的本領(lǐng),掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能,對以后的工作有很大的幫助。
參考文獻(xiàn)
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【8】《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》2 上冊。
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