CN109435274A - 一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法及装置,属于树脂基结构复合材料成型技术。所述方法包括:先将蒙皮、骨架依次叠放放置在所述外形模的工作面上,并压紧固定,将所述零件定位器的固定座固定在所述定位面上,将待固定零件通过所述定位部固定,调节所述固定座与所述定位面的相对位置,直至所述待固定零件与所述骨架适配,然后将所述待固定零件安装到所述骨架上,拆除所述零件定位器及外形模,完成零件与骨架的定位组装。本发明可以快速找到零件与骨架的精准安装位置,避免当蒙皮为双曲率等复杂形面时,由于无法保证形面精度导致的无法确定安装基准的问题。
Description
技术领域
本发明属于树脂基结构复合材料成型技术,具体涉及一种零件与耐高温树脂基复合材料双曲率框架蒙皮结构组装定位方法。
背景技术
航天结构复合材料的快速发展,以及新型号对结构减重、结构高效的进一步要求,结构复合材料的整体成型技术成为焦点,随之带来的整体骨架与蒙皮的组装技术成为焦点,结构复合材料技术作为我国运输系统的关键支撑技术,是决定航天产品性能、质量和可靠性的重要因素,其性能与水平对航天技术的发展和航天产品的研制进程有着十分重要的影响。
随着我国可重复使用飞行器提出轻质化、整体化、耐高温需求,复合材料呈现双曲率外形、结构复杂特点,如图1所示,某型号复合材料尾翼由变厚度复合材料整体骨架、设置在所述骨架上下两侧的复合材料蒙皮以及设置在骨架上的零件构成,所述零件包括金属零件和/或复合材料零件,所述骨架由上框、下框和多组立板3构成,其中,各立板高度不同,且上框1由多根第一框条1围成多格状结构,下框2由多条第二框条2围成多格状结构,第一框条1和第二框条2一一对应,相对的第一框条1和第二框条2之间设有一立板3,且形成竖截面为工字型的结构,上框和下框所在面均为双曲率曲面。
常规的骨架蒙皮结构,骨架上、下表面所在面通常为平面且骨架结构形式简单,通常通过机加工方式保证形面精度,这类产品通常利用骨架上的结构特征如安装孔、凸起等来确定零件的安装基准,根据安装基准确定安装在骨架上的零件的组装位置;而对于图1所示的骨架蒙皮结构,骨架结构复杂,上、下表面为双曲率曲面,无法通过机加工方式保证形面精度,因而无法通过结构特征确定安装基准。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法及装置,可以快速找到零件与骨架的精准安装位置,避免当蒙皮为双曲率等复杂形面时,由于无法保证形面精度导致的无法确定安装基准的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,包括如下步骤:
1)制备定位组装装置,所述的定位组装装置包括外形模及零件定位器,所述外形模包括工作面和定位面,所述工作面与所述蒙皮的设计外形面一致,所述零件定位器包括固定座和定位部,所述定位部用于从六个自由度限定所述零件的位置;
2)先将所述蒙皮放置在所述外形模的工作面上,然后将所述骨架放置在所述蒙皮上并使所述骨架和蒙皮形面匹配;
3)将所述骨架、蒙皮压紧固定在所述外形模上;
4)将所述零件定位器的固定座固定在所述定位面上,将待固定零件通过所述定位部固定;
5)调节所述固定座与所述定位面的相对位置,直至所述待固定零件与所述骨架适配,然后将所述待固定零件安装到所述骨架上,拆除所述零件定位器及外形模,完成零件与骨架的定位组装。
在一可选实施例中,所述定位组装装置还包括侧挡板和盖板,所述盖板的内形面与所述骨架的外形面一致,且设有弹性层,所述步骤5)所述完成零件与骨架的定位组装之后,还包括:
6)拆除所述蒙皮,在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料;
7)在所述外形模四周设置所述侧挡板,形成骨架蒙皮结构型腔,将铺设有粘接材料的蒙皮放入所述型腔,使所述蒙皮的外形面与所述外形模的工作面对准相贴,然后将铺设有粘接材料的骨架叠放在所述蒙皮上形面,将所述盖板的弹性层对准所述骨架的外形面扣合,得到装配组件;
8)对所述装配组件进行固化、拆模,实现所述蒙皮与所述骨架的定位组装。
在一可选实施例中,所述零件定位器还包括多个调节垫片,所述固定座通过多个紧固件与所述工作面固定,步骤5)通过调节设置在所述固定座和所述定位面之间的调节垫片的数量调节所述固定座与所述定位面的相对的位置。
在一可选实施例中,步骤6)所述的在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料包括:
对所述骨架及蒙皮的对接面进行处理后,各粘贴一层胶膜;
采用所述热熔预浸料,在所述骨架上的胶膜表面进行铺层。
在一可选实施例中,所述热熔预浸料中树脂胶液质量占所述热熔预浸料总质量的36%-42%。
在一可选实施例中,所述预浸料铺层层数为1-5层。
在一可选实施例中,步骤8)中的所述的对所述第二组装模进行固化,包括:
将所述第二组装模装入真空袋中抽真空,并保压0.5h以上,然后固化前将所述真空袋通大气,在0.01-0.05MPa压力下固化。
在一可选实施例中,步骤8)中当所述热熔预浸料中的树脂胶液为环氧树脂体系时,固化温度为160℃-180℃,保温时间为2h-4h;当所述热熔预浸料中的树脂胶液为双马树脂体系时固化温度为190℃-200℃,保温时间为6h-12h。
一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,包括外形模及零件定位器,所述外形模包括工作面和定位面,所述工作面与所述蒙皮的设计外形面一致,所述定位面为平面或单曲率曲面,所述零件定位器包括固定座和定位部,所述定位部用于从六个自由度限定所述零件的位置,所述固定座用于与所述定位面固定。
在一可选实施例中,所述定位部设有安装孔,所述安装孔为阶梯孔。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果如下:
(1)本发明实施例提供了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,通过设置外形模,先将蒙皮与骨架固定在外形模上,再安装零件,消除蒙皮制造误差导致的定位误差,通过设置定位面和定位部,将定位面作为安装基准面,通过定位部限定零件的六个自由度,实现调整固定座与定位面的位置即可找到零件与骨架的精准安装位置,避免当蒙皮为双曲率等复杂形面时,由于无法保证形面精度导致的无法确定安装基准的问题;
(2)通过设置盖板和侧挡板,二者与外形模形成骨架与蒙皮粘接件的型腔,确保蒙皮和骨架定位位置准确,通过将外形模和盖板位于型腔内的表面约束骨架和蒙皮的型面,通过在盖板上设置弹性层有效调整二者接触面的粘接间隙,确保有效接触,提高了粘接质量,避免由于骨架和蒙皮形变导致的接触面脱粘及外形尺寸超差问题,有效保证了气动外形要求;通过在对界面铺设热熔预浸料,控制固化成型,进一步提高了界面粘接质量及外形尺寸精度。
附图说明
图1为变厚度复合材料骨架与蒙皮结构示意图;
图2为本发明实施例提供的定位组装装置与零件和骨架蒙皮结构装配示意图;
图3为本发明实施例提供的零件定位器剖面图;
图4为本发明实施例提供的定位组装装置局部剖面示意图;
图5为本发明实施例1提供的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法流程图;
图6为本发明实施例2提供的变厚度复合材料骨架与蒙皮结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2,本发明实施例提供了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,用于实现零件100与骨架蒙皮结构中骨架的定位组装,骨架上设有安装孔,所述装置包括外形模10及零件定位器20,外形模10包括工作面11和定位面12,所述工作面11与所述蒙皮的设计外形面一致,所述零件定位器20包括固定座21和定位部22,所述定位部21用于从六个自由度限定零件100的位置,所述固定座21用于与所述定位面12固定,且与所述定位面12的相对位置可调。外形模10用于压紧固定所述骨架和蒙皮。
本发明实施例中,骨架和蒙皮的外形面是指二者组装后外露的表面,如图1中骨架上表面为外形面,蒙皮下表面为外形面。
本发明实施例提供了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,通过设置外形模,先将蒙皮与骨架固定在外形模上,再安装零件,消除蒙皮制造误差导致的定位误差,通过设置定位面和定位部,将定位面作为安装基准面,通过定位部限定零件的六个自由度,实现调整固定座与定位面的位置即可找到零件与骨架的精准安装位置,避免当蒙皮为双曲率等复杂形面时,由于无法保证形面精度导致的无法确定安装基准的问题。
如图3所示,在一可选实施例中,所述定位部22设有定位安装孔,所述定位安装孔为阶梯孔。通过零件22中的轴肩和其中的圆柱面实现六自由度定位,保证零件和复合材料骨架之间准确的相对位置关系。
本发明实施例还提供了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,包括如下步骤:
1)制备定位组装装置,所述的定位组装装置包括外形模及零件定位器,所述外形模包括工作面和定位面,所述工作面与所述蒙皮的设计外形面一致,所述定位面为平面或单曲率曲面,所述零件定位器包括固定座和定位部,所述定位部用于从六个自由度限定所述零件的位置;
2)先将所述蒙皮放置在所述外形模的工作面上,然后将所述骨架放置在所述蒙皮上并使所述骨架和蒙皮形面匹配;
3)将所述骨架、蒙皮压紧固定在所述外形模上;
4)将所述零件定位器的固定座固定在所述定位面上,将待固定零件通过所述定位部固定;
5)调节所述固定座与所述定位面的相对位置,直至所述待固定零件与所述骨架适配,然后将所述待固定零件安装到所述骨架上,拆除所述零件定位器及外形模,完成零件与骨架的定位组装。
本发明实施例中所用定位组装装置由上述装置实施例提供,具体描述及效果参见上述装置实施例,在此不再赘述。
本发明实施例提供了一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,通过设置外形模,先将蒙皮与骨架固定在外形模上,再安装零件,消除蒙皮制造误差导致的定位误差,通过设置定位面和定位部,将定位面作为安装基准面,通过定位部限定零件的六个自由度,实现调整固定座与定位面的位置即可找到零件与骨架的精准安装位置,避免当蒙皮为双曲率等复杂形面时,由于无法保证形面精度导致的无法确定安装基准的问题。
参见图4,在一可选实施例中,所述定位组装装置还包括侧挡板30和盖板40,所述盖板40的内形面与所述骨架的外形面一致,且设有弹性层,所述步骤5)所述完成零件与骨架的定位组装之后,还包括:
6)拆除所述蒙皮,在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料;
7)在所述外形模四周设置所述侧挡板,形成骨架蒙皮结构型腔,将铺设有粘接材料的蒙皮放入所述型腔,使所述蒙皮的外形面与所述外形模的工作面对准相贴,然后将铺设有粘接材料的骨架叠放在所述蒙皮上,将所述盖板的弹性层对准所述骨架的外形面扣合,然后放置盖板,得到装配组件;
8)对所述装配组件进行固化、拆模,实现所述蒙皮与所述骨架的定位组装。
通过设置盖板和侧挡板,二者与外形模形成骨架与蒙皮粘接件的型腔,确保蒙皮和骨架定位位置准确,通过将外形模和盖板位于型腔内的表面约束骨架和蒙皮的型面,通过在盖板上设置弹性层有效调整二者接触面的粘接间隙,确保有效接触,提高了粘接质量,避免由于骨架和蒙皮形变导致的接触面脱粘及外形尺寸超差问题,有效保证了气动外形要求;通过在对接面铺设热熔预浸料,控制固化成型,进一步提高了界面粘接质量及外形尺寸精度。
在一可选实施例中,如图2所示,所述零件定位器20还包括多个调节垫片23,所述固定座通过多个紧固件与所述工作面固定,步骤5)通过调节设置在所述固定座和所述定位面之间的调节垫片的数量调节所述固定座与所述定位面的相对的位置。通过可调垫片,能够使零件的位置匹配复合材料框架的变形,使两者变形误差均匀化。
在一可选实施例中,步骤6)所述的在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料包括:
对所述骨架及蒙皮的对接面进行处理后,各粘贴一层胶膜;
采用所述热熔预浸料,在所述骨架上的胶膜表面进行铺层。
通过在对界面铺设热熔预浸料,控制固化成型,进一步提高了界面粘接质量及外形尺寸精度;
在一可选实施例中,所述热熔预浸料中树脂胶液质量占所述热熔预浸料总质量的36%-42%。通过控制预浸料中树脂胶液含量,有效保证最终产品性能要求。
在一可选实施例中,所述预浸料铺层层数为1-5层。通过一定厚度预浸料铺层,有效调整蒙皮、骨架之间间隙厚度,保证粘接质量。
在一可选实施例中,步骤8)中的所述的对所述第二组装模进行固化,包括:将所述第二组装模装入真空袋中抽真空,并保压0.5h以上,然后固化前将所述真空袋通大气,在0.01-0.05MPa压力下固化。通过真空与压力控制,有效保证蒙皮骨架界面粘接质量,同时保证蒙皮本体质量。
在一可选实施例中,步骤8)中当所述热熔预浸料中的树脂胶液为环氧树脂体系时,固化温度为160℃-180℃,保温时间为2h-4h;当所述热熔预浸料中的树脂胶液为双马树脂体系时固化温度为190℃-200℃,保温时间为6h-12h。通过控制固化工艺参数,确保界面粘接性能满足室温使用要求。
实施例1
如图1所示,本实施例提供了一种用于飞行器尾翼的复合材料骨架蒙皮结构,包括整体骨架、金属舵轴和下蒙皮200,骨架结构由上框、下框和多组高度不同的立板3构成,其中上框由多根第一框条1围成多格状结构,下框由多条第二框条2围成多格状结构,第一框条1和第二框条2一一对应,相对应的第一框条1和第二框条2之间设有一立板3,且形成竖截面为工字型的结构,上框的上表面以及下框的下表面均为双曲率曲面,相应地,下蒙皮200也为双曲率曲面,所述骨架蒙皮结构采用碳纤维增强耐高温环氧树脂基复合材料制成,最大长度为2190mm,最大宽度为750mm。
如图5所示,本实施例提供了一种用于飞行器尾翼的复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,包括如下步骤:
1)制备定位组装装置,包括下蒙皮外形模10、零件定位器20、可调垫片23、侧挡板30和盖板40;
所述的零件定位器20能够限制零件六个自由度,零件定位器20的固定座21的安装面为外形模10的定位面,该定位面为平面结构。所述盖板40内设弹性层。
2)将碳纤维布增强材料浸渍到环氧树脂胶液中,制成热熔预浸料;所述热熔预浸料中树脂胶液质量占热熔预浸料质量的38%±2%,所制备的热熔预浸料的厚度为0.2mm,面密度为210g/m2。
3)先将成型的上蒙皮放置在所述外形模的工作面上,然后将成型的骨架放置在所述上蒙皮上,并使所述骨架和上蒙皮形面匹配;
4)将所述骨架、上蒙皮压紧固定在所述外形模上;
5)将所述零件定位器的固定座固定在所述定位面上,将金属舵轴通过所述定位部固定;
6)调节所述固定座与所述定位面的相对位置,直至金属舵轴与所述骨架适配,然后将所述金属舵轴安装到所述骨架上,拆除所述零件定位器及外形模,完成零件与骨架的定位组装,得到骨架组件。
7)在所述外形模四周设置所述侧挡板,形成蒙皮骨架结构型腔,将铺设有粘接材料的上蒙皮放入所述型腔,使所述上蒙皮的外形面与所述外形模的工作面对准相贴,然后将铺设有热熔预浸料的骨架组件叠放在所述上蒙皮上,将所述盖板的弹性层对准所述骨架的外形面扣合,然后放置盖板,得到装配组件;
所述粘接材料为环氧胶膜;所述预浸料铺层层数为1层。
8)对所述装配组件进行固化、拆模,实现所述上蒙皮与所述骨架组件的定位组装,得到固化后的骨架上蒙皮组件。
所述固化在热压罐中进行,固化工艺为:真空袋压为0MPa;压力0.03MPa;升温速率25±5℃/h,保温温度170±5℃,保温时间1h,随炉降至室温,固化完成。
9)同步骤7)依次组装下蒙皮及骨架上蒙皮组件,得到装配组件。
10)对所述装配组件进行固化、拆模,得到制品。
所述固化在热压罐中进行,固化工艺为:真空袋压为0MPa;压力0.03MPa;升温速率25±5℃/h,保温温度170℃±5℃,保温时间3h,随炉降至室温,固化完成。
通过上述步骤使得本实施例制备的碳纤维增强环氧树脂基复合材料双曲率骨架蒙皮结构产品外形尺寸满足设计要求,框架蒙皮组装定位精度±0.5mm;产品外形尺寸精度满足设计使用要求,最终保证双曲率框架蒙皮结构产品尺寸精度要求。
实施例2
如图6所示,本实施例提供了一种用于飞行器机翼的复合材料骨架蒙皮结构,包括整体骨架和下蒙皮200,骨架结构由上框、下框和多组高度不同的立板3构成,其中上框由多根第一框条1围成多格状结构,下框由多条第二框条2围成多格状结构,第一框条1和第二框条2一一对应,相对应的第一框条1和第二框条2之间设有一立板3,且形成竖截面为工字型的结构,上框的上表面以及下框的下表面均为双曲率曲面,相应地,下蒙皮200也为双曲率曲面,所述骨架蒙皮结构采用碳纤维增强耐高温双马树脂基复合材料制成,最大长度为2170mm,最大宽度为2050mm。
如图5所示,本实施例提供了一种用于飞行器机翼的复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,包括如下步骤:
1)制备定位组装装置,包括下蒙皮外形模10、侧挡板30和盖板40。
所述盖板40内设弹性层。
2)将碳纤维布增强材料浸渍到双马树脂胶液中,制成热熔预浸料;所述热熔预浸料中树脂胶液质量占热熔预浸料质量的40%±2%,所制备的热熔预浸料的厚度为0.2mm,面密度为210g/m2。
3)在所述外形模四周设置所述侧挡板,形成蒙皮骨架结构型腔,将铺设有粘接材料的上蒙皮放入所述型腔,使所述上蒙皮的外形面与所述外形模的工作面对准相贴,然后将铺设有热熔预浸料的骨架组件叠放在所述上蒙皮上,将所述盖板的弹性层对准所述骨架的外形面扣合,然后放置盖板,得到装配组件;
所述粘接材料为双马胶膜;预浸料铺层层数为5层。
4)对所述装配组件进行固化、拆模,实现所述上蒙皮与所述骨架组件的定位组装,得到固化后的骨架上蒙皮组件。
所述固化在热压罐中进行,固化工艺为:真空袋压为0MPa;压力0.02MPa;升温速率25±5℃/h,保温温度190℃-195℃,保温时间2h,随炉降至室温,固化完成。
5)同步骤7)依次组装下蒙皮及骨架上蒙皮组件,得到装配组件。
6)对所述装配组件进行固化、拆模,得到制品。
所述固化在热压罐中进行,固化工艺为:真空袋压为0MPa;压力0.02MPa;升温速率25±5℃/h,保温温度190℃-195℃,保温时间12h,随炉降至室温,固化完成。
通过上述步骤使得本实施例制备的碳纤维增强双马树脂基复合材料双曲率框架蒙皮结构产品外形尺寸满足设计要求,框架蒙皮组装定位精度±0.5mm;产品外形尺寸精度满足设计使用要求,最终保证双曲率框架蒙皮结构产品尺寸精度要求。
上述仅是本发明的部分实施例。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干变形和改进,也应视为属于本发明的保护范畴。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)制备定位组装装置,所述的定位组装装置包括外形模及零件定位器,所述外形模包括工作面和定位面,所述工作面与所述蒙皮的设计外形面一致,所述零件定位器包括固定座和定位部,所述定位部用于从六个自由度限定所述零件的位置;
2)先将所述蒙皮放置在所述外形模的工作面上,然后将所述骨架放置在所述蒙皮上并使所述骨架和蒙皮形面匹配;
3)将所述骨架、蒙皮压紧固定在所述外形模上;
4)将所述零件定位器的固定座固定在所述定位面上,将待固定零件通过所述定位部固定;
5)调节所述固定座与所述定位面的相对位置,直至所述待固定零件与所述骨架适配,然后将所述待固定零件安装到所述骨架上,拆除所述零件定位器及外形模,完成零件与骨架的定位组装。
2.根据权利要求1所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,所述定位组装装置还包括侧挡板和盖板,所述盖板的内形面与所述骨架的外形面一致,且设有弹性层,所述步骤5)所述完成零件与骨架的定位组装之后,还包括:
6)拆除所述蒙皮,在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料;
7)在所述外形模四周设置所述侧挡板,形成骨架蒙皮结构型腔,将铺设有粘接材料的蒙皮放入所述型腔,使所述蒙皮的外形面与所述外形模的工作面对准相贴,然后将铺设有粘接材料的骨架叠放在所述蒙皮上形面,将所述盖板的弹性层对准所述骨架的外形面扣合,得到装配组件;
8)对所述装配组件进行固化、拆模,实现所述蒙皮与所述骨架的定位组装。
3.根据权利要求1所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,所述零件定位器还包括多个调节垫片,所述固定座通过多个紧固件与所述工作面固定,步骤5)通过调节设置在所述固定座和所述定位面之间的调节垫片的数量调节所述固定座与所述定位面的相对的位置。
4.根据权利要求2所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,步骤6)所述的在所述蒙皮与骨架的对接面铺设粘接材料包括:
对所述骨架及蒙皮的对接面进行处理后,各粘贴一层胶膜;
采用所述热熔预浸料,在所述骨架上的胶膜表面进行铺层。
5.根据权利要求4所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,
所述热熔预浸料中树脂胶液质量占所述热熔预浸料总质量的36%-42%。
6.根据权利要求4所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,所述预浸料铺层层数为1-5层。
7.根据权利要求4所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,步骤8)中的所述的对所述第二组装模进行固化,包括:
将所述第二组装模装入真空袋中抽真空,并保压0.5h以上,然后固化前将所述真空袋通大气,在0.01-0.05MPa压力下固化。
8.根据权利要求4所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装方法,其特征在于,步骤8)中当所述热熔预浸料中的树脂胶液为环氧树脂体系时,固化温度为160℃-180℃,保温时间为2h-4h;当所述热熔预浸料中的树脂胶液为双马树脂体系时固化温度为190℃-200℃,保温时间为6h-12h。
9.一种零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,其特征在于,包括外形模及零件定位器,所述外形模包括工作面和定位面,所述工作面与所述蒙皮的设计外形面一致,所述定位面为平面或单曲率曲面,所述零件定位器包括固定座和定位部,所述定位部用于从六个自由度限定所述零件的位置,所述固定座用于与所述定位面固定。
10.根据权利要求9所述的零件与复合材料骨架蒙皮结构的定位组装装置,其特征在于,所述定位部设有安装孔,所述安装孔为阶梯孔。
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