CN111975096A - 一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀及其制备方法。现有拉削刀齿在切削难加工材料时刀齿尖端散热速度较慢,摩擦磨损严重。本发明在粗拉区和半精拉区内每一个刀齿的两个刀齿侧面均开设呈平行四边形排列的m排×n列仿蜂窝状微结构;仿蜂窝状微结构设有复合凹坑、圆柱形凸起以及硅胶填充物;圆柱形凸起与刀齿侧面一体成型;复合凹坑由中心轴线重合的正六边形凹坑和正四边形凹坑组成;在复合凹坑和圆柱形凸起之间填充有硅胶填充物;硅胶填充物的底部通过硅胶热硫化粘接剂与复合凹坑的底部相粘结。本发明优化了拉刀的散热和振动抑制性能,达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命和使用效率的目的。

Description

一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀及其制备方法
技术领域
本发明属于刀具技术领域,特别涉及一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀及其制备方法。
背景技术
拉削加工因其较高的加工精度和加工效率,被广泛地应用于航空航天、汽车船舶等领域的高精密零部件的加工制备中。但是现阶段,在拉刀进行拉削加工时,往往会产生较高的拉削温度以及拉削振动,这大大影响了拉削加工的精度和拉刀的使用寿命,增加了拉削加工的安全隐患。因此针对拉削加工,研制一种能够降低拉削温度、减少拉削振动、提高使用寿命的新型拉刀,对拉削刀具行业的发展有着十分重要的意义。
目前针对能够降低拉削温度和拉削振动的拉刀研制和制备方法的研究较少。如申请号为201610394048.4的专利公开了一种仿螳螂口器上颚构型的拉刀及其制备方法。该发明在拉刀刀齿的后刀面开设凹槽,通过模仿螳螂上颚三维曲面模型,得到螳螂上颚的面积梯度,利用激光雕刻和高压电脉冲放电技术加工了优化结构,最终优化了拉刀的切削性能。但是此发明并没有针对拉削温度及拉削振动进行相对应的微结构设计,无法验证开设的微结构是否有利于降低拉削温度和拉削振动。申请号为201610993902.9的专利公开了一种后刀面具有仿贝壳表面形貌的织构拉刀与制备方法。结合贝壳表面凹凸规律与体表放射肋条特征尺寸参数与拉刀实际尺寸,利用激光打标机在拉刀后刀面开设仿贝壳表面的凹型织构槽和V型槽,降低了切削负载,提高了刀具可靠性和寿命。但是该发明开设微结构的部位为拉刀后刀面,无法验证后刀面是否为微结构开设的最佳位置。且其它生物的仿生效果有待进一步开发。
发明内容
本发明针对现有拉削刀齿在切削难加工材料过程中,刀齿尖端散热速度较慢而导致的摩擦磨损严重问题,提供了一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀及其制备方法。该发明是一种将导热和减振效果优异的蜂窝状(正六边形)微结构应用于拉刀的结构设计与制备方法;是一种多形貌微结构(正六边形+正四边形+圆柱形)复合的设计方法;是一种在刀齿侧刀面上开设毫米尺度蜂窝凹坑状微结构以实现刀齿尖端快速散热和减振的设计方法;是一种在毫米尺度蜂窝凹坑状微结构上进一步设置硅胶填充物以实现增强散热和减振的设计方法;是一种毫米级微凹结构的激光蚀刻加工方法;是一种集成表面激光加工、一次成型以及仿生微结构拓扑设计于一体的智能制备方法。
本发明具有仿蜂窝状微结构的拉刀,设有粗拉区、半精拉区和精拉区,在粗拉区和半精拉区内每一个刀齿的两个刀齿侧面均开设m排×n列的仿蜂窝状微结构,其中,m≥5,n≥5。所述m排×n列的仿蜂窝状微结构呈平行四边形排列,该平行四边形的两边分别与拉刀的前刀面和后刀面平行。仿蜂窝状微结构设有复合凹坑、圆柱形凸起以及硅胶填充物。其中,圆柱形凸起与刀齿侧面一体成型;复合凹坑由中心轴线重合的正六边形凹坑和正四边形凹坑组成,正六边形凹坑的边长L1在0.3~0.5mm范围内取值,正六边形凹坑的深度H1在0.3~0.5mm范围内取值。正四边形凹坑处于正六边形凹坑下方,正四边形凹坑的边长L2在0.2~0.4mm范围内取值,且满足L2<L1,正四边形凹坑的深度H2在0.1~0.3mm范围内取值。圆柱形凸起置于正四边形凹坑中心,圆柱形凸起的半径r1在0.2~0.3mm范围内取值,且r1<L2,圆柱形凸起的高度等于正六边形凹坑的深度H1与正四边形凹坑的深度H2之和。在复合凹坑和圆柱形凸起之间填充有硅胶填充物;硅胶填充物的底部通过硅胶热硫化粘接剂与复合凹坑的底部相粘结,硅胶热硫化粘接剂的厚度H3在0.05~0.1mm范围内取值。同一排相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l1在0.25~0.5mm范围内取值。同一列相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l2在0.25~0.5mm范围内取值。
优选地,该具有仿蜂窝状微结构的拉刀为键槽拉刀,材料采用高速钢。
优选地,拉刀具体尺寸为:总长度为600mm,齿宽为16mm,后刀面水平宽度为2mm,齿数为50;刀齿前角为12°,后角为6°,齿距为6mm。
优选地,粗拉区内的齿升量为0.04mm,半精拉区内的齿升量为0.01mm,精拉区内的齿升量为0。
优选地,最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于后刀面方向延伸至前刀面的距离lmin1=0.2mm,最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于前刀面方向延伸至后刀面的距离lmin2=0.2mm。
该具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,具体如下:
步骤一、通过线锯切割加工拉刀刀齿外形,然后对各刀齿进行精磨。
步骤二、将拉刀固定在激光打标机的加工台面上,在激光打标机中输入正四边形凹坑的打标参数,用激光打标机在每个刀齿的两个刀齿侧面上均加工出呈平行四边形排布的m排×n列正四边形凹坑。
步骤三、将经步骤二处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
步骤四、将经步骤三处理后的拉刀重新固定在激光打标机的加工台面上,并保持与步骤二在同一位置。在激光打标机中输入正六边形凹坑的打标参数,用激光打标机在每个正四边形凹坑顶部加工出正六边形凹坑,形成复合凹坑。
步骤五、将经步骤四处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
步骤六、对经步骤五处理后的拉刀进行热处理,提高拉刀的硬度和耐磨性。
步骤七、在每个复合凹坑中涂入硅胶热硫化粘接剂,然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟。
步骤八、将拉刀倒置。
步骤九、若硅胶填充物出现脱落情况,则在硅胶填充物出现脱落的复合凹坑中重新涂入硅胶热硫化粘接剂,然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟,回到步骤八。若硅胶填充物未出现脱落情况,则进行下一步。
步骤十、对经步骤九处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
优选地,步骤二后还包括如下步骤:每个正四边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正四边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正四边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。
优选地,当实际开设的正四边形凹坑边长与所设计正四边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,实际开设的正四边形凹坑深度与所设计正四边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm,且开设后形成的圆柱形凸起半径与所设计圆柱形凸起半径的差值绝对值不大于0.05mm时,认为该正四边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
优选地,步骤四后还包括如下步骤:每个正六边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正六边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正六边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。
优选地,当实际开设的正六边形凹坑边长与所设计正六边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,且实际开设的正六边形凹坑深度与所设计正六边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm时,认为该正六边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
本发明的有益效果在于:在拉刀侧刀面开设了仿蜂窝的“凹坑状”微结构,并在微结构内胶粘硅胶填充物,可以优化拉刀的散热和振动抑制等性能,减小刀尖的热量积累,达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命和使用效率的目的。
附图说明
图1-1为本发明拉刀的整体结构立体图。
图1-2为图1-1中的B1部分局部放大图。
图1-3为本发明拉刀侧面的仿蜂窝状微结构示意图。
图2-1为图1-3中的B2部分局部放大图。
图2-2为仿蜂窝状微结构加工过程中的正四边形凹坑示意图。
图2-3为复合凹坑的整体结构示意图。
图2-4为单个仿蜂窝状微结构的示意图。
图2-5为图2-4的A-A剖视图。
图2-6为图2-5中的B3部分局部放大图。
图3为本发明拉刀的制备流程图。
图4为采用激光加工本发明拉刀侧面复合凹坑的示意图。
图5-1为本发明拉刀与普通拉刀的拉削负载对比图。
图5-2为本发明拉刀与普通拉刀的拉削温度对比图。
图5-3为本发明拉刀与普通拉刀的拉削振动对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-1、1-2和1-3所示,本发明实施例中,具有仿蜂窝状微结构的拉刀为键槽拉刀,材料采用高速钢(W6Mo5Cr4V2),作为一个优选实施例,拉刀具体尺寸为:总长度为600mm,齿宽b1为16mm,后刀面水平宽度b2为2mm,齿数为50。刀齿前角γ0为12°,后角α0为6°,齿距p为6mm。作为一个优选实施例,前40个刀齿为粗拉区X1,粗拉区内的齿升量δi为0.04mm,第41~45个刀齿为半精拉区X2,半精拉区内的齿升量δi为0.01mm,第46~50个刀齿为精拉区X3,精拉区内的齿升量δi为0mm。刀齿包括前刀面A1、刀刃A2、后刀面A3和两个刀齿侧面A4,在粗拉区和半精拉区内每一个刀齿的两个刀齿侧面A4均开设m排×n列的仿蜂窝状微结构。作为一个优选实施例,m=8,n=9。
如图2-1至2-6所示,m排×n列的仿蜂窝状微结构呈平行四边形排列,其中该平行四边形的两边分别与拉刀的前刀面A1和后刀面A3平行。仿蜂窝状微结构设有复合凹坑1、圆柱形凸起以及硅胶填充物2。其中,圆柱形凸起与刀齿侧面一体成型;复合凹坑1由中心轴线重合的正六边形凹坑和正四边形凹坑组成,正六边形凹坑的边长L1在0.3~0.5mm范围内取值,正六边形凹坑的深度H1在0.3~0.5mm范围内取值。正四边形凹坑处于正六边形凹坑下方,正四边形凹坑的边长L2在0.2~0.4mm范围内取值,且满足L2<L1,正四边形凹坑的深度H2在0.1~0.3mm范围内取值。圆柱形凸起置于正四边形凹坑中心,圆柱形凸起的半径r1在0.2~0.3mm范围内取值,且r1<L2,圆柱形凸起的高度等于正六边形凹坑的深度H1与正四边形凹坑的深度H2之和。在复合凹坑1和圆柱形凸起之间填充有硅胶填充物2,硅胶填充物2具有吸附性能好、热稳定性好、化学性质稳定、机械强度高等特性,且质地柔软。硅胶填充物的底部通过硅胶热硫化粘接剂3与复合凹坑1的底部相粘结,硅胶热硫化粘接剂3的厚度H3在0.05~0.1mm范围内取值。
同一排相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l1在0.25~0.5mm范围内取值。同一列相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l2在0.25~0.5mm范围内取值。最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于后刀面方向延伸至前刀面的距离lmin1=0.2mm,最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于前刀面方向延伸至后刀面的距离lmin2=0.2mm。
如图3所示,该具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,具体如下:
步骤一、通过线锯切割加工拉刀刀齿外形,然后对各刀齿进行精磨。
步骤二、如图4所示,将拉刀固定在激光打标机的加工台面(载物台)上,在激光打标机中输入正四边形凹坑的打标参数,用激光打标机(其中的激光发射器发射激光)在每个刀齿的两个刀齿侧面上均加工出呈平行四边形排布的m排×n列正四边形凹坑。作为一个优选实施例,每个正四边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正四边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正四边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。作为一个更优选实施例,当实际开设的正四边形凹坑边长与所设计正四边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,实际开设的正四边形凹坑深度与所设计正四边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm,且开设后形成的圆柱形凸起半径与所设计圆柱形凸起半径的差值绝对值不大于0.05mm时,认为该正四边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
步骤三、将经步骤二处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
步骤四、将经步骤三处理后的拉刀重新固定在激光打标机的加工台面上,并保持与步骤二在同一位置。在激光打标机中输入正六边形凹坑的打标参数,用激光打标机在每个正四边形凹坑顶部加工出正六边形凹坑,形成复合凹坑1。作为一个优选实施例,每个正六边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正六边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正六边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。作为一个更优选实施例,当实际开设的正六边形凹坑边长与所设计正六边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,且实际开设的正六边形凹坑深度与所设计正六边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm时,认为该正六边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
步骤五、将经步骤四处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
步骤六、对经步骤五处理后的拉刀进行热处理,提高拉刀的硬度和耐磨性。
步骤七、在每个复合凹坑1中涂入硅胶热硫化粘接剂3(型号MW-111-A),然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟,确保硅胶填充物2与复合凹坑1相粘结;由于激光加工的复合凹坑1表面存在毛刺,可以加强硅胶热硫化粘接剂3与复合凹坑1底部的接触,使硅胶填充物2粘结得更加牢固。
步骤八、将拉刀倒置。
步骤九、若硅胶填充物2出现脱落情况,则在硅胶填充物2出现脱落的复合凹坑1中重新涂入硅胶热硫化粘接剂3,然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟,回到步骤八。若硅胶填充物2未出现脱落情况,则进行下一步。
步骤十、对经步骤九处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
将加工完成的具有仿蜂窝状微结构的拉刀安装到拉床上,进行拉削性能测试。如图5-1所示,为在相同的工况下,本发明拉刀与普通拉刀的拉削负载F随时间t变化的对比图。可以明显看出,本发明拉刀相较于普通拉刀具有明显的降载效果。这是因为本发明在拉刀侧面开设仿蜂窝状微结构后,减少了拉刀侧面和切削工件之间的接触面积,从而减少了刀齿侧面和工件挤压接触产生的摩擦力,从而降低了拉削负载。
如图5-2所示,为在相同的工况下,本发明拉刀与普通拉刀拉削时的刀齿温度T随齿数变化的对比图。可以明显看出,本发明拉刀相较于普通拉刀具有明显的降温效果。这是因为本发明在拉刀侧面开设仿蜂窝状微结构后,增加了拉刀侧面的散热面积,使拉削过程中产生的切削热更加容易散出,改善了拉刀的散热情况,并且硅胶填充物2具有较好的散热特性,从而降低了刀齿表面的温度。
如图5-3所示,为在相同的工况下,本发明拉刀与普通拉刀的横向(刀齿宽度方向)拉削振动信号RMSE(横向拉削负载均方根误差)对比图,其中RMSE值越小表明拉削过程越平稳。可以明显看出,本发明拉刀相较于普通拉刀具有明显的减振效果。这是因为本发明在拉刀侧面开设仿蜂窝状微结构后,刀齿侧面与工件侧壁两接触表面间的流体动压效应形成动压承载力,相当于给拉刀横向作用一对挤压力,能够降低拉刀与工件直接接触产生的横向负载力,从而减弱拉刀因横向负载激励作用产生的横向振动,最终整体上减少了拉刀的振动。

Claims (10)

1.一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀,设有粗拉区、半精拉区和精拉区,其特征在于:在粗拉区和半精拉区内每一个刀齿的两个刀齿侧面均开设m排×n列的仿蜂窝状微结构,其中,m≥5,n≥5;所述m排×n列的仿蜂窝状微结构呈平行四边形排列,该平行四边形的两边分别与拉刀的前刀面和后刀面平行;仿蜂窝状微结构设有复合凹坑、圆柱形凸起以及硅胶填充物;其中,圆柱形凸起与刀齿侧面一体成型;复合凹坑由中心轴线重合的正六边形凹坑和正四边形凹坑组成,正六边形凹坑的边长L1在0.3~0.5mm范围内取值,正六边形凹坑的深度H1在0.3~0.5mm范围内取值;正四边形凹坑处于正六边形凹坑下方,正四边形凹坑的边长L2在0.2~0.4mm范围内取值,且满足L2<L1,正四边形凹坑的深度H2在0.1~0.3mm范围内取值;圆柱形凸起置于正四边形凹坑中心,圆柱形凸起的半径r1在0.2~0.3mm范围内取值,且r1<L2,圆柱形凸起的高度等于正六边形凹坑的深度H1与正四边形凹坑的深度H2之和;在复合凹坑和圆柱形凸起之间填充有硅胶填充物;硅胶填充物的底部通过硅胶热硫化粘接剂与复合凹坑的底部相粘结,硅胶热硫化粘接剂的厚度H3在0.05~0.1mm范围内取值;同一排相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l1在0.25~0.5mm范围内取值;同一列相邻两个仿蜂窝状微结构的中心距l2在0.25~0.5mm范围内取值。
2.根据权利要求1所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀,其特征在于:为键槽拉刀,材料采用高速钢。
3.根据权利要求1所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀,其特征在于:具体尺寸为:总长度为600mm,齿宽为16mm,后刀面水平宽度为2mm,齿数为50;刀齿前角为12°,后角为6°,齿距为6mm。
4.根据权利要求1所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀,其特征在于:粗拉区内的齿升量为0.04mm,半精拉区内的齿升量为0.01mm,精拉区内的齿升量为0。
5.根据权利要求1所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀,其特征在于:最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于后刀面方向延伸至前刀面的距离lmin1=0.2mm,最靠近刀刃的仿蜂窝状微结构中心沿平行于前刀面方向延伸至后刀面的距离lmin2=0.2mm。
6.根据权利要求1至5所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,其特征在于:该方法具体如下:
步骤一、通过线锯切割加工拉刀刀齿外形,然后对各刀齿进行精磨;
步骤二、将拉刀固定在激光打标机的加工台面上,在激光打标机中输入正四边形凹坑的打标参数,用激光打标机在每个刀齿的两个刀齿侧面上均加工出呈平行四边形排布的m排×n列正四边形凹坑;
步骤三、将经步骤二处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干;
步骤四、将经步骤三处理后的拉刀重新固定在激光打标机的加工台面上,并保持与步骤二在同一位置;在激光打标机中输入正六边形凹坑的打标参数,用激光打标机在每个正四边形凹坑顶部加工出正六边形凹坑,形成复合凹坑;
步骤五、将经步骤四处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干;
步骤六、对经步骤五处理后的拉刀进行热处理,提高拉刀的硬度和耐磨性;
步骤七、在每个复合凹坑中涂入硅胶热硫化粘接剂,然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟;
步骤八、将拉刀倒置;
步骤九、若硅胶填充物出现脱落情况,则在硅胶填充物出现脱落的复合凹坑中重新涂入硅胶热硫化粘接剂,然后涂入硅胶填充物,并擦除刀齿表面多余的硅胶填充物;接着,将拉刀在室温下静置60分钟,回到步骤八;若硅胶填充物未出现脱落情况,则进行下一步;
步骤十、对经步骤九处理后的拉刀放入超声清洗机中进行超声清洗,清洗时间大于1min,清洗后进行烘干。
7.根据权利要求6所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,其特征在于:步骤二后还包括如下步骤:每个正四边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正四边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正四边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。
8.根据权利要求7所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,其特征在于:当实际开设的正四边形凹坑边长与所设计正四边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,实际开设的正四边形凹坑深度与所设计正四边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm,且开设后形成的圆柱形凸起半径与所设计圆柱形凸起半径的差值绝对值不大于0.05mm时,认为该正四边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
9.根据权利要求6所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,其特征在于:步骤四后还包括如下步骤:每个正六边形凹坑加工后,用高速显微摄像仪进行观察,测量开设出的正六边形凹坑是否满足设计尺寸要求,若不满足设计尺寸要求,则重新对该正六边形凹坑进行加工,直至满足设计尺寸要求。
10.根据权利要求9所述一种具有仿蜂窝状微结构的拉刀的制备方法,其特征在于:当实际开设的正六边形凹坑边长与所设计正六边形凹坑边长的差值绝对值不大于0.05mm,且实际开设的正六边形凹坑深度与所设计正六边形凹坑深度的差值绝对值不大于0.025mm时,认为该正六边形凹坑满足设计尺寸要求,否则认为不满足设计尺寸要求。
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