CN115418462A - 一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于真空固溶热处理的专用工装,具体涉及一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装。解决了采用现有工装对挠性接头组件中各零件进行真空固溶处理时,存在零件与工装不匹配使零件尺寸超差、冷却速度慢导致零件的力学性能难以满足使用要求以及生产效率低的技术问题。本发明专用工装包括环形架、多组零件支撑座和冷却气体保护罩;零件支撑座的外型根据挠性接头组件各零件的外型设计,零件支撑座的上端面设置有分别放置挠性接头组件各零件和冷却气体保护罩的第一定位槽、第二定位槽、第三定位槽和凹槽;环形架包括底盘、至少三个支承杆和多个安装盘,底盘和多个安装盘分别平行安装在至少三个支撑杆上;零件支撑座设置在安装盘上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于真空固溶热处理的专用工装,具体涉及一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装。
背景技术
挠性接头组件是挠性陀螺的重要部件,其主要通过精密机械加工而成。挠性接头组件的质量状态,特别是力学性能的优劣、以及各零件间的配合关系直接影响着挠性陀螺的精度。挠性接头组件包括内环1、外环2及弹性夹头3三个零件,内环1、外环2及弹性夹头3零件的结构参见图1-图3,内环1的上部分为挠性头11,下部分为挠性杆12。挠性接头组件中各零件的材料均为弹性合金3J33。
为保证零件表面无氧化,零件的洛氏硬度(HRC)为48°~52°,挠性接头组件中各零件通常采用真空热处理设备进行固溶及时效处理。在进行固溶处理过程中,将过剩相充分溶解到固溶体中需要快速冷却得到过饱和固溶体,冷却速度过慢会对过剩相产生影响,进而影响时效后材料的内部组织及力学性能,因此在固溶处理过程中要求零件快速冷却至室温。
现有技术中,对挠性接头组件的各零件进行固溶处理时,无专用工装,通常是将零件摆放在通用工装盒中进行固溶处理,工装盒采用碳钢或不锈钢焊制而成,在此基础上,采用炉膛尺寸为Φ300×450mm,满载量为90kg的真空冷却设备,其冷却压力不超过0.3MPa,在满载状态下,将气体从800℃冷至50℃至少需30min。上述方法主要存在以下问题:1、冷却速度过慢,难以满足零件组织和力学性能要求。2、零件与工装不匹配,在固溶处理过程中零件在高温下处于奥氏体软化状态,受力不均匀时容易使零件发生变形,导致零件尺寸超差及报废。3、零件聚集放置在工装盒中,局部比热容大,在真空固溶处理过程中降温速度慢,使固溶效果差,零件的力学性能受到影响。4、采用工装盒进行装载零件数量有限,生产效率较低。
发明内容
本发明的目的是解决采用现有工装对挠性接头组件中各零件进行真空固溶处理时,存在零件与工装不匹配使零件尺寸超差甚至报废、冷却速度慢导致零件的力学性能和内部组织难以满足使用要求以及装载零件数量有限的技术问题,而提供一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装。
本发明通过设计专用工装,使其在具备一定装载能力的条件下可快速冷却降温,提高零件力学性能,满足使用要求。
本发明的技术解决方案是:
一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特殊之处在于:包括环形架、零件支撑座和与零件支撑座对应设置的冷却气体保护罩;
所述冷却气体保护罩为下端开口、上端密封的筒状结构;
所述零件支撑座包括盘体和与盘体同轴且固定设置在盘体底部的安装杆;
所述安装杆和盘体的中心沿轴向设置贯通定位孔;
所述盘体上端面由内至外依次同轴设置有用于放置弹性夹头的第一定位槽、放置内环的第二定位槽和放置外环的第三定位槽;所述第一定位槽、第三定位槽底面的尺寸分别与弹性夹头、外环的底面尺寸相适配;所述第二定位槽的底面用于放置挠性头且挠性杆伸入定位孔内;所述盘体上端面位于第三定位槽外侧沿周向设置有环形的凹槽,冷却气体保护罩下端嵌入到凹槽内;
所述环形架包括底盘、至少3个支承杆和多个安装盘;
所述四个支承杆沿周向均布在底盘上,支承杆的下端与底盘上端固定连接;
所述多个安装盘沿支承杆高度方向平行设置在至少3个支承杆上,且最下方安装盘与底盘之间留有2~2.5cm安装间隙;
每个安装盘上设置有多个零件支撑座,相邻零件支撑座之间留有间隙;
所述零件支撑座的安装杆下端与安装盘固定连接;
每个所述零件支撑座上的冷却气体保护罩的上端面与位于其上方的安装盘的距离为2~2.5cm。
进一步地,还包括多个隔离筒;多个隔离筒的高度分别与最下方安装盘与底盘之间高度,以及相邻安装盘之间高度相适配;所述多个隔离筒分别对应套装在最下方安装盘与底盘之间以及相邻安装盘之间的支撑杆上;所述支承杆的上端外侧设置外螺纹,下端设有安装头;底盘上设置有与至少3个支承杆下端的安装头相对应的沉孔,每个安装盘上分别设置有与至少3个支承杆相适配的安装孔,安装盘通过安装孔套装在四个支承杆上,隔离筒的外径大于沉孔及安装孔的直径;支撑杆穿过沉孔、多个隔离筒和多个安装盘后,上端通过拧入螺母压紧在顶部安装盘上方进行固定。
进一步地,所述冷却气体保护罩的上端中心开设有抽气孔。
进一步地,所述安装杆的下部外侧设置台阶,位于台阶上方的部分为宽段,位于台阶下方的部分为窄段,且窄段外侧设置外螺纹;所述安装盘上设置与零件支撑座安装杆的窄段相适配的支撑座孔,零件支撑座的窄段穿入到支撑座孔内并从安装盘底部穿出,通过拧入螺母将零件支撑座固定在安装盘上。
进一步地,所述环形架、零件支撑座、冷却气体保护罩和隔离筒的材质均为1Cr18Ni9Ti。
进一步地,所述底盘上设置有多个减重孔。
进一步地,所述盘体和安装杆一体成型;所述支撑杆为4个,安装盘有七个。
进一步地,每个所述安装盘的多个零件支撑座均匀对称设置。
进一步地,每个所述安装盘上的零件支撑座的数量为三十六个。
本发明的有益效果:
1、本发明专用工装根据挠性接头组件中的各零件结构外型制作而成,工装与零件匹配型好,保证零件变形量小及冷却时零件结构不被破坏,固溶处理后零件尺寸满足使用要求;零件可以单独放置在零件支撑座上,避免传统工装盒的聚集放置,导致局部比热容大降温速度慢;采用特殊的多层环形架结构,增大了快速冷却时气体与零件的接触面积,使工装内部每个零件可与冷却气体接触,提高了零件的冷却速度,同时,本发明专用工装具有多层安装盘,每层安装盘上设置多个零件支撑座,可以一次性处理多个零件,在保证固溶质量的前提下大大提高了生产效率。
2、本发明专用工装,采用环形设计有效提高零件在热处理过程中的受热均匀性,使热处理后零件的组织及力学性能一致性得到提高,洛氏硬度差异由6%缩小至3%以内且零件冷却速度加快20%~30%;同时每个零件均与工装接触,可将传统方法中高真空中温环境下的辐射传热转变为传导传热,缩短工艺时间,有效提高热处理生产效率。
3、本发明专用工装带有冷却气体保护罩,可保证在冷却气体通入炉腔内时零件不被气流冲出工装外掉落损伤,另一方面可避免在高温下冷却气体直接冲刷零件表面,冷却气体中微量氧元素使零件发生氧化变色。
4、本发明专用工装的安装盘套装在支撑杆上,相邻盘之间通过隔离筒隔离支撑,安装拆卸方便,且便于收纳搬运。
5、本发明专用工装的材质选用1Cr18Ni9Ti(奥氏体不锈钢),提高工装耐高温特性,满足固溶温度为820℃的高温环境下的使用,同时可避免高真空环境下工装材料中饱和蒸汽较低的元素挥发污染炉膛及零件表面。
6、本发明专用工装的冷却气体保护罩的上端端面中心开设抽气孔,提高了工装内的抽气速率,加快冷却速度。
7、本发明专用工装中零件支撑座的安装杆设置台阶,使零件支撑座的盘体位于安装盘上方,避免与安装盘相贴合,进一步增加与冷却气体的接触面积,提高冷却速度。
8、本发明专用工装设计有多个减重孔,可减轻工装的整体重量。
9、本发明专用工装的支撑杆位于底盘的沉孔内,使支撑杆插入底盘后,其下端的安装头不凸出底盘的底面,从而保证底盘底面与炉内托板接触,保证了整体工装的稳定性。
10、本发明专用工装可根据不同型号规格的挠性接头组件进行尺寸设计,适用性广。
附图说明
图1是挠性接头组件中内环的结构示意图;
图2是挠性接头组件中外环的结构示意图;
图3是挠性接头组件中弹性接头的结构示意图;
图4是本发明专用工装实施例中零件支撑座的结构示意图;
图5是本发明专用工装实施例中零件支撑座、冷却气体保护罩和弹性夹头的装配示意图;
图6是本发明专用工装实施例中零件支撑座、冷却气体保护罩和内环的装配示意图;
图7是本发明专用工装实施例中零件支撑座、冷却气体保护罩和外环的装配示意图;
图8是本发明专用工装实施例中冷却气体保护罩的结构示意图;
图9是本发明专用工装实施例中支撑杆的结构示意图;
图10是本发明专用工装实施例中底盘的结构示意图;
图11是本发明专用工装实施例中隔离筒的结构示意图;
图12是本发明专用工装实施例中安装盘的结构示意图。
附图标记:1-内环,11-挠性头,12-挠性杆,2-外环,3-弹性夹头;4-零件支撑座,41-盘体,42-安装杆,421-台阶,43-定位孔,44-第一定位槽,45-第二定位槽,46-第三定位槽,47-凹槽;5-冷却气体保护罩,51-抽气孔,6-底盘,61-减重孔,62-沉孔,7-支承杆,71-外螺纹,72-安装头,8-安装盘,81-安装孔,82-支撑座孔,9-隔离筒。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明进行详细的说明。
本发明专用工装针对的对象为挠性接头组件,挠性接头组件中各零件包括内环1、外环2及弹性夹头3三个零件,内环1、外环2及弹性夹头3零件的结构参见图1-图3,内环1的上部分为挠性头11,下部分为挠性杆12。挠性接头组件中各零件的材料均为弹性合金3J33。
本发明一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,包括环形架、零件支撑座4和与零件支撑座4对应设置的冷却气体保护罩5,环形架为多层安装盘8与支撑杆7形成的环形架体,每层安装盘8上安装多个零件支撑座4,零件支撑座4可以根据需要设计安装的数量,本实施例中每层安装盘8上零件支撑座4的数量为三十六个。
零件支撑座4是用于固溶处理时放置待处理的零件,比如内环1、外环2或弹性夹头3,但其不局限于只适用于挠性接头组件零件,其他同类型结构的,且尺寸相配的均可使用该工装进行固溶热处理。本实施例中,零件支撑座4的整体外型是根据待处理挠性接头组件的各零件设计的,如图4所示,零件支撑座4包括盘体41和与盘体41同轴且固定设置在盘体41底部的安装杆42,安装杆42的上端与盘体41底部固连,盘体41和安装杆42一体成型;安装杆42和盘体41的中心沿轴向设置贯通定位孔43,定位孔43用于固溶处理时插入挠性接头组件中内环1的挠性杆12,对挠性杆12进行保护,由于挠性接头组件中挠性杆12为整个挠性陀螺的中心,有定位及安装精度要求,所以挠性杆12在处理过程中应重点保护,不能形变及发生损伤。定位孔43的作用一方面用于固定限位,另一方面可完全保护挠性接头的挠性杆12,使其在固溶处理过程中处于悬空状态,即便与定位孔43内壁有轻微接触也不会发生损伤。零件支撑座4的盘体41上设置有四种定位槽。具体为,盘体41上端面由内至外依次同轴设置有用于放置弹性夹头3的第一定位槽44、放置内环1的第二定位槽45和放置外环2的第三定位槽46;第一定位槽44、第三定位槽46底面的尺寸分别与弹性夹头3、外环2的底面尺寸相适配;第二定位槽45的底面用于放置挠性头11且挠性杆12伸入定位孔43内;盘体41上端面位于第三定位槽46外侧沿周向设置有环形的凹槽47,冷却气体保护罩5下端嵌入到凹槽47内。第一定位槽44用于放置弹性夹头3,弹性夹头3的平面端与槽底接触,如图5所示;第二定位槽45用于放置内环1且内环1的挠性杆12伸入到定位孔内,如图6所示;第三定位槽46用于放置外环2,如图7所示。
如图8所示,冷却气体保护罩5为下端开口、上端密封的筒状结构。为提高对工装内的抽气速率,可在冷却气体保护罩5的上端中心开设贯穿的抽气孔51。进行固溶处理时,冷却气体保护罩5将零件支撑座4上的零件盖罩在内,保证在冷却气体通入炉腔内时零件不被气流冲出而掉落损伤,另一方面可避免在高温下冷却气体直接冲刷零件表面,冷却气体中微量氧元素使零件发生氧化变色。
环形架包括底盘6、四个支承杆7和多个安装盘8,其他实施例中,支撑杆7至少为3个。支承杆7的结构如图9所示,四个支承杆7沿周向均布在底盘6上,相邻支承杆7间的圆心角为90°,支承杆7的下端与底盘6固定连接,支撑杆7上端外侧设置有外螺纹71,下端设置安装头72。本实施例中,底盘6如图10所示,为一个大圆盘,底盘6设置有分别与四个支撑杆7下端的安装头72相对应沉孔62,此外,为了尽量减轻重量,还设置有尽可能多的减重孔61,减重孔61与沉孔62错位设置。支撑杆7穿过沉孔62、多个隔离筒9和多个安装盘8后,上端通过拧入螺母压紧在顶部安装盘8上方进行固定,同时支撑杆7上端螺母与支撑杆7上外螺纹71配合拧紧时也使底部支撑杆7吃紧力加紧进行限位固定。设置沉孔62可使支撑杆7插入底盘6后不凸出底部,从而保证底盘6底面与炉内托板接触,保证了整体工装的稳定性,其他实施例中也可通过其他方式在确保底盘6稳定性的前提下将支撑杆7与底盘6固定连接。
本发明实施例中有七个安装盘8,其他实施例也可以根据需要以及固溶处理设备的空间调整安装盘8的层数。七个安装盘8沿支承杆7高度方向平行安装在底盘6上的四个支承杆7上,且最下方安装盘8与底盘6之间留有2~2.5cm螺母安装间隙,同时,每个零件支撑座4上的冷却气体保护罩5的上端面与位于其上方的安装盘8的距离为2~2.5cm。考虑到真空固溶设备的空间以及冷却速率,本实施例中相邻安装盘之间高度为6cm。设置安装间隙便于安装,比如手动拧螺母进行固定。安装盘8设置在支撑杆7的方式也可以是多种,比如焊接成型或者是安装盘8套装在支承杆7上,或其他方式。本实施例中安装盘8为套装在支撑杆7上,相邻盘之间通过多个隔离筒9进行隔离支撑,位于最下方安装盘8与底盘6之间的隔离筒9的高度与最下方安装盘8与底盘6之间高度相适配,位于相邻安装盘8之间的隔离筒9的高度与相邻安装盘8之间高度相适配,隔离筒9的结构,如图11所示,为圆筒结构;每个安装盘8上分别设置有与四个支承杆7相适配的安装孔81,隔离筒9的外径大于安装孔81直径;安装盘8通过安装孔81套装在四个支承杆7上。将四个支撑杆7安装在底盘6上后,在四个支撑杆7上分别套装四个对应高度的隔离筒9,隔离筒9的高度满足最下方安装盘8与底盘6之间留有2~2.5cm安装间隙;再将一个安装盘8套装在四个支撑杆7上,随后将对应高度的四个隔离筒9分别套装在四个支撑杆7上,再套装另一个安装盘8,按此操作,依次将七个安装盘8套装完毕,相邻安装盘8之间通过隔离筒9隔离支撑,支撑杆7上部外侧设置有外螺纹71,最上方的安装盘8安装完后,将螺母拧入支撑杆7上端外螺纹71上进行固定,形成带有七层的环形架。
每个安装盘8上设置多个零件支撑座4,本实施例中零件支撑座4数量为三十六个,其他实施例中数量可根据需要设置,每个安装盘8上相邻零件支撑座4之间留有间隙。如图12所示,安装盘8为与底盘6类似结构的圆盘,本实施中每个安装盘8上的零件支撑座4均匀对称设置,七个安装盘8上的零件支撑座4数量一致,每个安装盘8上可安装三十六个零件支撑座4。零件支撑座4的安装杆42下端固定安装在安装盘8上端面上,不同实施例安装方式可不同,本实施例中,安装杆42的下部外侧设置台阶421,位于台阶421上方的部分为宽段,位于台阶421下方的部分为窄段,且窄段外侧设置外螺纹;安装盘8上设置与零件支撑座安装杆42的窄段相适配的支撑座孔82,支撑座孔82为Φ5孔,零件支撑座4的窄段穿入到支撑座孔82内并从安装盘8底部穿出,通过拧入螺母将零件支撑座4固定在安装盘8上且安装杆42的宽段位于安装盘上侧。
由于挠性接头组件使用的材料为弹性合金3J33,弹性合金3J33固溶温度为820℃,温度较高,并且处于高温环境下,工装材质不仅需要在高温下强度较高,还要防止高温中材料的组织变化,此外,还应避免在高真空环境下,工装材料中饱和蒸汽较低的元素挥发造成炉膛及零件表面受污染,因此,选择1Cr18Ni9Ti作为挠性接头组件中各零件真空固溶处理的专用工装材料,即环形架、零件支撑座4、冷却气体保护罩5和隔离筒9的材质均为1Cr18Ni9Ti。
为了减轻工装重量、方便操作以及降低工装比热容,加快固溶处理的冷却速度,底盘6上还设置有多个减重孔61,多个减重孔61分别与多个沉孔62错位设置。
本发明专用工装可根据不同型号规格的挠性接头组件的内环、外环及弹性夹头零件进行设计,满足所有型号规格挠性接头组件的热处理生产。
使用本发明工装进行效果测试,选取材料为弹性合金3J33的外环作为待固溶处理对象,在本发明专用工装的每一层安装盘上分别放置4个外环试样,进行真空固溶处理,将固溶处理后的零件再进行时效处理,时效处理温度均匀性为±1,处理温度较低且零件组织及处理状态一致,对处理后零件进行洛氏硬度(HRC)值测试,得到的每层洛氏硬度值为4个试样的平均值,将平均值与外环的洛氏硬度(HRC)技术要求值48~52进行比对,结果如表1所示。
表1
从表1中可以看到,使用本发明工装经过真空固溶时效处理后的试样,其洛氏硬度几乎无变化,同一炉次的洛氏硬度跳动量为±1.02%,说明使用该专用工装处理出的挠性接头组件零件,其力学性能及组织的一致性较好。
经过实践验证,使用本发明专用工装进行挠性接头组件零件的真空固溶处理,还具体以下优点:
1)提高了每炉次生产效率,由原先每炉次最大固溶零件数量45件提升至100件,生产效率提高55%。
2)和未使用专用工装数据对比,零件冷却速度提高20~30%,采用圆环形设计有效提高零件在热处理过程中的受热均匀性,使热处理后零件的组织及力学性能一致性得到提高,洛氏硬度差异由6%缩小至3%以内。
3)弥补了目前缺乏挠性接头组件零件真空固溶处理专用工装的空白,使用该工装处理后的零件其力学性能优异,同生产批次零件的性能及尺寸稳定、差异不大于3%(包含测试误差)。
4)使用专用工装后使零件表面质量提升,通过避免零件在热处理过程中磕碰、撞击及表面氧化致使零件报废,显著提高了零件的合格率。
Claims (9)
1.一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:包括环形架、零件支撑座(4)和与零件支撑座(4)对应设置的冷却气体保护罩(5);
所述冷却气体保护罩(5)为下端开口、上端密封的筒状结构;
所述零件支撑座(4)包括盘体(41)和与盘体(41)同轴且固定设置在盘体底部的安装杆(42);
所述安装杆(42)和盘体(41)的中心沿轴向设置贯通定位孔(43);
所述盘体(41)上端面由内至外依次同轴设置有用于放置弹性夹头(3)的第一定位槽(44)、放置内环(1)的第二定位槽(45)和放置外环(2)的第三定位槽(46);所述第一定位槽(44)、第三定位槽(46)底面的尺寸分别与弹性夹头(3)、外环(2)的底面尺寸相适配;所述第二定位槽(45)的底面用于放置挠性头(11)且挠性杆(12)伸入定位孔(43)内;所述盘体(41)上端面位于第三定位槽(46)外侧沿周向设置有环形的凹槽(47),冷却气体保护罩(5)下端嵌入到凹槽(47)内;
所述环形架包括底盘(6)、至少3个支承杆(7)和多个安装盘(8);
所述四个支承杆(7)沿周向均布在底盘(6)上,支承杆(7)的下端与底盘(6)上端固定连接;
所述多个安装盘(8)沿支承杆(7)高度方向平行设置在至少3个支承杆(7)上,且最下方安装盘(8)与底盘(6)之间留有2~2.5cm安装间隙;
每个安装盘(8)上设置有多个零件支撑座(4),相邻零件支撑座(4)之间留有间隙;
所述零件支撑座(4)的安装杆(42)下端与安装盘(8)固定连接;
每个所述零件支撑座(4)上的冷却气体保护罩(5)的上端面与位于其上方的安装盘(8)的距离为2~2.5cm。
2.根据权利要求1所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:
还包括多个隔离筒(9);多个隔离筒(9)的高度分别与最下方安装盘(8)与底盘(6)之间高度,以及相邻安装盘(8)之间高度相适配;
所述多个隔离筒(9)分别对应套装在最下方安装盘(8)与底盘(6)之间以及相邻安装盘(8)之间的支撑杆(7)上;
所述支承杆(7)的上端外侧设置外螺纹(71),下端设有安装头72;
底盘(6)上设置有与至少3个支承杆(7)下端的安装头72相对应的沉孔(62),每个安装盘(8)上分别设置有与至少3个支承杆(7)相适配的安装孔(81),安装盘(8)通过安装孔(81)套装在四个支承杆(7)上,隔离筒(9)的外径大于沉孔(62)及安装孔(81)的直径;支撑杆(7)穿过沉孔(62)、多个隔离筒(9)和多个安装盘(8)后,上端通过拧入螺母压紧在顶部安装盘(8)上方进行固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:
所述冷却气体保护罩(5)的上端中心开设有抽气孔(51)。
4.根据权利要求3所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:
所述安装杆(42)的下部外侧设置台阶(421),位于台阶上方的部分为宽段,位于台阶下方的部分为窄段,且窄段外侧设置外螺纹;
所述安装盘(8)上设置与零件支撑座安装杆(42)的窄段相适配的支撑座孔(82),零件支撑座(4)的窄段穿入到支撑座孔(82)内并从安装盘(8)底部穿出,通过拧入螺母将零件支撑座(4)固定在安装盘(8)上。
5.根据权利要求4所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:
所述环形架、零件支撑座(4)、冷却气体保护罩(5)和隔离筒(9)的材质均为1Cr18Ni9Ti。
6.根据权利要求5所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:所述底盘(6)上设置有多个减重孔(61)。
7.根据权利要求6所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:所述盘体(41)和安装杆(42)一体成型;
所述支撑杆(7)为4个,安装盘(8)有七个。
8.根据权利要求7所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:
每个所述安装盘(8)的多个零件支撑座(4)均匀对称设置。
9.根据权利要求8所述的一种用于挠性接头组件的真空固溶热处理工装,其特征在于:每个所述安装盘(8)上的零件支撑座(4)的数量为三十六个。
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