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机械制造装备设计复习资料
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机械制造装备设计复习资料2013级
第一章机械制造及装备设计方法
1.机械制造装备与其它工业装备相比，特别强调应满足哪些要求，为什么？
P5
答：
除了一般的功能要求外，应强调柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节材节能、符合工业工程和绿色工程的要求。
2.对机械制造装备如何进行分类？
P7－P12
答：
大致可以划分为：
加工装备、工艺装备、仓储输送装备和辅助装备四大类。
①加工装备：
金属切削机床、特种加工机床、快速成形机床、锻压机床、塑料注塑机等；
②工艺装备：
刀具、模具、夹具、量具等；
③仓储输送装备：
仓储、物料输送装置和机床上下料装置；
④辅助装备：
清洗机和排屑装置。
3.哪些产品宜采用系列化设计方法，为什么？
有哪些优点？
P21
答：
产品及原因：
例如车床、摇臂钻床、铣床等，在加工尺寸、加工件的机构和材料。
精度要求等方面的要求是相差很多的，不可能用单一规格的产品去满足市场的需求。
为了缩短产品的设计、制造周期，降低成本，保证和提高产品的质量，在产品设计中应遵循系列化设计的方法，以提高系列产品中零部件的通用化和标准化程度。
系列化设计的优点有：
1、可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求；
2、可大大减少设计工作量，提高设计质量；
3、产品有较高的结构相似性和零件的通用性；
4、零备件的种类少，系列中的产品结构相似便于进行产品的维修，改善售后服务质量。
5、为开展变形设计提供技术基础。
系列化设计的缺点：
为以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，用户只能在系列型普内有限的品种规格中选择所需的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另一方面有些功能还不能冗余。
4.系列化设计时主参数系列公比的选取原则是什么？
公比选得过大或过小会带来哪些问题？
P22
答：
选取原则产品的主参数应尽可能采用优先数系。
主参数系列公比如选得较小，则分级较密，有利于用户选到满意的产品，但系列内产品的规格品种较多，系列化设计的许多优点得不到充分利用；反之，则分级较粗，系列内产品的规格品种较少，可带来系列化设计的许多优点，但为了以较少的品种满足较大使用范围内的需求，系列内每个品种产品应具有较大的通用性，导致结构相对复杂，成本会有待提高，对用户来说较难选到称心如意的产品。
5.哪些产品宜采用模块化设计方法，为什么？
有哪些优点？
P23－P24
答：
1.方式批量大；
2.或是大多数功能段需要用到的部件；
3.结构大都相同或相似的产品
以上三类产品宜模块化设计：
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优缺点：
1.不会出现相同或相似结构的产品在不同设备以及不同时间段上不一致；
2.减少重复设计；
3.可以批量生产或提前库存，缩短交货期；
4.模块化后产品可以不断升级，不断优化设计以及加工人员的对产品的认识；
5.形成模块化后的产品，可以设计标准化、工艺标准化、历程标准化、加工工装刀具标准化、供应商以及外协方标准化。
6.缺点，对于部分产品，如小型产品或低端产品成本会增加；
第二章金属切削机床设计
1.机床设计应满足哪些基本要求，其理由是什么？
P49
答：
（1）工艺范围
（2）柔性:
机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性（功能柔性）和时间上的柔性（结构柔性）。
（3）与物流系统的可接近性:
可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑）流动的方便程度。
（4）刚度:
加工过程中，在切削力作用下，抵抗刀具相对与工件在影响加工精度方向变形的能力，包括静刚度、动刚度、热刚度。
（5）精度:
机床的精度主要是指机床的几何精度和工作精度。
（6）噪声（7）成产率和自动化（8）成本（9）生产周期（10）可靠性（11）造型与色彩
2.机床系列型谱的含义是什么？
P67
答：
每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类机床的系列和型谱。
3.机床的基本工作原理是什么？
P53
答：
通过刀具与工件之单位相对运动，刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。
4.工件表面的形成原理是什么？
P54
答：
任何一个表面都可以看做是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。
这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。
5.工件表面发生线的形成方法有哪些？
P54
答：
工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动面形成的。
有如下4种方法：
1、轨迹法（描述法）
2、成形法（仿形法）
3、相切法（旋切法）
4、展成法（滚切法）
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6.分析图2-14所示各种机床的运动原理图，说明各个运动的所属类型、作用及工件加工表面的形成方法。
P58掌握abcde
答：
图2-4a是车床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf和Xf为进给运动。
对于一般的车床，Cp仅为主运动；对于有螺纹加工功能或有加工非圆回转面（如椭圆面）功能的数控车床，则Cp一方面为主运动，另一方面Cp可与Zf组成复合运动进行螺纹加工，或Cp可与Xf组成复合运动进行非圆回转面加工，称这类数控车床具有C轴功能。
图2-4b是铣床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Xf、Yf和Zf为进给运动。
图2-4c是平面刨床的运动原理图，往复直线运动Xp为主运动；直线运动Yf为进给运动；直线运动Za为切入运动。
图2-4d是数控外圆磨床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf、直线运动Zf和Xf为进给运动；回转运动Ba为砂轮的调整运动。
当Xf和Zf组成复合运动时，用碟形砂轮可磨削长圆锥面或任意形状的回转表面；Cf和Zf组成复合运动时，可进行螺旋面磨削。
在进行长轴纵向进给磨削时，Xf应改为Xa，为切入运动，但在进行横向进给磨削端面时，Xf为横向进给运动，Zf应改为Za，为切入运动。
若一个运动既可为进给运动又可为非成形运动，则用进给运动符号表示。
图2-4e是摇臂钻床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为进给运动；回转运动Ca、直线运动Za及Xa为调整运动，用来调整刀具与工件的相对位置。
7.机床的传动原理图如何表示？
它与机床运动原理图的区别是什么？
P61
答：
机床的运动原理图只表示运动的个数、形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的
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传动关系。
若将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图。
8.机床运动分配式的含义是什么？
P60
答：
运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用符号“.”表示。
符号“.”左侧的运动由工件完成，右侧的运动的刀具完成。
机床的运动功能式中添加上接地符号“.”后，称之为运动分配式。
9.某车床的主轴转速为n＝40～1800r/min，公比＝1.41，电动机的转速n电＝1440r/min，试拟定结构式，转速图。
详见例题。
解：
该主轴的变速范围为:
根据变速范围、公比可求变速的级数
拟定结构式。
根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的原则确定
查表可获得12级转速为40、56、80、112、160、224、315、450、630、900、1250、1800
作转速图如下：
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10.试从ψ＝1.26，z＝18级变速机构的各种传动方案中选出其最佳方案，并写出结构式，画出转速图。
详见例题。
解：
根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的的原则确定：
P108
11.试述进给传动与主传动相比较，有那些不同的特点？
答：
1、进给传动是恒转矩传动；2、进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速；3、进给传动的转速图为前疏后密结构；、进给传动系用传动间隙消除机构；45、进给传动系变速组的变速范围可取比主变速组较大的值；6、快速控制传动，微量进给机构的采用。
微量进给机构的采用7.
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12.试述滚珠丝杠螺母机构的特点，其支承方式有哪几种？
P115
答：
摩擦系数小，传动效率高。
滚珠丝杠的支承方式有三种：
①一端固定，另一端自由
②一端固定，另一端简支承
③两端固定
13.机床的成形运动可分为主运动和进给运动。
P56
第三章典型部件设计
1.主轴部件应满足那些基本要求？
P131
答：
1、旋转精度2、刚度3、抗震性4、温升和热变形5、精度保持性
2.主轴轴向定位方式有那几种？
各有什么特点？
适用场合P134
答：
（1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；
特点：
在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：
用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；
特点：
发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：
用于普通精度机床、立铣、多刀车床。
（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；
特点：
这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀；适用范围：
用于短主轴，如组合机床。
（4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；
特点：
此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。
3.试分析图3－114（P205）中，所示三种主轴轴承的配置型式的特点和适用场合。
答：
（1）46000为圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承承受轴向负荷的能力取决于接触角，即外圈滚道角度，角度越大，轴向负荷能力也越大；3182100是双列向心圆柱滚子轴承，这种轴承承载能力大，摩擦系数小，温升低，但不能承受轴向力。
这种配置方式主要在后面的轴
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承承受轴向力，因此相当于后端配置，这种配置的特点是发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围是用于普通精度机床、立铣、多刀车床。
（2）这种配置方式主要在前段的轴承承受轴向力，因此这种轴承配置相当于前端配置；这种配置的特点是在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合是用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
（3）2268000是双向推力向心球轴承，因此这种配置相当于中间配置，这种配置的特点是两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧，此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。
4.支承件常用的材料有哪些？
P155
答：
1）铸铁；特点：
复杂结构的支承件，阻尼系数大，成本低，制造周期长，易产生缩孔、气泡等缺陷
2）钢板和型钢；特点：
制造周期短，支承件可制成封闭结构，刚性好，便于产品更新和结构改进，固有频率比铸铁高，易产生高频振动，抗振性差。
3）预应力钢筋混凝土；特点：
主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。
预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。
缺点：
脆性大、耐腐蚀性差、应进行表面防护（防渗）
4）天然花岗岩；优点：
性能稳定，精度保持性好，抗振性好，阻尼系数比钢大15倍，耐磨性比铸铁高5～6倍，导热系数和线胀系数小（热稳定性好），抗氧化性强，不导电、抗磁
缺点：
结晶颗粒粗、抗冲击性能差、脆性大、油和水等液体作用下表面易变形，难于制作复杂零件。
5）树脂混凝土；特点：
刚度高；具有良好的阻尼性能抗振性好；热容量大，热传导率低
缺点：
某些力学性能低
5.根据什么原则选择支承件的截面形状，如何布置支承件上的筋板和筋条？
P152
答：
支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。
静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。
支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。
比较后可知：
①空心截面的刚度都比实心的大。
②圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。
③封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。
筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。
布置方式：
水平、垂直、斜向。
一般将筋条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。
筋条的布置：
纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。
补充：
（筋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度筋板的布置取决于支承件的受力变形方向，其中，水平市置的筋板有助于提高支承件水平面内弯曲刚度；垂直放置的筋板有助于提高支承件垂直面内的弯曲刚度；而斜向筋板能同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。
筋条配置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的
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局部刚度。
筋条可以纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列，如井字形、米字形等。
必须使肋条位于壁板的弯曲平面内，才能有效地烕少壁板的弯曲变形。
筋条厚度一般是床身壁厚的3.7?
0.8倍。
）
6.提高支承件结构刚度和动态性能有哪些措施？
P158
答：
1.根据支承件的受力情况合理的选择材料、截面形状、尺寸、壁厚。
合理的布置肋条和肋板。
2.提高阻尼特性、采用新材料制造支承件。
7.镶条和压板有什麽作用？
P164
答：
调整导轨间隙。
压板用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩；
鑲条调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。
8.导轨的卸荷方式有那几种？
P167
答：
1）机械卸荷导轨；特点：
机械卸荷方式的卸荷力不能随外载荷的变化而调节。
2）液压卸荷导轨；特点：
与静压导轨相比后者的上浮力足以将工作台全部浮起形成纯流体摩擦；而前者的上浮力不足以将工作台全部浮起，难于保持摩擦力恒定。
3）自动调节气压卸荷导轨；特点：
当外载荷有较大变化时，导轨间的接触力和摩擦力只有微小变化，保证运动平稳无爬行。
9.提高导轨耐磨性有那些措施？
P173
答：
1）合理选择导轨的材料和热处理2）导轨的预紧
3）导轨的良好润滑和可靠防护4）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后能补偿
10.何谓端面齿盘定位？
有何特点？
P181
答：
端面齿盘定位又称端齿盘定位，端齿盘定位由两个相同的端面齿盘相啮合而成，由于啮合时各个齿的误差相互补偿，起着误差均化的作用，定位精度高。
齿盘的齿形角一般有2α等于90°和60°两种。
齿盘的齿数z的选择应根据所要求的分度数以及齿盘外径D的大小来确定。
一般齿盘外径均在100~800mm之间，且参数z、齿形角α、外径D、定位基准孔径d、重合度均已标准化。
11.加工中心上刀库的类型有哪些？
P184
答：
加工中心上刀库类型有：
鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直线式刀库。
12.直线运动导轨的截面形状有哪些？
各有什么特点。
P162－P163
答：
截面形状主要有四种：
矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凸、凹模之分。
①矩形导轨：
承载能力大、刚度高、制造简便、检验和维修方便等优点，但存在侧向间隙，需用镶条调整，导向性差。
②三角形导轨：
可以自动补偿间隙，导向性好。
③燕尾形导轨：
能承受较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便，但其刚性较差，加工、检验、维修都不大方便。
④圆柱形导轨：
制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。
第五章机床夹具设计习题答案
1.机床夹具的组成有那些部分？
P256
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答：
1、定位元件及定位装置：
用于确定工件正确位置的元件或装置；
2、夹紧元件及夹紧装置：
用于固定工件已获得的正确位置的元件或装置；
3、导向及对刀元件：
用于确定工件与刀具的相互位置的元件；
4、动力装置；
5、夹具体：
用于将各元件、装置连接在一块，并通过它将整个夹具安装在机床上；
6、其它元件及装置。
定位、夹紧和夹具体三部分一般是不可或缺的。
2.何谓六点定位原理“何谓定位的正常情况和非正常情况，它们各包括那些方面？
P257
答：
六点定位原理：
采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度使工件实现完全定位。
正常情况：
根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制，称定位的正常情况。
正常情况分为：
a完全定位六个自由度全部被限制
b不完全定位少于六个自由度被限制
非正常情况：
根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，或某个自由度被两个或两个以上的约束重负限制，称为非正常情况
非正常情况分为：
a.欠定位需要限制的自由度没有完全被限制
b.过定位某个自由度被两个或两个以上的约束重负限制
3.试分析图5－7中a、c方案为什么属过定位？
如何改进的？
尚存在什麽问题？
P261
答：
a）：
工件下底面有俩个短圆柱销台阶面支撑，为平面约束，限制3个自由度，而每个短圆柱销插入工件孔内，限制了2个自由度，因此共限制了7个自由度，超出了6个，即y方向的移动自由度被重复限制了，因此属于过定位。
C）：
工件左端由销的又台阶端面定位，此端面限制了3个自由度，而销的长径比已超过1，属于长销，它限制了4个自由度，共限制了7个自由度，还有转动的自由度没有被限制。
所以实际上x和z都被重复限制，此方案属于过定位。
4.何谓定位误差？
定位误差是由那些因素引起的？
第269页
答：
定位误差：
指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差，它是加
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工误差的一部分。
产生定位误差的原因：
1、基准不重合带来的定位误差；
2、间隙引起的定位误差；
3、与夹具有关的因素产生的定位误差。
5.夹紧与定位有何区别？
第272页
答：
定位是确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程。
夹紧是工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。
6.使用夹具来加工工件时，产生加工误差的因素有那些方面？
它们与零件的公差有何关系？
第293页
答：
原因：
1、工件在夹具中的安装误差，它包括定位误差、夹紧误差；
2、夹具在机床上对定误差，指夹具相对于刀具或相对于机床成形运动的位置误差。
（夹具带着工件安装在机床上，相对机床主轴（或刀具）或运动导轨的位置误差——对定误差）
3、加工过程中的误差，如机床几何精度，工艺系统的受力，热变形、切削振动等原因引起的误差。
公差是允许零件的尺寸、几何形状和相对位置等的最大的变动量，对于不同零件而言，都有其固定的公差值，所以，产生加工误差的因素对于公差值没有影响。
7.定位原理分析题。
参考第298页习题12。
12.图5－77中图a夹具用于在三通管中心O处加工一孔，应保证孔轴线与管轴线ox、oz垂直相交；图b为车床夹具，应保证外圆与内孔同轴；图c为车阶梯轴；图d在圆盘零件上钻孔，应保证孔与外圆同轴；图e用于钻铰连杆小头孔，应保证大、小头孔的中心距精度和两孔的平行度。
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V四个自由度，左边、y、y、xV答：
a）：
上下两个短行程一个长V型定位，限制了xz、两个自由度，实现了完全定位，无欠定位和过定位。
型限制了zxy三个自由度，内孔圆柱长径比小，可看做短销，限制了z、x、b）：
台阶端面限制了可以不限制，属于定位正常未被限制，属于不完全定位。
加工外圆时z两个自由度，z、y情况。
则它们位置精度较高做顶尖：
若工件左端的外圆和中心孔是一次安装下加工出来的，C）可不被限z、y两个自由度，、x、yz三个自由度，右顶尖是移动顶尖，它限制了x限制了若此时三爪卡盘是夹紧工件并传递运动和动力。
制是属于不完全定位，是定位的正常情况。
、工件左端中心孔和外圆不同轴，存在较大误差，则中心孔与三爪卡盘同时有定位作用，x存在过定位。
yx、型铁定位，三个自由度，左边用固定V限制了zd）：
工件低用平面定位限制了、x、y不需要限制。
此方自由度，在圆板上钻孔，z两个自由度，右边是移动V型铁，限制了yy个自由度，属不完全定位，5yV型铁对中性很高，则不构成过定位，共限制了案中若左右型铁对中性不好，则有过定位。
是定位的正常情况。
若两V个自由度，左端孔用短销定位，限制了y3x、e）：
工件底面用定位板定位，限制了z、重复属于x，x与短销限制了、两个自由度，右端外圆用固定x、yV型铁定位，限制了xy所以此方案属于过定位，是有效的。
实际上是与短销配合限制了yz，限制的此外过定位，V在凸台除设置一挡销未限改为在小头外圆上边或下边添加一工艺凸台，V可去掉右端型铁，
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制z与原有底面定位板（z、x、y）和左边短销（x、y）组成定位方案，共同限制了6个自由度，实现完全定位。
8定位误差分析计算题。
参考第299页习题14题15题17题
0，及对称度。
现有三种定mm所示零件上铣键槽，要求保证尺寸－79a54在图14.5140.-mm，其余参数0.02所示。
已知内、外圆的同轴度误差为和、－位方案，分别如图579bcd见图示。
试计算三种方案的定位误差，并从中选出最优方案。
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解：
，A0.03mm的设计基准是内孔铣键槽有三项要求，宽16mm可由刀具保证；对称度00.03?
32φ60φ0mmmm54下母线，主要验算这两项的定深度mm设计基准是外圆00.1?
140.?
位误差。
V型铁定位：
图5-79b）中是外圆用型铁的对称中心，则产生键型铁的对称性，设对刀具时刀具中截面对准了V）由于V10.02φ因此会产生槽对孔中心的对称度误差，仅是内孔与外圆的同轴度误差mm,=0.01mm△对称，键槽深度的定位误差可直接按公式计算，参见2）p289?
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所以：
该方案的定位误差收合格的。
0.01?
32φmm:
）中是内孔用图5-79c心轴定位0.03?
在自重作用下孔中心与心轴中心自然在同一个虽然心轴与孔有间隙，1）心轴水平放置，
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垂直面内，若无对刀误差，则△=0
对称2）如图c所示；分析：
定位误差为下母线在L方向上的最大变动量。
夹具制造后，对刀块（槽底）与心轴中心距离L不会变动，所以不会影响L的变动。
影响L变动的是心轴1中心到外圆下母线这一段L,其原因有心轴与孔的配合间隙；内孔中心到外圆中心的同轴度；2以及外圆半径。
L的情况下间隙最大，孔中心下移最大；外圆中心在孔中心下方；以及外圆半径最大时：
2max0.03?
0.03?
0.01?
30?
30.04mmL?
2max2L的情况下，孔中心下移最小；外圆中心在孔中心上方；以及外圆半径最小时：
2min0?
0.01?
0.01?
30?
0.05L?
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30?
0.055mm
2min2CL?
L?
L?
0.095所以2min2
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