【发动机曲轴加工工艺分析与设计】发动机曲轴加工工艺

发动机曲轴加工工艺分析与设计

摘 要

曲轴是汽车发动机的关键零件之一,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命.曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率,承受着强大的方向不断变化的弯矩及扭矩，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。发动机曲轴的作用是将活塞的往复直线运动通过连杆转化为旋转运动，从而实现发动机由化学能转变为机械能的输出。

本课题仅175Ⅱ型柴油机曲轴的加工工艺的分析与设计进行探讨。工艺路线的拟定是工艺规程制订中的关键阶段，是工艺规程制订的总体设计。所撰写的工艺路线合理与否，不但影响加工质量和生产率，而且影响到工人、设备、工艺装备及生产场地等的合理利用，从而影响生产成本。

所以，本次设计是在仔细分析曲轴零件加工技术要求及加工精度后，合理确定毛坯类型，经过查阅相关参考书、手册、图表、标准等技术资料，确定各工序的定位基准、机械加工余量、工序尺寸及公差，最终制定出曲轴零件的加工工序卡片。

关键词：发动机，曲轴，工艺分析，工艺设计

目 录

第一章 概述 1

第二章 确定曲轴的加工工艺过程 3

2.1曲轴的作用 3

2.2曲轴的结构及其特点 3

2.3曲轴的主要技术要求分析 4

2.4曲轴的材料和毛坯的确定 4

2.5曲轴的机械加工工艺过程 4

2.6曲轴的机械加工工艺路线 5

第三章 曲轴的机械加工工艺过程分析 6

3. 1曲轴的机械加工工艺特点 6

3. 2曲轴的机械加工工艺特点分析 7

3. 3曲轴主要加工工序分析…………………………………………………… 8

3.3.1铣曲轴两端面,钻中心孔………………………………………………8

3.3.2曲轴主轴颈的车削…………………………………………………… 8

3.3.3曲轴连杆轴颈的车削………………………………………………… 8

3.3.4键槽加工……………………………………………………………… 9

3.3.5轴颈的磨削…………………………………………………………… 9

第四章 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定 9

4.1曲轴主要加工表面的工序安排 9

4.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定 10

4.2.1主轴颈工序尺寸及公差的确定 10

4.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差的确定 10

4.2.3φ22 -00.12外圆工序尺寸及公差的确定 10

4.2.4φ20 0-0.021外圆工序尺寸及公差的确定 11

4.3 确定工时定额 11

4.4 曲轴机械加工工艺过程卡片的制订 12

谢 辞 13

参考文献 14

附 录 15

第一章 概述

曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。发动机工作过程就是：活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。而曲轴加工的好坏将直接影响着发动机整体性能的表现。

发动机机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖等零件组成。

（1）气缸体

水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。

（2）曲轴箱

气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。

（3）气缸盖

气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。 而作为发动机上的一个重要的旋转机件——曲轴，其加工方法仍有一般轴的加工规律，如铣两端面，钻中心孔，车、磨及抛光，但是曲轴也是有它的特点，它由主轴颈，连杆轴颈与连杆轴颈之间的连接板组成，其结构细长、曲拐多、刚性差，因而安排曲轴加工工艺应采取相应的工艺措施。

在曲轴的机械加工中，采用新技术和提高自动化程度都不断取得进展。目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。现在加工曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣，全部采用干式切削。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。

当然，目前国际上还有更加先进的曲轴加工工艺和机床设备，只钻一对质量中心孔，选用日本的Mazak五轴联动的数控机床进行一系列的加工。类似这样的新技术，目前国内汽车发动机曲轴的加工还处于研究阶段，从经济效益和加工难度上考虑这是显而易见的。但是对于新技术、新工艺的追求是不会止步的，这就需要我们当代的青年和科技工作者的不断努力。

第二章 确定曲轴的加工工艺过程

2.1曲轴的作用

曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱

动配气机构和其它辅助装置。

曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

2.2曲轴的结构及其特点

图2-1 曲轴的结构图

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。

主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。

连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。

曲轴前端装有齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。

2.3曲轴的主要技术要求分析

1.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级IT6，表面粗糙度Ra值为1.25～0.63μm。轴颈长度公差等级为IT9～IT10。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。

2.位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为100mm之内不大于0.02mm；曲轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为0.025mm，中大型低速曲轴为0.03～0.08mm。

3.各连杆轴颈的位置度不大于±20′。

2.4曲轴的材料和毛坯的确定

曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易门生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求用材应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。常用材料有：一般曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁QT600-2；对于高速、重载曲轴，可采用40Cr、42Mn2V等材料。本课题采用球墨铸铁QT600-2.

曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。批量较大的小型曲轴，采用模锻；单件小批的中大型曲轴，采用自由锻造；而对于球墨铸铁材料则采用铸造毛坯。

2.5曲轴的机械加工工艺过程

曲轴的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比较差，容易产生变形，这就给曲轴的机械加工带来了很多困难，必须予以充分的重视。

曲轴需要加工的表面有：主轴颈、连杆轴颈、键槽、φ22的外圆。由于使用了工艺搭子，铣键槽安排在切除工艺搭子后，磨削外圆安排在保留工艺搭子前。

根据曲轴的结构特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：铣两端面；车工艺搭子和钻中心孔；粗、精车三连杆轴颈；粗、精车各处外圆；精磨连杆轴颈、主轴颈和φ20、φ22外圆；切除工艺搭子、车端面、铣键槽等。

2.6曲轴机械加工工艺路线

在进行大量的工艺分析之后，制定出大批大量生产曲轴的加工工艺路线：

（1） 锻造

（2） 热处理

（3） 铣两端面

（4） 车两端工艺搭子外圆

（5） 钻主轴颈中心孔

（6） 钻连杆轴颈中心孔

（7） 检验

（8） 粗车三个连杆轴颈

（9） 精车三个连杆轴颈

（10） 车工艺搭子两端面

（11） 粗车各处外圆

（12） 精车各处外圆

（13） 检验

（14） 磨削连杆轴颈外圆

（15） 磨削两主轴颈

（16） 磨削φ22-00.12mm外圆

（17） 磨削φ20 0 -00.021mm外圆

（18） 检验

（19） 车掉两端工艺搭子

（20） 车两端面

（21） 铣键槽

（22） 倒角

（23） 去毛刺

（24） 最后检验

第三章 曲轴的机械加工工艺过程分析

3. 1曲轴的机械加工工艺特点

三拐曲轴除了具有轴的一般加工规律外，也有它的工艺特点，主要包括形状复杂，刚性差及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下：

1、形状复杂

曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，偏心距有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块，因此在工艺设计中应解决以下几点问题：a.设计加工连杆轴颈的偏心夹具，即连杆轴颈与机床主轴重合，并使夹具能回转180度，加工另一连杆轴颈。b.为消除加工时的不平衡力的产生，设计夹具时应精确设计平衡重。

2、刚性差

因本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力及自重的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，特别在单边传动的机床上加工更为严重，在工艺设计中应解决以下问题：

（1）：粗加工时由于切削余量大，切削力也较大，可用中间托架来增强刚性，减小变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度。

（2）：在加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。

（3）：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序，逐步提高精度。

（4）：在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。

3、技术要求高

曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。因而总的工艺路线较长，精加工占有相当比例。 加工时应要解决以下问题：

A：正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。

B：粗基准选择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。 C：精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新修磨中心孔，避免精加工时因中心孔磨损引起加工误差。也可一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚度。

D：曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。

3. 2曲轴的机械加工工艺特点分析

1)该零件是三拐小型曲轴，生产批量不大，故选用中心孔定位，它是辅助基准，装夹方便，节省找正时间，又能保证三处连杆

轴颈的位置精度。但轴两端的轴颈分别是20mm和φ25mm，而三处连杆轴颈中心距分布在φ32mm的圆周上，故不能直接在轴端面上钻三对中心孔。于是，在曲轴毛坯制造时，预先铸造两端φ45mm的工艺搭子，这样就可以在工艺搭子上钻出四对中心孔，达到用中心孔定位的目的。

2）在工艺搭子端面上钻四对中心孔，先以两主轴颈为粗基准，钻好主轴颈的一对中心孔；然后以这一对中心孔定位，以连杆轴颈为粗基准划线，再将曲轴放到回转工作台上，加工φ32mm、圆周120°均布的三个连杆轴颈的中心孔，这样就保证了它们之间的位置精度。

3）该零件刚性较差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是，先加工三个连杆轴颈，然后再加工主轴颈及其他各处的外圆，这样安排可以避免一开始就降低工件刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴加工精度。

4）由于使用了工艺搭子，铣键槽工序安排在切除中心孔后进行，故磨外圆工序必须提前在还保留工艺搭子中心孔时进行，同时要注意防止已磨好的表面被碰伤。

3. 3曲轴主要加工工序分析

3.3.1铣曲轴两端面,钻中心孔

本工序在钻铣车组合车床上完成，主要保证曲轴总长及中心孔的质量，若端面不平则中心钻上的两切削刃的受力不均，钻头可能引偏而折断，因此采用先面后孔的原则。中心孔除影响曲轴质量分布外，它还是曲轴加工的重要基准贯穿整个曲轴加工始终。因而直接影响曲轴加工精度。打中心孔在本次工艺设计中因考虑设备因素，采用找出曲轴的几何中心代替质量中心。打中心孔以毛坯的外表面作为基准，因而毛坯外表面质量好坏直接影响孔的位置误差。

3.3.2曲轴主轴颈的车削

由于曲轴年产量不大，主轴颈加工采用车削，在刚度较强的普通车床上进行。曲轴安装在前、后顶尖上线一端用大盘夹住而另一端用顶尖顶住，用硬质合金车几道工序上完成主轴颈的车削。由于加工余大且不均匀，旋转不平衡，加工时产生冲击，因此工件要夹牢固。车床、刀具、夹具要有足够的刚性。主轴颈车削顺序是先精车一端主轴颈及轴肩，然后以车好的主轴颈定位。另一侧用顶尖以中心孔定位。车另一端主轴颈、肩及各个轴颈，半精度及精车都按此顺序进行，逐渐提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。

3.3.3曲轴连杆轴颈的车削

主轴颈及其它外圆车好后，以主轴颈作为加工连杆轴颈的基准，采用专用的车夹具、车削连杆轴颈，车削同样在普通车床上进行。车削连杆轴颈需要解决的是角度定位（两连杆轴颈轴线需要控制在180度+30度或180度—30度）以及曲轴旋转的不平衡问题。这些都由专用夹具来保证，夹具体为一对用以定位的V型块组成，装在接盘上。接盘与车床过渡接盘靠中间的定位销定位并连接，接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180度，依次车削两个连杆轴颈。V型块中心与车床主轴线距离一个曲轴半径。车削过程中，一端与曲轴主轴颈定位并夹紧，另一端靠偏中心座夹紧，中心座上钻有中心孔，中心孔偏心距同样为一个曲轴半径。用顶尖顶紧中心孔，这样就能保证连杆轴颈轴线与车床主轴线一致。安装夹具体的接盘上有平衡块，消除曲轴旋转时不平衡力矩的生。曲轴加工时由于受到离心力和两顶尖的轴向压紧偏心力的作用，容易发生弯曲变形，为了加强工件刚度，用撑杆来撑住另一个曲拐的开移。车削连杆轴颈时为了使切削力不致于太大，每次车削余量控制在1~1.5mm内，同时车床旋转不能太高，刀具采用高速钢。

3.3.4键槽加工

这个键槽主要用于飞轮，加工此键槽应安排在主轴颈精车工序之后，这样能保证定位精度及控制键槽的深度以及对称度。键槽加工是以两主轴颈定位，同样用专用夹具在普通铣床上进行。

3.3.5轴颈的磨削

由于主轴颈及连杆轴颈精度较高，尺寸精度为IT6级，表面粗糙度1.6~0.8μm，并且具有较高的形状精度及位置精度。因此主轴颈与连杆轴颈精车后要进行磨削，以提高精度表面粗糙度。

在工艺设计中，首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。中间主轴颈磨好后才能磨其余轴颈，磨主轴颈和连杆轴颈的安装方法基本上与车轴颈相同，磨主轴颈是以中心孔定位，在外圆磨床上进行，磨连杆轴颈则以经过精磨的两端主轴颈定位，以保证与主轴颈的轴线距离及平行度要求，磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行的。

由于轴颈宽度不大，采用横向进给磨削法，生产率较高，磨轮的外形需仔细地修整，因为直接影响轴颈与圆角的形状，磨削余

量根据车削后的精度而定，粗磨余量值每边0.2~0.3mm，精磨余量控制在0.1~0.15 mm内。

在横向进给磨削中，磨轮对工件的压力很大，为避免曲轴弯曲，采用可以调节的中心架，否则就不能去掉上道工序留下的弯曲度，最好待这个轴颈的摆差减小才开始使用中心架。

磨削主轴颈时应把两顶尖孔倒角处抹干净，去砂粒及油泥，确保加工基准——中心孔的精度，磨削工序之前必须修研中心孔。

第四章 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定

4.1曲轴主要加工表面的工序安排

曲轴的主要加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各外圆；次要加工表面为两端面、键槽。此外，还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。

连杆各主要表面的工序安排如下：

（1）、主轴颈：粗车、精车、磨削；

（2）、连杆轴颈：粗车、精车、磨削；

（3）、φ220-0.12mm外圆：粗车、精车、磨削；

（3）、φ200-0.021mm外圆：粗车、精车、磨削;

4.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定

4.2.1主轴颈工序尺寸及公差的确定

表4-1:曲轴主轴颈的工序及公差

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差

铸造 φ30±1

粗车 3.2mm IT11 φ26.80-0.13

精车 1.3mm IT8 φ25.50-0.033

磨削 0.5mm IT6 φ25+0.021 +0.008

4.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差的确定

表4-2:曲轴连杆轴颈的工序及公差

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差

铸造 φ28±1

粗车 2.2mm IT10 φ25.80-0.084

精车 1.3mm IT8 φ24.50-0.033

磨削 0.5mm IT8 φ24-0.020 -0.053

4.2.3φ22 -00.12 mm外圆工序尺寸及公差的确定

表4-3:曲轴φ220-0.12mm外圆的工序及公差

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差

铸造 φ28±1

粗车 3.5mm IT11 φ24.50-0.13

精车 2mm IT8 φ22.50-0.033

磨削 0.5mm IT11 φ220-0.12

4.2.4φ20 -0 0.021mm外圆工序尺寸及公差的确定

表4-4:曲轴φ20-0 0.021mm外圆的工序及公差

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸及公差

铸造 φ26±1

粗车 3.5mm IT11 φ22.50-0.13

精车 2mm IT8 φ20.50-0.033

磨削 0.5mm IT7 φ20-0 0.021

4.3确定工时定额

工序 8 ：粗车三个连杆轴颈至φ25.80-0.084。选用机床：CA6140卧式车床。

1) 被吃刀量 ：取 =1mm，

2) 进给量f：取 。

3) 机床主轴转速: 取n=600r/min

4) 切削速度：

5) 计算切削工时：被切削层长度 =3×22=66mm

，因为粗车走刀两次，故tm=0.44min

工序 9 ：精车三个连杆轴颈至φ24.50-0.033。选用机床：CA6140卧式车床

1) 被吃刀量 ：取 =0.65mm，

2) 进给量f：取f=0.3mm/r

3) 机床主轴转速: 取n=800r/min

4) 切削速度：

5) 计算切削工时：被切削层长度 =3×22=66mm

，因为粗车走刀两次，故tm=0.55min

4.4 连杆机械加工工艺过程卡片的制订

制订机械加工工艺规程的最后一项工作就是填写工艺卡片，它主要包括发动机曲轴的工序顺序及内容的填写、工序简略的绘制、合理选择各工序所用机床设备的名称与型号、工艺装备（即刀具、夹具、量具等）的名称与型号。

见附录：

参考文献

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[15]

附 录

各工序简图编排：

机械加工工艺过程综合卡片 产品名称 零件名称 材 料

某 柴 油 机 厂 175Ⅱ型柴油机 曲 轴 球墨铸铁QT600-2 序号 工序名称 技术条件及检查要求 工 序 简 图 设备 1 铸造 按曲轴铸造工艺进行

2 热处理 正火

3 铣两端面 总长为265mm 铣床

4 车两端工艺搭子外圆 直径φ45mm 车床

5 钻主轴颈中心孔 车床

6 钻连杆轴颈中心孔 正对连杆中心

7 检验

8 粗车三个连杆轴颈 留余量2.6mm 车床

9

精车三个连杆轴颈 留余量0.5mm 车床

10 车工艺搭子两端面 车床

11 粗车各处外圆 留余量2mm 车床

12 精车各处外圆 留余量0.5mm 车床

13 检验

14 磨削连杆轴颈外圆 φ24-0.020 -0.053mm 外圆磨床 15 磨削两主轴颈 φ25+0.021 +0.008mm 外圆磨床 16 磨削 φ22 -00.12mm外圆 外圆磨床

17 磨削 φ20 -0 0.021mm外圆 外圆磨床

18 检验

19 车掉两端工艺搭子 长度为215mm以上 车床 20 车两端面 表面粗糙度Ra=10 车床

21 铣键槽 铣床

22 倒角 为1mm 车床

23 去毛刺

24 最后检验