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柴油机连杆的设计分析与制造
现代制造技术
柴油机连杆的设计、分析与制造
所属院系:
机械工程学院
第一章绪论
1.1柔性制造产生的背景
随着科学技术的发展,人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高,越来越多样化,产品的生命周期越来越短,产品的复杂程度也不断增高。
传统的大规模集成化生产由于初期投入成本高,产品设计、生产周期长,产品单一,对市场需求反应速度慢,响应滞后,已经越来越难以满足市场消费需求,也越来越难以满足机械零件的加工精度和加工方式的需求。
急需要一种更能适应市场变化和零件加工需要的生产制造方式。
针对多品种,小批量、短周期的特点,柔性制造和现代设计方法相结合能够满足现在和未来一段时间的需要。
1.2柔性制造系统发展状况
1952年美国麻省理工学院研制了世界上第一台数控铣床,数控铣床的诞生对传统的加工方式进行了新的变革。
随着计算机技术的发展20世纪70年代初期,计算机和加工设备的结合,在原有的数控系统上增加了一些新的功能。
20世纪70年代末80年代初出现了计算机辅助控制的物料运输,物料管理、刀具管理、刀具运送,计算机网络集成、机械设计、制造辅助软件等设备的出现,柔性制造系统初见雏形。
到20世纪80年代末,随着计算机技术的进一步发展和加工中心诞生,使得柔性制造得到了广泛的运用,先后在日本、德国、美国等制造业发达国家先后出现了无人化自动加工车间。
我国发展与应用FMC、FMS系统均较晚,我国从1984年开始研制FMS,1986年从日本引进第一套FMS。
随着改革开放的不断深化和世界各国的柔性制造技术的不断进步,中国的柔性制造系统也在不断取得成果,由原来单纯的依靠模仿、进口逐渐转变为自主研发为主。
目前,虽然主要的核心部件和一些超高精密的自动化加工中心需要进口,中国柔性制造系统统自主研发已经占到50%以上。
当今世界制造业中都有柔性制造技术的运用,制造业的发展标志着一个国家的工业水平和综合国力。
1.3柔性制造系统的优点
相对于传统的加工柔性制造是一种技术复杂、高度自动化的系统,它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来,理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。
柔性制造的特点是:
适应市场需求,以利于多品种、中小批量生产;为客户提供更加能够满足需求的产品;提高机床利用率,缩短辅助时间,降低成本。
缩短生产周期,减少库存量,提高市场响应能力。
提高自动化水平,提高产品质量,降低劳动强度、改善工作环境。
第二章成组技术
揭示和利用事物间的相似性,按照一定的准则分类成组,同组事物能够采用同一方法进行处理,以便提高效益的技术,称为成组技术。
它已涉及各类工程技术、计算机技术、系统工程、管理科学、心理学、社会学等学科的前沿领域。
日本、美国、苏联和联邦德国等许多国家把成组技术与计算机技术、自动化技术结合起来发展成柔性制造系统,使多品种、中小批量生产实现高度自动化。
全面采用成组技术会从根本上影响企业内部的管理体制和工作方式,提高标准化、专业化和自动化程度。
在机械制造工程中,成组技术是计算机辅助制造的基础,将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统,改变多品种小批量生产方式,以获得最大的经济效益。
成组技术的核心是成组工艺,它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族(组),按零件族制定工艺进行加工,从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。
零件的相似性是广义的,在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性,以基本相似性为基础,在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性,称为二次相似性或派生相似性。
成组工艺实施的步骤为:
①零件分类成组;②制订零件的成组加工工艺;③设计成组工艺装备;④组织成组加工生产线。
2.1成组技术产生的意义
在多品种、中小批量的生产中,不适合采用自动化的专用设备,那样不仅有局限性也会增加成本,一般情况下采用通用机床。
由于机械零件的形状和尺寸不太一样,它们在加工设备上加工时常常需要不同的加工工序,不同的加工工具、不同的装夹条件、不同的准备工作,所以极大地影响了生产效率。
数控机床的产生条件,在多品种、中、小批量生产中显示了一系列优越性。
它具有较大的柔性,能适应不同类似的零件的加工需要,能使多品种、小批量零件的生产基本上实现了工序自动化,具有较高的工序生产效率和稳定的加工质量。
但是数控机床只在单个加工设备上提高了工序生产率,并没有从根本上解决多品种、中、小批量生产方式带来的问题。
如果不利用成组技术的原理与优化数控机床的配置与布置,优化产品零件的加工顺序,生产效率就有会有很大的局限,也不能充分发挥数控机床潜在的加工效率。
2.2成组技术的基本原理
针对连杆类零件的柔性制造车间,其设计的目的是使用于连杆类零件的生产,连杆的形状、样式都是多种多样的,但是连杆还是有很多相似之处的,所以在柔性制造系统的设计中需要应用到成组技术。
成组技术的基本原理植根于事务潜在的相似性,它研究如何识别及发掘生产活动中事务的相似性,并充分利用这种现实性为生产服务。
成组技术的基本原理是将许多看似各不相同但在某些方面又具有现实信息的事务按照某些一定的准则来分类成组,使具有相似信息的事务能够采用同样的解决办法,从而达到节省时间、节省精力和费用的目的。
因此,成组技术的关键是充分利用事务之间的相似性。
对于机械制造而言,在众多的生产零件中,他们的相似性是指工艺流程的相似、加工设备的相似、工装夹具的相似、以及运输工具,上、下料和装卸方法的相似等。
虽然每种产品的生产批量不大,但如果把具有相似信息的多种零件集合起来生产,成组生产,即按相似零件组来制定成组工艺、设计制造成组模具和夹具,生产时按照现实零件组投料,就可以提高生产效率,节约成本、工时。
成组技术的基础是零件的相似性,而相似性主要是指所制造零件的结构、工艺的相似性信息。
因此在成组技术中,对零件信息描述的标准化和一致性非常重要,需要一个完善的零件分类编码系统。
2.3成组技术的应用
在柔性制造系统中,可以通过零件的设计图纸或者三维模型来获得零件的几何特征信息。
柔性动态分组的一般步骤为:
(1)根据待分组零件的种类及数量,交互式输入需要分组的组数零件数量与其平均值的上下偏差,这样计算机就能计算出同一零件组的零件数量的最大值,平均值和最小值。
(2)按一定规则,由生产特点决定,将加工的零件进行排序。
(3)从经过排序的零件序列中找到第一个尚未分组的零件以该零件的编码作为分组的尺规去衡量尚未分组的零件,包含于尺规之中的零件则自然分到同一个加工组。
(4)经过(3)步分组以后,若组中的零件数小于平均值,则逐渐放宽上述的分组尺规,将符合于新尺规之中的零件自然地分到一个加工组中,直到组中的零件数大于平均值。
(5)重复(3)、(4)直到尚未分组的零件总数小于最小值。
(6)将最后剩下的尚未分组的零件划分到与其工艺特征相差最小的零件组中。
这样分组方法的柔性与动态表现在:
在分组中,分组的尺规是不断的动态变化;适应性强不受码位长度及编码系统类型的限制;可以方便地得到不同的分组结果,为通过仿真或其他优化算法进行优化分组提供方便。
第三章连杆工艺设计
3.1连杆的结构特点
连杆是连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件,连杆的形状复杂而不规则,连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能,又要求具有足够的刚性和韧性。
例如在往复活塞式动力机械和压缩机中用来连接活塞与曲柄。
连杆是汽车、船舶等发动机中的重要零件;除此之外,很多的机械中都会用到连杆。
典型的连杆结构有大、小头、杆身三部分组成。
也有三孔的连杆,连杆大头有的是分开的,有的是连在一起的,图3.1所示是本次设计的柴油机连杆的三维图。
此次柔性制造车间的设计以图3.2所示的连杆结构为例。
图3.1柴油机连杆三维图
图3.2典型连杆零件图
3.2连杆的技术要求
图3.2所示的是汽车的连杆,汽车连杆用于发动机,需要较高的精度、刚度、强度,其具体的技术要求如下所示:
(1)大头孔公差等级为IT7,表面粗糙度Ra应小于等于0.4μm;大头孔的圆柱度公差为0.012mm,小头孔公差等级为IT8,表面粗糙度Ra应小于等于0.32μm。
(2)连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同,技术要求不同,大头两端面的尺寸公差等级为IT9,表面粗糙度Ra小于等于0.8μm,小头两端面的尺寸公差等级为IT12,表面粗糙度Ra小于等于6.3μm。
(3)大、小头孔中心距±(0.03~0.05)mm。
(4)两孔轴线在两个互相垂直方向上的平行度:
在连杆轴线平面类内的平行度为100:
(0.02~0.04);在垂直连杆轴向平面内的平行度为100:
(0.04~0.06)。
(5)大头孔两端面对其轴线的垂直度为100:
0.1。
(6)两螺钉孔(定位孔)的位置精度:
在垂直方向上的平行度为100:
(0.02~0.04);对结合面的垂直度为100:
(0.1~0.2)。
螺栓孔按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应小于等于6.3μm加工;两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.25mm。
(7)连杆的质量误差不大于±2%。
以上是图3.2典型连杆零件示例图,而针对适应连杆类零件的加工需要有一定的范围;连杆类零件技术要求如下:
(1)大头孔公差等级在(IT7~IT15)之间,表面粗糙度Ra在(0.4~3.2)μm之间;大头孔的圆柱度公差在(0.012~0.1)mm之间,小头孔公差等级在(IT8~IT15)之间,表面粗糙度Ra应在(0.32~6.5)μm之间。
(2)连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同,技术要求是不同的,大头两端面的尺寸公差等级在(IT9~IT16)之间,表面粗糙度Ra在(0.8~3.2)μm之间,小头两端面的尺寸公差等级在(IT12~IT18)之间,表面粗糙度Ra在(6.3~12.5)μm之间。
(3)大、小头孔中心距±(0.03~0.1)mm之间。
(4)两孔轴线在两个互相垂直方向上的平行度:
在连杆轴线平面类内的平行度为100:
(0.02~0.1);在垂直连杆轴向平面内的平行度为100:
(0.04~0.1)。
(5)如果有螺钉固定的连杆,两螺钉孔的位置精度:
在垂直方向上的平行度为100:
(0.02~0.1);对结合面的垂直度为100:
(0.1~0.5)。
螺栓孔在(IT8~IT12)之间,表面粗糙度Ra在(6.3~12.5)μm之间;两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为(0.25~0.5)mm之间。
(6)大头孔两端面对其轴线的垂直度为100:
(0.1~0.5)。
(7)零件的加工质量对整个生产成本影响非常大,所以连杆的质量误差应小于等于±2%。
3.3连杆的材料和毛坯
连杆在工作中承受多向交变载荷的作用,要求具有很高的强度,抗疲劳性和韧性所以连杆的材料一般采用45钢或者40Cr、
等优质钢或合金钢,也有采用球墨铸铁的。
连杆毛坯制造方法的选择,主要根据生产类型、材料的工艺性(可塑性,可锻性)及零件对材料的组织性能要求,零件的形状及其外形尺寸,毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法。
根据生产纲领为大量生产,连杆多用模锻制造毛坯。
连杆模锻有两种方案:
方案一是连杆体和连杆盖分开锻造,方案二是将连杆体和连杆盖锻造成—体。
方案一:
采用整体模锻的连杆毛坯,在机械加工完连杆整体以后,需要把连杆整体切开为连杆体和连杆盖,为了保证孔的加工余量,需要再锻造时把连杆大头孔锻造成椭圆形,留有足够的加工余量。
整体锻造虽然会使得金属纤维断裂,但是整体锻造通常只需要准备一种模具,耗费的工时少,消耗的原材料也比较少,所以整体锻造还是运用得比较广泛。
方案二:
锻造后连杆体和连杆盖的材料金属纤维是连续的,因此具有较高的强度。
但是需要两套锻造设备。
为了提高生产效率,需要再模锻毛坯后加一道工序,毛坯精化,经过精压的毛坯精度可以达到0.15~0.2mm,精压后的毛坯可以直接进行磨削加工。
连杆的毛坯必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯质量、尺寸等全面检查才可以进入柔性制造车间进行加工。
3.4基准选择
连杆机械加工工艺过程的大部分工序都采用统一的定位0基准。
这样不仅有利于保证连杆的加工精度。
比如:
连杆大、小头孔的尺寸精度、连杆几何形状精度和相互位置精度。
连杆大,小头端面对称分布在杆身的两侧,由于大,小头孔厚度不等,所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上,这样端面作为定位基准不行。
为了避免用阶梯面定位产生的定位误差,制定工艺规程时,先把大,小头做成一样的厚度,这样不仅避免了上述缺点,而且加大了定位面积,增加了定位稳定性。
在加工的最后阶段才铣出这个阶梯面。
精镗大、小头孔时,用大头孔端面定位,有利于保证大头孔与端面的垂直度要求,而精镗小头轴承孔时,大头孔用可心轴起主要定位作用,有利于保证大,小头孔轴线的平行度。
粗基准的选择:
加工表面为连杆的重要表面,为保证其余量均匀,毛坯的两端面也比较光洁,所以选择大、小头孔两端面为粗基准。
精基准的选择:
应遵守基准重合原则,减少因基准不重合而引起的定位误差。
因此选择半精加工后的两端面和半精加工后的大小头孔作为精基准。
3.5连杆加工工序安排原则
3.5.1加工工序原则
为了更好的满足加工出零件设计的要求,在设计加工工序时应该遵循以下四个原则:
(1)先基准后其它。
首先加工要作为基准的面或者孔。
(2)先面后孔。
先加工大小端两端面,然后以两端面为主要定位基准。
(3)先大面后小面。
在加工面时,应该先加工大面,这样可以为后面的加工提供一个稳固的定位基准,以加工好的大面作为定位精基准加工,这样的加工更加可靠、稳定。
(4)先主后次。
精基准加工好后,应该接着对精度要求高的主要表面进行粗加工。
次要表面的粗加工可在主要表面的粗加之后进行加工。
3.5.2其它辅助工序
工艺路线设计除了设计加工零件的面、孔的加工还需要考虑其他辅助工序的工艺安排比如:
去毛刺、探伤、清洗及检验等工序的安排。
3.5.2.1检验工序
检验工序是为了保证产品质量、防止不合格品出现。
在柔性制造时,检验主要是用三坐标测量机,三坐标测量机与中央控制系统用以太网连接,采用非接触式测量,通过对加工好的零件进行各尺寸的测量,再与事先输入的尺寸数据进行对比,数据一致表示零件合格,测量数据与设计零件尺寸数据不一致则表示不合格。
加工零件除了在完成所有的加工工序以后进行检测,还可以加工设备自带的检测装置进行在线检测。
3.5.2.2清洗工序
清洗一般是为了清除附在工件表面上的切屑和污物,使工件洁净,以保证加工质量、检验方便可靠准确连杆加工清洗工艺也是由清洗机完成的,需要进行的清洗工序有:
(1)连杆体、连杆盖装配之前进行清洗,保证连杆体盖装配精度。
(2)综合检测之前进行清洗,保证检验精度。
3.5.2.3去毛刺工序
毛刺会影响后工序的定位精度,影响加工质量,并且影响刀具的使用寿命,影响连杆盖和连杆的装配精度。
如果加工好的连杆体和连杆盖有毛刺,会对连杆整体的装配精度和清洁度产生不良影响。
3.5.2.4探伤检查工序
探伤是为了检查锻造裂痕和热处理裂纹。
如果没有探伤工序,零件有裂痕就进行工作存在很大的风险,很有可能在加工中造成较大的事故,所以探伤检查是一个重要的安全保障。
3.5.2.5编码
在柔性加工中,如果采用整体锻造毛坯,在加工中需要把连杆铣开,这就需要对铣开的连杆体和连杆盖进行编码,方便对号装配。
如果没有对号装配就会影响连杆的精度,最终将不能保证连杆稳定的工作。
3.5.2.6称重工序
生产线的终端安排有连杆的称重工序。
连杆主要是运用在连接的运动中,如果保证连杆的质量在一定的范围里,而且连杆的质量分配比较均匀,这样可以保证连杆运动平稳,使用寿命增加。
所以需要称重工序。
3.6连杆加工工艺过程
连杆主要的加工表面是大、小头孔以及大、小头孔的端面,比较重要的面是连杆体和连杆盖的结合面,它关系到连杆的精度。
稍微次要的表面是油孔、大头两侧面以及连杆体和连杆盖上的螺栓面等。
连杆的机械加工工艺过程是根据连杆的加工面来确定的。
连杆的加工工艺过程根据连杆整体加工和分开加工分为:
第一、连杆毛坯整体加工;第二、连杆体和连杆盖分开加工;第三、连杆体和连杆盖装配后加工。
如果按连杆装配前后来分,装配之前的工艺路线属主要表面的粗加工阶段,装配之后的工艺路线则为主要表面的半精加工、精加工。
加工工序如表3.1所示。
表3.1加工工序
工序号
工序名称
工序内容
工艺装备
1
锻造
模锻毛坯
这四个工艺在车间外完成
2
锻造
模锻成形,切边
3
精化毛坯
精压毛坯,经过精压的毛坯精度可达0.15~0.2mm
4
热处理
正火处理
5
磨
磨连杆两端面,把其中一个加工好的端面作为基面。
磨削中心
6
钻
以基面定位,钻、扩、大、小头孔,小头孔两端面倒角
加工中心
7
镗
以基面定位,粗镗大、小头孔
加工中心
8
铣
以基面、大、小孔定位,铣削两侧面保证对称
加工中心
以基面、小、头孔定位,铣开连杆,并标记连杆体和连杆盖
以基面、一侧面定位,铣削连杆体结合面
加工中心
9
磨
以基面、一侧面定位,磨削连杆体结合面
磨削中心
10
钻
以基面、结合面和一侧面定位钻、扩连杆体螺栓孔、攻螺纹
加工中心
11
铣
以基面、结合面和一侧面定位,粗、精铣螺钉孔平面
加工中心
以基面、结合面定位铣连杆体上斜槽
12
钻
钻连杆体油孔
加工中心
13
铣
以基面、一侧面定位,铣削连杆盖结合面
加工中心
14
磨
以基面、一侧面定位,磨削连杆盖结合面
磨削中心
15
钻
以基面、结合面和一侧面定位,钻、扩、铰连杆盖两螺钉孔、攻螺纹。
加工中心
16
铣
以基面、结合面和一侧面定位,粗、精铣螺钉孔平面
加工中心
以基面、结合面定位铣连杆盖上斜槽
17
钻
钻连杆盖油孔
加工中心
18
清刺
对连杆体和连杆盖进行去毛刺、清洗
清洗机
19
装配
利用专用螺钉将连杆体和连杆盖对号装配
装配机器人
20
精磨
精磨两端面
磨削中心
21
镗
以基面、一侧面和螺钉孔面定位,半精镗、精镗大、小头孔倒角
加工中心
22
压铜套
压入小头孔的铜套
23
精镗
以基面、以侧面定位,精镗小头衬套以及大头孔
加工中心
24
珩磨
珩磨大头孔
磨削中心
25
检
检查各尺寸精度
测量机器人
26
探伤
探查有无损伤及其硬度
27
入库
防锈处理入库
3.7加工余量的选择
3.7.1余量参考数据
为了保证加工精度和加工质量,各个主要表面都要经过几个加工工序的加工,每一道加工工序都需要留一些加工余量,在设计连杆的加工工艺过程中,确定加工余量非常重要,余量的大小将直接影响机械加工的生产率、加工质量、经济性。
余量太小,会因为去不掉上道工序留下的表面缺陷而造成废品,余量过大,浪费金属材料,影响加工精度。
由于连杆的形状不规则,需要加工的面、孔比较多,在加工中余量的选择通常没有万能的有效公式计算,大多数情况下需要根据经验数据作为参考。
以下数据可以作为连杆类零件加工的重要参考数据。
表3.2模锻长度或者宽度(垂直锤击方向)各尺寸的公差(mm)
锻模件厂(宽)度
≤50
>50~120
>120~260
>260~500
偏差(mm)
+1.2
-0.6
+1.7
-0.8
+2.1
-1.1
+2.7
-1.3
表3.3扩、叫、镗孔的加工余量(mm)
直径
钻孔后
扩孔、镗孔后
粗铰后
扩孔
铰孔
镗孔
精镗
铰孔
粗铰
精铰
3~6
0.15
0.15
0.05
>6~10
0.2
0.2
0.2
0.1
>10~18
0.8
0.3
0.8
0.5
0.2
0.2
0.1
>18~30
1.2
0.4
1.2
0.8
0.3
0.2
0.1
>30~50
1.5
0.5
1.5
1.0
0.4
0.35
0.15
>50~80
1.7
2.0
1.0
0.5
0.4
0.2
>80~120
2.0
1.3
0.6
0.15
0.25
表3.4精细镗孔的加工余量(mm)
直径
钢
铸铁
粗加工
精加工
粗加工
精加工
≤30
0.2
0.1
0.2
0.1
>30~50
0.2
0.1
0.3
0.1
>50~80
0.2
0.1
0.3
0.1
>80~120
0.3
0.1
0.3
0.1
表3.5平面加工余量(mm)
加工性质
加工面长度
加工面宽度
≤100
>100~300
>300~1000
余量
粗加工后精铣
≤300
1.0
1.5
2
>300~1000
1.5
2
2.5
精加工后磨削
≤300
0.2
0.25
0.3
>300~1000
0.25
0.3
0.4
表3.6孔加工余量(mm)
加工方法
粗扩
精扩
精铰
粗镗
半精镗
精镗
细镗
直径上的加工余量
2~4
0.8~1.0
0.2~0.4
3~5
1~1.5
0.5~0.8
0.2~0.5
3.7.2加工余量的确定
针对示例的连杆的加工余量确定用查表法确定加工余量。
查询《机械加工工艺手册》第一卷表2.3-21得以下数据作为参考。
表3.7两端面的加工余量(mm)
端面加工方法
单面余量
精度
工序尺寸
表面粗糙度
粗磨两端面
1
IT7
大断面0.8
小断面6.3
精磨两端面
0.5
IT8
3.2
连杆两端面总的加工余量为:
所以连杆铸造出来的厚度为
。
表3.8小头孔加工余量(mm)
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸
最小极限尺寸
表面粗糙度
精镗
0.5
IT8
Φ28
Φ27.008mm
0.3
粗镗
1
IT6
Φ29.5
Φ29.2
3.2
钻
钻至Φ28.5
IT12
Φ28.5
Φ28.3
12.5
第4章连杆的有限元分析
4.1.确定分析对象与模型简化
明确分析目的和仿真对象,将模型合理简化以备后续有限元前处理。
此处取一连杆的完整三维模型,为便于仿真计算同时附加与之装配的曲柄销和十字头销。
三维模型如图1所示,由于模型除个别特征之外都关于两个垂直平面对称,为提高计算效率现取一半模型进行分析,并且取四分之一模型进行有限元建模。
简化后的模型如图2。
此时模型共有十大部件组成:
十字头螺栓、十字头端盖、十字头销、十字头轴瓦、杆身、曲柄销螺栓、曲柄销、曲柄销上轴瓦、曲柄销下轴瓦、曲柄销端盖和曲柄销。
十字头轴瓦
十字头螺栓
杆身
十字头端盖
十字头销
曲柄销螺栓
曲柄销上轴瓦
曲柄销
曲柄销端盖
曲柄销下轴瓦
图4.1连杆结构
4.2.网格划分
4.2.1.分网思路
根据分析目的,此模型需重点关注轴瓦、螺栓、接触情况以及危险部位的的受力情况。
为提高接触分析的结果准确性,在两对接触面上应使两部件之间的网格节点能很好的对应上,即采用节点一致。
其次,由于采用了节点一致以及模型的不规则外形,对于核心部件螺栓和轴瓦均采用六面体网格划分办
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