定制齿轮制造 DFM：根部圆角尺寸 (0.38–0.45 m) 以防止弯曲疲劳失效

定制齿轮制造DFM是一种0.38m–0.45m齿根圆角锁，可解决0.30m以下的裂纹，降低成本23%并返回2小时反馈。

简单地说，工程团队保持联系并消除根部磨削风险。 数据来源：LS Manufacturing 2025–2026 DFM 日志，项目#AERO-2026-882，>1,200。

快速参考指南

定制齿轮加工程序将根圆角半径（m = 模数，mm）作为主要疲劳杠杆之一。 加工和机械性能根据根圆角半径而变化。 消费者在射频和射频之间进行选择 0.30 m，射频 ≈ 0.38 m，和 rf ≈ 0.45 m有不同的成本和风险考虑。 三个设计类别之间的弯曲应力集中、可达性和干涉以及相对成本有所不同。

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平衡的圆角选择提升将弯曲疲劳强度提高到理论极限，而不会干扰装配。

下载根圆角 DFM 参数表并一目了然地检查您自己的齿轮：0.38m–0.45m 平衡窗口、±0.45m 平衡窗口。003 mm 侧翼带与 +0.008 mm 根槽带以及 Ra 0.4 µm 根部目标。

关键要点

• 降低弯曲疲劳应力集中：平衡带中根部弧宽的增加可将峰值弯曲应力降低至 0.30m 根部的约五分之一。 一旦根部半径落在推荐范围内，淬火齿轮根部就有可能断裂。
• 磨削步骤的预防： 在渗碳过程之前，突起滚刀切出底切槽。 研磨后根部变得光滑如镜，研磨过程中不会出现裂纹。
• 降低总成本：耦合切削参数和数控成型加工可将单件成本和总成本降低约四分之一。 中小批量从单道根部成型工艺中获益最多。
• 保证完全啮合：上圆角上限确保过渡曲线不会进入活动轮廓的起点（齿轮齿开始通过渐开线啮合的点）。 齿轮接触比对于所有啮合周期都保持恒定。

是什么原因导致轮齿弯曲疲劳失效？

轮齿弯曲疲劳失效是由于循环拉伸应力超过材料耐久极限而在圆角区域发生的裂纹引发失效。 小于或等于 0.30 m 的圆角会导致急剧过渡，并根据 AGMA 2001-D04 第 8 章增加弯曲应力校正，同时 3D 检查中的有限元分析曲率可保持较低的应力集中系数 (Kt)。

裂纹从牙根开始的位置

齿轮根圆角半径设计决定了过渡区域的最大拉应力。 循环载荷超过材料的耐受极限，导致微裂纹发展至断裂。

评估维度	传统标准设计（rf ≈ 0.30 m）	优化平衡设计（rf ≈ 0.38 m）	终极加固设计（rf ≈ 0.45 m）
弯曲应力集中系数 (Kt)	高（基线 100% 疲劳载荷）	向下 ≈18%–22%	最低谷（最大疲劳寿命）
工具通过性和空间干扰	优秀（直接形成标准滚刀形式）	良好（适合标准法兰滚刀）	要求很高（需要专用的全圆角滚刀或 5 轴微铣削）
配合齿尖啮合干扰风险	无干扰风险	非常低（保留完整渐开线有效长度）	重要（验证接触比和配合尖端倒角）
磨削缺口台阶灵敏度	非常高（磨削余量区域形成微凹口）	低（保留足够的底切余量）	非常低（平滑切向过渡，Ra 0.4 µm）
相对制造成本	基准成本 (1.0x)	增加≤5%（高性价比）	增加15%–20%（自定义形状打磨工具）

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FEM 分析使设计脱离了早期破损类别。 定制齿轮加工服务引用根部半径作为图纸尺寸。 在双向驱动中，拉伸侧面在两侧之间交替。

在订购工具之前修复根

定制齿轮制造 DFM 审核发现存在小圆角，而 3D 模型仍可编辑。24 小时内交付的 DFM 报告会在刀具切割之前对每个尺寸过小的半径发出警告； 报价交付时间单独跟踪，需要2小时。 首件检验计划应向买家提供牙根曲率测量值，而不仅仅是牙齿厚度。

数据驱动齿轮加工服务按每批次的峰值应力水平跟踪每次半径修正。 滚齿后的成形磨削不会治愈破裂的根部，因为磨料的去除遵循根部轮廓。 由于组装后会出现裂缝，因此有缺口的根部将成本从图纸转移到保修索赔。

来源和基准：AGMA 2001-D04，第8章（齿根弯曲强度计算和应力集中几何修正公式）。

根圆角如何减少精密齿轮中的应力？

根圆角是位于齿轮齿根附近的平滑过渡弧，通过载荷分布减少弯曲应力。 0.38 m 的弯曲半径可降低最大弯矩点处的拉应力。 ISO 1328-1:2013，5 级后刀面公差可保证成型磨削后形成正确的圆弧，且峰值应力保持在耐久性极限以下。

根区三阶段压力缓解

齿轮根圆角半径设计是通过从理论到实际解决方案的三个演变阶段实现的。

1. 较大的根部圆弧会增加弯曲截面模量并降低关键截面的拉应力。
2. 与渐开线齿面的切向过渡可防止刀具撕裂缺口，并将拉应力沿整个齿面分布。
3. 在精密级带上进行成型磨削改善根部微观几何形状，在制造过程中保留设计曲线。

圆角精度背后的成本和工艺限制

如果一开始就磨削圆角，精密齿轮制造成本不会增加。 根部的镜面级光洁度消除了微缺口并降低了裂纹萌生的可能性。 由于立铣刀留下的刻面台阶，三轴铣床无法产生真正的切向根部。

根部圆角如何减轻应力取决于磨削中的切线； 刻面台阶重新创建了应力集中器。 换句话说：正确几何形状的根消除了相切故障造成的保修索赔。 齿轮加工成本因素向磨削周期时间靠拢。

图 1：主轴切削齿轮齿，显示齿轮根圆角半径设计以及根圆角如何减少应力。

为什么选择 0.38 m 到 0.45 m 作为圆角尺寸？

0.38 m 至 0.45 m 范围是DFM（制造设计，预加工设计审查）抗弯曲应力和渐开线啮合长度之间的折衷方案，m 为模数，单位为 mm。 0.38 m 以下的半径会增加弯曲应力集中系数 (Kt)。 半径超过 0.45 m 会降低接触比并引起尖端干涉。

0.38 m 地板以下的根部应力

齿轮根圆角半径设计将设计限制为0.38 m，因为较小的值会增加 Kt。

• 较小的根部半径会增加应力水平并缩短裂纹萌生寿命。
• ISO 6336-3:2019 根据牙根设计几何形状计算齿根抗弯阻力。

成型磨削遵循滚刀切割的轮廓，因此保留了较小的圆角。 顶级齿轮加工服务返回测量的根曲率和第一篇报告。

0.45 m 天花板以上的啮合损失

定制齿轮制造 DFM 审核将圆角尺寸限制为 0.45 m，因为过多的圆弧侵入渐开线起点。

1. 接触比（齿啮合数量）随着活动轮廓的缩短而降低。
2. 根尖被配合齿尖刮擦，导致更高的干扰和噪音水平。

成形刀具在接触点处产生尖角，而成形磨削则在根部形成平滑过渡。 从买方的角度来看，底线是：较大的根部圆角会牺牲耐用性以降低变速箱的噪音。

在报价发布前校准窗口

自定义齿轮报价DFM审核应在报价发布之前为特定模块生成圆角窗口。

• 运动学模拟结合根部轮廓拓扑分析确定最大可用半径。
• 如果没有模拟，半径的选择将由楼层操作员决定。

齿轮加工合作伙伴在第一篇报告中提供根部轮廓图，提供测量的曲率而不是声明。

磨削底切槽口会产生哪些缺陷？

齿轮磨削底切缺口缺陷是磨削齿面和未磨削根部之间产生的尖锐不连续性。 在0.05mm台阶深度处，齿根的疲劳抗力降低了>30%。 ISO 6336-3:2019第5部分通过YS（齿根形状）和缺口敏感度参数来评估台阶形状。

地根处的凹口形成

最终磨削去除淬火和渗碳侧翼的余料。 砂轮边缘在根部切线处突然停止，在磨削侧面与未磨削毛坯相交处形成尖角。 表面硬化层加剧了凸缘处的应力集中。

根部状况	拉伸响应	失败结果
紧根半径	峰值应力是标称值的几倍	提前开始休息
FEM 屏蔽半径	切割前峰压平	中断延迟

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一个连续的凸缘沿着整个链从裂纹核延伸到牙齿断裂。 齿轮加工工艺审核应确保在热处理之前验证轮轨是否与根部相切。 对根部几何形状的检查重点在任何批次中都不应落后于齿面检查。

研磨前防止壁架

定制齿轮加工服务供应商使用突起切削刀具进行粗铣，为精加工砂轮提供根部间隙余量。

• 突起（提供根部间隙余量的粗铣刀凸角）消除了砂轮必须切削的材料。
• 精磨可提供根部浮雕或将圆角完全倒圆，从而消除尖角。

精密齿轮制造成本在精磨后的根部不需要进一步加工时仍然是可预测的。 简单地说，圆滑的根部可以消除一类缺陷，并允许使用成品齿轮而不会产生固有的裂纹源。 由于发现壁架而导致的返工周期增加了检查并延长了齿轮加工交货时间。

来源和基准：ISO 6336-3:2019，第 5 部分（齿根形状因数 YS 和磨削步骤应力集中敏感性评估）。

图 2：头部在斜齿轮上喷洒冷却液，以使用突起滚齿进行定制齿轮加工服务。

数字背后：LS制造专家的实践经验

格洛丽亚，快速原型制作和制作 在精密工程领域拥有超过 15 年的快速制造专家与 LS Manufacturing 的首席齿轮传动工程师共同撰写了本文。 在 LinkedIn 上与 Gloria 联系，对您的根圆角标注进行个人审核。 您将获得直接适用于您的图纸的动力传输、蜗轮和摆线减速机专业知识。

AGMA 2001-D04 弯曲强度计算定义了验证 0.38 m - 0.45 m 圆角带范围的流程，以及Klingelnberg 数控齿轮测量机提供磨削后的齿根圆角半径测量。 与 0.30 m 根相比，Kt 值下降约五分之一。 您可以获得根部曲率测量值以及计算结果。

项目 #AERO-2026-882 在飞行发布前根据 AS9100D 可追溯性将 0.42 m 根圆角进行航空航天破坏性拉扭测试。 现在，您可以使用类似的途径来验证行星齿轮和机器人关节齿轮。提交您的 3D STEP 文件即可在 2 小时内获得有关干扰和成本计算的警告。

如何避免配合齿轮齿尖干涉？

包络间隙是指在渐开线起点之外提供的特殊间隙，而0.08毫米最小正常间隙为根圆角提供了足够的间隙，不会干扰齿尖。 装配中心距和跳动决定了齿尖圆间隙的路径。 ISO 21771:2007 中规定了渐开线起点和尖端后隙的定义。

间隙计算步骤

齿轮根圆角半径设计定义了配合齿轮的尖端角损失量。

1. 标记渐开线轮廓起点； 间隙包络线从该点开始。
2. 使用限制装配中心距离和跳动（由于轴偏心导致的尖端路径变化）来计算配合尖端圆轨迹路径。
3. 在滚齿时通过从扫掠路径切掉拐角来执行刀尖留角（控制刀尖拐角的圆角）或倒角。
4. 在最深接合点下方建立一个 0.45 m 的圆角半径（沿法线方向测量）。

间隙输入超出标称几何形状

齿轮加工材料选择决定了毛坯在渗碳过程中膨胀的程度，这是间隙余量的一个方面。 淬火会增加刀尖路径的偏心率，而较高的偏心率会消耗掉节省的间隙。

齿轮加工交付时间推迟了刀具释放后出现的任何尖端碰撞。 当侧面仍然柔软时，滚齿可以消除尖端； 用硬刀头磨削无法产生倒角。

工具发布前的验证步骤

定制齿轮制造 DFM 审核必须在订购任何刀具之前提供最小的正常间隙。

• 在运动学模拟中将配合齿轮扫过一圈并获得最小正常间隙。
• 将扫描体积相对于圆角曲面映射并获得结果或碰撞齿。
• 在链接到模块和配合齿轮组的数字标注中指定获得的间隙值。

自定义齿轮报价 DFM 审核，无需模拟，使得齿根圆角的尺寸取决于机器安装人员的判断力。

图 3：工具机大齿轮轴可防止 18000 rpm 下轮齿弯曲疲劳失效。

什么工具最适合定制齿轮加工？

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齿轮切削刀具序列将刀具技术与产量和质量水平联系起来。 过大的根圆角将选择减少到只有两条路径。 使用硬质合金半径铣刀的5 轴 CNC 生产原型批次。 定制的凸形滚刀可进行批量生产。 两种选择均可生产出精磨后达到 AGMA 12 或 ISO Grade 5 级别的齿轮。

原型体积工具

原型和小批量批次仍保留在5 轴 CNC 中心上，其中硬质合金圆角立铣刀直接从 3D CAD 文件中切割超大圆角。 5 轴 CNC 轮齿轮廓是航空航天齿轮加工项目的首选，因为对于关键任务原型使用专用滚刀没有任何好处。

非标准齿形将在 5 至 7 天内在同一中心生产出来。 定制齿轮制造 DFM 应在选择刀具之前进行评估。

量产工具

中批量生产需要突起滚刀（带有内置根部间隙台阶的定制滚刀）。 变速箱齿轮加工程序使用突起刀具，并且每齿循环时间定义了生产批次中的单价。 此外，汽车变速箱需要 IATF 16949:2016 认证流程。

精加工合格证和单件价格

定制齿轮加工服务报价需要根据精加工工艺进行，因为需要在ISO 5级磨削齿面后进行磨削。 突起滚刀创建根部形状，但仅在侧面进行磨削，根部形状没有任何变化。 每整批单个定制滚刀的摊销可通过刀具杠杆降低精密齿轮制造成本，这不包括在项目 #AERO-2026-882 的 23% 总体成本节省中。 简而言之，单个摊销切削刀具可将特殊圆角转化为常规成本。

自定义齿轮磨削空圆圆角什么时候会增加？

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车轮进入未磨削的根部过渡使所有圆角优势变得毫无用处。 微裂纹和残余拉应力的重新淬火消除了抗疲劳性。 Ra 1.6 µm 或更差的磨根开始出现比渗碳深度更深的裂纹。 Ra 0.4 µm根层保留疲劳裕度。

车轮接触造成的根部损坏

最终磨削使齿面变得更硬，而砂轮边缘与未磨削的根部啮合会导致齿轮磨削底切凹口缺陷。 重新淬火过程（研磨热通过产生脆性马氏体使表面变得非常坚硬）引发根部微裂纹形成。

缺陷阶段	物理形态	疲劳后果
研磨凸缘	根切线处的锐步	局部压力升高
裂纹核	人工微裂纹来源	每个负载周期的裂纹增长
容量损失	减少根部负载能力	牙齿早期折断

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砂轮运动控制上述所有三种磨削类型中的圆角完整性。 大型齿轮加工面临着很高的燃烧风险，因为大的接触弧会在根部区域保留热量。

使根几何体远离轮子路径

定制齿轮加工服务报价中必须提到根部磨削技术，而不仅仅是齿面表面。 多轴全形磨削技术，确保根部表面光滑如镜； 手动平面磨床无法做到这一点，因为它的砂轮偏离根部切线。 简而言之，单回火蚀刻通道决定圆角是否能在研磨过程中幸存下来。

对于首件报告，ISO 14104:2017回火蚀刻检查是必要的，因为轮齿弯曲疲劳失效发生在磨削凸缘具有最大拉应力的位置。 回火蚀刻测试可区分真正的烧伤和无害的氧化物着色。 正齿轮加工计划从预磨齿根间隙中获益最多。

如何优化精密齿轮制造成本？

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公差带分区是一种成本技术，可固定负载齿面的+0.003 mm磨削公差，并为空载根槽留出更宽的+0.008 mm公差。 公差分区减少了在空载表面上花费的磨削时间。 定制齿轮报价 DFM 审核必须在订购任何切削刀具之前提供分区公差。

公差分区步骤

公差分区（每个齿面一个公差带）是精密齿轮制造成本优化的最有效方法。

1. 将绘图分为网格面和非接触面。
2. 锁定齿形和导程±0.003 mm（导程：齿宽中的侧面方向）。
3. 将非接触式根槽释放到 +0.008 毫米范围内。
4. 根据 ASME Y14.5-2018 为每个频段分配不同的标注。

简单地说：在根部凹槽上进行侧面精加工不会给您带来任何好处。 齿轮加工定价将在每个区域显示一行。

引用行步骤

• 组合相似的铣刀路径，创建相同的根部轮廓。
• 删除非接触根部表面的镜面效果。
• 分别引用滚齿和磨削操作。
• 将夹具调整限制为每个齿轮系列一次舍入。

定制齿轮加工服务混合工艺的报价隐藏了确定价格的磨削时间。 降低齿轮加工成本从订购刀具之前的绘图阶段开始。 平面磨床无法在一个侧面内分离公差带，因为只有一次磨床具有一种进给速率。

请求对您自己的批次进行并排制造比较：5 轴 CNC 原型铣削与突起滚刀生产铣削，切削参数、磨削库存、刀具摊销和每件成本显示为单独的行。

图 4：工具铣削小齿轮说明齿轮磨削底切缺口缺陷和精密齿轮制造成本。

LS Manufacturing 航空航天行星小齿轮定制 CNC 加工服务：通过 0.42 m 根圆角 DFM 减轻疲劳断裂

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0.42 m 根圆角 DFM 重建结束了航空航天行星小齿轮的早期疲劳断裂。 增大的根部曲率降低了 18,000 rpm 交变剪切下的峰值拉伸应力。 行星小齿轮故障的使用寿命取决于根部几何形状，而不是材料等级。

客户挑战

某航天无人飞行平台小齿轮减速驱动器的行星齿轮在疲劳台条件下进行测试时出现断齿现象。 传统的齿轮加工具有0.30 m的根圆角，齿公差为±0.05 mm。 它导致根部圆角处出现峰值拉应力累积。 18.5% 的早期疲劳失效率延迟了飞行测试。

LS 制造解决方案

在 DFM 审查中，根部圆角半径增加至 0.42 m，并且包括突起滚齿（铣刀由阶梯保留根部间隙组成）。 非标齿轮加工完成了标准齿轮滚刀无法加工的圆角。 第一篇 18CrNiMo7-6 渗碳引起的残余应力导致径向跳动超出公差 0.012 毫米。 工程师采用240℃回火工艺，然后进行5轴根部磨削。

结果和价值

疲劳断裂仅限于合格数量。 废品率达到2.8%。 表面光洁度从 Ra 0.8 μm 提高到 Ra 0.4 μm。 原型交付时间缩短 36% 至 9 天，生产成本降低 23%。

精密齿轮加工具有AS9100D可追溯性，包括拉伸扭曲至失效。 加工后的小齿轮满足航空航天拉伸扭曲要求，并具有完整的热处理批次可追溯性。

“在 1,000 小时的满载振动循环中，零微裂纹萌生，提前清除了飞行测试大门。” — 疲劳测试主管，商业航空航天无人探索平台，项目#AERO-2026-882

数据源和基准：LS Manufacturing 2025–2026 自动化 DFM 3D/2D 图纸解析日志，项目 #AERO-2026-882，样本 >1,200 张图纸。

上传您的齿轮 3D STEP 或 2D 图纸以进行免费的 DFM 评估，并在 2 小时内收到模块的可用圆角窗口、磨削缺口和尖端干扰风险标记以及分区制造报价。

常见问题解答

1. 为什么 0.38–0.45m 根圆角在齿轮 DFM 中至关重要？

范围从 0.38 m 到 0.45 m 的齿根圆角可将拉应力流分布在齿根中，并规避 AGMA 2001-D04 第 8 章针对 0.30 m 齿根使用的应力调整。 LS Manufacturing 在疲劳加载齿轮图纸上将该范围设置为固定 DFM 阈值，该规则已在项目 #AERO-2026-882 中得到验证。 当齿根曲线保持在带内时，齿轮齿频繁失效的保修索赔就会减少。

2. 增大根圆角是否会影响齿轮渐开线接触？

如果根圆角保持为≤ 0.45 m，渐开线起点不变； 因此，符合 ISO 21771:2007 的活动配置文件不受影响。 LS Manufacturing 在订购切削刀具之前对每个配合对进行运动模拟，确保刀尖和根部之间不会发生刮擦。

3. 根部圆角精加工适用什么公差等级？

根部凹槽用于松弛精度带，而负载侧翼承载超精度带； 分为这两个，齿轮加工公差消除了非接触表面上的任何磨削时间。LS Manufacturing 在一张图纸中标出了两个区域，来料检验团队使用其标注分别验证每个区域。

数据来源：ISO 286-1:2010（ISO 极限与配合系统）。

4. LS Manufacturing 如何防止磨削缺口缺陷？

磨削前制作的突起台阶可确保砂轮远离根部，CNC 成型精加工可确保根部表面根据 ISO 1302 符号保持非常光滑。 在LS Manufacturing，所有淬火齿轮的预磨削间隙和整体修整相结合，确保沿齿根切线不存在台阶。

5. 5 轴 CNC 加工能否取代原型滚齿加工？

配备小直径圆角半径立铣刀的五轴机床用于直接根据 3D 模型制造原型齿轮，其精度设置符合 ISO 10791-7 标准。 LS Manufacturing 避免对研发数量使用滚刀加工工艺，并在两周内返回原型齿轮。 项目进度在资格审查前五个工作日完成。

6. 根优化如何影响齿轮制造成本？

单一设置成形方法与较低的废品率相结合，与基准情况相比，齿轮成本降低了近四分之一。 齿轮加工原型运行甚至在订购生产滚刀之前就揭示了成本节省。 LS Manufacturing 在报价阶段自行分配节省的费用。

数据来源：LS Manufacturing 2025–2026 自动化 DFM 日志，项目 #AERO-2026-882。

7. 什么材料最适合承受高弯曲疲劳的齿轮？

18CrNiMo7-6 和 8620 (ASTM A29) 等渗碳钢在淬火后可达到 HRC 58-62 的表面硬度，核心坚韧。 LS Manufacturing 回火可确保表面硬度，同时避免芯部脆性。 由于外壳可抵抗点蚀且芯部可承受冲击载荷，因此使用寿命得以延长。

8. 我多快可以收到齿轮 DFM 审核和报价？

在获得 3D STEP 图纸后的两个小时内，LS Manufacturing 提供干涉检查和成本明细。 根据保密协议，采购团队在获得报价之前上传图纸。 交货时间和零件报价在同一两小时内送达您。

摘要

避免底切的刀具路径规划以及最佳圆角窗口可防止高负载动力传输齿轮的早期疲劳弯曲。 LS Manufacturing 的AS9100D/ISO 9001:2015 制造流程包括从蓝图到最终检查的定制齿轮生产。

在 DFM 识别风险之前，干扰和弯曲疲劳会一直隐藏在您的图纸中。 提交 3D CAD 或 2D 图纸将为您提供 LS Manufacturing DFM 分析结果 – 干扰、优化建议和即时报价 – 两小时内。

📞电话：+86 185 6675 9667
📧电子邮件：info@lsrpf.com
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LS 制造团队

LS Manufacturing 是一家拥有 100 多个 5 轴中心、5,000 多个客户、遍布 150 个国家/地区的公司。 专注于定制制造解决方案。 我们拥有超过 15 年的经验，服务过 5,000 多家客户，专注于高精度 CNC 加工、钣金制造、3D 打印、注塑。 金属冲压，以及其他一站式制造服务。
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要了解更多信息，请访问我们的网站：www.lsrpf.com

打磨练习	根面	疲劳结果
预研磨底切（机加工凹处使砂轮远离圆角）	Ra 0.4 µm，无接触	边距完好
多轴全形磨削（一个修整砂轮一起扫除侧面和根部）	Ra 0.4μm轮廓	边距完好
车轮陷入未接地的根部	≥ Ra 1.6μm+再淬火裂纹	边距已删除