車銑加工表面粗糙度的形成機理,加工,表面,粗糙,粗拙,毛糙,形成,構成,機理 學生姓名 李巖 班級 機制051 指導教師 馬利杰 論文（設計）題目 車銑加工表面粗糙度的形成機理 目前已完成任務 1. 完成開題報告和外文翻譯，交指導老師審查。 2. 查閱大量相關文獻。 3. 基本完成論文草稿。 4. 根據草稿完善開題報告。 是否符合任務書要求進度：符合 尚需完成的任務 1. 完善論文內容 2. 熟悉車銑加工的特點 3. 完善論文格式 能否按期完成論文（設計）：能 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 1. 進一步研究車銑加工 2. 論文的內容不夠透徹 擬 采 取 的 辦 法 1. 查詢資料補足內容 2. 修改更正不足內容 指導教師簽 字 日期 2009 年 5 月1 日 教學院長（系主任） 意 見 簽字： 年 月 日 河南科技學院本科畢業(yè)論文（設計）中期進展情況檢查表 河南科技學院本科生畢業(yè)論文（設計）任務書 題目名稱車：車銑加工表面粗糙度的形成機理 學生姓名 李巖 所學專業(yè) 機械制造及自動化 學號 20050334102 指導教師姓名 馬利杰 所學專業(yè) 機械制造 職稱 副教授 完成期限 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 7 日 一、論文（設計）主要內容及主要技術指標 1 掌握車銑加工的基本原理及其特點； 2 分析普通車削外圓的表面粗糙度形成機理，并畫出工藝參數對表面粗糙度的影響曲線。借助數值模擬軟件對普通車削的表面粗糙度形成過程進行模擬； 3分析車銑外圓的表面粗糙度形成機理，并畫出工藝參數對表面粗糙度的影響曲線。借助數值模擬軟件對普通車削的表面粗糙度形成過程進行模擬； 4 比較車削和車銑外圓的加工特點，及其表面粗糙度的基本影響因素，提出改善兩者表面粗糙度的基本方法和措施。 二、 畢業(yè)論文（設計）的基本要求 1 畢業(yè)設計報告：有400字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的參考文獻，其中正文中要引用5篇以上文獻，并注明文獻出處。 2 有不少于2000漢字的與本課題有關的外文翻譯資料。 3 畢業(yè)設計字數在20000字以上。 4 程序清單和圖紙。 5 作品及照片。 三、畢業(yè)論文（設計）進度安排 1 上學期末，下達畢業(yè)設計任務書。 2 第1-2周，撰寫開題報告，指導教師審核開題報告和設計方案。 3 第3-10周，畢業(yè)設計單元部分設計。 4 第11周，畢業(yè)設計中期檢查。 5 第12-14周，設計仿真、程序調試、線路板制作調試，整理、撰寫畢業(yè)設計報告。 6 第15-16周，上交畢業(yè)設計報告，指導教師、評閱教師審查、評閱設計報告，畢業(yè)設計答辯資格審查。畢業(yè)設計答辯，學生修改整理設計報告。 本科畢業(yè)論文中英文翻譯 學生姓名： 所在院系： 機電學院 所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 車 床 車床主要是為了進行車外圓、車端面和鏜孔等項工作而設計的機床。車削很少在其他種類的機床上進行，而且任何一種其他機床都不想車床那樣方便地進行車削加工。由于車床還可以用來鉆孔和鉸孔，車床的多功能性可以使工件在一次裝夾中進行幾種加工。因此，在生產中使用的各種車床比任何種類的機床都多。 普通車床：普通車床作為最早的金屬切削機床中的一種，目前仍然有許多有用的和人們所需要的特性?，F在，這些機床主要用在規(guī)模較小的工廠中，進行小批量的生產，而不是進行大批量的生產。 普通車床的加工偏差主要取決于操作者的技術熟練程度。設計工程師應該認真的確定由熟練工人在普通車床上加工的試驗零件的公差。在把試驗零件重新設計為生產零件時，應該選用經濟的公差。 轉塔車床：對生產加工設備來說，目前比過去更著重評價是否具有精確的和快速的重復加工能力。應用這個標準來評價具體的加工方法，轉塔車床可以獲得較高的質量評定。 在為小批量的零件（100—200件）設計加工方法時，采用轉塔車床是經濟的。為了在轉塔車床上獲得極可能小的公差值，設計人員應該盡量將加工工序的數目減至最少。 自動螺絲車床：自動螺絲車床通常被分為以下幾種類型：單軸自動、多軸自動和自動夾緊車床。自動螺絲車床最初是用來對螺釘和類似的帶有螺紋的零件進行自動化和快速加工的。但是。這種車床的用途早就超過了這個狹窄的范圍。現在，它在許多類型的精密零件的大批量生產中起著重要的作用。 車床的基本部件有：床身、主軸箱部件、尾架部件、溜板部件 絲杠和光杠。 床身是車床的基礎件。它通常是由于經過充分正火或時效處理的灰鑄鐵或者球墨鑄鐵之城。它是一個兼顧的剛性框架，所有其他基本部件都安裝在車床身上。通常在床身上有內外講足平行的導軌。有些制造廠對全部四條導軌都采用導軌尖頂朝上的三角形導軌（即山形導軌），而有的制造廠則在一組中或者兩組中都采用一個三角形導軌和一個矩形導軌。導軌要經過精密加工，以保證其直線度精度。為了抵消磨損和擦傷，大多數現代機床的導軌式經過表面淬硬的，但是在操作時還應該小心，以避免損傷導軌。導軌上的任何誤差，常常意味著整個機床的精度遭到破壞。 主軸箱安裝在內導軌的固定位置上，一般在床身的左端。它提供動力，并可是工件在各種速度下回轉。它基本上由一個安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪---類似于卡車變速箱所組成。通過變速齒輪，主軸可以在許多種轉速下旋轉。大多數車床由8—18種轉速，一般按等比級數排列。而且在現代機床上只需按動2---4個手柄，就能得到全部轉速。一種正在增長的趨勢是通過電氣的活著機械的裝置進行無極變速。 由于機床的精度在很大程度上取決于主軸，因此，主軸的結構尺寸較大，通常安裝在預緊后的重型圓錐滾子軸承或球軸承中。主軸中有一個貫穿全長的通孔，長棒料可以通過該孔送料。主軸孔的大小是車床的一個重要尺寸，因為當工件必須通過主軸孔供料時，它確定了能夠加工的棒料毛坯的最大尺寸。 尾架部件主要有三部分組成。底板與床身的內導軌配合，并可以在導軌上做縱向移動。底板上有一個可以使整個尾架部件夾緊在任意位置上的裝置。尾架體安裝在底板上，可以沿某種類型的鍵槽在底板上橫向移動，使尾架能與主軸箱中的主軸對正尾架的第三個組成部分是尾架套筒，它是一個直徑通常大約在51---76mm（2—3英寸）之間的鋼制空心圓柱體。通常手輪和螺桿，尾架套筒可以在尾架體中縱向移入和移出幾英寸。 車床的規(guī)格用兩個尺寸表示。第一個稱為車床床面上最大加工直徑。這是在車床上能夠旋轉地工件的最大直徑。它大約是兩頂尖連線與導軌上最近點之間距離的兩倍。第二個規(guī)格尺寸是兩頂尖之間的最大距離。車床床面上最大加工直徑表示在車床上能夠車削的最大工件直徑，而兩頂尖之間的最大距離則表示在車床上能夠車削的最大工件直徑，而兩頂尖之間的最大距離則表示在兩個頂尖之間能夠安裝的工件的最大長度。 普通車床是生產中最經常使用的車床種類。它們是具有前面所敘述的所有那些部件的重載機床，并且除了小刀架之外，全部刀具的運動都有激動進給。它們的規(guī)格通常是：車床床面上最大加工直徑為305—610mm（12—24英寸）；兩頂尖之間距離為610—1219mm（24—48英寸）。但是，床面上最大加工直徑達到1270mm（50英寸）和兩頂尖之間距離達到3658mm（12英寸）的車床也并不少見。這些車床大部分都有切削盤和喲個安裝在內部的冷卻系統。小型的普通車床—車床床面最大加工直徑一般不超過330mm（13英寸）--其中一些也可以被設計成臺式車床，即床身可安裝在工作臺或柜子上。 雖然普通車床很有很多用途，是很有用的車床，但是更換和調整刀具以及測量工件花費很多時間，所以它們不適合在大量生產中應用。通常，它們的實際加工時間少于其加工時間的30%。此外，需要技術熟練地工人來操作普通車床，這種工人的工資高而且很難雇到。然而，操作工人的大部分時間卻花費在簡單的重要調整和觀察切削產生過程上因此為了減少或者完全不雇傭這類熟練工人，轉塔車床、螺紋加工車床和其他類型的半自動和自動車床已經很好地研制出來，并已經在生產中得到廣泛的應用。 Lathes Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing, and boring. Very little turning is done on other types of maching tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the workpiece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. Engine Lathes:The engine lathe, one of the oldest metal remmoval machines, has a number of useful and highly desirable attributes. Today these lathes are used primarly in small shops where smaller quantities rather than large production runs are encountered. Tolerances for the engine lathe depend primarily on the skill of the operator. The design engineer must be careful in using tolerances of an experimental part that has been poroduced on the engine lathe by a skilled operator. In redesigning an experimental part of production, economical tolerances should be used. Turret Lathes:Production machining equipmnt must be evaluated now, more than ever before, in terms of ability to repeat accurately now,more than ever before, in terms of ability to repeat accurateal and rapidly. Applying this criterion for establishing the production qualification of specific method, the turret lathe merits a high rating. In desingning for low quantities such as 100 or 200 parts, it is most economical to use the turret lathe. In achieving the optimum tolerances possible on the turret lathe. The designer should strive for a minimum of operations. Automatic Serew Machines:Generally, automtic screw machines fall into several categories; single-spindle automatics,mulltiple-spindle automatics production of screws and similar threded part,the automatic screw machine has long since cxceeded the confines of this narrow field, and today plays a vital role in the mass production of a variety of precision parts. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, carriage assembly, and the leadscrew and feed rod. The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well-noremalized or aged gray or nodular cast iron and provides a heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bad,usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one flat way in one or both sets. Theyare precision machined to assure accuracy of alignment. On most modern lathes the ways are surface-hardened to resist wear and abrasion, but precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed. The headstock is mounted in a fixed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the work at various speeds. Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears—similar to a truck transmission—through which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An incereasing trend is to provide a continuousiy variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construcition and mounted in heavy bearings,usually prealoaded tapered roller or ball types.The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of this hole is an important dimension of a lathe because it determines the maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle. The tailstork assembly consists, essentially, of three part. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinlly thereon, with a means for clamping the entire assembly in any desired location. An upper casting fits on the lower one and can be moved transversely upon it,on some type of keyed ways, to permint alingning the tailstock and headstock spindles. The third major component of the assembly is the tailstock quill. The is a hollow steel cylinder, usually about 51 to 76mm in diameter, that can be means of a handwhell and screw. The size of a lathe is designated by two dimensions. The first is known as the swing. This is the maximum diamenions. The first is known as the swing. This the maximum diameter of work that can be rotated on a lathe. It is approximately twice the distance between the line connecting the lathe centers and the nearest point on the ways. The second size dimension is the maximum diameter between centers. The swing thus indicates the maximum workpiece diameter that can be turned in the lathe, while the distance between centers indicates the maximum length of workpiece that can be mounted between centers. Engine lathes are the type most frequently used in manufacturing. They are heavy-duty machine tools with all the components described previously and have power drive for all tool movements except on the compound rest. They commonly range in size from 305 to 610mm swing and from 610 to 1219mm center distances, but swing up to 1270mm and center distances up to 3658mm are not uncommon. Most have chip pans abd a built-in coolant circulating system. Smaller engine lathes—with swings usually not over 330mm also are available in bench type, designed for the bed to be mounted on a bench or cabinet. Although engine lathes are versatile and very useful, because of the time required for changing and setting tools and for making measurements on the workpiece, they are not suitable for quantity production. Often the actual chipproduction time is less than 30% of the total cycle time. In addition, a skilled machinist is required for all the operations,and such persons are costly and often in short supply. However, much of the operator’s time is consumed by simple, repetitious adjustments and in watching chips being made. Consequently, to reduce or eliminate the amount of skilled labor that is required, turret lathes, screw machines, and other types of semiautomatic and automatic lathes have been highily developed and are widely used in manufacturing. 河南科技學院畢業(yè)論文（設計）課題審核表 院（系）名稱 機電學院 專業(yè)名稱 機電技術教育、機械設計制造及其自動化 指導教師 姓名及職稱 馬利杰 副教授 課題名稱 車銑加工表面粗糙度的形成機理 課題來源 自選課題 立題理由 和所具備 的條件 切削參數與加工零件表面質量關系密切。為了掌握微小型車銑加工的表面粗糙度變化規(guī)律,對微小型車銑加工的銑削轉速、工件轉速、軸向進給量以及切削深度等四個獨立的重要切削參數進行試驗研究。試驗結果表明,銑削轉速和工件轉速的變化對粗糙度值的影響最明顯的,銑削轉速越高表面粗糙度值越低,工件轉速提高表面粗糙度增大,也就是說銑削轉速和工件轉速的變化對粗糙度值的影響程度剛好相反。 車銑技術是近年來發(fā)展起來的一種先進的金屬切削技術.由于車銑加工可以大幅度提高切削加工的效率和質量,縮短生產周期,降低加工成本,這項技術已經成為金屬切削領域的研究熱點.隨著科學技術的不斷進步,各種高強度、超高強度等材料的廣泛使用給切屑的控制帶來了更大的困難.車銑加工是間斷切削,因此,無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑,易于自動除屑,可以應用車銑技術粗加工外圓以取代現有的車削外圓工藝.切屑形成機理的研究既是切削機理研究的重要組成部分,也是切削機理研究的基礎. 教研室 審批意見 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設 計）工作領導 小組審批意見 組長簽字：： 年 月 日 注：本表經教務處復審后存院（系）備查 河南科技學院 2009屆本科畢業(yè)論文（設計） 論文題目：車銑加工表面粗糙度的形成機理 學生姓名： 李巖 所在院系： 機電學院 所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 導師姓名： 馬利杰 完成時間： 2009年 5 月 20日 摘 要 通過對車削與車銑加工的比較，分析車銑加工時的一些特點及一般的加工工序與加工步驟。 綜合考慮了刀具幾何參數、刀具與工件的相對運動以及切削用量對已加工表面軸向殘留面積高度的影響，建立了正交車銑已加工表面軸向殘留面積高度的理論計算模型和計算公式，并據此提出了已加工表面粗糙度理論值得計算方法。研究結果表明，理論軸向殘留面積高度是影響實際正交車銑已加工表面粗糙度的主要因素。 關鍵詞：切削；車銑；已加工表面粗糙度 Formation Mechanism of Surface Roughness in Turn-milling Process ABSTRACT Hight speed turn-milling technology is an advanced machining technology , which can make the turning workpiece be cut effciently and pricisely . The process of forming surface is complex , so the research on surface roughness of machined workpiece with theory and experiment is very important .The influence of the cutter geometry parameters , the relative movement and cutting regime on the axial residual area’s height is taken into account synthetically .The theoretical calculating model and formula can be used to calcul ate the axtial residual area’s height of the machined workpiece by high speed orthodgonal turn-milling are founded . On the basis of this , the method by which the theoretical surface roughnss of machined workpiece can be calculated is given .The experiment results show that theoretical axial residual area’s height is the main factor that influences the theoretical surface roughness of workpiece machined by high sp or thodgonal turn-milling . Key words: High speed cutting ; High speed turn-milling ; Machined surface roughness 目 錄 1緒論 1 1.1 車銑加工的特點及分類 1 1.2 車銑加工技術的國內外研究進展 3 1.3 本文主要研究內容 4 2 車銑的加工形式分析 4 2.1 運動分析 4 2.2 水平運動模型 5 3 車削及車銑加工表面粗糙度的影響因素分析 8 3.1切削加工中的表面粗糙度及其控制 8 3.1.1 殘留面積產生的粗糙度 9 3.1.2 切削過程中不穩(wěn)定因素產生的粗糙度 10 3.1.3 影響表面粗糙度的主要因素 11 3.2 車削加工的表面粗糙度 12 3.2.1車削的主要加工范圍 12 3.2.2影響車削加工表面粗糙度的主要因素 13 3.3車銑軸向殘留面積高度計算 14 3.3.1無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算 14 3.3.2 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算 17 3.4車銑加工和車削加工的比較與改進措施 20 4 結 論 20 致 謝 22 參考文獻 23 1緒論 車銑技術是20世紀80年代初在發(fā)達國家發(fā)展起來的一種新型的機械加工方法，它以全新的概念開辟了機械加工領域的新紀元，并成為20世紀90年代以來西方各國競相研究和開發(fā)的熱點高新技術之一。 車銑加工將車削和銑削加工有機結合在一起，利用車銑合成運動對工件進行加工，特別適合大型軋輥、發(fā)電機轉子、曲軸等大型、精密復雜回轉體零件的高效粗加工和精密加工，是實現所謂“全部加工”和“一次性完成的加工”的先進制造工藝。采用告訴車銑技術不但可以大幅度提高生產效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統的機械加工，是一種高金屬去除率的“整體制造”技術，被世界公認為最具技術帶動性、高技術覆蓋面廣的關鍵先進制造技術，具有廣闊的發(fā)展和應用前景，事機械制造流域的重要發(fā)展方向。 1.1 車銑加工的特點及分類 傳統的車削和銑削加工中，離心力對卡盤和刀具的影響河大，工藝性和經濟性往往成為切削速度和加工精度提高的瓶頸而制約其進一步發(fā)展。高速車銑加工技術則是將工件的旋轉運動和刀具的旋轉運動相結合，同時給予刀具和工件旋轉運動的先進加工方法，它充分發(fā)揮了高速銑削力小、加工過程產生的熱量對工件影響小、加工表面質量好等優(yōu)勢，一次裝夾就可以完成平面和槽、圓柱表面和孔加工等工序，形為誤差較小。由于其具有加工速度快、加工表面質量高、刀具和工件殘留熱應力小、切削短、易實現加工過程自動化等優(yōu)點，起研究應用范圍日益擴大，用于回轉對稱零件的精密加工時甚至可以代替磨削加工，因此，它是今后將車削、銑削和鉆削加工綜合在一起而大力發(fā)展的新技術，是對傳統機械加工方法和概念的拓展和提升。 如圖1所示，根據刀具幾何形狀和切削運動的不同，車銑加工大致可分為軸向車銑(coaxialturn-milling)和正交車銑(orthogonal turn-milling)兩種形式，按照銑刀與工件相對運動方向的不同又可以分為順銑和逆銑兩種情況。軸向車銑時，刀具和工件的軸線平行，銑刀作高速旋轉運動，工件作低速回轉。該方法適合于回轉對稱工件內、外表面的加工，正交車銑中刀具的軸線于工件的軸線相垂直，主要用于軸對稱回轉體的外表面加工。在高的切削熟讀條件下將車削和銑削技術相組合，是的車銑加工具有以下優(yōu)點： 圖1 車銑加工示意圖一 （1）由于工件轉速低，車銑加工過程切削力小，離心力對工件變形影響小，軸線方向的振動頻率小，加工表面尺寸、形狀精度高，尤其適合薄壁零件的加工。 （2）車銑加工屬多刃切削，整個加工過程中總是同時有多個切削刃于工件保持接觸，切削振動小，減少了刀具的磨損，對大型回轉體毛胚的粗加工十分有益，使用多刃刀具，提高了加工效率，降低了成本。 （3）車銑是間斷切削，切削較短，易于排屑，甚至在加工塑性材料時也是如此。同時，間斷切削使刀具有一定得冷卻時間，刀具切削溫度相對較低，切削區(qū)的熱量不斷由切削快速帶走，使被加工工件的表面殘留的熱量很小，加工表面基本上午熱應力產生熱變形。 （4）當刀具于工件的速比足夠大時，可獲得很高的表面質量，可與磨削相媲美；通過對切削參數進行優(yōu)化，還可以對大型非對稱工件和小直徑零件進行加工。 （5）切削速度是由工件和刀具的回轉速度共同合成，從而不需要使工件高速旋轉就能實現高速切削，有利于對大型回轉體工件進行高速切削，以及實現難加工材料的干式切削。 （6）需車、銑、鉆、鏜等不同方法進行加工的工件能在1次裝夾中完成加工，不需要更換機床，縮短生產周期，避免重復裝夾的誤差。 （7）與傳統車削相比，車銑極易實現高速切削，而高速切削的一切優(yōu)點可在車銑中得以體現。如切削力比傳統切削可下降30%。機床和刀具承受的負荷小，也有利于機床精度的保持。 1.2 車銑加工技術的國內外研究進展 車銑加工技術是由德國于20世紀80年代最早研究開發(fā)的。目前，對車銑技術的研究主要集中在道具的磨損機理、表面質量和加工表面的完整性、切削形成機理以及硬質材料切削等方面。對滾柱軸承座圈進行了高速車銑加工，研究了軸向車銑和正交車銑中切削條件、刀具和工件相對位置以及刀具幾何形狀等幾何精度和加工表面質量的影響，加工表面粗糙度達到0.5μｍ以下。 美國研究了高硬度材料的取、進給度的優(yōu)化，以及車銑加工中切削的形成機理。當以優(yōu)化的參數用CBN刀具切削100Cr62（HRC62）時，工件表面粗糙度<2μｍ，刀具耐用度大大提高，達10h，且能夠實現干切削。以車銑加工代替硬質材料的告訴精密車削加工，不需冷卻、刀具加工時間長，表面質量達到磨削水平。慕尼黑大學對高速車銑切入一切處條件進行了模擬實驗與優(yōu)化，獲得了影響車銑加工動態(tài)穩(wěn)定性的重要參數。研究了振動對車銑加工表面質量的影響，指出機床的動態(tài)和靜態(tài)剛度對車銑加工質量有著重要影響。國外研究了正交車銑在500—2000r/min加工速度范圍內，切削長度及進給量對工件表面光潔度的影響，指出刀具轉速的提高和軸向進給速度的減少有利于表面精度的提高，實驗獲得的正交車銑表面精度是車削加工的10倍，且切屑短小，易于排屑。在切屑刀具幾何形狀和切削參數優(yōu)化方面，國外開發(fā)了1中新型的盤式刀具，這種刀具使得個切削刃在切削過程中有一定的冷卻和休息時間，刀具與切削之間的摩擦系數減少，刀具耐用度減小，刀具耐用度提高，美國科學家將道具設計成平截圓錐體，在適當的切削速度下，切削力減小10%左右，切屑厚度較小。德國研究所等研究了兩個重要的參數切削溫度和切削細加工表明：刀具切削刃的旋轉運動帶走了切削區(qū)大量的熱量，降低了切削溫度，旋轉刀具的切削力大大小于固定刀具。研究了自驅動回轉刀具的驅動和操作，認為傾斜的回轉刀具切削效率最高。研究了降低硬質材料生產時間和成本的方法。硬度超過HRC60的材料的拋光通常使用磨削加工，隨著加工技術的進步和刀具材料的發(fā)展，通過對刀具幾何參數的優(yōu)化，利用車銑技術即可獲得磨削所能達到的尺寸精度和表面光潔度，且加工速度高，生產成本低。但是由于車銑加工的運動學和動力學特性非常復雜，加工刀具的剛性和幾何形狀要求較高，同時，刀具的最小直徑限制了其使用范圍的進一步擴大，在這些領域還有許多問題以待研究和解決。 1.3 本文主要研究內容 車銑加工由于其表面形成過程較為復雜，已加工表面表面粗糙度的理論計算較為困難。 本文通過對正交車銑加工的研究，綜合考慮了刀具幾何參數、刀具和工件的相對運動及切削用量，找出影響車銑加工表面粗糙度的主要因素。并據此提出了正交車銑加工表面粗糙度理論計算模型和軸向殘留面積高度計算公式。 2 車銑的加工形式分析 車銑技術就是以銑代車實現加工的高效率。由于銑刀是多齒刀具，而銑刀自身又具有高速的轉動速度，在單位時間內可以加大金屬的切削量。此外，切削熱可以被切削快速帶走使被加工工件的表面殘留的熱量很小，加工表面基本無熱應力產生的熱變形。又由于銑刀在切削過程中是斷續(xù)切削，因此無斷屑問題。 圖2 車銑加工示意圖二 圖2所示的是在車床上利用銑刀銑內、外圓柱面的加工示意圖。由圖中可以看出車銑加工的機床與刀具的運動方式。在加工外圓柱面時，銑刀可以從水平或垂直設置。水平設置刀具可以得到較大的切削深度、進給量和較高的表面質量，但加工表面的長度受到銑刀長度受到銑刀長度的限制。垂直設置刀具與水平設置刀具相逼有較低的切削力和表面質量，但被加工面得長度不受約束。 2.1 運動分析 車銑運動是一個復合運動，工件和道具分別以轉速和作旋轉運動，同時在進給機構的驅動下，刀具以作沿工件軸向的進給運動，如圖3所示為常見的車銑運動組合，運動組合如箭頭所示。因此，銑刀切削刃上某點在順勢相對于工件同時有速度和，這兩個向量的和形成該點的合成切削速度，但切削刃上該點還要咬著銑刀的軸線旋轉，一次該點相對于工件的運動軌跡應是一種延長擺線,但從整個刀具中心的運動可以只考慮和，則切削表面可以近似堪稱螺旋面，即切削刃上某點切削軌跡是近似螺旋線。 對圖3中的正交車銑 建立的以銑刀回轉中心為坐標原點的X—Y—Z指教坐標系，如圖4所示。X軸正向為銑刀進給速度方向，Z軸正向為工件線速度方向，則Y軸為銑刀的旋轉軸。 圖3 車銑的運動組合 圖4 正交車銑直角坐標的建立與運動分析 2.2 水平運動模型 銑刀水平設置，銑刀與工件相對轉動，切削點的運動形成了空間的螺旋軌跡。如圖所示在軸向進給時切削表面的軌跡曲線。圖5a為縱向觀測的運動軌跡，圖5b是軸向觀測的運動軌跡。工件轉動，銑刀即轉又實現軸向進給。為了能更好的描述其切削點的運動軌跡，設定進給量為固定值的常量。此時得出運動過程的矢量圖。如圖6所示，車銑運動的過程完全可以通過矢量圖加以描述。矢量V表示圍繞工件轉動的銑刀運動速度。引用文獻計算公式分析。 圖5 矢量圖 圖6 坐標軸圖 =（） （1） 式中：D----工件的直徑； d----銑刀的直徑； Ω----工件的角速度。 銑刀的徑向進給速度矢量為： = (2) 式中：----切削點瞬間徑向往復移動函數；銑刀的切入角 ---在加工過程中銑刀同時參加切削工件的刀齒時， 銑刀在（）坐標上的轉動矢量為： = (3) 銑刀在（x,y）坐標上的轉動矢量是為： == (4) 銑刀在工件上切入點的軌跡曲線矢量為 =-+;將（1）（2）（4）式代入上式可得： =（）- + (5) 而得長度為： =(+) = (6) R值的大小取決于切入角、銑刀和工件的直徑及瞬間的徑向進給量。而軌跡矢量角為tg=/ (7) 由圖3得知為： =+=+ (8) 式中：---工件與銑刀的切削擺動角； ---銑刀的刀齒數； ---轉動頻率比（λ=）； ---銑刀的轉速； ---工件的轉速 切削擺動角φ的計算可以通過（）坐標系來求得，在（）坐標上的切入點軌跡矢量為： = 式中：= （9） 將（9）式代入（5）式中可得： = （10） 此時切削擺動角為: (11) 則8式可寫成為： =+arctg (12) 由此可得銑刀切削點瞬間徑向往復移動函數為： 式中：----工件每一轉時銑刀的徑向進給量 3 車削及車銑加工表面粗糙度的影響因素分析 3.1切削加工中的表面粗糙度及其控制 經過切削或磨削加工后的表現總會有圍觀幾何不平度，不平度的高度稱為粗糙度。其產生的原因可歸納為兩個方面。 （1）幾何因素產生的粗糙度，也稱為理論粗糙度，由切削運動和刀具的幾何形狀產生，主要取決于殘留面積的高度。 （2）切削過程中不穩(wěn)定因素所產生的粗糙度，包括積屑瘤、鱗刺、切削變形、刀具的邊界磨損、切削刃與工件相對位置變動等。 由于車銑加工表面粗糙度主要取決于殘留面積的高度，所以本文主要研究幾何因素對車銑加工表面粗糙度的影響。 3.1.1 殘留面積產生的粗糙度 切削時，由于刀具與工件相對運動以及刀具幾何形狀的關系，有一小部分金屬未被切削下來，殘留在已加工表面上，稱為殘留面積。如圖7所示，其高度直接影響到已加工表面的橫向粗糙度。理論的殘留面積高度R可以根據刀具的主偏角、副偏角、刀尖圓弧半徑r和進給量f，按幾何關系計算出來。 圖7 加工過程 刀尖圓弧半徑r=0時： = () （14） 刀尖圓弧半徑r不等于0時： (15) 由上面的分析可知，減小進給量f，可以降低零件的理論粗糙度，但是會影響生產效率。適當的減小副偏角和增大刀尖圓弧半徑r，可以減小理論粗糙度。因此精加工時往往在刀尖處磨出一定得圓弧或修磨出一小段副偏角=0的修光刃，來降低零件的表面粗糙度。但是過度的減小副偏角和增大刀尖圓弧半徑，會使刀具和工件之間的摩擦增大，產生振動，使工件表面質量下降。 3.1.2 切削過程中不穩(wěn)定因素產生的粗糙度 1）積屑瘤 當切削塑性材料時，常在靠近切削刃及刀尖的簽到面上產生積屑瘤，積屑瘤的硬度很高，可以代替切削刃進行其切削。由于積屑瘤會引起過切，并且自身不規(guī)則，且處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不斷生長和破碎，導致各處的過切量不一致。同時，一部分破碎的積屑瘤碎片嵌入已加工表面形成鱗片狀毛刺。積屑瘤的生長于破碎導致切削力的波動，容易引起振動。所以除了殘留面積造成的粗糙度外，就要數積屑瘤的生長于破碎對粗糙度的影響嘴嚴重。 2）鱗刺 鱗刺就是已加工表面上出現的鱗片狀毛刺，常常發(fā)生于中低速、大進給量、較小前角切削塑性、韌性較大的金屬時。鱗刺對表面粗糙度由嚴重的影響，使已加工表面變得很粗糙，是加工中獲得較小粗糙度表面的一大障礙。 鱗刺可以在下述三種情況下形成 ①形成節(jié)狀切削或單元切削時。 ②形成伴有積屑瘤的帶狀切削時。 ③形成無積屑瘤的帶狀切削時。 綜上所述得知，鱗刺的成因是：切削刃金屬周期的在節(jié)狀切削單元體前方或在積屑瘤前方積層，并周期性的被切削而形成鱗刺。 3）切削過程中的變形 圖8 切屑形成 如圖8所示，在擠裂或單元切屑的形成過程中，由于切削單元帶有周期性的斷裂，這種斷裂要深入到切削表面下，從而在加工表面上留下擠裂的痕跡而形成波浪形。而在崩碎切削的形成過程中，從主切削刃處開始的裂紋在接近主應力方向斜著向下延伸形成過切，造成已加工表面凹凸不平。 4）振動 切削過程中如果有振動，表面粗糙度就會顯著增大,振動式由于徑向切削力太大，或者加工系統的剛度太小所引起的。 3.1.3 影響表面粗糙度的主要因素 1）刀具方面 A．幾何參數 刀具幾何參數中對表面粗糙度影響最大的是刀尖圓弧半徑r，副偏角和修光刃。 刀尖圓弧半徑r對表面粗糙度由雙重影響：r增大時，殘留高度減小，另一方面變形將增加。由于前一種影響較大，所以當刀尖圓弧半徑r增大時，表面粗糙度將降低。因此在剛度允許的情況下，增大刀尖圓弧半徑r是降低表面粗糙度的好方法。副偏角越小，表面粗糙度越低。但是減小副偏角容易引起振動，故減小副偏角，必須視機床系統的剛度而定。采用一段長度稍大于進給量的修光刃是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來消除殘留面積是實際加工工件中常用的方法。 2）切削條件 A 切削速度v 加工塑性材料時，切削速度對積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低易產生鱗刺，低速至中速一形成積屑瘤，粗糙度較大。避開這個速度區(qū)域，表面粗糙度會減小。加工脆性材料時，因為一般不會形成積屑瘤 和鱗刺，所以切削速度對表面粗糙度基本無影響。 由此可見，用較高的切削速度，既可以提高生產率，同時又可使加工表面粗糙度較小。 B 進給量f 從幾何因素中可知，減小進給量f可以降低殘留面積的高度。同時也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進盡量可以使表面粗糙度值減小。是進給量減小到一定值時，再減小，塑性變形要占主導地位，粗糙度值不會明顯下降。當進給量更小時，由于塑性變形程度增加，粗糙度反而會有所上升。 C 切削深度 一般來說，切削深度對加工表面粗糙度的影響是不明顯的，擔當切削深度小于0.002—0.003mm時，由于刀刃不是絕對尖銳而是有一定得圓弧半徑，這時正常切削就不能進行，常擠壓滑過加工表面而切不下切削而將在加工表面上引起附加的塑性變形，從而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能選用過小的切削深度。 D 切削液 切削液的冷卻和潤滑作用，能減小切削過程的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，從而減少了切削過程的塑性變形并抑制積屑瘤和鱗刺的生長，因此對減小加工表面粗糙度有利 3.2 車削加工的表面粗糙度 車削加工主要由車床類機床完成。車削是通過工件旋轉進行切削的一種加工方式。在車床上可以加工各種回轉體表面（如：內外圓柱面，圓錐面，成型回轉面等）和回轉體端面，某些車床還能加工螺紋面。 3.2.1車削的主要加工范圍 （1）車外圓 外圓車削是車削加工中最基本的切削加工。車外圓的車刀有直頭外圓車刀、彎頭外圓車刀等。車外圓一般分為粗車和精車。粗車的目的是切去大部分加工余量；精車是要保證所要求的精度和表面粗糙度。 （2）車端面 車削端面可用彎頭車刀和偏刀。當用偏刀車削并由外圓向中心進給時，如切深較大，切削力會使車刀扎入工件，形成凹面，因此可由中心向外切削。 （3）車螺紋 在車床上可利用螺紋車刀加工螺紋。螺紋按牙型分為三角螺紋、梯形螺紋和方牙螺紋等，其中普通公制三角螺紋應用最為廣泛。 3.2.2影響車削加工表面粗糙度的主要因素 工件表面質量是工件加工質量的重要指標，因此對車削加工過程的工件表面質量的分析非常重要。工件的表面質量包括表面粗糙度、波形、形狀誤差的很多方面。如圖9所示，在車削加工中，影響工件已加工表面粗糙度的因素主要有三個方面： （1）刀具刀尖部分的幾何形狀 （2）刀具與工件之間之間相對運動的進給速度 （3）切削振動產生的刀具與工件之間的相對位置變化等 此外，切削速度、工件的材料、切削液等對工件的表面質量也會產生重大影響，而且由于切削過程中金屬的擠壓、變形、摩擦、磨損、力和熱等物理因素的作用產生的積屑瘤、鱗刺、刀具的邊界磨損等都會影響工件的表面粗糙度。切削液的使用和切削速度的提高有助于提高表面粗糙度，而隨著進給量、切深 和振動的增加，會使表面粗糙度降低。 圖9 粗糙度成因 通過對以上車削加工的表面粗糙度的分析，可以得知車削加工表面粗糙度與切削參數具有一定得對應關系，把表面粗糙度的估算值表示為 （16） 式中：進給量， 背吃刀量， 切削速度， 常數 3.3車銑軸向殘留面積高度計算 3.3.1無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算 偏心量e=0的無偏心正交車銑軸向殘留面積高度的計算模型如圖10所示： 設z為銑刀齒數，參數可反映工件轉一轉，刀齒在工件圓周上的嚙合方位變化。首先討論 =(m為整數)的情況。當 =時，若銑刀中心在位置時某一刀齒于工件的嚙合位置為，則工件轉動一周，銑刀中心移到位置時，一定有一刀齒在位置與工件嚙合。 R—工件已加工表面半徑；r--銑刀半徑; —工件中心；--銑刀轉過一個齒間角時工件轉過的角度；--工件轉速；--刀具轉速 圖10 無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算模型 工件每轉一周所形成的圓周表面由銑刀轉過一個齒間角所形成弧段表面組成。理論上，銑刀轉過任一個齒間角所形成的弧段表面形成過程和幾何形狀是一樣的。圖10 弧段表面是由銑刀（銑刀中心在位置）轉過一個齒間角時，刀齒副切削刃切削銑刀在上一周（銑刀中心在位置）刀齒主切削刃轉過一個齒間角的殘留輪廓形成的。假設和的位置的刀齒為前一刀齒，則弧段中段由前一刀齒所形成， 段由相鄰的后一刀齒形成。由于對稱，在推導軸向殘留面積高度時，只需考慮弧段表面即可。 弧段不同徑向截面?zhèn)饶妇€形成及軸線殘留面積高度的理論計算有所不同。從圖10可以看出，A-A截面軸向殘留面積高度計算與車削加工相同，在此引用文獻的計算公式如下： 當只有刀尖圓弧刃加工表面時（） (17) 當刀尖圓弧和直線副切削刃加工表面時（） (18) 式中： 當刀尖圓弧半徑時 = （19） 式（17）--（19）中：為軸向殘留面積高度，為刀具相對工件的軸向進給量，mm/r；為刀尖圓弧半徑，mm;為銑刀主偏角；為銑刀副偏角。 上任一沿工件軸向且通過工件軸線的D—D剖面上，工件側母線的形成過程與A—A剖面上工件側母線的形成過程有所不同。刀具相對工件軸向進給一個進給量形成D-D剖面上側母線線段EFG的切削過程如下：當銑刀中心在位置，銑刀刀齒轉到F位置時刀尖首先切削F點，以后銑刀以轉動，工件同時以轉動，銑刀副切削刃切削各點順次在略低于D-D的位置對FG上各點進行切削。同理，在銑刀相對工件進給一個，銑刀中心到達后，銑刀刀尖和副切削刃順次對EF段各點進行切削。D-D剖面上軸向殘留面積高度是由銑刀中心在位置，刀齒轉至F位置主切削刃切削殘留輪廓和銑刀中心在位置時副切削刃切削EF段的切削輪廓所決定。 銑刀中心在時副切削刃切削EF段形成的輪廓線可由D-D剖面上的假想副切削刃代替。假想副切削刃定義為：在D-D剖面內，其輪廓與由副切削刃切削EF后形成的EF輪廓線重合。若設D-D剖面上假想副切削刃的副偏角，則 式中：是刀片從E轉到F后，由于銑刀本身的副偏角，使E、F亮點切削殘留高度不同形成的。是刀片從E向F轉動時，由于工件相對轉動，刀齒切削E、F點的高度不同，而使E、F兩點切削殘留高度不同形成的附加副偏角。 從圖10可以看出，銑刀中心在位置時，副切削刃繞從E轉至F時可將EF段切出，設參與切削EF段的副切削刃長度為L，則 （20） 式中： = ； 由D-D剖面位置決定。 若假設副切削刃從E轉角（可近似?。?，工件轉時（），副切削刃對F點進行切削，此時OD面轉至OD’，則 （21） 式中：逆銑時區(qū)“-”號，順銑時取“+”號。 確定了也就確定了銑刀中心在時副切削刃切削EF段的輪廓線，而刀齒主切削刃在D-D剖面上的切削殘留輪廓，決定于諸切削刃和刀尖在D-D剖面上的投影輪廓。吧主切削刃和刀尖在D-D剖面的投影輪廓定義為假想主切削刃和假想刀尖，而且根據幾何投影關系可確定相應的假想主偏角和假想刀尖圓弧半徑。 確定了、和后就按式（17）-（19）計算D-D剖面已加工表面的軸向殘留面積高度。但實際上，在高速正交車銑外圓柱表面時，因為>>，所以角很小，由（20）和（21）可知，即同時，由于角很小， 當（k,m為>1的不可約整數）時，切削過程中，工件轉動k轉銑刀刀齒在圓周上的嚙合方位才能實現重合。但對于m>>k的高速正交車銑，刀具每轉一個齒間角工件所轉角度很小，所以，當工件每轉過一轉后，雖然刀齒與工件嚙合方位與前一轉不重復，但根據對前述假想副切削刃的分析，仍可近似用式（17）--（19）計算其已加工表面軸向殘留面積高度。 綜上所述，對于無偏心高速正交車銑，其理論軸向殘留面積高度可用式（17）--（19）來計算。而且，從上述分析可知，在計算無偏心高度正交車銑理論向殘留面積高度時可省略附加副偏角的影響，所以，理論上采用逆銑還是順銑方式對已加工表面粗糙度沒有太大影響。 3.3.2 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算 偏心量的偏心正交車銑軸向殘留面積高度的計算模型如圖11所示，其中，為 銑刀端面刃（副切削刃）長度。 與無偏心高度高速正交銑的分析相同，由于>>，偏心高速正交車銑工件已加工表面軸向殘留面積高度可由圖11A-A剖面來計算。 圖11中，A-A剖面上殘留面積高度可由銑刀中心在刀齒處于位置時主切削刃在A-A剖面的投影與銑刀中心在、刀齒副切削刃從轉至對EF切削所形成的輪廓線決定。在此引入A-A剖面內假想切削刃的概念。定義刀齒處于位置時主切削刃在A-A剖面上的投影為假想主切削刃，刀尖在A-A剖面上的投影輪廓為假想刀尖；在A-A剖面上，輪廓與銑刀中心在，刀齒副切削刃從轉至切削EF后的輪廓重合的線段定義為假想副切削刃。相應的假想主偏角、假想副偏角、假想刀尖圓弧半徑分別用、和表示。 根據投影關系，可以得出 (b) (c)刀刃在剖面投影模型 圖11 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計算模型 式中：為刀齒主偏角， 當或且時，A-A剖面上假想副切削刃的副偏角可由下式確定： 式中：L為銑刀中心在時，對EF線段進行切削的刀齒副切削刃長度，，為刀齒副偏角。 從圖11可見與逆銑、順銑無關，均為 式中：為副切削刃切削F點時從所轉過的角度，，可由作圖求出；R為工件已加工表面半徑。 當刀齒處于位置時，刀尖圓弧刃在A-A剖面上的投影為一橢圓圓弧短，起長軸半徑為，段軸半徑為高速正交車銑加工所用工具為立銑刀，副偏角很小，所以，參與已加工表面殘留面積高度形成的圓弧刃高度很小，當刀齒圓弧刃向A-A剖面投影成橢圓弧后，參與已加工表面殘留面積高度形成的橢圓弧部分可近似用其頂點的曲率圓弧代替，如圖11（c）所示。設曲率圓弧半徑為則根據文獻可得 按假想切削刃將、、代替式（17）--（19）中的，即可計算偏心正交車銑已加工表面軸向殘留面積高度。從圖11（c）可以看出，偏心量e越大，越小，軸向殘留面積高度越大。 對于，且的情況（見圖11（b））,副切削刃在切削EF段時，在I點形成一殘留面積高度極值點，其大小為 （22） 式中：，顯然式（22）要求 在確定了工件已加工表面軸向殘留面積高度后，就可以計算由軸向殘留面積高度決定的理論輪廓算術平均偏差。根據文獻，輪廓最大高度是的4—7倍，即 3.4車銑加工和車削加工的比較與改進措施 車削是通過工件旋轉進行切削的一種加工方式。在車床上可以加工各種回轉體表面。車削加工表面粗糙度主要取決于刀具刀尖部分的幾何形狀；刀具與工件之間之間相對運動的進給速度；切削振動產生的刀具與工件之間的相對位置變化等。因此改善進給量；背吃刀量；切削速度等因素就可以很好的改善車削表面粗糙的加工質量。 車銑加工將車削和銑削加工有機結合在一起，利用車銑合成運動對工件進行加工，特別適合大型軋輥、發(fā)電機轉子、曲軸等大型、精密復雜回轉體零件的高效粗加工和精密加工，是實現所謂“全部加工”和“一次性完成的加工”的先進制造工藝。采用告訴車銑技術不但可以大幅度提高生產效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統的機械加工，是1種高金屬去除率的“整體制造”技術。車銑加工表面粗糙度則主要取決于殘留面積的高度計算，所以，改變殘留面積高度（如上文分析）就可很好的改善車銑加工表面粗糙度。 如果已加工表面的走刀痕跡比較清楚，說明影響表面粗糙度的主要因素是幾何因素，就應首先考慮減小殘留面積高度。減小殘留面積高度的方法，首先是改變刀具的幾何參數，增大刀尖圓弧半徑r和減小副偏角。采用帶有=0的修光刃的刀具或精車刀。精車刀是生產中降低加工表面粗糙度所采用的方法。不論是是增大r、減小，或是用寬刃刀都能注意避免振動。減小進給量f，也能有效地減小殘留面積高度，但減小進給量f會降低生產效率，所以只有在改變刀具的幾何參數后會引起其他不良影響時才考慮減小進給量f。 如果已加工表面出現鱗刺或切削速度方向有積屑瘤引起的溝槽，那么就應從消滅積屑瘤和鱗刺著手?？刹捎酶突蜉^高的切削速度，并配合較小的進給量，可有效地抑制積屑瘤和鱗刺的生長。在中、低速切削時加大前角，同時適當的增大一些后角對抑制積屑瘤和鱗刺有一定的效果。 4 結 論 車銑加工技術作為一門新興的先進制造技術，具有加工表面質量好、加工過程不需冷卻生產效率高、熱應力和切削力小、可代替車削實現難加工材料的高速精密加工等優(yōu)點，近年來成為機械制造領域研究的焦點，發(fā)展迅速，應用范圍日益廣泛，必將成為21世紀最具發(fā)展前景的高精密加工技術之一。 通過本次的畢業(yè)設計，使我能夠對書本的知識做進一步的了解與學習，對資料的查詢與合理的應用做了更深入的了解，通過這次畢業(yè)設計是自己對我們在大學期間所學的課程進行了實際的應用與綜合的學習。 致 謝 首先，我要感謝我的畢業(yè)設計指導老師馬老師。在畢業(yè)設計中，他給予了我學術和指導性的意見。我萬分的感謝他給我的寶貴的指導意見和鼓勵。 我也非常感謝我的父母和我的同學。在學習和生活上，他們一直都很支持我，使我能全身心地投入到學習中。 最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設計（論文）的人們。感謝您們抽出寶貴的時間來閱讀這篇畢業(yè)設計（論文）。 參考文獻 [1]范興則，郭前建，曹煥玲. 高速車銑加工---一種新型的精密加工技術[J]，浙江林學院工程學院學報, 2002 11 (9):11-13 [2]王洪祥，孫濤，張龍江，張昊.超精密車削表面粗糙度的控制[P] 黑龍江科技評估中心 2002 [3]黃書濤,姜增輝,賈春德等.干式高速車銑時金屬陶瓷刀具磨損機理研究[J].制造技術與機床,2001 4 (3):24-26 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