CN103268430A - 基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法 - Google Patents

基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法 Download PDF

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CN103268430A CN201310244572XA CN201310244572A CN103268430A CN 103268430 A CN103268430 A CN 103268430A CN 201310244572X A CN201310244572X A CN 201310244572XA CN 201310244572 A CN201310244572 A CN 201310244572A CN 103268430 A CN103268430 A CN 103268430A
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Abstract

本发明涉及一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法,其步骤是:1.机床铣刀系统的动刚度测量计算,1)建立机床铣刀系统动力学模型,2)机床铣刀静刚度测量计算,3)机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算;2.铣削加工工艺优化。本发明在测量计算铣床刀具系统的静刚度和动刚度的基础上,通过测量计算机床刀具在X和Y方向上的静刚度与动刚度,并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量,利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数,该方法易操作,实用性强,对实际铣削加工提高加工精度和加工效率有重要意义。

Description

基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法
技术领域
本发明涉及一种铣削加工工艺参数优化方法,尤其是一种基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法。
背景技术
数控铣削加工过程中,机床、刀具、工件共同组成一个切削过程动力学系统,切削力、加工变形、振动等动力学现象已成为决定数控铣削加工质量与加工效率的关键因素。因此,通过对切削过程中的动力学系统的测量计算来优化铣削加工工艺参数对提供加工质量与加工效率有重要意义。以往一般是根据磨削颤振的稳定性曲线,确定磨削加工中的工艺参数,以使磨削过程在不发生颤振的前提下,最高效率的完成磨削任务。然而,该方法在实际工程确定磨削颤振的稳定性曲线较为复杂,难以在被测对象安装各种测量装置,不适于机床操作者掌握。而实际铣削加工过程中铣削力具有一定的交变频率,因此,本发明专利提出一种基于机床刀具系统动刚度测量的外圆磨削工艺参数优化方法,该方法通过利用压力传感器和电涡流位移传感器测量计算机床刀具系统的静刚度和动刚度,并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量,利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数。该方法易操作,有很强的实用性,对实际铣削提高加工精度和加工效率有重要意义。
发明内容
本发明是要提供一种基于铣床刀具动刚度测量计算的铣削加工工艺参数优化方法,来获得最小刀具切削变形的优化铣削加工工艺参数,以此有效地提高铣削加工效率和加工质量。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法,其步骤是:
一 .机床铣刀系统的动刚度测量计算
1)建立机床铣刀系统动力学模型
机床-刀具系统简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统,如下式所示:
                                                              
Figure 412712DEST_PATH_IMAGE002
                     (1)                        
式中:
Figure 295217DEST_PATH_IMAGE004
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量;
      
Figure 590249DEST_PATH_IMAGE008
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼;
       
Figure 511118DEST_PATH_IMAGE012
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的刚度;
Figure 660919DEST_PATH_IMAGE016
Figure 586149DEST_PATH_IMAGE018
—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力;
   经拉普拉斯转换得到:
           
Figure 810457DEST_PATH_IMAGE020
      (2)        
式中: 
Figure 871954DEST_PATH_IMAGE022
Figure 218622DEST_PATH_IMAGE024
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度;
由上式(2)可知,机床-刀具系统的动刚度可表示为:
          
Figure 631149DEST_PATH_IMAGE026
            (3)             
式中: 
Figure 659148DEST_PATH_IMAGE028
Figure 840730DEST_PATH_IMAGE030
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度;
Figure 992543DEST_PATH_IMAGE034
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比;
 
Figure 558653DEST_PATH_IMAGE036
Figure 860322DEST_PATH_IMAGE038
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比;其交变频率为
Figure 283213DEST_PATH_IMAGE040
Figure 670332DEST_PATH_IMAGE042
为铣刀齿数,为主轴转速;
2)机床铣刀静刚度测量计算
利用实验方法求刀具系统静刚度,刀具通过刀柄固定在主轴上,使用压力传感器在刀具的刀尖位置上施加一定力
Figure 509159DEST_PATH_IMAGE046
,同时电涡流位移传感器测量出刀具的刀尖变形量
Figure 306214DEST_PATH_IMAGE048
,通过数据采集卡和计算机记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号,利用下式计算出刀具静刚度:
Figure 915050DEST_PATH_IMAGE050
                                (4)
3)机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算
使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比,步骤如下:首先利用拉力传感器通过细绳对刀具施加一定的拉力
Figure 150859DEST_PATH_IMAGE052
作为系统输入信号;然后使用剪刀把细绳瞬间剪断,通过电涡流位移传感器采集刀具另一端的位移振动的输出信号,最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率
Figure 161540DEST_PATH_IMAGE054
和阻尼比
Figure 191813DEST_PATH_IMAGE056
通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,进而求出X方向的动刚度
Figure 287945DEST_PATH_IMAGE022
;用相同方法测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,求出Y方向的动刚度
二 .铣削加工工艺优化
根据铣削加工原理,得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力,如下式:
                           (5)
式中,
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure DEST_PATH_IMAGE063
Figure DEST_PATH_IMAGE067
分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度。
通过上述加工工艺参数可确定铣刀X方向和Y方向的铣削力值,结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式(3),计算出铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量,如式(6)所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE069
                 (6)
设主轴转速
Figure 61866DEST_PATH_IMAGE070
、切削宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE071
、工件进给速度
Figure 490836DEST_PATH_IMAGE072
、刀具切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE073
及每齿切削量
Figure DEST_PATH_IMAGE075
的约束条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
Figure DEST_PATH_IMAGE079
Figure DEST_PATH_IMAGE081
Figure DEST_PATH_IMAGE085
,对应于任一组参数
Figure DEST_PATH_IMAGE087
,根据公式(6)可计算出铣削刀具的总变形
Figure DEST_PATH_IMAGE089
,铣削材料去除率为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
,建立目标优化函数
Figure DEST_PATH_IMAGE095
                                    (7)          
正规化后,各铣削工艺参数作为个体的表现形式为:
                                             (8)
设定遗传算法的参数,世代数为,个体数为
Figure DEST_PATH_IMAGE103
,一个变量个体的位长为
Figure DEST_PATH_IMAGE105
,交叉率为
Figure DEST_PATH_IMAGE107
,突然变异率为
Figure DEST_PATH_IMAGE109
。可获得遗传算法优化后的结果主轴转速
Figure DEST_PATH_IMAGE111
、切削宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE113
、工件进给速度、刀具切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE117
做为机床加工工艺参数。
本发明的有益效果:
该发明专利在测量计算铣床刀具系统的静刚度和动刚度的基础上,通过测量计算机床刀具在X和Y方向上的静刚度与动刚度,并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量,利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数,该方法易操作,实用性强,对实际铣削加工提高加工精度和加工效率有重要意义。
附图说明
图1是铣削刀具系统动力学模型图;
图2是铣削刀具静刚度测量示意图;
图3是铣削刀具动刚度测量示意图;
图4 是阶跃响应的刀尖位移振动信号图。
具体实施方式
本发明的基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法,其步骤是:
一 机床铣刀系统的动刚度测量计算
1)机床铣刀系统动力学模型
如图1所示,机床-刀具系统可简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统,如下式所示:
               
Figure 128228DEST_PATH_IMAGE118
                   (1)          
式中:
Figure DEST_PATH_IMAGE119
Figure 711656DEST_PATH_IMAGE120
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量;
      
Figure DEST_PATH_IMAGE121
Figure 961372DEST_PATH_IMAGE122
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼;
       
Figure 946645DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE123
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的刚度;
Figure 318721DEST_PATH_IMAGE016
—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力;
   经拉普拉斯转换可得:
           
Figure 442852DEST_PATH_IMAGE020
         (2)     
式中: 
Figure 282632DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE125
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度;
由上式(2)可知,机床-刀具系统的动刚度可表示为:
          
Figure DEST_PATH_IMAGE126
             (3)            
式中: 
Figure 825609DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE127
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度;
Figure 118050DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE128
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比;
 
Figure 37464DEST_PATH_IMAGE036
Figure 731751DEST_PATH_IMAGE038
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比;其交变频率为
Figure 383312DEST_PATH_IMAGE040
Figure 995340DEST_PATH_IMAGE042
为铣刀齿数,
Figure DEST_PATH_IMAGE129
为主轴转速。
由上式(3)可知,分别计算机床-刀具系统X方向和Y方向的静刚度、固有频率和阻尼比,可计算出各方向的动刚度。因为X方向和Y方向的动刚度计算方法相同,所以本发明专利以X方向为例进行计算说明。
2)机床铣刀静刚度测量计算
如图2所示,利用实验方法求刀具系统静刚度,刀具3通过刀柄2固定在主轴1上,使用压力传感器4在刀具3的刀尖位置上施加一定力
Figure 390549DEST_PATH_IMAGE046
,同时电涡流位移传感器5测量出刀具3的刀尖变形量
Figure 939342DEST_PATH_IMAGE048
,通过数据采集卡6和计算机7记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号,利用下式计算出刀具静刚度:
Figure 27384DEST_PATH_IMAGE050
                                (4)
3)机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算
如图3所示,本发明专利使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比,步骤如下:首先利用拉力传感器9通过细绳8对刀具3施加一定的拉力
Figure DEST_PATH_IMAGE130
作为系统输入信号;然后使用剪刀把细绳瞬间剪断,通过电涡流位移传感器5采集刀具另一端的位移振动的输出信号,其测量结果如图4所示;最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率
Figure DEST_PATH_IMAGE131
和阻尼比
Figure 356734DEST_PATH_IMAGE056
通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,进而求出X方向的动刚度
Figure 555634DEST_PATH_IMAGE022
;用相同方法也可以测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,求出Y方向的动刚度
Figure 958934DEST_PATH_IMAGE024
二 铣削加工工艺优化
根据铣削加工原理,可得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力,如下式:
Figure 280193DEST_PATH_IMAGE059
                           (5)
式中,
Figure DEST_PATH_IMAGE132
Figure 34523DEST_PATH_IMAGE063
Figure 771535DEST_PATH_IMAGE065
Figure 294920DEST_PATH_IMAGE073
分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度。
通过上述加工工艺参数可确定铣刀X方向和Y方向的铣削力大小,结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式(3),可计算出在一定切削工艺参数的情况下的铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量,如式(6)所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE133
                 (6)
结合铣削工件的加工效率和尺寸要求,即可分析在铣削工艺参数
Figure DEST_PATH_IMAGE134
Figure DEST_PATH_IMAGE135
Figure DEST_PATH_IMAGE136
Figure DEST_PATH_IMAGE137
的情况下铣削刀具的最大切削变形量。由此判定铣削刀具的切削能力及加工精度,从而为铣削工艺参数优化提供依据;
专利利用遗传算法对此铣削工艺参数优化,设主轴转速
Figure 350863DEST_PATH_IMAGE134
、切削宽度
Figure 326909DEST_PATH_IMAGE135
、工件进给速度、刀具切削深度及每齿切削量
Figure DEST_PATH_IMAGE138
的约束条件为
Figure 908566DEST_PATH_IMAGE079
Figure DEST_PATH_IMAGE140
Figure DEST_PATH_IMAGE141
,对应于任一组参数
Figure 699805DEST_PATH_IMAGE087
,根据公式(6)可计算出铣削刀具的总变形
Figure 778619DEST_PATH_IMAGE089
,铣削材料去除率为
Figure DEST_PATH_IMAGE143
,建立目标优化函数
Figure DEST_PATH_IMAGE144
Figure 276596DEST_PATH_IMAGE095
              
Figure DEST_PATH_IMAGE145
                   (7)             
正规化后,各铣削工艺参数作为个体的表现形式为:
                 
Figure 844981DEST_PATH_IMAGE099
                             (8)
设定遗传算法的参数,世代数为
Figure 61199DEST_PATH_IMAGE101
,个体数为
Figure 943704DEST_PATH_IMAGE103
,一个变量个体的位长为
Figure 296188DEST_PATH_IMAGE105
,交叉率为
Figure 799588DEST_PATH_IMAGE107
,突然变异率为。可获得遗传算法优化后的结果主轴转速
Figure 237523DEST_PATH_IMAGE111
、切削宽度
Figure 658140DEST_PATH_IMAGE113
、工件进给速度
Figure 193026DEST_PATH_IMAGE115
、刀具切削深度
Figure 40897DEST_PATH_IMAGE117
做为机床加工工艺参数。
应用案例
该案例中所使用机床为沈阳机床厂生产的三轴立式加工中心VMC1165B,刀具的直径为10mm,材质为硬质合金刚,刀的齿数为2。因为在机床XY平面上的X和Y方向的动刚度计算方法相同,本案例以X方向动刚度计算为例。
1)铣床刀具静刚度测量计算
按照图2的方法测量刀具的静刚度。利用公式(4)可计算其静刚度:
     
Figure DEST_PATH_IMAGE148
                       
2)铣床刀具系统固有频率和阻尼比测量计算
    根据图4的实测曲线,利用系统阶跃响应方法,可获得机床刀具系统的固有频率
Figure 28444DEST_PATH_IMAGE054
=890Hz和阻尼比
Figure 252752DEST_PATH_IMAGE056
=0.00227。
3)铣床刀具动刚度计算结果
    根据公式(7),可计算动刚度如下:
  
Figure DEST_PATH_IMAGE150
           
其中,交变频率
Figure DEST_PATH_IMAGE152
,铣刀齿数
Figure DEST_PATH_IMAGE154
。利用相同方法可计算出机床刀具系统Y方向的动刚度。
4)铣削工艺参数优化计算
设铣削各工艺参数的约束条件为:主轴转速1000r/min
Figure DEST_PATH_IMAGE157
8000r/min、切削宽度0.1mm
Figure 614912DEST_PATH_IMAGE156
Figure DEST_PATH_IMAGE158
10mm、工件进给速度100mm/min
Figure 852175DEST_PATH_IMAGE156
Figure 489010DEST_PATH_IMAGE156
500mm/min、刀具切削深度0.1mm
Figure 943825DEST_PATH_IMAGE156
Figure 509936DEST_PATH_IMAGE067
Figure 546025DEST_PATH_IMAGE156
5mm及每齿切削量0.01mm
Figure 172178DEST_PATH_IMAGE156
Figure 621614DEST_PATH_IMAGE138
Figure 725837DEST_PATH_IMAGE156
0.1mm。建立目标优化函数:
Figure 882011DEST_PATH_IMAGE145
正规化后,各铣削工艺参数作为个体的表现形式为:
                        
Figure 741383DEST_PATH_IMAGE099
                             
选定遗传算法的参数,世代数为30,个体数100,一个变量个体的位长
Figure 350219DEST_PATH_IMAGE105
=9,交叉率为0.6,突然变异率为0.001。得到铣削工艺参数优化结果:主轴转速为
Figure 523711DEST_PATH_IMAGE061
=7500r/min,切削深度为=2.6mm,切削宽度
Figure 502349DEST_PATH_IMAGE158
=0.6mm,工件进给速度=350mm/min。

Claims (1)

1.一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法,其特征在于,其步骤是:
一 .机床铣刀系统的动刚度测量计算
1)建立机床铣刀系统动力学模型
机床-刀具系统简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统,如下式所示:
                                                               
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE002
                     (1)                        
式中:
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE004
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE006
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量;
      
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE008
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼;
       
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE012
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE014
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的刚度;
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE016
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE018
—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力;
   经拉普拉斯转换得到:
           
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE020
      (2)        
式中: 
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE022
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE024
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度;
由上式(2)得知,机床-刀具系统的动刚度表示为:
          
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE026
            (3)             
式中: 
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE028
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE030
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度;
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE032
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE034
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比;
 
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE036
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE038
—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比;其交变频率为
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE040
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE042
为铣刀齿数,为主轴转速;
2)机床铣刀静刚度测量计算
利用实验方法求刀具系统静刚度,刀具(3)通过刀柄(2)固定在主轴(1)上,使用压力传感器(4)在刀具(3)的刀尖位置上施加一定力
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE046
,同时电涡流位移传感器(5)测量出刀具(3)的刀尖变形量,通过数据采集卡(6)和计算机(7)记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号,利用下式计算出刀具静刚度:
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE050
                                (4)
3)机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算
使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比,步骤如下:首先利用拉力传感器(9)通过细绳(8)对刀具(3)施加一定的拉力
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE052
作为系统输入信号;然后使用剪刀把细绳瞬间剪断,通过电涡流位移传感器(5)采集刀具另一端的位移振动的输出信号,最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率
Figure 201310244572X100001DEST_PATH_IMAGE054
和阻尼比
通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,进而求出X方向的动刚度
Figure 570893DEST_PATH_IMAGE022
;用相同方法测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比,求出Y方向的动刚度
Figure 906060DEST_PATH_IMAGE024
二. 铣削加工工艺优化
根据铣削加工原理,得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力,如下式:
Figure DEST_PATH_IMAGE058
                           (5)
式中,
Figure DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE066
分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度;
通过上述加工工艺参数确定铣刀X方向和Y方向的铣削力值,结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式(3),计算出铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量,如式(6)所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE068
                 (6)
设主轴转速
Figure 323397DEST_PATH_IMAGE060
、切削宽度、工件进给速度
Figure 900189DEST_PATH_IMAGE064
、刀具切削深度
Figure 734153DEST_PATH_IMAGE066
及每齿切削量
Figure DEST_PATH_IMAGE070
的约束条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
Figure DEST_PATH_IMAGE074
Figure DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE078
Figure DEST_PATH_IMAGE080
,对应于任一组参数
Figure DEST_PATH_IMAGE082
,根据公式(6)可计算出铣削刀具的总变形
Figure DEST_PATH_IMAGE084
,铣削材料去除率为
Figure DEST_PATH_IMAGE086
,建立目标优化函数
Figure DEST_PATH_IMAGE088
Figure DEST_PATH_IMAGE090
                                     (7)          
正规化后,各铣削工艺参数作为个体的表现形式为:
                  
Figure DEST_PATH_IMAGE094
                             (8)
设定遗传算法的参数,世代数为
Figure DEST_PATH_IMAGE096
,个体数为
Figure DEST_PATH_IMAGE098
,一个变量个体的位长为
Figure DEST_PATH_IMAGE100
,交叉率为
Figure DEST_PATH_IMAGE102
,突然变异率为
Figure DEST_PATH_IMAGE104
可获得遗传算法优化后的结果主轴转速
Figure DEST_PATH_IMAGE106
、切削宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE108
、工件进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE110
、刀具切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE112
做为机床加工工艺参数。
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