CN109033590B - 一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法 - Google Patents

一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法,属于模锻工艺领域,具体涉及模锻加工的有限元仿真与正交试验设计相结合的工艺参数优化方法。本方法以模锻工艺为例,在Archard磨损模型的基础上,推导出适用于模锻模具磨损的修正模型,并且对模锻模具磨损过程进行基于Deform软件的有限元仿真分析。研究模锻加工过程中模具工作表面的磨损深度与模锻工艺参数之间的关系,利用正交试验设计将不同的工艺参数进行组合分析,通过较少的仿真实验次数得到适用于模锻的工艺参数最优解。利用极差分析法进行实验数据处理,推导出对模具磨损影响程度最大的工艺参数,为模锻工艺中的模具磨损问题提供基于工艺参数方向的优化方法。

Description

一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法
技术领域
本发明涉及一种模锻成型过程中的工艺参数设置方法,尤其涉及模锻加工的有限元仿真与正交试验设计相结合的工艺参数优化方法,属于模锻工艺领域。
背景技术
近年来,随着军工产业的不断发展,模锻工艺在航空、汽车、船舶等重工业领域有着越来越重要的地位。模具寿命是影响模锻企业生产成本的重要因素之一,因此提高模具寿命,对模锻企业的经济效益有着非常大的积极影响。由于在模锻生产过程当中,模具需要持续在高温、高压力的恶劣环境下工作,所以模具磨损成为影响模具寿命最主要的因素。而模具磨损量超过工艺要求的临界值之后,模具会因为失效而大幅降低了锻件产品的生产质量,同时还会影响到产品的生产成本。所以如何减小模具磨损成为了模锻生产中的重要难题。
目前,在实际生产中,通过试验的方法对模具磨损深度和模锻工艺参数之间的关系进行研究需要耗费大量的经济成本,所以本方法借助Deform软件对不同工艺参数组合的模锻过程进行有限元仿真分析,通过仿真试验来研究工艺参数对模具磨损的影响。首先根据Archard磨损理论进行推导分析,建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型,再通过该磨损模型预测出对模锻工艺中模具磨损深度影响较大的工艺参数。将这些关键性工艺参数作为因素,分别在下面取不同的4个水平来进行正交试验设计。通过较少的仿真试验次数得到模锻工艺参数设置的最优解。同时利用极差分析法对仿真试验结果进行数据处理,通过比较不同工艺参数下极差值的大小,来获得对模具磨损影响最大的工艺参数。
因此,本发明基于Archard磨损理论,建立了适用于模锻工艺的模具磨损修正模型;对模锻成型过程中关键工艺参数进行正交试验设计,并通过有限元模拟软件进行仿真实验,提出了一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模锻模具磨损和正交试验设计相结合的工艺参数优化方法。通过建立模锻工艺的模具磨损修正模型,分析各项工艺参数对模具磨损的影响程度,提出基于正交试验设计的工艺参数优化方法,从工艺参数的优化设置上来减少模锻成型过程中的模具磨损量。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为一种基于正交试验设计的工艺参数优化方法,本发明通过Archard磨损理论建立模锻工艺的模具磨损修正模型,并结合有限元模拟软件的仿真实验,用极差分析法研究模锻成型过程中各项工艺参数的对模具磨损的影响程度,最终得到使模具磨损量实现最小化的工艺参数最优解。
如图1所示,本方法具体包括如下步骤:
步骤1:基于Archard磨损理论,建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型;
步骤1.1建立Archard磨损模型;
在Archard磨损模型中,磨损率能表示成如下函数模型:
式中,V是磨损体积,K是磨损系数,P是模具受压,l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离,H是模具硬度,v是变形速度,Δt是磨损过程中的接触时间。d是微分符号,表示各个变量的变化率。则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率。
步骤1.2建立基于模锻工艺的模具磨损修正模型;
模具磨损的修正模型:
式中,W是模具磨损量,dW表示模具磨损量的变化率,K是磨损系数,s和t分别表示为模锻工艺中模具的位移和时间参数,σn是坯料的应力值,v是变形速度,Hm是模具硬度。所以σn(s,t)、v(s,t)、Hm(s,t)分别表示为模具在某一时刻处于某一位置下的应力值、变形速度和模具硬度。
建立模锻工艺参数与模具的最大磨损量之间的函数模型:
Wmax=f(v,T,εF,m) (5)
式中,Wmax为最大磨损量,v为变形速度,T为变形温度,εF为变形程度,m为摩擦因子。如果忽略不同坯料材料、模具材料本身的性质区别,只考虑工艺参数对模具磨损的影响,那么变形速度v、变形温度T、变形程度εF相对应的工艺参数就是坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度。即这三个工艺参数就是对热模锻成型过程中的模具磨损量有较大影响的关键性工艺参数。
步骤2:对关键性工艺参数进行基于模锻模具磨损的正交试验设计;
步骤2.1基于模锻工艺的正交试验设计;
本方法根据新建立的热模锻模具磨损修正模型中所推导出的三个关键性工艺参数,进行三因素四水平的正交试验设计,有效的减少仿真实验的工作量,进一步提高实验效率。本实验采用L16(43)的正交表,即将坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度作为三个实验因素,在每个因素下面找到4个水平的数值,一共进行16组实验,用Deform软件仿真分析每一组实验结果所得出的模具磨损量,最后推导出使模具磨损深度最小的最佳工艺参数。
根据本实验实际生产的工艺要求:初始坯料温度范围是T1~T2℃,初始模具温度范围是t1~t2℃,上模打击速度范围是V1~V2mm/s。可以把初始坯料温度、初始模具温度和上模打击速度作为3个因素并且按照表1来划分为4个水平。即坯料的初始温度分别为:T1T2℃,模具的初始温度分别为t1、/>t2℃,上模打击速度分别为:V1、/>V2mm/s。
表1因素水平表
依照表1划分好的因素和水平构建一个3因素4水平的正交试验设计,所选取的正交表为L16(43),得到表2基于模锻工艺参数的模具磨损量的正交试验方案。
表2正交试验方案
步骤2.2基于极差分析法的试验数据处理;
极差分析法的定义:
式中,p为水平个数,n为实验次数,k为试验序号,为第j因素的第i水平的实验结果,Tij为第j因素中所有第i水平的试验结果之和,Mij为第j因素中所有第i水平的试验结果的平均值。极差Rj的公式为:
Rj=max(Mij)-min(Mij) (7)
极差分析法能分析出第j因素对试验结果的影响程度。在一次正交试验中,某一个因素极差值的大小和该因素对实验结果的影响程度呈现正比关系。通过对表2进行极差分析推导出各个关键性工艺参数对模具磨损的影响程度排序。
步骤3:利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验;
步骤3.1基于模锻成型过程的有限元试验理论基础;
在模锻成型过程中,对材料与模具之间的接触面采用离散化分析,模具磨损公式:
式中:W为模具磨损量,K为磨损系数,M为总时间步数,N为接触面的总结点数,σn为坯料的应力值,v为变形速度,H为模具硬度,Δt为时间步。σn(s,t)、v(s,t)分别表示为模具在某一时刻处于某一位置下的应力值和变形速度。而σn与v的值都能根据有限元计算来得到。所以,在k和H固定不变的情况下,就能通过数值模拟的方法计算出一次热模锻成型过程中模具和材料接触面的磨损量,即通过有限元模拟计算出热模锻工艺过程中的模具磨损深度。
步骤3.2建立有限元仿真模型;
利用SolidWorks软件构建本次模锻工艺中所需要的上模、下模和坯料模型,然后导入到有限元仿真软件Deform里面,得到所需要的有限元仿真模型。在Deform中进行相关的工艺参数设置。单位制选择SI(国际单位制),坯料设置为塑性体,模具设置为刚性体。坯料材料采用40CrNiMoA,其对应的国际钢号为AISI-4340,模具材料采用5CrNiMo,其对应的国际钢号为AISI L6,初始坯料温度范围是T1~T2℃,初始模具温度范围是t1~t2℃,上模运动速度范围是V1~V2mm/s,下模处于静止状态。热摩擦系数设置为0.7,热传导系数设置为11。
步骤3.3有限元仿真实验结果;
用Deform软件依照正交试验方案对模锻成型过程进行16次仿真实验分析,得出不同工艺参数组合条件下的模具磨损深度,从每次仿真实验得到的上模磨损深度和下模磨损深度中取其中的较大值并记录到之前建立的正交表上。如图2所示为本实验模锻加工后的锻件成型情况,如图3~10所示的是部分仿真实验的模具磨损情况。
与现有模锻工艺相比,本方法具有如下有益效果:将正交试验设计和模锻成型的有限元仿真相结合,建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型,提出一种基于模锻模具磨损的工艺参数最优解,为解决实际生产中模具磨损问题提供理论依据,通过最优化的模锻工艺参数来提高模具寿命。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程图。
图2为有限元模拟过程中的锻件成型图。
图3为实验1的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图4为实验3的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图5为实验5的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图6为实验7的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图7为实验9的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图8为实验11的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图9为实验14的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
图10为实验16的上模(左)和下模(右)的模具磨损深度。
具体实施方式
本发明以实际生产的工艺要求为例:初始坯料温度范围是900~1200℃,初始模具温度范围是250~400℃,上模打击速度范围是300~600mm/s。在上述模锻工艺要求下,对模具磨损优化提出一种工艺参数最优解。
具体包括如下步骤:
步骤1基于Archard磨损理论,建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型;步骤1.1建立Archard磨损模型;
由于工艺参数设置的不同,会导致模锻成型过程中的温度、等效应力分布、金属流动速度等结果也发生相应的变化。所以工艺参数的设置可以间接的影响模具磨损情况。在实际生产中,考虑将这些工艺参数进行组合设置,构造出一个模锻工艺参数与模具磨损深度的理论模型。在Archard磨损模型中,模具磨损率能表示成如下函数模型:
式中,V是磨损体积,K是磨损系数,P是模具受压,l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离,H是模具硬度,v是变形速度,Δt是磨损过程中的接触时间。d是微分符号,表示各个变量的变化率。则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率。
步骤1.2建立基于模锻工艺的模具磨损修正模型;
将Archard磨损模型进行数学研究,推导出一个适用于热模锻工艺中模具磨损量的计算公式。由于热模锻成型过程中会造成温升,所以温度对模锻成型过程的影响也应该考虑在内。随着模锻工艺中的实际温度不断上升,坯料的硬度会降低,坯料的流动抗力也会下降,同时模具硬度也会下降。而在热模锻成型过程中,温度T的变化与时间t有关,所以磨损体积V、模具承受的压力P和滑移距离l就都可以表示为时间t的函数:
式中,dV、dp、dl、dW、dA、dt分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离、模具磨损量、接触面积、接触时间的变化率,σn是坯料受到的应力值,v是变形速度。根据上式推导出模具磨损的修正模型:
式中,dW是磨损深度的变化率,K是磨损系数,σn是坯料的应力值,v是变形速度,s是模具的位移,而t是模具移动的时间。所以σn(s,t)、v(s,t)分别表示为模具在某一时刻处于某一位置下的应力值和变形速度。根据有限元运算得出在某个确定的时刻,上模移动至某个确定位置后的σn与v,因此求出模锻成型过程中某一时刻的模具磨损量。将公式4通过积分推导出:
式中,W是模具磨损量,K是磨损系数,s和t分别表示为模锻工艺中模具的位移和时间参数,σn是坯料的应力值,v是变形速度,Hm是模具硬度。所以σn(s,t)、v(s,t)、Hm(s,t)分别表示为模具在某一时间处于某一位置下的应力值、变形速度和模具硬度。
把上式通过数值模拟运算,能计算出在热模锻工艺中的一段时间内的模具磨损量,再将热模锻工艺中的模具磨损状况进行仿真分析,就能建立模锻工艺参数与模具的最大磨损量之间的函数模型:
Wmax=f(v,T,εF,m) (6)
式中,Wmax为最大磨损量,v为变形速度,T为变形温度,εF为变形程度,m为摩擦因子。根据这个新建立的模具磨损修正模型可知,影响模具磨损的因素包括变形速度v、变形温度T、变形程度εF和摩擦因子m。如果忽略不同坯料材料、模具材料本身的性质区别,只考虑工艺参数对模具磨损的影响,那么变形速度v、变形温度T、变形程度εF相对应的工艺参数就是坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度。即这三个工艺参数就是对热模锻成型过程中的模具磨损量有较大影响的关键性工艺参数。
步骤2对关键性工艺参数进行基于模锻模具磨损的正交试验设计;
步骤2.1基于模锻工艺的正交试验设计;
正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,是一种高效率的实验设计方法,因此被广泛的应用于各个研究领域。
本文根据新建立的热模锻模具磨损修正模型中所推导出的三个关键性工艺参数,进行三因素四水平的正交试验设计,可以有效减少仿真实验的工作量,进一步提高实验效率。本实验采用L16(43)的正交表,即将坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度作为三个实验因素,在每个因素下面找到4个水平的数值,一共进行16组实验,用Deform软件仿真分析每一组实验结果所得出的模具磨损量,最后推导出使模具磨损深度最小的最佳工艺参数。
根据本实验实际生产的工艺要求:初始坯料温度范围是900~1200℃,初始模具温度范围是250~400℃,上模打击速度范围是300~600mm/s。可以把初始坯料温度、初始模具温度和上模打击速度作为3个因素并且按照表1来划分为4个水平。即坯料的初始温度分别为:900、1000、1100、1200℃,模具的初始温度分别为250、300、350、400℃,上模打击速度分别为:300、400、500、600mm/s。
表1因素水平表
依照表1划分好的因素和水平构建一个3因素4水平的正交试验设计,所选取的正交表为L16(43),得到表2基于模锻工艺参数的模具磨损量的正交试验方案。
表2正交试验方案
通过对比分析表2,可以发现实验14所得出的模具磨损深度最小,仅为0.0139mm,该模具磨损深度与实验2相比,磨损量减小了53.2%。因此本次实验的最佳模锻工艺参数是:坯料的初始温度为1200℃,模具的初始温度为300℃,上模的打击速度为500mm/s。
步骤2.2基于极差分析法的试验数据处理;
由于正交表具有综合可比性,因此能用一种更为高效的极差分析法来对整个试验结果进行数据分析。根据极差分析法的定义可以推导出:
式中,p为水平个数,n为实验次数,k为试验序号,为第j因素的第i水平的实验结果,Tij为第j因素中所有第i水平的试验结果之和。从上式可知:Mij为第j因素中所有第i水平的试验结果的平均值,因此就能推导出极差Rj的公式为:
Rj=max(Mij)-min(Mij) (8)
极差分析法是正交试验设计中很重要的数据处理方法之一,可以分析出第j因素对试验结果的影响程度。在一次正交试验中,某一个因素极差值的大小和该因素对实验结果的影响程度呈现正比关系。
通过对表2进行极差分析得到表3数据分析结果,由于R1远远大于R2和R3,且R3略大于R2。所以初始坯料温度对热模锻工艺中的模具磨损的影响最大,上模打击速度和初始模具温度对模具磨损的影响都比较小,且两者对模具磨损的影响程度相差不多,都远远小于初始坯料温度对模具磨损的影响程度。
表3数据分析结果
步骤3利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验;
步骤3.1基于模锻成型过程的有限元试验理论基础;
在模锻成型过程中,对材料与模具之间的接触面采用离散化分析,推导出模具磨损公式:
式中:W为模具磨损量,K为磨损系数,M为总时间步数,N为接触面的总结点数,σn为坯料的应力值,v为变形速度,H为模具硬度,Δt为时间步。σn(s,t)、v(s,t)分别表示为模具在某一时刻处于某一位置下的应力值和变形速度。而σn与v的值都能根据有限元计算来得到。所以,在k和H固定不变的情况下,就能通过数值模拟的方法计算出一次热模锻成型过程中模具和材料接触面的磨损量,即通过有限元模拟计算出热模锻工艺过程中的模具磨损深度。
步骤3.2建立有限元仿真模型;
利用SolidWorks软件构建本次模锻工艺中所需要的上模、下模和坯料模型,然后导入到有限元仿真软件Deform里面,得到所需要的有限元仿真模型。在Deform中进行相关的工艺参数设置。单位制选择SI(国际单位制),坯料设置为塑性体,模具设置为刚性体。坯料材料采用40CrNiMoA,其对应的国际钢号为AISI-4340,模具材料采用5CrNiMo,其对应的国际钢号为AISI L6,初始坯料温度范围是900-1200℃,初始模具温度范围是250-400℃,上模运动速度范围是300-600mm/s,下模处于静止状态。热摩擦系数设置为0.7,热传导系数设置为11。
步骤3.3有限元仿真实验结果;
用Deform软件依照正交试验方案对模锻成型过程进行16次仿真试验分析,得出不同工艺参数组合条件下的模具磨损深度,从每次仿真实验得到的上模磨损深度和下模磨损深度中取其中的较大值并记录到之前建立的正交表上。如图2所示为本实验模锻加工后的锻件成型情况,如图3~10所示的是部分仿真实验的模具磨损情况。根据仿真实验结果和正交表数据处理结果得出:初始坯料温度对模锻工艺中的模具磨损影响最大,在实际生产中需要注意初始坯料温度的合理设置来延长模具寿命。本次试验中,在坯料的初始温度为1200℃,模具的初始温度为300℃,上模的打击速度为500mm/s时,模锻过程中的模具磨损量达到最小值,上述工艺参数即为本方法所提出的基于本次模锻成型过程的工艺参数最优解。
本方法将关键性工艺参数的正交试验设计与模锻工艺仿真相结合,建立了一套减小模锻模具磨损的工艺规则,该工艺规则可以根据实际生产中的不同工艺要求来推导相匹配的工艺参数最优解,在实际模锻过程中实现模具磨损量的最小化。通过上面的描述并结合附图说明,本发明会更加清晰,附图说明用于解释本发明方法及实施过程。

Claims (1)

1.一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法,其特征在于:通过建立模锻工艺的模具磨损修正模型,分析各项工艺参数对模具磨损的影响程度,对模锻成型过程中关键工艺参数进行正交试验设计;通过有限元模拟软件对整个模锻成型过程进行仿真实验,提出基于正交试验法的工艺参数优化方法,从工艺参数的优化设置上来减少模锻成型过程中的模具磨损;
具体包括如下步骤:
步骤1:基于Archard磨损理论,建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型;
步骤1.1建立Archard磨损模型;
在Archard磨损模型中,磨损率能表示成如下函数模型:
式中,V是磨损体积,K是磨损系数,P是模具受压,l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离,H是模具硬度,v是变形速度,Δt是磨损过程中的接触时间;d是微分符号,表示各个变量的变化率;则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率;
步骤1.2建立基于模锻工艺的模具磨损修正模型;
模具磨损的修正模型:
式中,W是模具磨损量,dW表示模具磨损量的变化率,K是磨损系数,s和t分别表示为模锻工艺中模具的位移和时间参数,σn是坯料的应力值,v是变形速度,Hm是模具硬度;所以σn(s,t)、v(s,t)、Hm(s,t)分别表示为模具在某一时间处于某一位置下的应力值、变形速度和模具硬度;
建立模锻工艺参数与模具的最大磨损量之间的函数模型:
Wmax=f(v,T,εF,m) (5)
式中,Wmax为最大磨损量,v为变形速度,T为变形温度,εF为变形程度,m为摩擦因子;如果忽略不同坯料材料、模具材料本身的性质区别,只考虑工艺参数对模具磨损的影响,那么变形速度v、变形温度T、变形程度εF相对应的工艺参数就是坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度;即这三个工艺参数就是对热模锻成型过程中的模具磨损量有较大影响的关键性工艺参数;
步骤2:对关键性工艺参数进行基于模锻模具磨损的正交试验设计;
步骤2.1基于模锻工艺的正交试验设计;
根据新建立的热模锻模具磨损修正模型中所推导出的三个关键的工艺参数,进行三因素四水平的正交试验设计,有效的减少仿真实验的工作量,进一步提高实验效率;采用L16(43)的正交表,即将坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度作为三个实验因素,在每个因素下面找到4个水平的数值,一共进行16组实验,用Deform软件仿真分析每一组实验结果所得出的模具磨损量,最后推导出使模具磨损深度最小的最佳工艺参数;
根据本实验实际生产的工艺要求:初始坯料温度范围是T1~T2℃,初始模具温度范围是t1~t2℃,上模打击速度范围是V1~V2mm/s,把初始坯料温度、初始模具温度和上模打击速度作为3个因素来划分成4个水平;即坯料的初始温度分别为:T1T2℃,模具的初始温度分别为t1、/>t2℃,上模打击速度分别为:V1、/>V2mm/s;
步骤2.2基于极差分析法的试验数据处理;
极差分析法的定义:
式中,p为水平个数,n为实验次数,k为试验序号,为第j因素的第i水平的实验结果,Tij为第j因素中所有第i水平的试验结果之和,Mij为第j因素中所有第i水平的试验结果的平均值;极差Rj的公式为:
Rj=max(Mij)-min(Mij) (7)
极差分析法能分析出第j因素对试验结果的影响程度;在一次正交试验中,某一个因素极差值的大小和该因素对实验结果的影响程度呈现正比关系;利用极差分析法能够推导出各个关键性工艺参数对模具磨损的影响程度排序;
步骤3:利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验;
步骤3.1基于模锻成型过程的有限元试验理论基础;
在模锻成型过程中,对材料与模具之间的接触面采用离散化分析,模具磨损公式:
式中:W为模具磨损量,k为磨损系数,M为总时间步数,N为接触面的总结点数,σn为坯料的应力值,v为变形速度,H为模具硬度,Δt为时间步;σn(s,t)、v(s,t)分别表示为模具在某一时间处于某一位置下的应力值和变形速度;而σn与v的值都能根据有限元计算来得到;在k和H固定不变的情况下,就能通过数值模拟的方法计算出一次热模锻成型过程中模具和材料接触面的磨损量,即通过有限元模拟计算出整个热模锻工艺过程中的模具磨损深度;
步骤3.2建立有限元仿真模型;
采用SolidWorks软件构建本次模锻工艺中所需要的上模、下模和坯料模型,然后导入到有限元仿真软件Deform里面,得到所需要的有限元仿真模型;在Deform中进行相关的工艺参数设置;单位制选择SI,坯料设置为塑性体,模具设置为刚性体;坯料材料采用40CrNiMoA,其对应的国际钢号为AISI-4340,模具材料采用5CrNiMo,其对应的国际钢号为AISI L6,初始坯料温度范围是T1~T2℃,初始模具温度范围是t1~t2℃,上模运动速度范围是V1~V2mm/s,下模处于静止状态;热摩擦系数设置为0.7,热传导系数设置为11;成型过程中采用Archard磨损模型来预测模具的磨损量;
步骤3.3有限元仿真实验结果;
用Deform软件依照正交试验方案对模锻成型过程进行16次仿真实验分析,得出不同工艺参数组合条件下的模具磨损深度,并记录。
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