DE2329699A1 - Verfahren zur thermoelektrischen messung der mittleren kontaktzonentemperatur an spanenden arbeitswerkzeugen - Google Patents

Verfahren zur thermoelektrischen messung der mittleren kontaktzonentemperatur an spanenden arbeitswerkzeugen

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Manfred Dipl Ing Minor
Winfried Dipl Ing Richter
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Description

Γ 304^-506/17 den 7. HM 1973
Verfahren zur thermoelektrischen Messung der mittleren Kontaktzonentemperatur an spanenden Arbeitswerkzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermoelektrischen Messung der mittleren Kontalitzonentemperatur an spanenden Arbeitsvverkzeugen mit geometrisch definierter Schneide.
Es ist bekannt, zur Erfassung der Kontaktzonentemperatur zwischen Werkzeug und Werkstück auf der Basis dos thermoelektrischen Effektes die Thermospannung des Werkzeuges gegen das Werkstück zu messen. Diese Methode (Einmeißelmethode) ist unter verschiedenen Schnittbedingungen und Schnittarten mit geringem meßtechnischen Aufwand auszuführen und ist wenig anfällig gegen Störungen, weil Kurzschlüsse durch Späne die niederohmige Thermospannungsquelle kaum beeinflussen. Die Einmeißelmethode hat aber den Nachteil, daß für jede konkrete Werkstaffpaarung Werkzeugendstück eine Eichung nach Temperaturwerten erfolgen muß, weil die thermoelektrischen Eigenschaften der Werkzeuge und Werkstücke stark st reuen.
Diese Eichung ist unter betriebsmeßtechnischen Bedingungen wegen der starken Abhängigkeit der Thermospannung von der Werkstoffpaarung und den stark streuenden thermoelektrischen Eigenschaften, insbesondere der zu bear-
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beitenden Werkstoffe, nicht möglich. Diese Eichung ist deshalb nach statischen Verfahren unter Laborbedingungen außerhalb des Schnittes über das Schmelztiegelverfahren oder während des Schnittes mittels Temperaturmeßfühlern vorgenommen worden, die durch Bohrungen des Werkzeuges in die Kontaktzone gebracht werden. Diese unter Laborbedingungen bekannten Eichungen sind sehr zeit- und kostenaufwendig .
Zur Umgehung der stark streuenden thermoelektrischen Eigenschaften des Werkstückwerkstoffes ist es außerdem bekannt, neben dem Arbeitswerkzeug ein weiteres Bezugswerkzeug vorzusehen und die zwischen Arbeits- und Bezugswerkzeug auftretende Thermospannung zu messen (Zweimeißelmethode). Bei dieser Methode sind die Thermoelemente Arbeitswerkzeug - Werkstück - Bezugswerkzeug hintereinander geschaltet, so daß die äußere thermoelektrische Spannung an den Werkzeugen nur von der Kontaktzonentemperatur und den thermoelektrischen Eigenschaften der vorgegebenen Meißelwerkstoffe, nicht aber von denen des Werkstück-Werkstoffes abhängt. Damit ist eine von den zu bearbeitenden Werkstoffen unabhängige Temperaturzuordnung zur Zweimeißel-Thermospannung durchführbar. Die erforderliche Eichung ist ebenfalls nach statischen Verfahren im Schmelztiegelverfahren oder bei geringen Ansprüchen an die Genauigkeit durch das Andrücken beider Meißel an eine definiert temperierte Platte erfolgt. Aber auch diese Eichung ist nur unter Laborbedingungen durchführbar und zudem ebenfalls zeit- und kostenaufwendig Die Wirkung parasitärer Thermoelemente läßt sich bei Vollmeißeln und geklemmten Werkzeugen mit relativ einfachen Mitteln hinreichend kompensieren.
Dem Vorteil, gegenüber der Einmeißelmethode von den thermoelelctrischen Eigenschaften des Werkstückwerkstoffes unabhängig zu sein, steht wiederum nachteilig gegenüber, daß das Arbeits- und Bezugswerkzeug gleichzeitig und gleichartig im Eingriff stehen muß. Diese Forderung bringt unter werkstattmäßigen Schnittbedingungen eine Behinde-
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rung des Bearbeitungsprozesses mit sich, weshalb diese Zweimeißelmethode für die betriebsmcßtechnische Anwendung nicht geeignet ist.
Die Erfindung bezweckt, die für den werkstattmäßigen Einsatz an sich vorteilhafte Einnicißelmethode durch eine Kombination von Verfahrensschritten mit vorangehender einfacher Eichung einer betriebsmeßtechnischen Anwendung 2ur Absolutmessung der Kontaktzonentenperatur zwischen Werkzeug und Werkstück zuzuführen, womit eine wesentliche Größe für den Werkzeugverschleiß erfaßbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermoelektrischen Messung der Kontaktzonentemperatur an spanenden Arbeitswerkzeuge!! mit geometrisch definierter Schneide zu schaffen, mit dem die bekannterweise gemessene Einmeißelspannung durch vorangehende kurzzeitige, mit wenig Aufwand ausführbare Messungen, die den Bearbeitungsvorgang nicht behindern, korrigiert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß
a) außerhalb des Bearbeitungsprazesses die thermoelektrischen Spannungen öer Arbeits- und Bezugswerkzeuge gegeneinander und gegen Probenwerkstoffe während eines Abspanvorganges bei gleichzeitiger Erzeugung definierter Kontaktzonentemperaturen gemessen und die differentiellen Thermospannungen der Werkzeuge gegeneinander ermittelt werden,
b) die geeichten Dezugswerkzeuge kurzzeitig im 3earbeitungsprozeß nit dem Werkstück in Eingriff gebracht werden und dabei die Zweimeißel- sowie diu Einmeißelspannung zwischen einem Cer Bezuguerkzeuge und dem Werkstück gemessen wird, wobei nil Hilfe dieser Meßwerte zucanmer. mil· den extern ermivteMeri Werten
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d ty dif f erentielle/i/Thermospannunc der Werkzeuge die differentielle Thermospannung des Werkstückes (jegen das Arbeitswerkzeug gewonnen wird,
c·.; '.v.-jlirend der folgenden Werkstückbearbeitung die Einmeißelspannung des Arbeitswerkzeuges genessen und daraus die Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges mittels der errechneten differentiellcn Thermospannung bestimmt wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein abgewandeltes Verfahren dadurch gelöst, daß
a) außerhalb des Bearbeitungsprozesses ein Arbeitsund ein Bezugswerkzeug nach dem Zweimeißelprinzip
. in einem Abspanvorgang bei gleichzeitiger Erzeugung definierter Kontaktzonentemperaturen geeicht werden,
b) die zueinander geeichten Arbeits- und Bezugswerkzeuge kurzzeitig in Bearbeitungsprozeß mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Eingriff gebracht und nach dem Zweimeißelprinzip die Kontaktzonenremperatur ermittelt und der gleichzeitig gemessenen Einmeißelspannung des Arbeitswerkzeuges zugeordnet wird,
c) im weiteren Bearbeitungsprozeß nur noch die Einmeißelspannung des Arbeitswerkzeuges gemessen und daraus die Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges bestimmt wird.
Zur Erzeugung definierter Kontaktzonentenperaturen werden vorzugsweise von den Werkzeugen Reinstoffproben in einem Hochgeschwindigkeitsimpulsschnitt gespant, wobei die in der Kontaktzone entstehende bekannte Schmelztemperatur des jeweiligen Reinstoffes als Bezugspunkt der erzeugten Einmeißel- und/oder Zweimeißelspannung zugeordnet wird. Zur Ermittlung der thermoelektrischen Charak teristiken von Werkzeugen werden vorzugsweise in einem Eichvorgang unterschiedliche Probenwerkstoffe
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(ζ. B. Al, Cu, Fe, Ti) nacheinander gespant, so daß sich eine interpolationsfähige Folge von Thermospannungen zu den definierten Kontaktzonentemperaturen ergibt .
Die externe Eichung der Werkzeuge kann vorteilhafterweise auch so erfolgen, daß die Werkzeuge in einem kurzzeitigen Schnitt geringer Geschwindigkeit mit einem definiert vorgeheizten Körper hoher Wärmeleitfähigkeit in Eingriff gebracht werden.
Mit diesem Verfahren ist es möglich geworden, die Kontaktzonentercperatur zwischen Werkzeug und Werkstück, die eine der wesentlichsten verschleißbestimmenden Größe darstellt, betriebsmeßtechnisch mit der gegen Störungen (z. B. Kurzschlüsse durch Späne) wenig anfälligen Einmeißelmethode zu erfassen.
Dabei ist durch die vorteilhafte Kombination der Verfahrensschnitte eine ausreichende Genauigkeit garantiert. Dieses Verfz>'m ei. ist auch bei Verwendung mehrschneidiger '..'er!:zeuge bzw. für das Bearbeiten eines Werkstückes nacheinander durch verschiedene Werkzeuge einsetzbar,weil trotz verschiedener Werkzeuge bzw. mehrerer Werkzeugschneiden nur eine Messung, z. B. im Anschnittvorgang, durch Bezugswerkzeuge erforderlich ist. Die Beziehungen zu den Arbeits-Werkzeugen sind aufgrund der Messung im Anschnittvorgang und der vorangegangenen Eichung durch erfrechende Zuordnung herstellbar. Damit ist das Verfahren auch für Dreh- und Fräsbearbeitungen von Werkstücken auf mit Revolverköpfen und Werkzeugmagazinen ausgerüsteten Werkzeugmaschinen ohne Störungen des Bearbeitungsprozesses anwendbar. Bei Drehbearbeitungen mit nur einem Arbeitswerkzeug ist das vereinfachte Verfahren nach Anspruch 2 anwendbar, bei dem nur ein Bezugswerkzeug erforderlich ist.
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In den Zeichnungen sind die Schritte nach dem Verfahren im Prinzip dargestellt.
Dabei zeigen:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung für das Eichen der Bezugswerkzeuge und des Arbeitswerkzeuges;
Fig. 2: eine'schematische Darstellung für das Bestimmen der differentiellen Thermospannungen der Bezugswerkzeuge gegen das Werkstück beim Drehen;
Fig.2a: eine schematische Darstellung für das Bestimmen der differentiellen Thermospannungen der Bezugswerkzeuge beim Fräsen;
Fig. 3: eine schematische Darstellung für das Bestimmen der Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges beim Fräsen;
Fig. 4: eine Prinzipdarstellung für das Eichen des Arbeitswerkzeuges nach dem vereinfachten Verfahren;
Fig.4a: eine grafische Darstellung, der Zweimeißel-Thermospannung als Funktion der Kontaktzonentemperatur;
Fig. 5: eine schematische Darstellung für die Bestimmung der Kontaktzonentemperatur aus der Zweimeißel-Thermospannung gegen das Bezugswerkzeug bei der kontinuierlichen Zerspanung;
Fig.5a: eine grafische Darstellung der Kontaktzonentemperatur als Funktion der Zweimeißel-Thermospannung bei der kontinuierlichen Zerspanung;
Fig. 6: eine schematische Darstellung für das Messen der Einmeißel-Thermospannung des Arbeitswerkzeuges beim Bearbeitungsprozeß;
Fig.6a: eine grafische Darstellung der Kontaktzonentemperatur als Funktion der Einmeißel-Thermospannung·
Pig. Jx eine sohematische Darstellung für das Bestimmen
der Kontaktzonentemp«?ätur des Arbeitswerkzeug·» aus der BinmeiOelspamiung beim Drehen? - 7 -409881/0664
Schritt a:
In diesem Verfahrensschritt werden die thermoelektrischen Spannungen E der Arbeits- und Bezugswerkzeuge 1, 2,3 gegeneinander und gegen Probenwerkstoffe gemessen, dieser Verfahrensschritt kann auch als "dynamischer" Eichvoryang bezeichnet werden. Wesentlich bei diesem Schritt ist, daß ein Spanungsvorgang nachgebildet wird und in der Kontaktzone Werkzeug/Werkstoffprobe metallische Frischflächen und definierte Kontaktzonentemperaturen erzeugt werden. Die Schnittbedingungen können hierbei sehr unterschiedlich sein. So besteht eine Möglichkeit der dynamischen Eichung darin, metallische Werkstoffe mit hohen Zerspanungsgeschwindigkeiten in einem Impulsschnitt zu spänen. Dabei läuft die mittels Einmeißelbzw. Zweimeißelmethode gemessene Thermospannung (Fig 1, Fig. 4) in der Thermospannu/igs-Temperaturcharakteristik bereits nach kurzen Schnittwegen in die Sättigung. Dabei entspricht der Sättigungswert der zugehörigen Temperatur, der als bekannt voraussetzbaren druckkorrigierten Schmelztemperatur /Oj· des Probenwerkstoffes. Sind die Proben aus verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzt (z. B. Al und Cu), so lassen sich mehrere Fixpunkte für das gesetzmäßig verlaufende Temperatur-Thermospannungsdiagramm (Fig. 4a) und die differentiellen Thermospannungen zwischen den Werkzeugen 1, 2.3 bestimmen .
Die differentielle Thermospannung <£ist eine rechnerisch ermittelte Thermospannung des Arbeitswerkzeuges 3 gegen den zu spanenden Werkstoff des Werkstückes 4, aus der Messung der Thermospannung E der Werkzeuge 1,2,3 gegen den Probenwerkstoff und der Messung der Thermospannung der Bezugswerkzeuge 1, 2 gegen den Werkstoff des Werkstückes 4.
Als weitere Möglichkeit der Bestimmung der Temperatur-Thermospannungsabhängigkeit eines Werkzeuges können auch
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Probeschnitte geringer Schnittgeschwindigkeit ( 0,1 m/s) und geringer Spantiefe ( 0,5 mm) an definiert vorgeheizten Proben aus gut wärmeleitfähigem Material vorgenommen werden. Dabei ergeben sich .die gleichen Temperatur-Thermospannungscharakteristiken wie bei der bereits beschriebenen Variante tier Zerspanung im Hochgeschwindigkeitsimpulsschnitt.
Schritt b:
Die Bestimmung der differentiellen Thermospannungen der Werkzeuge 1, 2 gegen das zu bearbeitende Werkstück 4 und damit der Kontaktzonentemperaturen erfolgt kurzzeitig, z. B. beim Anschnitt des Werkstückes 4. Dabei wird durch geeichte, unter vorgegebenen Schnittparametern in Eingriff gehende Bezugswerkzeuge 1, 2 (Fig. 2, Fig. 2a) die entstehende Zweimuißelspannung £.„ und gleichzeitig die Einmeißelspannung E1 . zwischen einem der Bezugswerkzeuge 1 und dem Werkstück 4 gemessen. Unter Benutzung der nach Schritt a gewonnenen Thermospannungs-Temperaturcharakteristik ergibt sich die Kontaktzonentemperatur der Werkzeuge 1, 2 unter den vorgegebenen Schnittpararnetern und zwar unabhängig vom Werkstoff des Werkstükkes 4. Die Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges ergibt sich ebenfalls auch aus der Zweimeißelspannung E.„ und der Einmeißelspannung E... unter Hinzuziehung der nach Schritt a ermittelten differentiellen Thermospannungen t 1?j£.„ zwischen den Bezugswerkzeugen 1, 2 sowie zwischen einem der Bezugswerkzeuge 1; 2 und dem vorgesehenen Arbeitswerkzeug 3 über die differentielle Thermospannung (<£o4) zwischen dem Arbeitswerkzeug 3 und dem Werkstück 4 gemäß der Beziehung:
34 '<-* 13 + c' 12 E. ^
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Die thermoelektrischen Eigenschaften der Werkzeuge 1; 2; 3 sind dabei vorteilhafterweise so zu wählen, daß eines der Bezugswerkzeuge 1; 2 eine möglichst große thermoelektrische Spannung E gegen das zweite Bezugswerkzeug 1; 2 und zum Werkstück 4 aufweist. Nichtlineare Verläufe der E-Wertet insbesondere im Bereich über 1000 0C, werden durch Meßwertentnahme bei unterschiedlichen Schnittparametern berücksichtigt.
Schritt c:
Die Bestimmung der Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges 3 aus der Einmeißelspannung E ~4 des Arbeitswerk· zeuges 3 gegen das Werkstück 4 (Fig. 3, Fig. 3a) erfolgt durch Quotientenbildung aus der Einmeißelspannung E34 und der aus Schritt b bei jeweils gleichen Schnittparametern erhaltenen differentiellen Thermospannung o„ . Aus mehreren Wertepaaren ist durch Interpolation die Gesamtcharakteristik z,u ermitteln. Die Interpolation kann mittels Rechenschaltung oder einem Prozeßrechner durchgeführt werden. Bei letzterem besteht die Möglichkeit, gesetzmäßig verlaufende Korrekturen einzubeziehen.
Mit dem vereinfachten Verfahren zur Bestimmung der Kontaktzonentemperatur eines einzelnen Arbeitswerkzeuges 3 wird im Schritt a (Fig. 4, Fig. 4a) die Messung der Thermospannung E1^ des Arbeitswerkzeuges 3 gegen ein Bezugswerkzeug 1 nach dem Zweimeißelprinzip durchgeführt.
Im Schritt b wird dann auch das Arbeitswerkzeug 3 und des Bezugswerkzeug 1 mit dem Werkstück 4 kurzzeitig in Eingriff gebracht (Fig. 5f Fig. 5a). Die gemessene ZweimeißelSpannung E13 kann unmittelbar der gleichzeitig gemessenen Einmeißelspannung E34 zugeordnet werden, so daß die Kontaktzonentemperatur hierdurch ohne ein weiteres Bezugswerkzeug bestimmt ist (Fig. 6, Fig. 6a).
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Dieses vereinfachte Verfahren ist weniger aufwendig, da nur ein Bezugswerkzeug 1 erforderlich ist und im Schritt b ohne Einbeziehung der differentiellen Thermospannungen sofort die der auftretenden Thermospannungen E13, E34 entsprechende Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges 3 bestimmbar ist. Dafür sind aber dem vereinfachten Verfahren dann Grenzen gesetzt t wenn, ein Werkstück 4 auf einer Maschine nacheinander von verschiedenen Werkzeugen 3 bearbeitet, werden soll. Der Schritt b wäre dann zu Beginn des Bearbeitungsprozesses jedes Werkzeuges 3 an dem gleichen Werkstück 4 erforderlich. Damit wäre eine nicht vertretbare Behinderung des Arbeitsablaufes verbunden. Für Bearbeitungen von Werkstücken 4 auf Maschinen mit automatischem Werkzeugwechsel ist die Bestimmung der.Kontaktzonentempera'tur an den Arbeitswerkzeugen 3 wirtschaftlich nur mit dem Verfahren nach Anspruch 1 möglich.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche:
    Γl\ Verfahren zur thermoelektrischen Messung der Kontakt-V_/ zonentemperatur an spanenden Arbeitsvverkzeugen mit geometrisch definierter Schneide, unter Verwendung von Bezugswerkzeugen,dadurch gekennzeichnet, daß
    a) außerhalb des Bearbeitungsprozesses die thermoelektrischen Spannungen (E) der Arbeits- und Bezugswerkzeuge (1, 2, 3) gegeneinander und gegen Probenwerkstoffe während eines Abspanvorganges bei gleichzeitiger Erzeugung definierter Kontaktzonentemperaturen gemessen und die differentiellen Thermospannungen der Werkzeuge gegeneinander ermittelt werden,
    b) die geeichten Bezugswerkzeuge (1, 2) kurzzeitig im Bearbeitungsprozeß nit dem Werkstück (4) in Eingriff gebracht werden und dabei die Zweimeißel- sowie die Einmeißelspannung (E12* Ei4) zwischen einem der Bezugswerkzeuge (1) und dem Werkstück (4) gemessen wird, wobei mit Hilfe dieser Meßwerte zusammen mit den im Schritt a ermittelten Werten der differentiellen Thermospannung ues Werkstückes (4) gegen das Arbeitswerkzeug (3) gewonnen wird,
    c) während des Bearbeitungsprozesses die Einmeißelspannung (Eo,) des Arbeitswerkzeuges [?) gemessen und daraus die Kontaktzonentemperatur (/λ/") des Arbeitswerkzeuges (3) mittels der aus Schritt b gewonnenen differentiellen Thermospannungen (£„,) bestimmt wird.
    x) der Werkzeuge die differentielle ,Thermospannung
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  2. 2. Verfahren zur thernoclcktriechen hcGsunrj der Kenia':'.-rx.nentemperatur ari spaneriden Arbcitswerkzeugen mü geometrisch definierter Schneide, unter Verwendung von Bezugswerkzeugen,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    a) außerhalb des Bearbeiiungsorozessee, ein Arbeitswerkzeug (3) und ein Bezuyswcrkzeuj (1) nach den Zweimeißelprinzip in einem Abspar.vorgang bei gleichzeitiger Erzeugung definierter Kontaktzoner,-temperaturen geeicht werden,
    b) die zueinander geeichten Arbeits- und Bezugswerkzeuge" (3, 1) kurzzeitig im Bearbeitungsprozeß mit dem zu bearbeitenden Werkstück (4) in Eingriff gebracht und nach dem Zwcimeißelprinzip die Kontaktzonentemperatur ermittelt und der gleichzeitig gemessenen Einmeißelspannung (E0.) des Arbeitswerkzeuges(3) zugeordnet wird,
    c) im weiteren Bearbeitungsprozeß nur noch die Linmeißelspannung (E34) des Arbeitswerkzeuges (3) gemessen und daraus die Kontaktzonentemperatur des Arbeitswerkzeuges (3) bestimmt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzeugung definierter Kontaktzonentemperaturen, nach Gehritt a, dadurch gekennzeichnet,daß
    die Werkzeuge (1, 2, 3) in einem Hochgeschwindigkeitsimpulsschnitt Reinstoffproben spänen, wobei die in der Kontaktzone entstehende, bekannte Schmelztemperatur des jweiligen Reinstoffes als Bezugspunkt der erzeugten Einmeißel- und/eder Zweimeißelsparinung zugeordnet wird.
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    Verfahren nach Anspruch 3 zur Ermittlung der thermoelektTischen Charakteristiken von Werkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß
    m einem Eichvorgang unterschiedliche Probenwerkstoffe (z. B. Al, Cu, Fe, Ti), nacheinander gespant »«erden, so daß sich eine interpolationsfähige Folge von Thermospannungen zu den definierten Kontaktzonentemperaturen ergibt.
    Verfahren nach Ansprch 1 oder 2 zur externen Eichung der werkzeuge, nach Schritt a
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Werkzeuge (1, 2, 3) in einem kurzzeitigen Schnitt geringer Geschwindigkeit mit einem definiert vorgeheizten Körper hoher Wärmeleitfähigkeit in Eingriff gebracht werden.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3623473A1 (de) * 1985-07-12 1987-01-15 Hansen Jens Schmidt Anordnung und verfahren zum eichen einer temperaturmessvorrichtung
CN115816164A (zh) * 2022-12-14 2023-03-21 苏州休奇自动化科技有限公司 一种管件装配机的管件定长裁切系统

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