16 CAM数控加工工艺.docx
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16CAM数控加工工艺
本章主要内容:
&CAM编程的基本实现过程
&常用CAD/CAM软件与MastercamX简介
&数控加工与数控程序基础
&CAM数控加工工艺设计要点
通过本章的学习,读者应该理解CAD/CAM自动编程的一般过程,了解CAD/CAM软件的常识,掌握简单的数控加工与数控程序相关基础知识,特别需要了解在CAM数控编程中需要应用到的数控加工工艺知识,并在学习应用过程中不断积累与提高。
1.1CAD/CAM软件的交互式编程的基本实现过程
数控编程技术包含了数控加工与编程、金属加工工艺、CAD/CAM软件操作等多方面知识与经验,其主要任务是计算加工走刀中的刀位点(简称CL点)。
根据数控加工的类型,数控编程可分为数控铣加工编程、数控车加工编程、数控电加工编程等,而数控铣加工编程又可分为2.5轴铣加工编程、3轴铣加工编程和多轴(如4轴、5轴)铣加工编程等。
3轴铣加工是最常用的一种加工类型,而3轴铣加工编程是目前应用最广泛的数控编程技术。
数控编程经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程3个阶段。
交互式图形编程就是通常所说的CAM软件编程。
由于CAM软件自动编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点,目前已成为国内外数控加工普遍采用的数控编程方法。
因此,在无特别说明的情况下,数控编程一般是指交互式图形编程。
交互式图形编程的实现是以CAD技术为前提的。
数控编程的核心是刀位点计算,对于复杂的产品,其数控加工刀位点的人工计算十分困难,而CAD技术的发展为解决这一问题提供了有力的工具。
利用CAD技术生成的产品三维造型包含了数控编程所需要的完整的产品表面几何信息,而计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工刀位的自动计算。
因此,绝大多数的数控编程软件同时具备CAD的功能,因此称为CAD/CAM一体化软件。
由于现有的CAD/CAM软件功能已相当成熟,因此使得数控编程的工作大大简化,对编程人员的技术背景和创造力的要求也大大降低,为该项技术的普及创造了有利的条件。
事实上,许多企业从事数控编程的工程师往往仅有中专甚至高中毕业的学历。
目前市场上流行的CAD/CAM软件均具备了较好的交互式图形编程功能,操作过程大同小异,编程能力差别不大。
不管采用哪种CAD/CAM软件,NC编程的基本过程及内容可由图1-1表示。
图1-1NC编程的一般步骤
1.1.1获得CAD模型
CAD模型是NC编程的前提和基础,任何CAM的程序编制必须有CAD模型为加工对象进行编程。
获得CAD模型的方法通常有以下3种:
(1)打开CAD文件。
如果某一文件是已经使用UG进行造型完毕的,或者已经做过编程的文件,重新打开该文件即可获得所需的CAD模型。
(2)直接造型。
某些CAD/CAM软件,如UG、Cimatron等本身就是一个功能非常强大的CAD/CAM一体化软件,具有很强的造型功能,可以进行曲面和实体的造型。
对于一些不是很复杂的工件,可以在编程前直接造型。
(3)数据转换。
当模型文件是使用其他的CAD软件进行造型时,首先要将其转换成UG专用的文件格式(.PRT文件)。
通过UG的数据转换功能,可以读取其他CAD软件所做的造型。
UG提供了常用CAD软件的数据接口,并且有标准转换接口,可以转换的文件格式有IGES、STEP等。
1.1.2加工工艺分析和规划
加工工艺分析和规划的主要内容包括:
(1)加工对象的确定:
通过对模型的分析,确定这一工件的哪些部位需要在数控铣床或者数控加工中心上加工。
数控铣的工艺适应性也是有一定限制的,对于尖角部位,细小的筋条等部位是不适合加工的,应使用线切割或者电加工来加工;而另外一些加工内容,可能使用普通机床有更好的经济性,如孔的加工、回转体加工,可以使用钻床或车床进行加工。
(2)加工区域规划:
即对加工对象进行分析,按其形状特征、功能特征及精度和粗糙度要求将加工对象分成数个加工区域。
对加工区域进行合理规划可以达到提高加工效率和加工质量的目的。
专家指点:
在进行加工对象确定和加工区域规划或分配时,参考实物可以更直观地进行分析和规划。
(3)加工工艺路线规划:
即从粗加工到精加工再到清根加工的流程及加工余量分配。
(4)加工工艺和加工方式确定:
如刀具选择、加工工艺参数和切削方式(刀轨形式)选择等。
在完成工艺分析后,应填写一张CAM数控加工工序表,表中的项目应包括:
加工区域、加工性质、走刀方式、使用刀具、主轴转速、切削进给等选项。
完成了工艺分析及规划可以说是完成了CAM编程80%的工作量。
同时,工艺分析的水平原则上决定了NC程序的质量。
1.1.3CAD模型完善
对CAD模型作适合于CAM程序编制的处理。
由于CAD造型人员考虑更多的是零件设计的方便性和完整性,并不顾及对CAM加工的影响,所以要根据加工对象的确定及加工区域规划对模型作一些完善。
CAD模型完善通常有以下内容:
(1)坐标系的确定。
坐标系是加工的基准,将坐标系定位于适合机床操作人员确定的位置,同时保持坐标系的统一。
(2)隐藏部分对加工不产生影响的曲面,按曲面的性质进行分色或分层。
这样一方面看上去更为直观清楚;另一方面在选择加工对象时,可以通过过滤方式快速地选择所需对象。
(3)修补部分曲面。
对于有不加工部位存在造成的曲面空缺部位,应该补充完整。
如钻孔的曲面,存在狭小的凹槽的部位,应该将这些曲面重新做完整,这样获得的刀具路径规范而且安全。
(4)增加安全曲面,如边缘曲面进行适当的延长。
(5)对轮廓曲线进行修整。
对于数据转换获取的数据模型,可能存在看似光滑的其实存在着断点的曲线,看似一体的曲面在连接处不能相交。
通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。
(6)构建刀具路径限制边界。
对于规划的加工区域,需要使用边界来限制加工范围,先构建出边界曲线。
1.1.4参数设置
参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施,它构成了利用CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容,直接影响NC程序的生成质量。
参数设置的内容较多,主要包括:
(1)切削方式设置:
用于指定刀轨的类型及相关参数。
(2)加工对象设置:
是指用户通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分区、毛坯、避让区域等。
(3)刀具及机械参数设置:
是针对每一个加工工序选择适合的加工刀具并在CAD/CAM软件中设置相应的机械参数,包括主轴转速、切削进给,切削液控制等。
(4)加工程序参数设置:
包括对进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加工余量、安全高度等。
这是CAM软件参数设置中最主要的一部分内容。
1.1.5生成刀具路径
在完成参数设置后,即可将设置结果提交CAD/CAM系统进行刀轨的计算。
这一过程是由CAD/CAM软件自动完成的。
1.1.6刀具路径检验
为确保程序的安全性,必须对生成的刀轨进行检查校验,检查有无明显刀具路径、有无过切或者加工不到位,同时检查是否会发生与工件及夹具的干涉。
校验的方式有:
(1)直接查看。
通过对视角的转换、旋转、放大、平移直接查看生成的刀具路径,适于观察其切削范围有无越界及有无明显异常的刀具轨迹。
(2)手工检查。
对刀具轨迹进行逐步观察。
(3)实体模拟切削,进行仿真加工。
直接在计算机屏幕上观察加工效果,这个加工过程与实际机床加工十分类似。
对检查中发现问题的程序,应调整参数设置重新进行计算,再作检验。
1.1.7后处理
后处理实际上是一个文本编辑处理过程,其作用是将计算出的刀轨(刀位运动轨迹)以规定的标准格式转化为NC代码并输出保存。
在后处理生成数控程序之后,还需要检查这个程序文件,特别对程序头及程序尾部分的语句进行检查,如有必要可以修改。
这个文件可以通过传输软件传输到数控机床的控制器上,由控制器按程序语句驱动机床加工。
在上述过程中,编程人员的工作主要集中在加工工艺分析和规划、参数设置这两个阶段,其中工艺分析和规划决定了刀轨的质量,参数设置则构成了软件操作的主体。
1.2编制高质量的数控程序
1.NC程序的质量判断
NC程序的质量是衡量NC程序员水平的关键指标,其判定标准可归纳为:
(1)完备性:
即不存在加工残留区域。
(2)误差控制:
包括插补误差控制、残余高度(表面粗糙度)控制等。
(3)加工效率:
即在保证加工精度的前提下加工程序的执行时间。
(4)安全性:
指程序对可能出现的让刀、漏刀、撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果。
(5)工艺性:
包括进退刀设置、刀具选择、加工工艺规划(如加工流程及余量分配等)、切削方式(刀轨形式选择)、接刀痕迹控制以及其他各种工艺参数(如进给速度、主轴转速、切削方向、切削深度等)的设置等。
(6)其他:
如对机床及刀具的损耗程度、程序的规范化程度等。
在评价NC程序质量的各项指标中,有一部分存在着一定程度的矛盾。
例如,残余高度决定了加工表面的光洁度,从加工质量来看,残余高度越小,加工表面质量越高,但加工效率就会降低。
所以,在进行NC编程时,不应片面追求加工效率,而应综合权衡各项指标,在满足产品的质量要求及一定的加工可靠性的基础上提高加工效率。
2.数控程序人员的基本要求
为了编制高质量的数控加工程序,数控编程人员必须掌握一定的数控加工相关的基础知识,包括:
数控加工原理、数控机床结构、分类及机床坐标系。
作为一名数控编程工程师,有必要掌握一定的手工编程知识,包括程序结构和常用数控指令,这对于理解数控自动编程,后置处理等均有帮助。
数控加工工艺分析和规划将影响数控加工的加工质量和加工效率,因此工艺分析和规划是数控编程的核心工作。
在CAM自动编程中对数控工艺的分析和规划主要包括:
加工区域的划分与规划,刀轨形式与走刀方式的选择,刀具及机械参数的设置,加工工艺参数的设置。
3.CAM编程的学习
交互式图形编程技术的学习也就是我们常说的CAM编程的要点可分3个方面:
(1)学习CAD/CAM软件应重点把握核心功能的学习,因为CAD/CAM软件的应用也符合所谓的“20/80原则”,即80%的应用仅需要使用20%的功能。
(2)培养标准化、规范化的工作习惯。
对于常用的加工工艺过程应进行标准化的参数设置,并形成标准的参数模板,在各种产品的数控编程中尽可能直接使用这些标准的参数模板,以减少操作复杂度,提高可靠性。
(3)重视加工工艺的经验积累,熟悉所使用的数控机床、刀具、加工材料的特性,以便使工艺参数设置更为合理。
1.3CAD/CAM软件数控编程功能分析及软件简介
CAD/CAM软件发展到今天,已经变得相当成熟。
各种CAD/CAM软件的功能十分丰富多样,而且,大多数软件所提供的核心功能基本相同的,只要掌握了这些基本功能,加上良好的操作习惯和一定的工艺经验,就完全能够编制出优良的数控程序。
1.3.1CAD/CAM软件功能
对于2轴及3轴数控铣加工,我们将现有CAD/CAM软件所提供的基本功能组成进行概括的分类:
(1)三维造型功能:
如前所述,加工表面的几何信息是CAD/CAM软件进行加工刀轨计算的依据。
因此CAD/CAM软件至少能够提供基本的曲面造型功能。
(2)参数管理:
参数(如加工对象、刀具参数、加工工艺参数等)的设置是交互式图形编程的主要操作内容,因此也是CAD/CAM软件数控编程的主要功能组成部分。
它包括参数输入、修改、管理、优化等。
(3)刀位点计算:
根据用户设定的加工参数和加工对象计算出刀位点,由于刀位点计算是数控编程中最重要和最复杂的工作环节,因此它也是利用CAD/CAM软件进行交互式图形编程的最明显的优势。
(4)仿真:
以图形化的方式直观、逼真地模拟加工过程,以检验所编制的NC程序是否存在问题。
(5)刀轨的编辑和修改:
提供多种编辑手段(如增加、删除、修改刀轨段等手段)使用户对编制的数控刀轨进行修改。
(6)后处理:
CAD/CAM软件计算出的刀轨包含了大量刀位点的坐标值,后处理的作用就是将这些刀位点坐标值按标准的格式“填写”到数控程序中,得到程序主体的内容。
它实际上是一个文字处理过程。
当然,还需要在程序的开头和结尾加上一些辅助指令,如在程序开始加上冷却液开、在程序结束部分加上冷却液关等。
(7)工艺文档生成:
将机床操作人员所需要的工艺信息(如程序名称、加工次序、刀具参数等)编写成标准、规范的文档。
这一功能虽然简单,但它对保证编程人员与机床操作人员的配合以及避免失误有重要的作用。
1.3.2常见CAD/CAM软件简介
目前CAD/CAM软件种类繁多,基本上都能够很好地承担交互式图形编程的任务。
这里仅对最常见的几种软件进行简单的介绍。
1.Cimatron
Cimatron软件出自著名软件公司以色列Cimatron公司,CimatronE的CAD/CAM软件解决方案包括一套易于3D设计的工具,允许用户方便的处理获得的数据模型或进行产品的概念设计。
MouldDesign是基于三维实体参数的解决方案,它实现了三维模具设计的自动化,能自动完成所有单个零件、已装配产品及标准件的设计和装配,用户可以方便地定义用来把模型分成型芯、型腔、嵌件和滑块的方向。
CimatronE提供了全面的NC解决方案,其加工策略得到了市场认可。
CimatronNC支持从2.5~5轴高速铣削,毛坯残留知识和灵活的模板有效地减少了用户编程和加工时间。
Cimatron NC提供了完全自动基于特征的NC程序以及基于特征和几何形状的NC自动编程。
主要包括以下功能:
(1)2.5轴钻孔和铣削CimatronNC在3D模型环境下为用户提供了高效的2.5轴解决方案。
快速钻孔能自动识别出3D模型、曲面模型和模型中的孔特征,通过预定义的形状模板自动地创建高效钻孔程序。
快速钻孔程序是一个基于知识库的自动产生钻孔程序,它能使代码产时间动态地减小90%,且对任何格式下的CAD模型操作都非常简便。
程序能够优化钻孔参数和刀具使用,全面兼容Cimatron模具实际模块,同时与CimatronECAD/CAM解决方案无缝集成。
(2)3轴粗加工CimatronNC强大的粗加工程序以其高效的加工策略提高了使用者的生产效率。
精确的剩余毛坯模型始终贯穿在整个加工程序中,有效地减少了空切。
程序自动创建进退刀方式,并且根据实际的刀具载荷自由地调整进给速度。
粗加工程序提供了多种加工策略,我们可以通过加工区域、边界曲线以及检查曲面来限制加工范围,并且全面支持高速铣削。
(3)3轴精加工3轴精加工程序提供了基于模型特征的多种加工策略,几何形状的分析带给我们高效率及高质量的曲面精度。
水平和垂直区域可以用等高加工、自适应层、真环切以及3D等步距等策略,精加工还包括诸如清根和笔式的残料加工以及为高速铣削的优化选项。
(4)5轴加工Cimatron为用户提供了从定位5轴到多轴联动的全方位加工功能。
5轴联动铣削包括粗加工,控制前倾角和侧倾角的精加工,侧刃铣削以及刀长较短时自动倾斜功能,5轴铣削能有效地提高加工效率,延长刀具使用寿命,产生高精度的曲面。
2.PowerMILL
PowerMILL是世界上著名的功能最强大、加工策略最丰富的数控加工编程软件系统之一,同时也是CAM软件技术最具代表性的、增长率最快的加工软件。
采用全新的中文Windows用户界面,提供完善的加工策略。
帮助用户产生最佳的加工方案,从而提高加工效率,减少手工修整,快速产生粗、精加工路径,并且任何方案的修改和重新计算几乎在瞬间完成,缩短85%的刀具路径计算时间,对2~5轴的数控加工包括刀柄、刀夹进行完整的干涉检查与排除。
具有集成一的加工实体仿真,方便用户在加工前了解整个加工过程及加工结果,节省加工时间。
Delcam推出在5轴高速加工方面功能更强的PowerMILL6.0版本。
在6.0版本中,增加了能应用于线框加工的swarf加工并且可以使用锥形刀,因而避免了凸台的碰撞;自动的偏摆加工等加工策略。
新版本的其他改进还将包括全局余量控制,加强了粗加工中平面铣的功能,同时让Delcam专利的摆线加工策略中对弧度的控制更容易操作。
PowerMILL是一套独立的2~5轴加工软体,3D模型可由曲面模型、实体模型的CAD系统转到PowerMILL不需考虑曲面间的间隙、重叠或皱折扭曲及破洞的问题,而得到完全不过切的刀具路径。
PowerMILL使用选单模式,即由简单使用的视窗式指引,提供广泛的加工方法、路径编辑和实体切削模拟及高速加工所需功能,只需最少训练,适合现场加工使用。
3.Mastercam
Mastercam是美国CNCSoftware,Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。
它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等多功能于一身,对系统运行环境要求较低,使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中,都能获得最佳效果。
它具有方便直观的几何造型,Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境,其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
Mastercam具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。
Mastercam提供了多种先进的粗加工技术,以提高零件加工的效率和质量。
Mastercam还具有丰富的曲面精加工功能,可以从中选择最好的方法,加工最复杂的零件。
Mastercam的多轴加工功能,为零件的加工提供了更多的灵活性。
Mastercam可模拟零件加工的整个过程,模拟中不但能显示刀具和夹具,还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。
4.CAXA制造工程师
CAXA制造工程师是北京数码大方科技有限公司(CAXA)研制开发的全中文、面向数控铣床和加工中心的三维CAD/CAM软件。
CAXA制造工程师基于微机平台,采用原创Windows菜单和交互方式,全中文界面,便于轻松学习和操作,并且价格较低。
CAXA制造工程师可以生成2~5轴的加工代码,可用于加工具有复杂三维曲面的零件。
CAXA制造工程师不仅是一款高效易学、具有很好工艺性的数控加工编程软件,而且还是一套Windows原创风格,全中文三维造型与曲面实体完美结合的CAD/CAM一体化系统。
CAXA制造工程师为数控加工行业提供了从造型设计到加工代码生成、校验一体化的全面解决方案。
CAXA制造工程师提供了优质高效的数控加工编程工具。
CAXA制造工程师将CAD模型与CAM加工技术无缝集成,可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作。
支持轨迹参数化和批处理功能,明显提高工作效率。
支持高速切削,大幅度提高加工效率和加工质量。
通用的后置处理可向任何数控系统输出加工代码。
5.UGNX
UGSNX(原名:
Unigraphics,中译为优集,后被西门子收购)是NXPLM软件的核心,集CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。
UGSNX支持产品开发的整个过程,从概念(CAID)到设计(CAD)到分析(CAE)到制造(CAM)的完整流程。
UG有着美国航空和汽车两大产业的背景,广泛应用于机械制造、航空业、汽车业、模具制造、家电产品等各行各业。
6.其他CAD/CAM软件
其他常用的CAD/CAM软件的还包括DASAL公司的CATIA、Pathtrace公司的EdgeCAM、SolidCAM公司的SolidCAM、TekSoft公司的CAMWorks、HZS公司的SPACE-E,等等。
1.3.3MastercamX4的功能特点
MastercamX4提供了相当多的模块,其中包括铣削、车削、实体造型、线切割、雕刻等。
可以根据设计及加工需要,自行选取相应的模块。
在新MastercamX版本中,一改Design(设计)、Mill(铣削加工)、Lathe(车削加工)、Wire(线形加工)4个模块分散界面的缺点,将这4大模块集成到一个平台上,使用户操作更加方便。
1.设计模块
(1)强大的二维绘图功能:
可以快速高效地绘制、编辑复杂的二维图形,并能够方便地对二维图形进行尺寸标注、图形注释和图案填充等工作,还可以打印工程图样。
(2)完整的曲线设计功能:
可以设计和编辑二维、三维空间曲线,而且还可以灵活、方便地创建曲面曲线,包括相交线、分模线、剖切曲线、动态绘制曲线等。
(3)曲面造型手段丰富:
Mastercam可以非常直观地用多种方法创建规则曲面,也可以创建网格曲面、扫掠曲面、举升曲面等多种不规则的光滑曲面。
(4)先进的实体建模功能:
可以对实体进行布尔运算、圆角、倒角、抽壳等处理,操作简单,适合零部件的结构设计。
2.铣削加工模块
Mastercam(2~5轴加工)的OperationsManager(操作管理器)把同一加工任务的各项操作集中在一起。
管理器的界面简明清晰。
加工使用的刀具以及加工参数等在管理器内,编辑、校验刀具路径也很方便,在操作管理器中很容易复制和粘贴相关程序。
在Mastercam系统中,挖槽铣削、轮廓铣削和点位加工的刀具路径与被加工零件的模型是相关联的。
当零件几何模型或加工参数修改后,Mastercam能迅速准确地自动更新相应的刀具路径,无须重新设计和计算刀具路径。
用户可把常用的加工方法及加工参数存储于数据库中,将显著提高数控程序设计效率及计算的自动化程度。
3.车削加工模块
车削零件造型非常简单便捷,Mastercam具有完整的曲线曲面建模功能,建立二维、三维几何模型十分方便。
灵活、完整的曲线曲面编辑和分析功能,保证几何模型的精度。
修改几何模型后,相关的尺寸标注自动更新。
可在多个视窗内动态旋转、缩放几何图形。
导航功能自动捕捉常用的特征点,提高建模速度。
Mastercam的数据转换器可与任何的CAD系统交换数据。
这些转换器包括IGES、ParasolidTM、SAT(ACISSolids)、DXF、CADL、VDA、STL及ASCII等。
4.雕刻加工模块
Mastercam是美国CNCSoftware公司开发的基于Win9X以及WinNT的CAD/CAM软件包,其X版本的文字功能得到了进一步加强,不但可以提供Mastercam系统的字体,还可利用Windows系统的字体。
同时,Mastercam提供丰富的粗精加工切削方式,它能完成2~5轴数控铣削加工编程,通过建立雕刻模型,选择合理加工方式即可达到文字雕刻的目的。
5.线切割模块
可以快速、高速地完成线切割加工程序的编制,可以实现2轴和4轴编程,可选择适合的直线切割、角度或从角度切割与LAND两指示中指定的任何方向。
实体切割路径验证切削可以查看毛坯材料的实体切割过程;并可以查看在线切割路径里任何一点的行动信息,具有强有力的零件模型化功能。
1.4数控加工基础知识
1.4.1数控加工基本原理
1.CAM系统简述
一个典型的CAM系统由两部分组成:
计算机辅助编程系统和数控加工设备,如图1-2所示。
图1-2CAM系统构成
计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹,并编制出数控程序,它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。
计算机硬件设备主要有工作站和微机两种。
一般而言,工作站的图形性能要优于微机,但随着微机性能的飞速提高,它与工作站的性能差别也越来越小。
而且由于微机的价格远低于工作站,因此在CAD/CAM系统中的应用越来越广泛,其普及率远高于工作站。
计算机辅助数控编程软件即是我们通常所说的CAM软件,它是计算机辅助编程系统的核心。
它的主要功能包括数据输入输出、加工轨迹计算与编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理、数据管理等。
目前常用的CAM软件种类较多,其中的基本功能大同小异,并在此基础上发展出各自的特色。
数控加工设备的任务是接受数控程序,并按照程序完成各种加工动作。
数控加工技术可以应用在几乎所有的加工类型中,如车、铣、刨、镗、磨、钻、拉、切断、插齿、电加工、板材成型等。
数控铣床、数控车床、数控线切割机是最常用的数控加工设备,其中又以数控铣床应用最为广泛。
2.
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