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1、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)筆記第三章 切削與磨削原理3.1.3 前刀面上刀-屑的摩擦與積屑瘤1.摩擦面上的接觸狀態(tài)1)峰點(diǎn)型接觸( F 不太大時(shí)):m= f/F=tsAr/ss Ar=ts/ss=常數(shù)此時(shí)的摩擦狀態(tài)為滑動(dòng)摩擦(外摩擦)。ss-材料的拉壓屈服極限 ts-材料的剪切屈服極限Aa-名義接觸面積 Ar-實(shí)際接觸面積2)緊密型接觸(F 很大時(shí)): m= f/F= tsAa/F=ts/sav常數(shù)此時(shí)的摩擦狀態(tài)為粘結(jié)摩擦(內(nèi)摩擦)。2.前刀面上刀-屑的摩擦:既有粘結(jié)摩擦,也有滑動(dòng)摩擦,以粘結(jié)摩擦為主。前刀面上的平均摩擦系數(shù)可以近似用粘結(jié)區(qū)的摩擦系數(shù)表示:m= ts/sav常數(shù)當(dāng)前刀面上的平均正應(yīng)力sa
2、v增大時(shí),m 隨之減小。4.積屑瘤1)現(xiàn)象:中速切削塑性金屬時(shí),在前刀面上切削刃處粘有楔形硬塊(積屑瘤)。2)形成原因:(1)在一定的溫度和很大壓力下,切屑底面與前刀面發(fā)生粘結(jié)(冷焊);(2)由于加工硬化,滯流層金屬在粘結(jié)面上逐層堆積(長大)。3)對切削過程的影響(1)積屑瘤穩(wěn)定時(shí),保護(hù)刀具(代替刀刃切削);(2)使切削輕快(增大了實(shí)際前角);(3)積屑瘤不穩(wěn)定時(shí),加劇刀具磨損;(4)降低尺寸精度;(5)惡化表面質(zhì)量(增大粗糙度、加深變質(zhì)層、產(chǎn)生振動(dòng))。-粗加工時(shí)可以存在,精加工時(shí)一定要避免。4)抑制方法(1)避免中速切削;(2)提高工件材料的硬度(降低塑性);(3)增大刀具前角(至3035o
3、);(4)低速切削時(shí)添加切削液。5.剪切角公式第一變形區(qū)的剪切變形是前刀面擠壓摩擦作用的結(jié)果,切削合力Fr的方向就是材料內(nèi)部主應(yīng)力的方向,剪切面的方向就是材料內(nèi)部最大剪應(yīng)力的方向。根據(jù)材料力學(xué),二者夾角應(yīng)為p/4,即:p/4= c+ b- go (tgb= Ff/ Fn= m )f= p/4- b+ go -李和謝弗的剪切角公式(1952)由公式可知:go f Lh b(m) f Lh -前刀面上的摩擦直接影響剪切面上的變形。3.1.4 影響切削變形的因素1.工件材料: 強(qiáng)度、硬度sav m (=ts/sav) f Lh2.刀具幾何參數(shù):主要是前角的影響。 go f Lh 3.切削用量1)切削
4、速度低速、中速,主要是積屑瘤的影響:積屑瘤長大時(shí),實(shí)際前角gb fLh;積屑瘤變小時(shí),實(shí)際前角gbfLh;高速:vctsm (=ts/sav) fLh2)進(jìn)給量 fhD(=fsinkr) fLh;3)背吃刀量 ap bD(= ap/ sinkr) 參加切削的刀刃長度增加了,其它條件未改變,所以:Lh基本不變。(見圖3.14) 以上分析均有實(shí)驗(yàn)結(jié)果為證。3.1.5 切屑類型及切屑控制1.切屑類型(p80 圖3.16)2.切屑的控制-通過合理選擇刀具角度、設(shè)計(jì)卷屑槽或斷屑臺(tái),可以控制切屑的流向、卷曲程度和使其折斷。3.1.6 硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理1.刀具對材料的撕裂作用:刃口前方的材料受到擠
5、壓,刃口下方的材料受到拉伸,所以裂紋多數(shù)是向刀刃的前下方裂開。向下延伸的裂紋當(dāng)能量耗盡后終止,轉(zhuǎn)而向上的裂紋最終到達(dá)自由表面形成斷裂(越靠近自由表面能量消耗越?。?。2.斷裂碎塊的大小與刃口距附近自由表面的深度有關(guān),距離越深則碎塊越大。3.硬脆材料的切削過程大致可分4個(gè)階段。(見圖3.20,c、d可能會(huì)反復(fù)進(jìn)行多次。3.2 切削力3.2.1 切削合力F及其分力F的來源:作用在前刀面、后刀面、副後刀面處的正壓力和摩擦力的合力。 其大小、方向與切削條件有關(guān)。為測量和應(yīng)用方便,通常需將它分解為三個(gè)相互垂直的分力,即:1.主切削力Fc(切向力):做功最多,用于驗(yàn)算刀具強(qiáng)度、設(shè)計(jì)機(jī)床零件、確定切削功率等;
6、2.背向力Fp(吃刀抗力、徑向力):不做功,對加工精度影響很大,用于驗(yàn)算工藝系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度。也是引起切削振動(dòng)的主要作用力。3.進(jìn)給力Ff(走刀抗力、軸向力):用于計(jì)算進(jìn)給功率和驗(yàn)算進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。3.2.2 切削力與切削功率的計(jì)算 用理論公式計(jì)算切削力,由于推導(dǎo)公式時(shí)采用的切削模型過于簡化,所以公式不夠精確,計(jì)算誤差較大。生產(chǎn)實(shí)踐中多用經(jīng)驗(yàn)公式(把切削實(shí)驗(yàn)得到的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得到)計(jì)算切削力。1.指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗(yàn)公式:主切削力: (3.10) 進(jìn)給力: (3.11)背向力: (3.12)對于常用材料,式中的系數(shù)CF (與工件材料有關(guān))、指數(shù)XF 、YF 、ZF 及切削條件變化時(shí)的修
7、正系數(shù)KF(共8個(gè)) 均可從切削用量手冊中查出。2.由單位切削力計(jì)算主切削力 單位切削力kc-作用在單位切削面積上的主切削力,單位:N/mm2 kc可以通過實(shí)驗(yàn)從下式求得: (3.13) 各種工件材料的kc可從手冊中查出并按下式計(jì)算Fc: Fc=kc Ac KFc (3.14) 式中: KFc-切削條件修正系數(shù)3. 切削功率Pc的計(jì)算(此處與教材p84不同)切削功率即各切削分力所做功之和,可按下式計(jì)算:Pc= Fc vc+Ff vf = Fc vc+Ff f n 10-3 Fc vc (W) (3.15) 計(jì)算Pc主要用于驗(yàn)算機(jī)床電機(jī)功率Pm,驗(yàn)算公式: Pm Pc / hm (3.16)式中
8、:hm -傳動(dòng)效率,新機(jī)床取為0.85,舊機(jī)床0.75。3.2.3 影響切削力的因素影響因素的具體體現(xiàn)就是經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。1.工件材料的影響強(qiáng)度、硬度切削力 塑性、韌性,硬化嚴(yán)重切削力2.切削用量的影響1)背吃刀量ap: apbD(=ap/sinkr) 切削力(正比) ap的指數(shù)XF1,對ap不需修正。2)進(jìn)給量f: fhD(=fsinkr) (正比)fLh 切削力但不成正比 f 的指數(shù)YF0.750.9,當(dāng)f0.3時(shí),需乘以修正系數(shù)Kf。3)切削速度vc:主要與變形程度改變有關(guān)。vc1.33m/s時(shí),需乘以修正系數(shù)Kv。切脆性材料時(shí),F(xiàn)基本不變。指數(shù)ZF0切削用量三要素對切
9、削力的影響程度: ap影響最大,f其次,vc影響最小。3.刀具幾何參數(shù)的影響(對各分力影響不同,需分別修正)1)前角go : go f Lh 切削力切脆性材料如鑄鐵、青銅時(shí),切削力基本不變。go 15O時(shí),需乘以修正系數(shù)KgFc 、KgFp 、KgFf 。2)負(fù)倒棱bg:可以在增大前角的同時(shí),兼顧刀刃的強(qiáng)度。 bg /f 切削力 bg0時(shí),需乘以修正系數(shù)KbgFc 、KbgFp 、KbgFf 。3)主偏角Kr:對Fc影響不超過10%, Kr=6075時(shí),F(xiàn)c最??;對兩個(gè)水平分力影響大 Fp FD CosKr Ff FD sinKrKr 75O時(shí),需乘以修正系數(shù)KKFc 、KKFp 、KKFf
10、。4)刀尖圓弧半徑re: re 平均KrFp, Ff re0.25時(shí),需乘以修正系數(shù)KrFc 、KrFp 、KrFf 。5)刃傾角ls:lsFc基本不變,F(xiàn)p ,F(xiàn)f ls0o時(shí),需乘以修正系數(shù)KlFc 、KlFp 、KlFf 。4.刀具材料的影響:影響刀具-工件間的摩擦系數(shù)。m:高速鋼硬質(zhì)合金涂層刀具陶瓷CBN5.切削液的影響:潤滑作用越強(qiáng),切削力越?。ǖ退亠@著)。6.後刀面磨損量VB: VB Fc、Fp、Ff均, Fp最顯著。VB0時(shí),需乘以修正系數(shù)KVBFc 、KVBFp 、KVBFf 。3.3 切削熱和切削溫度 切削過程中溫度的變化對切削過程、刀具磨損、加工精度、表面質(zhì)量等均有重要影響
11、。3.3.1 切削熱的產(chǎn)生和傳出1.產(chǎn)生:切削力做功轉(zhuǎn)變成熱能。三個(gè)變形區(qū)就是三個(gè)熱源。生熱率:Q Pc Fc vc (J/S) 2.傳出:Q =Q屑 + Q刀 + Q工+Q介車外圓:Q屑 80%, Q刀 10%, Q工10%, Q介1%鉆孔:Q屑 28%, Q刀 14.5%, Q工 52.5%, Q介5%熱量的傳遞使各部分溫度q升高。如:q屑有利于減小切削力但不利于斷屑;q刀 過高過低都不好(各種刀具材料都有其適宜工作溫度范圍);q工使工件產(chǎn)生熱變形,從而影響加工精度;以上分析意在說明:影響切削過程的直接原因不是產(chǎn)生熱量的多少,而是各處溫度的高低。3.3.2 切削區(qū)的溫度分布 由圖3.24可
12、知:1)切削區(qū)內(nèi)各處溫度不同(形成溫度場);2)材料經(jīng)過剪切面時(shí),溫度基本一致,經(jīng)過前、後刀面時(shí),接觸面上的溫度迅速升高;3)最高溫度區(qū)是在離刃口一段距離的前刀面上;4)刀刃切過時(shí),已加工表面受到一次熱沖擊。常用的測溫方法有:紅外膠片照相法:測溫度場;人工熱電偶法:測各點(diǎn)溫度(溫度場);自然熱電偶法:測刀-工接觸區(qū)內(nèi)的平均溫度,即通常所說的切削溫度。該方法可以用來研究:3.3.3 影響切削溫度的主要因素切削區(qū)內(nèi)溫度的升高,是受到熱量的產(chǎn)生和傳出雙重影響的動(dòng)態(tài)平衡過程。其主要影響因素有:1.切削用量:經(jīng)驗(yàn)公式為 (3.20)式(3.20)表明,切削用量三要素對切削溫度的影響: vc影響最大,f其
13、次,ap影響最小。2.刀具幾何參數(shù):1)前角: go f Lh Q q 但go18o20o時(shí),go楔角bo散熱慢,q不顯著2)主偏角:kr bD(= ap/ sinkr) (影響小), hD(= f sinkr) (影響大) q 其它參數(shù)影響不大。3.工件材料:4.刀具磨損:後刀面磨損量VB q 達(dá)到一定值后升溫劇烈。5.切削液:降溫效果與液溫、導(dǎo)熱率、比熱、流量、粘度、 澆注方式等有關(guān)。3.4 刀具磨損、破損與使用壽命 切削金屬時(shí),刀具本身也會(huì)發(fā)生磨損或破損。這對加工質(zhì)量、刀具使用壽命、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益等均有影響。此項(xiàng)研究對正確設(shè)計(jì)、使用刀具及正確選擇切削用量也具有重要意義。(本節(jié)重點(diǎn)是討論
14、磨損。)3.4.1 磨損形式1.前刀面月牙洼磨損:vc較高、hD較大、切塑性金屬時(shí)發(fā)生,衡量指標(biāo):KT;2.后刀面磨損:衡量指標(biāo):VB;3.邊界磨損3.4.2 磨損原因1.磨料磨損 是低速切削刀具(拉刀、絲錐、板牙等)磨損的主要原因工件材料內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn):高硬度金屬碳化物、氮化物、氧化物等。2.粘結(jié)磨損(冷焊磨損)中速切削時(shí)最嚴(yán)重,與刀-工化學(xué)成分、刃磨質(zhì)量有關(guān)。3.擴(kuò)散磨損在緊密接觸的表面之間原子會(huì)從密度較大的一方擴(kuò)散到密度較小的一方;擴(kuò)散速度隨切削溫度升高而按 指數(shù)規(guī)律增加(詳見P91);加入TiC可以減緩擴(kuò)散速度。擴(kuò)散結(jié)果使表層的耐磨性降低,從而加速磨損。4.化學(xué)磨損 原因有二:1)高溫下氧
15、化;2)切削液使用不當(dāng)(極性添加劑中S、Cl的腐蝕作用)?;瘜W(xué)磨損在邊界處最嚴(yán)重。3.4.3 磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.刀具的磨損過程三階段(如圖)研磨可減緩初期磨損。2.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)-所允許的刀具最大磨損限度(多用VB)。 ISO規(guī)定了刀具的實(shí)驗(yàn)室磨鈍標(biāo)準(zhǔn);生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)刀具種類、加工要求、切削條件合理確定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(查有關(guān)手冊)。如:粗加工應(yīng)以正常磨損階段終點(diǎn)處的VB;精加工、切難加工材料時(shí)VB應(yīng)小些;自動(dòng)化加工應(yīng)以刀具徑向磨損量NB作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(如圖)。3.4.4 刀具使用壽命及其與切削用量的關(guān)系1. 刀具使用壽命(刀具耐用度)T-刃磨后的刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所需的總切削時(shí)間。T是間接反映刀具是否
16、達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的量(在固定條件下);刀具總壽命 = T 可刃磨次數(shù) 刀具使用壽命也可用刀具刃磨一次可切削的總路程Lm衡量: Lm = vc T2. T與切削用量的關(guān)系(可通過切削實(shí)驗(yàn)求得)1)T-vc經(jīng)驗(yàn)公式(泰勒公式): vc Tm=Co (3.21)式中:Co-與刀具、工件材料等切削條件有關(guān)的常數(shù);m-指數(shù)(即圖中直線的斜率)。刀具材料:高速鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷m 值:0.10.125 0.20.3 0.20.4 m值越大,說明該刀具材料耐熱性能越好。式(3.21)反映了vc對T的影響程度(一般很大)。例:用YT15車刀切中碳鋼,m=0.2,當(dāng)v1=100m/min時(shí),T1=160min ,則
17、當(dāng)v2=122m/min時(shí),v1T1m= v2T2m = Co T2=(v1/v2)1/mT1=(100/122)1/0.216060min當(dāng)v3=200m/min時(shí),T3=(v1/v3)1/mT1=(100/200)51605min-結(jié)論:vc提高一點(diǎn),則T顯著下降。2) f、ap與T的關(guān)系:綜合式(3.2123),可得T與切削用量的一般關(guān)系式:用硬質(zhì)合金切中碳鋼時(shí):x =5 y =2.25 z =0.75-三要素對T的影響程度:vc最大,f其次,ap最小。這一規(guī)律與切削溫度有關(guān)。3.4.5 刀具的破損磨損是連續(xù)的、漸進(jìn)的發(fā)展過程;脆性破損(如崩刃、掉尖、片狀剝落、刀片碎裂或刀具折斷等)主要
18、發(fā)生在硬質(zhì)合金、陶瓷等脆性刀具材料,具有突發(fā)性,屬隨機(jī)事件;塑性破損(如塑性變形、卷刃等)則主要是當(dāng)切削用量選擇不當(dāng)時(shí)高速鋼刀具的損壞形式。在自動(dòng)化加工中,脆性破損如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果,所以日益受到重視。1. 刀具破損的主要形式及原因(1)工具鋼和高速鋼刀具:1)燒刀-由于切削速度過高,使切削溫度超過了刀具材料的相變溫度而退火,喪失切削能力。2)卷刃-由于刀具硬度低而工件整體或局部硬度高導(dǎo)致的刀刃塑性變形。3)折斷-由于刀具設(shè)計(jì)、使用不當(dāng)或負(fù)荷過重所致,常見于鉆頭、絲錐、拉刀、立銑刀等。(2)硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具:1)崩刃-由于前角過大、刃磨質(zhì)量差、斷續(xù)切削、振動(dòng)
19、、工件余量不均勻、有硬皮、切屑撞擊等原因引起的刃口崩落。2)掉尖或刀片斷裂-由于刀具材料有缺陷、裂紋擴(kuò)展、后角過大、切削用量過大、沖擊載荷過大、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐伞?)片狀剝落-主要與切屑與刀具間的粘結(jié)有關(guān),多見于斷續(xù)切削。4)微裂紋-分為機(jī)械疲勞裂紋(平行于刀刃)和熱烈紋(垂直于刀刃),主要與焊接應(yīng)力、交變載荷、受熱不均勻等有關(guān)。2. 刀具破損壽命的分布規(guī)律刀具破損壽命N -刀具從開始使用,到發(fā)生破損不能使用為止所承受的沖擊載荷數(shù)。破損雖是隨機(jī)現(xiàn)象,卻并非無規(guī)律可循。大量實(shí)驗(yàn)研究表明:硬質(zhì)合金和陶瓷刀具斷續(xù)切削條件下的破損壽命接近威布爾分布(詳見p94)。只要確定了分布規(guī)律,就可以在破損大概
20、率發(fā)生之前換刀。3.刀具破損的防止措施1)合理選擇刀具材料(選強(qiáng)度高、韌性好的);2)合理確定刀具幾何參數(shù)(提高刀尖、刀刃的強(qiáng)度);3)合理選擇切削用量(避免超負(fù)荷);4)提高刀具焊接和刃磨質(zhì)量以減少微裂紋;5)減少?zèng)_擊、避免振動(dòng)。3.4.5 刀具磨損、破損的檢測與監(jiān)控這對于自動(dòng)化加工十分重要,是保證順利加工的前提。常用方法有:1.常規(guī)方法磨損:記錄每把刀具實(shí)際切削時(shí)間,達(dá)到規(guī)定耐用度值后發(fā)出信號(hào)換刀。破損:離線檢測刀具是否破損及破損程度以決定是否換刀。2.切削力(或切削功率)檢測法由測力傳感器(安裝在主軸前軸承上或刀桿上)在線測量切削力,其增大值反映刀具磨損程度,其突變反映破損。(需通過實(shí)驗(yàn)
21、確定磨損與破損的閾值)3)聲發(fā)射檢測法利用切削過程中聲發(fā)射信號(hào)的大小和階躍突變判斷磨損程度和是否破損。其裝置如p96圖3.30所示。3.6 磨削原理磨削是精加工的主要手段,可加工多種材料,包括淬火鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬等難加工材料;可加工多種表面,包括螺紋、齒面、花鍵、各種成形面等。其特點(diǎn)是精度高,可達(dá)IT6IT5甚至更高;粗糙度小,可達(dá)Ra0.320.04甚至更小。發(fā)達(dá)國家磨床可占到機(jī)床總數(shù)的3040%,軸承業(yè)高達(dá)60%。磨削也可用于粗加工,一些高效磨削的金屬去除率已超過了切削。3.6.1 砂輪特性砂輪可視為具有許多細(xì)小刀齒的銑刀,它是由磨料加結(jié)合劑經(jīng)壓坯、干燥、焙燒而成,氣孔起
22、容屑、散熱作用。決定其特性的因素有:1.磨料-起切削作用,分氧化物系(韌性好,硬度較低,磨各種鋼材)、碳化物系(硬、脆,磨鑄鐵、硬質(zhì)合金及非金屬材料)、高硬磨料系三類,詳見p106表3.6。2.粒度-即磨料顆粒大小。大的用篩子分級(jí),粒度號(hào)即每英寸長度上的網(wǎng)眼數(shù);小于40mm的為微粉,粒度以其尺寸表示。粒度細(xì),則粗糙度小,但生產(chǎn)率低,易燒傷。一般是粗磨、磨軟材料選粗粒度;精磨、磨硬脆材料選細(xì)粒度。詳見下表:3.結(jié)合劑-作用是粘合磨粒,使砂輪成形。常用的有:1)陶瓷結(jié)合劑(代號(hào)V):性質(zhì)穩(wěn)定、成本低,用于大多數(shù)砂輪。2)樹脂結(jié)合劑(代號(hào)S):強(qiáng)度高、彈性好、耐熱性差(自銳性好),用于薄片砂輪、高速
23、磨削和容易發(fā)生磨削燒傷、磨削裂紋的工序(如磨薄壁件、超精磨、磨硬質(zhì)合金等)。3)橡膠結(jié)合劑(代號(hào)R):彈性最好。用于無心磨床的導(dǎo)輪、薄片砂輪及拋光砂輪。4)金屬結(jié)合劑(代號(hào)M):多為青銅。強(qiáng)度高、成形性好但自銳性差,主要用于金剛石砂輪。4.硬度-在磨削力作用下,磨粒脫落的難易程度。與結(jié)合劑、氣孔多少有關(guān),影響砂輪的成形性和自銳性。粗磨、磨硬材料選軟砂輪,精磨、成形磨、磨軟材料選硬砂輪。常用硬度為軟2至中2。5.組織-磨粒、結(jié)合劑、氣孔三者間的比例關(guān)系。分緊密、中等、疏松三大類(詳見表3.9)。接觸面積大、易燒傷工序、粗磨選疏松組織,以利于冷卻和容屑;一般用中等組織。3.6.2 磨削加工特點(diǎn)1.
24、磨粒隨機(jī)分布:間隔不等,高低不齊,形狀各異、隨時(shí)變化。-有效磨粒只占總數(shù)的一小部分(520%)。2.磨削過程復(fù)雜-是磨粒對工件表面進(jìn)行滑擦、刻劃和切削三種作用的綜合。1)初接觸時(shí)-滑擦階段。由于磨粒鈍圓(頂角為9001200)、負(fù)前角(平均為-700-880)、系統(tǒng)變形退讓的影響,并未切入工件,但發(fā)熱嚴(yán)重(占功耗的7080%),兼有拋光作用。2)切入到一定深度時(shí)-刻劃階段。 材料塑性變形,向兩側(cè)隆起,形成刻痕。3)切入深度超過臨界值后-切削階段。 此時(shí)仍伴有側(cè)向隆起。并非所有有效磨粒都經(jīng)歷此三個(gè)階段。3.背(徑)向力FP最大-約是切向力Fc的22.5倍,導(dǎo)致系統(tǒng)變形,延長了初磨和光磨時(shí)間,使生產(chǎn)率降低。(可采用控制力磨削)4.磨削溫度高-接觸區(qū)平均溫度可達(dá)5008000C,磨削點(diǎn)溫度可達(dá)10000C。表面瞬時(shí)高溫會(huì)惡化表面質(zhì)量(燒傷、裂紋、內(nèi)應(yīng)力、硬度變化等),工件平均溫度升高使加工精度難于控制。(所以應(yīng)重視冷卻液的使用和
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