PCD聚晶金刚石刀具;CVD金刚石膜刀具(物理涂层) VD物理涂层金刚石刀具 CBN聚晶立方氮化硼刀具;以下详细介绍来自网络(仅供参考): D5 ^+ F# y+ {1 |/ [
超 硬 刀 具 | 一、 概述5 q' s% Y8 h3 S5 Q
超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括:单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具,其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。许多切削加工概念,如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起,故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。随着科技的进步,制造业的高速发展,CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用,超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业,如汽车零部件的切削加工,强化木地板的 加工等,极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。 T4 t* L( z, |% D
二、切削材料及超硬材料发展史
5 M( Z' A) ?4 y3 o( ^' o7 v: T% T3 ]! f/ D7 X3 `
b" R, T( y0 ~7 d8 ^3 x
* P* Q) H! O) ~, V' F: |
% i, z; R! a: I7 Q
时间 | 超硬材料 | 公司 | 方法 | 指标 | 用途 | 1955 | 人造金刚石 | GE | 高温高压 |
" a |3 }: Z ? | 磨料 | 1957 | 立方氮化硼 | GE | 高温高压 |
$ j O1 R1 k! v, L( n0 y | 磨料 | 1977 | PCD,PCBN | GE | 高温高压 |
7 Y; l1 w( ?# ?( e | 刀具 | 1995 | 人造单晶金刚石 |
' J- P2 [, Y8 T |
4 R3 y7 \! ~: g9 |9 u4 P2 i& E | 5MM | 刀具 |
0 Y; h1 [9 k) c- } | 人造单晶CBN | 4 N7 y/ R5 C [' ^3 W9 ?% a
|
6 D) D5 X7 P. W) ^( d0 f% p$ N, j | . s m6 h& W$ T6 b0 Z' P
| 刀具 | 5 r% y; z$ B7 q( [) K4 I$ j2 }* Y# L
| 类金刚石膜 |
: {: S7 x3 }9 m+ R X | / s+ S2 k+ Q* }$ A, q" @* b
| 3 ~7 F: j) ~ u/ o9 f
| 刀具 | - d2 C( g4 Y. C8 R
| 金刚石薄膜 |
; Q$ U+ a. f5 ~5 { | CVD | & y! o! X6 |8 N/ [% U# m
| 刀具 | + F8 K6 e/ [5 C
| 金刚石厚膜 | $ A8 N! \% ^# Y/ I5 L, s- b& Q
| CVD | 2.3MM | 刀具 | 三、金刚石、超硬材料的特性与作用
6 U ]5 h" F, |" z/ G- ^ 众所周知,金刚石材料的成分是碳,金刚石与铁系有亲和力,切削过程中,金刚石的导热性优越,散热快,但是要注意切削热不宜高于700度,否则会发生石墨化现象,工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应,与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损,所以,金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上,而CBN即使在1000oC的高温下,切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在,起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工,对整个切削加工领域极为有利。
0 q0 t' ~( U- {! a1.PCD
7 B8 d/ O! o; y6 ^! \$ ~ 金刚石烧结体(PCD)的出现,在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较,价格便宜,且刃磨远比天然金刚石方便,所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中,大部分都是难加工材料,如高硅铝合金,汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般,含硅量低于10%的铝合金,用硬质合金切削工具即可,但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上,有的已达18%以上,所以非PCD莫属。& |! }1 L/ Z* Z. J9 n
但是,由于PCD的种类很多,有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此,在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。PCD在国内外的生产已十分普及,但是质量有较大的差异,因此在价格上出入很大。+ W! i: K2 T& h6 z
2.PCBN( ]1 R6 F) h' J% e1 T: u5 l. F' D
立方氮化硼烧结体(PCBN)是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成,硬度仅次于金刚石,与黑色金属无亲和力。但是,PCBN不适于切削一般的钢件。PCBN刀具材料性能如下:5 ]- w7 |1 E# `. g! v/ J5 W3 v- I
(1) 具有较高的硬度和耐磨性。 6 t9 a- ?# I/ ?% \' {# n
CBN晶体结构与金刚石相似,化学键类型相同,晶格常数相近,因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN微粉的显微影度为HV8000-9000,其烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000。
% @8 q1 Q8 l% e; Z (2) 具有很高的热稳定性。
. h9 S" S' |6 f3 l+ o CBN的耐热性可达1400-1500℃,PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。7 O' a6 X$ w& B% e; _
(3) 具有优良的化学稳定性。
* Q; q+ x+ d# n0 O9 ~5 N4 Z: A 由于PCBN耐高温,在大气和水蒸气中,在900℃以下无任何变化 且稳定,甚至在1300℃时,和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应,更不会像金刚石那样急剧磨损,这时它仍能保持硬质合金的硬度,因此,它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁,而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。
9 X9 m, x+ {8 ?5 l- a+ y" v# O6 j (4) 具有较好的导热性。/ M4 ?& z3 q& _, c6 ?
在各类刀具材料中,CBN的导热性仅次于金刚石,大大高于硬质合金,而且随着温度的升高,PCBN的导热系数是增加的。
9 d7 ]& D+ q# I& i (5) 具有较好的摩擦系数。2 j; \# k, B) Q$ t; i
与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1-0.3,硬质合金为0.4-0.6,随着切削速度的提高, 摩擦系数是减小的。
" u! J; @& X# w% g5 e# w 2 h/ E* u3 X% O: F6 e5 ~& c
3.超硬材料涂层切削工具, F! J8 A. k4 w0 e& \ t) L
CVD、PVD等技术的出现,是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响,理想的切削工具应当是既有硬的表面,又有高的韧性,涂层技术便达到了这个目标。( Z( N" P% I7 H. J4 v7 B6 v
最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质,如TiN、TiC、Al2O3等,近年来,涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用,许多产品相继出现在市场上。超硬材料涂层的发展,使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高,面对当前大量涌现的难加工材料,这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力,前景相当喜人?br> 超硬材料涂层的种类共有三大类,即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的,和PCD与PCBN相比,因不含结合剂,所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
- ]8 g, a5 }4 ?1 m% h/ l: y6 c- Z9 ? 金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的,只是薄膜而已,使用时与陶瓷涂层类同。
U' l' t, I9 T* h- m7 V& i! S+ ?4.厚膜金刚石& q( v2 e5 E7 T* T
金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速,形成了"金刚石薄膜热"。在这十多年内,气相合成的方法发展到二十多种,一般沉积的速度每小时只1~2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上,最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。厚膜金刚石是纯金刚石,其硬度接近天然金刚石,而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成,因此硬度受到结合剂的影响,其硬度不如前者。我国已成功地掌握了这门技术,最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化,进入了国际先进行列。
7 p+ H+ m' c/ v8 Z8 B+ f' g 厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂,是纯金刚石,所以它的硬度高得多,与天然金刚石不同,它具有各向同性,成本低,因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损,因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高,在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能,因此颇受超精密领域的重视。/ d! e' _; ]) H; [% g1 J
总之,金刚石和超硬材料由于性能优越,应用不断地在扩大,已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域,对各种工业的发展将起到巨大的推动作用,前景十分广阔。
6 @; l7 M8 i h0 k7 z+ V! z! ]; X四、超硬刀具的主要品种及特点
: @5 k) {, Z1 A" N (1) PCD金属切削刀具5 ^" T& W- K% ~+ j$ k
①.刀具种类:(以车刀为例,其它还有铣刀,铰刀,镗刀等。)
' J% O3 r) c# @, _) q3 { ②.结构形式
3 y; |/ T, a% m8 G9 [" y: b/ t 此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。 , P3 R$ c7 p8 O* i$ }) E2 y& d
焊接式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。见下图。" Q6 b! b u. c6 M7 A
图一
) Z5 U D# x# a. H- k- L% a 不同的是刃口材质不一样,几何参数不一样,加工对象不一样。% r( v# ~9 J8 B4 k7 J% {, M. d
可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成,可装夹在与之对应的高精度刀杆上,进行高效,大批量加工。随着数控机床、自动生产线的普及,可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛,在一定条件下,其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。 图二 ③.刀具几何参数:- X' s/ C9 I6 w: ?) |
金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°,后角为5°~12°,其端部有两种,一是圆弧,另一为直线,后者有时称为修光刃,其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单,而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中,圆弧的刃磨要求就很严格,它精度的优劣会复印在曲面上。 ④.切削用量
7 f5 |/ ]0 F+ u" F# m+ P刀具材质
| 适用范围 | 推荐切削用量 | 切削速度(M/MIN) | 进给量(MM/REV) | 切削深度(MM) | PCD 1 Z) G& \3 c1 \ u0 @1 D1 r8 w
6 v6 |: w: c% X& v. C4 h/ X
- o+ v- `0 { x7 f* Q/ t4 ~ | 铝合金 | | 0.1-0.3 | 0.3 | 铜合金 | 200-500 | 0.08-0.2 | 0.3 | 木工材质 | 3000 | 0.04 | 0.5-9 | 硬质非金属材料如陶瓷等 | 10-90 | 0.01-0.3 | 0.5 | # R, B! [1 ?; \$ R2 g0 e4 g% q+ z) }
⑤.典型应用9 G# [+ U, w& {- |
有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工. R. S4 i0 U" P4 H0 z& e
采用PCD刀具加工有色金属时,由于金刚石硬度高,表面与金属亲合力小,因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好,刀具寿命也较长。
7 O- w1 [ S# m% ~ 例1:采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器,典型切削参数为:V=300m/min,f=0.08mm/r,ap≤0.15mm,加工表面粗糙度Ra0.1~0.2μm,刀具寿命>5,000件,而采用硬质合金刀具则只能加工几件。 3 P! W) I1 L/ `; V
例2:采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件,表面粗糙度Ra≤0.1μm,刀具寿命可达几千~几万件,尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。 # c+ q0 E6 x6 M0 o5 k" B. V0 B
(2) PCD木工刀具" |; m1 N: X" `9 I
PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。在加工强化木地板Al2O3耐磨层时,切削速度可达3,000m/min, ,进给量可达每分钟20米,且加工时噪音小,PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上,已完全取代硬质合金刀具。( ?% U) Y* a# q
其它PCD木工刀具主要有PCD锯片和PCD家具成形铣刀等。 由于价格较贵或家具更新较快,国内应用不是很多。 (3) PCBN金属切削刀具
* L& |0 ~: n7 T+ |: H 立方氮化硼(简称CBN) 虽然它的硬度稍逊于金刚石,但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。
% o( }) Y, |" C; j" o ①. 刀具种类及结构形式
& E6 c5 V+ a# U: O7 _7 F- a PCBN金属切削刀具也可分为可转位式PCBN刀具和焊接式PCBN刀具两类。
/ X7 Y* W: h4 p6 V1 R
7 w5 J3 f1 i/ U6 g+ O 可转位结构的PCBN刀片一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上焊接一块PCBN刀坯,经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因,一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高,PCBN刀坯尺寸越做越小,不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。 ' F" J" z, N9 T; V% m' l* S5 V$ S
焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成,主要有车刀、镗刀、铰刀等。
( u; G7 o9 y4 x/ b8 l4 k ②. 几何参数
- S7 F3 w( F$ j, C% s PCBN刀具的强度比硬质合金刀具低,因此在加工淬硬钢时,因此其刀尖角不能太小,刀具前角一般为-5°~0°,后角一般为6°~12°,断续切削时一般采用负倒棱,通常负倒棱尺寸取(0.1~0.5)×(10°~30°)为宜。这不仅有利于对切削刃进行补强,而且有很好的耐磨性。若切削刃进行适当的钝化处理,其效果更好。此外,在可能的情况下,尽量采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径,这有助于保护刀刃,延长刀具的使用寿命。
# C. p2 T2 E& P- O* p- |& x ③.切削用量:为了充分发挥PCBN刀片的优越性,取得满意的加工效果,在实际使用时,除参照下表所推荐的PCBN刀片选用的切削用量外,还应根据机床、工件及其它有关条件的具体情况全面考虑,合理选择。
1 I# j- V: P+ s' [/ T" x$ h' V+ O1 F# p
刀具材质 | 适用范围 | , y" l3 W7 o( j0 _% N$ p+ F
推荐切削用量 | 切削速度(m/min ) | 进给量((mm/r ) | 切削深度(mm) |
9 D2 p5 Y% z, W0 g: k$ p$ P( m
' ]; T9 g3 m; ~$ Z1 rPCBN
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9 t) n; B& k6 k9 C0 m
| 各种淬硬钢:HRC50-67 | 50-150 | 0.05-0.12 | 0.2 | 普通灰铸铁:HB200左右 | 400-1000 | 0.1-0.5 | 0.12-2.0 | 高硬度铸铁:HRC50-64 | 50-100 | 0.1-0.3 | 0.5 | 粉末冶金零件 | 80-150 | 0.03-0.2 | 1 | 热喷涂焊零件 | 50-120 | 0.1-0.3 | 0.5 | 硬质合金:HRA80-88 | 5-40 | 0.05-0.2 | 0.3 | ③. PCBN刀具的典型应用及常见问题3 D4 r+ M* f3 P# u
由于PCBN刀具材料具有优良的切削性能,所以特别适合加工其硬度在HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。, `& _; d4 }3 g
在加工淬硬钢时,径向力很大,这就要求机床功率要大,机床系统刚性要好,这既可保护PCBN刀具,又可获得满意的加工效果。装夹PCBN刀具时,刀具的悬伸长度要尽量短,以防止刀杆颤振和变形,使PCBN刀具保持良好的加工状态。而对于硬度高和不规则的工件,由于PCBN刀片较脆、怕冲击。刀具从工件端面切入、切出时,尤其表面有夹渣、砂眼、凹凸不平,最易发生冲击,刃口破裂,使耐用度降低。所以在使用PCBN刀具前,最好先将冷硬层粗车一次,并在工件切入切出端先倒角,以减小PCBN刀具冲击力。" g C) s ^$ e
例1:
! e& G% M' k. p0 Q% i8 _, Y 工件材料 16CrMo5,HRC60-65 Ra0.8μm φ30×30止口- B4 E/ o6 `! l. y
刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm3 o$ X8 L- [6 s" s/ |( V
切削用量 V=140mm/min2 ]2 [8 ]5 @2 ?" d U, S: } w8 P
f=0.1-0.12mm/r$ b9 p$ X2 w( F( d/ n
aP=0.15-0.20mm
1 \+ W5 Y' T" P5 l4 v$ l3 k# }! Y 干切,连续切削,1000个工件左右
# v) T: S5 Q! S) G! |) t$ F) b 例2:汽车、摩托车齿轮孔的加工,齿轮孔精度为IT6。传统加工工艺为:机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具"以车代磨"的加工工艺为:粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率,降低加工成本,原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮, 现采用PCBN刀具车削,一班能加工400个小齿轮。此外,分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。
# q& t" `5 f$ V( ~* T g6 Y 工件材料 20CrMnTi,渗碳淬火,HRC60-62 Ra0.8μm
# t5 {, Z: v* J' i } 刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm
( {8 w! L1 I9 Q/ F' A+ K 切削用量 V=90mm/min0 F" ?: S& f: [) W, |4 ?' c# J
f=0.1mm/r2 _3 r% ~) t; O, }. [! b
aP=0.1mm
$ ~/ ?7 M" X/ ^, O 例3:
7 C' N8 B0 e& S3 | 工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6μm 镗孔
a* C; O% x+ K. T 刀片型号 CCMW090304, 负倒棱 100×0.1mm1 d. p( h' m& o7 Y! h
切削用量 V=500mm/min2 B5 n6 j8 f4 K$ ~
f=0.2mm/r
, @2 ?4 W" x+ Y$ T0 s; x aP=0.08-0.20mm
p1 ^4 l8 q; b 干切,连续切削,1000个工件左右
" r: ^8 i( w, b9 p# b7 e% }% L 硬材料的立方氮化硼有如下要求:
0 C/ r/ V( [# M CBN含量<60%; 9 P: z, m4 _2 y% [; c: @
微颗粒结构;
! |' ~4 Z* G; J8 w% T' A 高的刃口强度; # I$ A& D3 J7 E. q
低的热传导' ^+ `' `+ `& n' f' k. F" d
这样的CBN可用于加工50-65HRC的硬材料,大致的切削规范是:
- u% t% H2 X0 X! X 切削速度Vc=300-800 m/min
2 {$ p# C: m# J P: S d. T 每齿进给量fz=0.08-0.12mm/Z
" i# Y- }5 z) N5 F 切削深度ap不超过0.5 mm . R6 l& c, t3 m
总结:2 I2 U. u# k) g
(1) 切削高硬度淬硬钢刀具耐用度高。4 |9 [0 C8 Y7 j; ^* [; A% E
(2) 切削正火钢刀具耐用度低于硬质合金刀具。
, j+ M$ g" r+ a0 ?* f (3) 切削耐磨黄铜时刀具耐用度高于金刚石刀具。
. t7 ]( D5 w, f (4) 高速下PCBN刀具耐用度高。
7 s& F9 b6 p: q+ x (5) 干切下PCBN刀具耐用度高。& c" } {% |7 C+ _0 e2 b Q3 M+ k
为很好地使用PCBN刀具,稳定地控制工件质量,准确判断PCBN刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具,那么切削力及切削温度增加、切削不畅,就难以控制工件尺寸及表面完整性,甚至使PCBN刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用,建议PCBN刀具后刀面磨损量达0.3~0.6mm(精车时取小值)时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧,多数工厂的机床不具备适合的条件,一般PCBN刀具的重磨都应由专业厂来完成。
) M1 H8 D* W3 C! ] PCBN刀具不适于加工较软的黑色金属材料。7 S/ L* T! V0 x) I: P9 Q; Q: o# ?
确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。一般来讲,其切削速度可比硬质合金刀具高2倍左右,高的切削速度产生大的切削热量,使被加工材料的塑性增大,有利于控制切屑和降低切削力。
8 M% G- O# t( p0 k. M 使用PCBN刀具时,可加冷却液,也可不加,使用冷却液时则一定要充分冷却。
. O) i# Z' @# |; h/ z) @8 K' E( K4 t7 A 有关使用PCBN刀具常见的磨损形式,磨损原因及预防措施:+ L' R1 L/ M# M2 {: m- q% j
1.月牙洼磨损
5 h: y( X2 Q4 S2 U$ v# d7 E. j 工件硬度太软;切速太快;产生化学和扩散磨损 . }2 h; E* o: E
改用硬质合金刀具或陶瓷刀具;降低切速;使用冷却液
( B. K$ U7 Z8 V8 B% X/ a9 m 2.后刀面磨损
( d. s7 |3 B& n. R0 b 切削速度太快;进给量太大;刀具后角太小
Q+ G5 B: W7 i4 A, | 减小切速和进给量;增大后角
' Y7 ^, D, [$ z- s( X 3.边界磨损
$ ^! r# V* C& s/ u1 f1 H: r 主偏角太大;进给量太大;切速太小 5 |( S- A- m' S& ]2 X6 c( B3 w
减小主偏角;减小进给量;增大切速9 `2 I/ p7 p- G3 M) q# _
4.断裂磨损
7 v' U# f# I8 f; t 系统刚性差;刀尖角太小;进给量与切速太大;刀具刃口脆 1 \: X; ^2 I2 T+ M! i
提高系统刚性,增大刀尖角;降低进给量和切速并采用负倒棱刀具
" C" }; R7 q& ]$ ^/ n \ 5.PCBN层破裂 ! j/ ] o3 N& _. ~ X/ @
系统刚性差;工件冲击太大;PCBN层太薄,刀具刃口过脆
. ]! J/ C& @4 t& w 提高工艺系统刚性;工件表面预加工和倒角;采用厚的PCBN层;采用负倒棱刀具 a# I2 |. b& ^% U1 I
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