数控机床操作教程.docx
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数控机床操作教程
数控机床操作教程
前言
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。
数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。
掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。
本书根据国内数控技术及数控机床的应用情况，针对普通高等院校机电类专业学生的特点，突出数控技术的实用性和数控机床的操作性，力求做到理论与实践的最佳结合。
本书可与南京机械专科学校编写的《数控技术》配套使用，也可作为学生在数控机床操作学习中的指导教材单独使用。
本书共有五章。
第一、三章由常州工学院张宇编写，第二章由沙洲工学院王文红、常州工学院张宇编写，第四、五章由常州技术师范学院朱巧荣编写。
全书由河海大学常州机械工程学院刘任先审定。
常州工学院在校学生潘宇峰参加了部分插图制作及程序编制工作。
本书的出版得到了国家机械工业局教编室、江苏省教育厅、各参编学校的领导以及机械工业出版社的大力支持，在此一并表示感谢。
由于时间仓促和编者水平有限，书中疏漏和谬误在所难免，恳请读者不吝指教，以便进一步修改。
编者
2001年2月
第一节数控技术实践的重要性
随着科学技术的飞速发展，社会对机械产品的结构、性能、精度、效率和品种的要求越来越高，单件与中小批量产品的比重越来越大（目前已占到70%以上），传统的通用、专用机床和工艺装备已经不能很好地适应高质量、高效率、多样化加工的要求，因而，以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术，将机械技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和成组技术等有机地结合在一起，使机器制造行业的生产方式和机器制造技术发生了深刻的、革命性的变化。
当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势。
数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。
数控机床大大提高了机械加工的性能（可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件）。
有效提高了加工质量和效率，实现了柔性自动化（相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化），并向智能化、集成化方向发展。
所以，可以毫不夸张地说，（计算机）数控技术，是现代先进制造技术的基础和核心。
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的80%以上），是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，适应各种机械产品迅速更新换代的需要，经济效益显著，代表着当今机械加工技术的趋势与潮流，也是现代机械制造企业在市场竞争激烈的条件下生存与发展的必然要求。
在数控机床发展过程中，值得一提的是数控加工中心的出现。
这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。
这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装卸时间和换刀时间。
数控加工中心现在已经成为数控机床中一个非常重要的品种，不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件的加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等。
这些高性能、高精度、高自动化的数控机床就组成了完整的数控机床家族。
随着社会生产和科学技术的进步，数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他的设备，诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等，仅数控机床就有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及数控加工中心等。
因此，在学习完数控技术这门课的同时，应进一步增强学生的数控技术实践操作能力，以便能够系统、完整地掌握数控机床技术，更快更好地适应机械行业发展的需要。
第一章 绪论
当今，数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的80%以上），它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，适应各种机械产品迅速更新换代的需要，经济效益显著，。
因此，为了更快更好地适应机械行业发展的需要，学习并掌握数控技术实践操作能力是时代的要求，也是必然的趋势。
第一节数控技术实践的重要性
随着科学技术的飞速发展，社会对机械产品的结构、性能、精度、效率和品种的要求越来越高，单件与中小批量产品的比重越来越大（目前已占到70%以上），传统的通用、专用机床和工艺装备已经不能很好地适应高质量、高效率、多样化加工的要求，因而，以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术，将机械技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和成组技术等有机地结合在一起，使机器制造行业的生产方式和机器制造技术发生了深刻的、革命性的变化。
当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势。
数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。
数控机床大大提高了机械加工的性能（可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件）。
有效提高了加工质量和效率，实现了柔性自动化（相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化），并向智能化、集成化方向发展。
所以，可以毫不夸张地说，（计算机）数控技术，是现代先进制造技术的基础和核心。
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的80%以上），是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，适应各种机械产品迅速更新换代的需要，经济效益显著，代表着当今机械加工技术的趋势与潮流，也是现代机械制造企业在市场竞争激烈的条件下生存与发展的必然要求。
在数控机床发展过程中，值得一提的是数控加工中心的出现。
这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。
这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装卸时间和换刀时间。
数控加工中心现在已经成为数控机床中一个非常重要的品种，不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件的加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等。
这些高性能、高精度、高自动化的数控机床就组成了完整的数控机床家族。
随着社会生产和科学技术的进步，数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他的设备，诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等，仅数控机床就有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及数控加工中心等。
因此，在学习完数控技术这门课的同时，应进一步增强学生的数控技术实践操作能力，以便能够系统、完整地掌握数控机床技术，更快更好地适应机械行业发展的需要。
第二节数控机床的组成及分类
一、数控机床的组成
数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。
图1-1是数控机床的组成框图。
其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控（CNC）系统。
图1-1数控机床的组成框图
1.机床本体
CNC机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。
2.CNC装置
CNC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统的其他组成部分联系的接口等。
数控机床的CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。
3.输入/输出设备
键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。
除上述以外，还可以用串行通信的方式输入。
数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形。
操作人员通过显示器获得必要的信息。
4.伺服单元
伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。
根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
5.驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。
和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。
从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。
6.可编程控制器
可编程控制器（PC，ProgrammableController）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。
由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故把称它为可编程逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController）。
当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器（PMC，ProgrammableMachineController）。
PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。
和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。
用于数控机床的PLC一般分为两类：
一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型（或集成型）PLC，内装型PLC是CNC装置的一部分；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型（或外装型）PLC。
7.测量装置
测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。
按有无检测装置，CNC系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。
开环数控系统的控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的控制精度取决于检测装置的精度。
因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。
此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高工作效率和工件的加工精度。
二、数控机床的分类
数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。
根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。
根据数控机床的功能和组成，一般可分为以下几类。
分类方法
机床类 型
按坐标轴数分类
一般数控机床
数控加工中心机床
多坐标数控机床
按系统控制特点分类
点位控制数控机床
直线控制数控机床
轮廓控制数控机床
按有无测量装置分类
开环数控系统
半闭环数控系统
闭环数控系统
按功能水平分类
经济型
普及型
高级型
三、加工中心
加工中心是在普通数控机床的基础上增加了自动换刀装置及刀库，并带有自动分度回转工作台或主轴箱（可自动改变角度）及其他辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻丝、铣削等工序的加工，工序高度集中。
加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹。
有的加工中心带有双工作台，一个工作台上的工件在加工的同时，另一个工件可在处于装卸位置的工作台上进行装卸，然后交换加工（装卸）位置，因而节省总加工时间。
由于加工中心具有上述功能，因而可以明显减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件的周转、搬运和存储时间，大大提高生产率，尤其是对于加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的零件中，更具有良好的经济性。
加工中心的外形结构各异，但大体都由基础部件、主轴部件、数控系统、自动换刀系统（含刀库）和辅助装置等组成。
按机床的形状，加工中心一般分为卧式加工中心、立式加工中心等。
1．自动换刀装置
加工中心自动换刀装置的功能是通过机械手完成刀具的自动更换，它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、结构紧凑、安全可靠等要求。
自动换刀装置有以下几种基本形式：
1）回转刀架形式；
2）更换主轴形式；
3）更换主轴箱形式；
4）带刀库的自动换刀系统形式，目前这种形式应用的最为广泛。
2．刀库
常用的刀库类型有盘式刀库（刀具较少时）、链式刀库（刀具数量在30-120把时）。
有的数控加工中心还有机外对刀仪，用来测量刀具的长度、直径和角度，以便利用程序对刀具参数偏差进行补偿，保证准确加工。
第三节数控机床的特点
与普通机床相比，数控机床具有以下特点。
一、适应性强
由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。
当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。
因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。
所以，数控机床的适应性非常强。
二、加工质量稳定
对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。
三、生产效率高
数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。
还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3～4倍甚至更高。
数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。
目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01μm。
一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。
数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%～50%。
四、加工精度高
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005～0.1mm之间。
数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。
五、工序集中，一机多用
数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。
这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。
加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同，常规工艺以“工序分散”为特点，而加工中心则以工序集中为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度。
六、减轻劳动强度
在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。
这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。
数控机床是一种高技术的设备，尽管机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。
练习题
1-1什么是计算机数字控制机床？
1-2CNC机床由哪些部件组成？
1-3何谓点位控制、点位直线控制和轮廓控制？
数控加工中心采用的是什么控制方式？
第二章 数控编程实验
通过《数控技术》课程的学习，我们已知道，数控加工是把编好的加工程序输入数控装置，数控装置再将输入的信息进行运算处理后转换成驱动伺服机构的指令信号，最后由伺服机构控制机床的各种动作，自动地加工出零件。
由此可看出，用数控机床加工零件，程序编制是一项重要的工作，它对有效利用数控机床起主要作用。
数控加工的程序编制也称数控编程，数控编程时，必须对零件进行分析，将加工零件的全部工艺过程、工艺参数、位移数据等以规定的代码、程序格式写出。
我们在学习了数控编程的基本知识（坐标系的确定、基本数控指令、指令格式等）后，如何编制出适合某一数控机床的实用加工程序？
这在编程前，必须对该数控机床的规格、性能、切削范围、CNC系统所具备的功能、编程指令及指令格式等有较全面的了解，并将机床的运动过程、零件的工艺过程、切削用量和走刀路线等都编入程序，最后通过上机床进行加工模拟、试切加工等来验证程序的正确性、合理性。
由此可以看出，数控编程是集工艺于程序中，且其实践性很强。
通过数控编程实验这一章的学习，要求掌握数控编程的一般步骤、基本方法和常用编程技巧，学会数控机床的调整、参数设置和数控系统的基本操作等。
第一节 数控加工的工艺路线分析
理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。
数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，所以，要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。
由于生产规模的差异，对于同一零件的加工方案是有所不同的，应根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。
一、加工工序划分
在数控机床上加工零件，工序可以比较集中,一次装夹应尽可能完成全部工序。
与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点，常用的工序划分原则有以下两种。
1．保证精度的原则
数控加工要求工序尽可能集中，常常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。
对轴类或盘类零件，将各处先粗加工，留少量余量精加工，来保证表面质量要求。
同时，对一些箱体工件，为保证孔的加工精度，应先加工表面而后加工孔。
2．提高生产效率的原则
数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其它部位。
同时应尽量减少空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。
实际中，数控加工工序要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。
二、加工路线的确定
在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。
即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。
下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。
1．车圆锥的加工路线分析
数控车床上车外圆锥，假设圆锥大径为D，小径为d，锥长为L，车圆锥的加工路线如图2-1所示。
按图2-1a的阶梯切削路线，二刀粗车，最后一刀精车；二刀粗车的终刀距S要作精确的计算，可有相似三角形得：
此种加工路线，粗车时，刀具背吃刀量相同，但精车时，背吃刀量不同；同时刀具切削运动的路线最短。
按图2-1b的相似斜线切削路线，也需计算粗车时终刀距S，同样由相似三角形可计算得：
按此种加工路线，刀具切削运动的距离较短。
按图2-1c的斜线加工路线，只需确定了每次背吃刀量ap，而不需计算终刀距，编程方便。
但在每次切削中背吃刀量是变化的，且刀具切削运动的路线较长。
2．车圆弧的加工路线分析
应用G02（或G03）指令车圆弧，若用一刀就把圆弧加工出来，这样吃刀量太大，容易打刀。
所以，实际车圆弧时，需要多刀加工，先将大多余量切除，最后才车得所需圆弧。
下面介绍车圆弧常用加工路线。
图2-2为车圆弧的阶梯切削路线。
即先粗车成阶梯，最后一刀精车出圆弧。
此方法在确定了每刀吃刀量ap后，须精确计算出粗车的终刀距S，即求圆弧与直线的交点。
此方法刀具切削运动距离较短，但数值计算较繁。
图2-3为车圆弧的同心圆弧切削路线。
即用不同的半径圆来车削，最后将所需圆弧加工出来。
此方法在确定了每次吃刀量ap后，对90°圆弧的起点、终点坐标较易确定，数值计算简单，编程方便，常采用。
但按图2-3b加工时，空行程时间较长。
图2-4为车圆弧的车锥法切削路线。
即先车一个圆锥，再车圆弧。
但要注意，车锥时的起点和终点的确定，若确定不好，则可能损坏圆锥表面，也可能将余量留得过大。
确定方法如图2-4所示，连接OC交圆弧于D，过D点作圆弧的切线AB。
由几何关系CD=OC-OD=
-R=0.414R，此为车锥时的最大切削余量，即车锥时，加工路线不能超过AB线。
由图示关系，可得AC=BC=0.586R，这样可确定出车锥时的起点和终点。
当R不太大时，可取AC=BC=0.5R。
此方法数值计算较繁，刀具切削路线短。
3．车螺纹时轴向进给距离的分析
车螺纹时，刀具沿螺纹方向的进给应与工件主轴旋转保持严格的速比关系。
考虑到刀具从停止状态到达指定的进给速度或从指定的进给速度降至零，驱动系统必有一个过渡过程，沿轴向进给的加工路线长度，除保证加工螺纹长度外，还应增加δ1（２～5mm）的刀具引入距离和δ2（１～2mm）的刀具切出距离，如图2-5所示。
这样来保证切削螺纹时，在升速完成后使刀具接触工件，刀具离开工件后再降速。
4．轮廓铣削加工路线的分析
对于连续铣削轮廓，特别是加工圆弧时，要注意安排好刀具的切入、切出，要尽量避免交接处重复加工，否则会出现明显的界限痕迹。
如图2-6所示，用圆弧插补方式铣削外整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多运动一段距离，最好沿切线方向，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。
铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图3-7所示，若刀具从工件坐标原点出发，其加工路线为1→2→3→4→5，这样，来提高内孔表面的加工精度和质量。
5．位置精度要求高的孔加工路线的分析
对于位置精度要求精度较高的孔系加工，特别要注意孔的加工顺序的安排，安排不当时，就有可能将沿坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。
如图2-8所示，图a为零件图，在该零件上加工的六个尺寸相同的孔，有两种加工路线。
当按b图所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，在Y方向反向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其它孔的位置精度。
按图c所示路线，加工完4孔后，往上移动一段距离到P点，然后再折回来加工5、6孔，这样方向一致，可避免反向间隙的引入，提高5、6孔与其它孔的位置精度。
6．铣削曲面的加工路线的分析
铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。
所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定。
对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。
如图2-9所示，对于发动机大叶片，当采用图2-9a的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。
当采用图2-9b的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检
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