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1、金屬切削刀具設(shè)計(jì)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院主講人 曲海軍Tel:15993775913Email:6.成 形 車 刀 成形車刀又稱樣板刀，是一種專用刀具，其刃形是根據(jù)工件要求的廓形設(shè)計(jì)的。它主要用在普通車床、六角車床、半自動(dòng)及自動(dòng)車床上加工內(nèi)外回轉(zhuǎn)體成形表面。用成形車刀加工時(shí)，工件廓形是由刀具切削刃一次切成的，同時(shí)作用切削刃長(zhǎng)，生產(chǎn)率高；工件廓形由刀具截形來保證，被加工工件表面形狀、尺寸一致性好，互換性高，質(zhì)量穩(wěn)定；加工精度可達(dá)IT10IT8，表面粗糙度可達(dá)3.26.3；刀具可重磨次數(shù)多，使用壽命長(zhǎng)。但成形車刀的刀具廓形大多比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造比較麻煩，成本較高；由于同時(shí)作用切削刃長(zhǎng)以及其他結(jié)構(gòu)因素，

2、切削性能較差，容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工質(zhì)量；使用時(shí)對(duì)安裝精度的要求高，安裝調(diào)整比較麻煩。多用于成形回轉(zhuǎn)表面的成批、大量生產(chǎn)中。目前在汽車、拖拉機(jī)、紡織機(jī)械和軸承制造等行業(yè)里應(yīng)用較多。6.1 成形車刀的種類、用途及裝夾 1.成形車刀的種類 刀具結(jié)構(gòu)不同，生產(chǎn)中最常用的是下面3種沿工件徑向進(jìn)給的成形車刀，如圖6.11所示。(1)平體成形車刀。外形為平條狀，與普通車刀相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，成本低。但可重磨次數(shù)不多。用于加工簡(jiǎn)單的外成形表面，如螺紋車刀和鏟制成形銑刀的鏟刀等。fffv(a)平體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 6.3 成 形 車 刀(2)棱體成形車刀。棱柱體的刀頭和刀桿分開制作，大大

3、增加了沿前刀面的重磨次數(shù)，刀體剛性好，但比圓體成形車刀制造工藝復(fù)雜，刃磨次數(shù)少，且只能加工外成形表面。(b)棱體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 fvff6.成 形 車 刀(3)圓體成形車刀。它好似由長(zhǎng)長(zhǎng)的棱體車刀包在一個(gè)圓柱面上而形成。刀體是一個(gè)磨出了排屑缺口和前刀面，并且?guī)О惭b孔的回轉(zhuǎn)體。它允許重磨的次數(shù)最多，制造也比棱體成形車刀容易，且可加工零件上的內(nèi)、外成形表面；但加工誤差(詳見6.3.4小節(jié))較大，加工精度不如前兩種成形車刀高。(c)圓體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 ffvff6.成 形 車 刀 另外，除了上述的徑向方向進(jìn)給的成形車刀外，還有切向進(jìn)給的成形車刀，如圖6.12所示。

4、車削時(shí)，切削刃沿工件表面的切線方向切入工件。由于切削刃相對(duì)于工件有較大的傾斜角，所以切削刃是依次先后切入和切出，始終只有一小段切削刃在工作，從而減小了切削力；但切削行程長(zhǎng)，生產(chǎn)率低。適于加工細(xì)長(zhǎng)、剛性較差且廓形深度差別小的外成形表面。圖6.12 切向進(jìn)給成形車刀nf6.成 形 車 刀 2.成形車刀的裝夾 通常成形車刀是通過專用刀夾安裝在機(jī)床上的。對(duì)裝夾的要求是：夾持可靠、剛性好、裝卸容易、調(diào)整方便，并且夾持結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單和標(biāo)準(zhǔn)化。如圖6.13所示，棱體成形車刀是以燕尾的底面或與其平行的面作為定位基準(zhǔn)面裝夾在刀夾燕尾槽內(nèi)的，并用螺釘及彈性槽夾緊。圖6.13 棱體成形車刀的裝夾1棱體刀；2夾緊螺栓；

5、3調(diào)節(jié)螺釘；4螺釘；5刀夾 6.成 形 車 刀 如圖6.14所示，圓體車刀3以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)面，套裝在帶螺紋的心軸2上，通過銷子1與端面齒環(huán)4相連，以防車刀工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。將齒環(huán)與圓體成形車刀一起相對(duì)扇形板5轉(zhuǎn)動(dòng)若干齒，則可粗調(diào)刀尖高度，扇形板同時(shí)與蝸桿9嚙合，轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿就可微調(diào)刀尖高低。在心軸表面上還開了一條窄小長(zhǎng)槽，利用螺釘6可避免旋緊螺母7時(shí)心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但允許心軸2軸向移動(dòng)。刀夾上的銷子8用來限制扇形板轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍。平體成形車刀裝夾方法與普通車刀相同。圖6.14 圓體成形車刀的裝夾1、8銷子；2心軸；3圓體車刀；4齒環(huán)；5扇形板；6螺釘；7、11夾緊螺母螺栓；9蝸桿；10刀夾6 成 形 車 刀

6、6.2 成形車刀的前角和后角 1.前、后角的形成及其大小 成形車刀必須具有合理的前、后角才能有效地工作。由于成形車刀的刃形復(fù)雜，切削刃上各點(diǎn)正交平面方向不一致，同時(shí)考慮測(cè)量和重磨方便，前角和后角都不在正交平面內(nèi)測(cè)量，而規(guī)定在刀具的假定工作平面(垂直于工件軸線的斷面)內(nèi)測(cè)量，并以切削刃上最外緣與工件中心等高點(diǎn)(圖中的1點(diǎn)，該點(diǎn)稱為成形車刀的基點(diǎn))處的假定工作前角和假定工作后角作為標(biāo)注值(如圖6.15所示)。成形車刀的前角和后角是通過刀具的制造和安裝來形成的。6.成 形 車 刀(a)棱體成形車刀 (b)圓體成形車刀圖6.15 成形車刀前角和后角的形成6 成 形 車 刀 在制造棱體成形車刀時(shí)，將前刀

7、面與后刀面的夾角磨成90角，在工作時(shí)將刀體的燕尾基準(zhǔn)平面與過基點(diǎn)1的工件圓周切線傾斜安裝，即可獲得所需的前角和后角。如圖6.15(a)所示。在制造時(shí)將圓體成形車刀的前刀面做成離其中心為的距離如圖6.15(b)所示；安裝刀具時(shí)，刀具中心O0比工件中心高出即可形成所需要的前角和后角。h0和H值可由式(6.1)計(jì)算 (mm)(6.1)(mm)(6.2)式中：成形車刀最大外圓半徑，即基點(diǎn)1處的半徑。圓體成形車刀不但在制造時(shí)要保證值，而且重磨前刀面后也應(yīng)使值不變。為此，通常在刀具端面上刻出一個(gè)以O(shè)0為中心、為半徑的磨刀檢驗(yàn)圓，重磨時(shí)應(yīng)置前刀面于這個(gè)圓的切平面內(nèi)。0sin()ffhRsinfHR6.成 形

8、 車 刀 由圖6.15還可看出，成形車刀切削刃上，只有基點(diǎn)1位于工件中心等高位置上，其他各點(diǎn)都低于工件中心。由于切削刃上各點(diǎn)的切削平面和基面位置不同，因而前角和后角也都不同，離基點(diǎn)越遠(yuǎn)的點(diǎn)，前角越小，后角越大。即f2f1，f2f1；而且圓體成形車刀的這種變化更為顯著。2.正交平面后角及其過小時(shí)的改善措施 成形車刀后面與工件過渡表面間的摩擦程度取決于切削刃各點(diǎn)的后角大小，因此要對(duì)切削刃上關(guān)鍵點(diǎn)的后角進(jìn)行驗(yàn)算。為了簡(jiǎn)化，現(xiàn)以 0、0的成形車刀為例來進(jìn)行討論。如圖6.16所示，切削刃上任一點(diǎn)在假定工作平面內(nèi)的后角為與該點(diǎn)主剖面后角為間的關(guān)系為(6.3)式中：切削刃上點(diǎn)的主偏角。fsortantans

9、inxfxxrx6 成 形 車 刀圖6.16 成形車刀具正交平面后角6 成 形 車 刀 顯然 ，并且 隨的 減小而減??；當(dāng) 0時(shí)，不論 等于多少，總有 0。該段切削刃及其后面將與工件產(chǎn)生劇烈摩擦，切削條件惡劣，需采取適當(dāng)措施予以改善，以保證 23。常用的措施有：(1)在 0的切削刃上磨出凹槽以保留一條窄小的棱面如圖6.17(a)所示.(2)磨出 2或 3的副偏角如圖6.17(b)所示，此法可減小摩擦，且刃磨簡(jiǎn)單，但仍有一棱面或棱線與工件摩擦。(3)采用與工件軸線斜裝的成形車刀如圖6.17(c)所示，切削條件會(huì)更好。斜角 一般取1520。oxfxoxrxrxfxoxoxrxr r 6.成 形 車

10、 刀圖6.17 正交平面后角為0改善措施6.成 形 車 刀6.3 徑向成形車刀的廓形設(shè)計(jì) 1.廓形設(shè)計(jì)的必要性 工件上包含軸線的軸向剖面廓形是已知的廓形。為了方便起見，在制造和測(cè)量成形車刀時(shí)使用的是NN剖面上的廓形，如圖6.18所示。對(duì)于棱體成形車刀，就是垂直于主后刀面的NN法向剖面上的廓形；對(duì)于圓體成形車刀，就是軸向剖面上的廓形。從圖6.18中可以看出，只有當(dāng) 0，0時(shí)，刀具的NN平面上的廓形和工件的軸向剖面廓形才完全相同。此時(shí)成形車刀的廓形無需修正，即刀具廓形等于工件廓形。但 0成形車刀是不能進(jìn)行切削工作的，必須具有合理的前角和后角才能有效地工作。顯然，當(dāng) 0、0或 0、0時(shí)，刀具在NN剖

11、面上的廓形深度P和工件軸向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，即PPw，且 、越大，兩者的差別越大。對(duì)于普通徑向進(jìn)給的成形車刀，其軸向尺寸和工件的軸向尺寸是相等的，不發(fā)生變化，但廓形深度發(fā)生了變化，所以必須對(duì)刀具的廓形深度加以修正設(shè)計(jì)、計(jì)算。fffffffff6.成 形 車 刀圖6.18棱體成形車刀的廓形設(shè)計(jì)1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形12346.成 形 車 刀 2.廓形修正設(shè)計(jì)方法 成形車刀廓形設(shè)計(jì)的方法，主要有圖解法和計(jì)算法。圖解法較簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)精度差；計(jì)算法設(shè)計(jì)精度較高但工作量大。近年來隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算法的應(yīng)用也十分廣泛。在此僅以計(jì)算法為例介紹成形車

12、刀的設(shè)計(jì)步驟。(1)設(shè)計(jì)成形車刀的廓形前必須做好的準(zhǔn)備工作。做出工件廓形的正、俯視圖。確定工件廓形上的組成點(diǎn)和基點(diǎn)，并進(jìn)行編號(hào)。為了減少設(shè)計(jì)工作量，一般先選擇工件廓形上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(稱為廓形的組成點(diǎn))。如直線廓形可取兩端點(diǎn)作為組成點(diǎn)，而曲線廓形則除兩端點(diǎn)外，尚需根據(jù)工件精度的要求，在曲線中間再取若干點(diǎn)作為組成點(diǎn)。然后依次給各組成點(diǎn)編號(hào)(一般將工件回轉(zhuǎn)體上半徑最小處的點(diǎn)編為1點(diǎn)，稱為基點(diǎn)。這與6.3.2節(jié)中提到的刀具上的基點(diǎn)1是一致的)。注意：在工件廓形上有一些小的倒角、圓角等，在廓形設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮，等其他部分的廓形都設(shè)計(jì)好以后，再將它們照搬到刀具廓形的相應(yīng)部位即可。6 成 形 車 刀 在工件廓

13、形圖上，標(biāo)出各組成點(diǎn)的軸向尺寸和徑向尺寸。在標(biāo)注尺寸時(shí)，須注意有公差的徑向尺寸應(yīng)取其平均值，并以此值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工件的材質(zhì)、刀具類型和加工情況，參照(表6-2和表6-3)選取前角和后角。對(duì)于圓體成形車刀還需確定其外徑 。根據(jù)工件最大廓深 由有關(guān)設(shè)計(jì)資料查得，也可由式(6.4)計(jì)算。0d0dpm axa01pmax22()1.5dRaed式中：apmax工件最大廓深，即工件的最大半徑與最小半徑之差；e考慮有足夠的容屑空間時(shí)所需要的距離，可按切削厚度和切屑的卷曲程度選取，一般為3mm12mm(當(dāng)工件為脆性材料時(shí)取小值，工件為韌性材料時(shí)取大值)；d 內(nèi)孔直徑，主要根據(jù)心軸的強(qiáng)度和剛度確定，一般取為

14、(0.250.45)d0，據(jù)此取成相近之標(biāo)準(zhǔn)值10、13、16、20、22、27等；R1 刀具廓形最大半徑。6.成 形 車 刀(2)棱體成形車刀的廓形設(shè)計(jì)。由于普通徑向進(jìn)給的成形車刀的軸向尺寸和工件的軸向尺寸相等，但廓形深度發(fā)生了變化，所以只需對(duì)刀具各點(diǎn)的廓形深度P2、P3、P4 進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。從圖6.18 看出，P2、P3、P4、可以通過前刀面上各相應(yīng)點(diǎn)的距離C2、C3、C4、計(jì)算出來，而C2、C3、C4、又由前刀面延長(zhǎng)線上A2、A3、A4求出。6.成 形 車 刀圖6.18棱體成形車刀的廓形設(shè)計(jì)1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形6.成 形 車 刀 根據(jù)圖6.18的幾

15、何關(guān)系，即可按以下順序求出各切削刃點(diǎn)的廓形深度：1sinfhr11cosfAr 22sinfhr222cosfAr221CAA22cos()ffPC33sinfhr333cosfAr331CAA33cos()ffPC6.成 形 車 刀 從以上各式可知，h及A1為共用的數(shù)值。求切削刃上任意一點(diǎn)y的廓形深度的步驟為:sinfyyhrcosyyfyAr1yyCAAcos()yyffPC 完成刀具各點(diǎn)的廓形深度P2、P3、P4、的計(jì)算后，結(jié)合工件的軸向尺寸就可確定棱體成形車刀的廓形。6.成 形 車 刀(3)圓體成形車刀的廓形設(shè)計(jì)。圓體成形車刀的廓形用各點(diǎn)的半徑R2、R3、R4、來表示，圓體成形車刀的廓

16、形設(shè)計(jì)就是求出刀具廓形上各組成點(diǎn)的半徑R2、R3、R4、。如圖6.19所示，通過1點(diǎn)作前刀面的延長(zhǎng)線，刀具中心O0與該延長(zhǎng)線的距離為h0。前刀面上C2、C3、C4、的求法和棱體成形車刀完全相同。根據(jù)圖6.18中的關(guān)系，得出各刀刃組成點(diǎn)的半徑R2、R3、R4、順序?yàn)?01sin()ffhR11cos()ffBR6.成 形 車 刀 從以上各式可知，h0和B1為共用的數(shù)值。求刀刃上任意一點(diǎn)y的廓形深度的步驟為 212BBC022tanhB022sinhR313BBC033tanhB033sinhR1yyBBC0tanyyhB0sinyyhR 完成刀具各點(diǎn)的半徑R2、R3、R4、的計(jì)算后，結(jié)合工件的軸

17、向尺寸就可確定圓體成形車刀的廓形。以上所述為加工外表面徑向成形車刀廓形的原理，同樣也可用于加工內(nèi)表面的徑向成形車刀。6.成 形 車 刀 用成形車刀加工成形零件時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，從而影響工件的加工精度。產(chǎn)生誤差的原因有:刀具設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)計(jì)算誤差(如廓形設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算到一定有效位數(shù)而產(chǎn)生的計(jì)算誤差、作圖時(shí)的度量誤差、刀具本身的雙曲線誤差以及圓弧廓形近似計(jì)算產(chǎn)生的誤差等)、刀具制造刃磨時(shí)產(chǎn)生的加工誤差、刀具使用時(shí)產(chǎn)生的調(diào)整誤差和安裝誤差等。本節(jié)主要討論雙曲線誤差。6.4 工件的雙曲線誤差 任何一個(gè)復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體工件，其成形表面均可分解成許多個(gè)單元錐體表面。用幾何學(xué)原理可以證明，錐體表面與平行于軸線但不包含

18、軸線的任何平面的交線均為雙曲線。6.成 形 車 刀 當(dāng)用前角 大于0的棱體成形車刀加工錐體表面時(shí)，車刀的前刀面是一個(gè)平行于工件軸線但不包含軸線的平面MM如圖6.20(a)所示，它與工件錐體表面的交線是一條雙曲線1 ，若要準(zhǔn)確地切出此錐體表面，就要求車刀切削刃廓形與此雙曲線形狀完全一致。但為了制造和刃磨方便，車刀切削刃都做成直線形圖6.20(a)中的直線 。用這種車刀進(jìn)行切削，就要將工件的錐體表面在中間多切去一些，加工后的工件外形為一內(nèi)凹的雙曲線回轉(zhuǎn)體。工件的內(nèi)凹量稱為雙曲線誤差，由棱體成形車刀產(chǎn)生的誤差叫做第一類雙曲線誤差，一般數(shù)值較小，不超過0.05mm，在前角大到20時(shí)，誤差才達(dá)0.lmm

19、。321426.成 形 車 刀圖6.20(a)棱體成形車刀加工錐面時(shí)的誤差來源120lMM準(zhǔn)確的工件形狀直線切削刃切出的工件形狀122213MMNNO1r1r2ff切削刃應(yīng)有的形狀直線0l22214NN6.成 形 車 刀 要消除這種雙曲線誤差，又要使車刀制造方便，仍保持直線切削刃，只有使車刀切削刃位于工件軸向剖面內(nèi)，且與工件錐體表面母線完全重合才行。一般可采用下列兩種方法：對(duì)某些精加工用的成形車刀可使其 0；設(shè)計(jì)成帶刃傾角 的車刀，把如圖6.20中車刀上的 點(diǎn)位置提高到2點(diǎn)的位置上，車刀的這段切削刃便與工件錐體母線重合。這兩種方法從理論上講都可以消除雙曲線誤差，但 0的車刀對(duì)切削變形有不利影響

20、，而有 的車刀會(huì)增加工件其他部分的加工誤差，并且設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，目前應(yīng)用不多。fssf26.成 形 車 刀 用圓體成形車刀加工錐體表面時(shí)圖6.20(b)，除產(chǎn)生類似棱體成形車刀所產(chǎn)生的第一類雙曲線誤差外，還由于圓體成形車刀本身也是一個(gè)圓錐體，在 0時(shí)，它的前刀面和車刀錐體面的交線本身就已經(jīng)是外凸的雙曲線如圖6.20(b)中的曲線 ，所以圓體成形車刀相比棱體成形車刀在工件上要切去更多一層金屬，從而產(chǎn)生了第二類雙曲線誤差。這導(dǎo)致工件外形是一個(gè)更加內(nèi)凹的雙曲回轉(zhuǎn)體。這類誤差較大，一般可達(dá)0.4mm，當(dāng)前角為20時(shí)，可達(dá)1.4mm 左右。f1426.成 形 車 刀圖6.20（b）圓體成形車刀加工錐面時(shí)的

21、誤差來源MM準(zhǔn)確的工件形狀實(shí)際切削刃形狀12MMNNNNr1r2O1ffO0hR1R2切削刃應(yīng)有的形狀軸向剖面內(nèi)切削刃是直線13426.成 形 車 刀 由于圓體成形車刀在形成后角時(shí)，車刀的中心面必須高于工件的中心面，因此其刀刃就不能位于刀具軸向剖面內(nèi)。所以加工錐體表面的車刀其刀刃一般都是外凸的雙曲線，即使是 0的車刀或磨出 也只能消除第一類雙曲線誤差而不能消除第二類誤差。由于第二類誤差比第一類誤差大得多，所以圓體成形車刀的雙曲線誤差比棱體的大，加工精度低。另外，為了減輕后續(xù)工序切斷刀的負(fù)荷，并對(duì)工件端面倒角或修光，在成形車刀兩側(cè)還需配置附加切削刃。在制造成形車刀時(shí)，為了檢驗(yàn)刀具廓形，要設(shè)計(jì)一個(gè)

22、工作樣板；為了檢驗(yàn)工作樣板的磨損程度，還要設(shè)計(jì)一個(gè)檢驗(yàn)樣板；這兩塊樣板工作面形狀共軛，是成對(duì)設(shè)計(jì)的。有關(guān)上述方面的詳細(xì)內(nèi)容可參閱相關(guān)手冊(cè)和工具書。fs6.成 形 車 刀小小 結(jié)結(jié) 1.車刀是在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床、立式車床、自動(dòng)與半自動(dòng)車床上完成工件的外圓、內(nèi)孔、端面、切槽或切斷以及部分內(nèi)外成型面等加工的切削刀具。按用途不同可分為外圓車刀、端面車刀、內(nèi)孔車刀及切斷刀等。按結(jié)構(gòu)不同，又可分為整體式高速鋼車刀、焊接式硬質(zhì)合金車刀和機(jī)械夾固式硬質(zhì)合金車刀（又分為機(jī)夾可重磨式車刀和可轉(zhuǎn)位式機(jī)夾車刀）。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性、刀桿利用率、刀片使用壽命、對(duì)生產(chǎn)率的影響等方面存在差異，正是這些差異影響了它們?cè)谏a(chǎn)中

23、的應(yīng)用不同。2.可轉(zhuǎn)位刀片的主要代碼包括刀片形狀、有無斷屑槽和固定孔、刀片的主要尺寸以及斷屑槽型等。選擇刀片形狀時(shí)要考慮被加工零件的形狀、工序性質(zhì)、刀片利用率等因素；有無斷屑槽則取決于工件材料（鑄鐵等脆性材料加工不需斷屑槽）；有無固定孔取決于刀片夾緊方式（若用上壓實(shí)，則無需帶孔）；刀片切削刃長(zhǎng)度取決于作用主切削刃長(zhǎng)度；刀片的厚度主要取決于切削力的大小；斷屑槽型的選擇取決于工件材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)、工序內(nèi)容（加工外圓、內(nèi)孔或緞面）、切削用量、工件剛性等。3.成形車刀的前、后角不僅與制造過程有關(guān)，還與安裝有關(guān)，其前、后角是通過安裝獲得的。要注意驗(yàn)算成形車刀的后角，對(duì)于 的切削刃處的后刀面要采取改進(jìn)措施，以減小車刀后刀面與工件間的劇烈摩擦。4.對(duì)于普通徑向進(jìn)給的成形車刀，其軸向尺寸和工件的軸向尺寸是相等的，當(dāng) ，時(shí)，刀具在N-N剖面上的廓形深度P和工件軸向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，所以必須對(duì)刀具的廓形深度加以修正設(shè)計(jì)、計(jì)算。同時(shí)也是產(chǎn)生雙曲線誤差的根本原因。成形車刀的廓形設(shè)計(jì)有作圖法和計(jì)算法。00r00f00f00f