微型擺式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)

林吉靚, 朱 峰

(開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004)

微型擺式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)

林吉靚, 朱 峰

(開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004)

微型擺式內(nèi)燃機(jī)(MFPSE)組成零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)體積輕小, 但結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單致使MFPSE在實(shí)際運(yùn)行中存在諸多問(wèn)題. 結(jié)合試驗(yàn)樣機(jī)的工作狀況并參考有限元分析結(jié)果, 對(duì)中心擺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 并設(shè)計(jì)新的MFPSE潤(rùn)滑方式. 改進(jìn)后的MFPSE運(yùn)行穩(wěn)定, 接近設(shè)計(jì)要求, 該設(shè)計(jì)思路可給便攜式MFPSE及微型機(jī)械的發(fā)展提供借鑒.

微型擺式內(nèi)燃機(jī); 中心擺; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 干涉分析; 潤(rùn)滑

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 微機(jī)電系統(tǒng)將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没? 對(duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國(guó)防產(chǎn)生重大影響. 本文所研究的微型擺式內(nèi)燃機(jī)[1-2]是基于二沖程擺式內(nèi)燃機(jī)的工作原理發(fā)明的一種便攜式微型內(nèi)燃機(jī), 其是便攜式微型發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力部分, 設(shè)計(jì)要求是微型、便攜， 可使用多種可燃燃料， 適用于野外對(duì)電腦、手機(jī)等攜帶式電子產(chǎn)品進(jìn)行充電及其他小型機(jī)器的動(dòng)力輸出. 對(duì)于一些需要微型化裝置的領(lǐng)域, 例如微型偵測(cè)飛行器、微型維修機(jī)器人及用于其他特殊行業(yè)的微型機(jī)器等, 微型供給系統(tǒng)的發(fā)展是至關(guān)重要的. 從戰(zhàn)略角度尤其是軍事用途看, 研發(fā)便攜式的多種燃料的微型發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力補(bǔ)給裝置具有重大意義.

1 微型擺式內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)介及運(yùn)行情況

便攜式發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示. 圖2為微型擺式內(nèi)燃機(jī)(MFPSE)主要組成部件的裝配圖.

圖1 運(yùn)行中的便攜式發(fā)電裝置Fig.1 Portable power generation device in operation

圖2 MFPSE主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the main structure of MFPSE

MFPSE體積為64 mm×60 mm×32 mm, 仍以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃燒理論為設(shè)計(jì)依據(jù). 由圖2可見(jiàn), MFPSE由中心擺、缸體和前后密封端蓋組成4個(gè)相對(duì)封閉的可變空間, 以及A、B兩個(gè)燃燒室和C、D兩個(gè)預(yù)壓縮室, 通過(guò)電腦控制兩側(cè)的火花塞點(diǎn)火燃燒做功, 中間的花鍵軸為動(dòng)力輸出軸. MFPSE的左右A、B兩燃燒室交替做功, 以做功、排氣、掃氣、壓縮為一個(gè)工作循環(huán), 中心擺的擺動(dòng)頻率為50 Hz, 輸出功率約為47 W[2]. MFPSE作為便攜式動(dòng)力供給裝置可以輸出往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)械能, 也可配合下一級(jí)機(jī)構(gòu)切割磁力線(xiàn)做功輸出電能, 另外可與連桿機(jī)構(gòu)配合(如圖1所示)得到整周的機(jī)械運(yùn)動(dòng).

表1和2分別為MFPSE主要的幾何及運(yùn)動(dòng)參數(shù)和中心擺材料性能參數(shù)[2], 本文有限元分析的數(shù)值及所需參數(shù)均以此為基礎(chǔ).

表1 MFPSE幾何及運(yùn)動(dòng)參數(shù)

表2 中心擺材料性能參數(shù)

圖1中的MFPSE運(yùn)行狀況雖相對(duì)平穩(wěn), 但工作效率較低, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)要求. 內(nèi)燃機(jī)的工作是個(gè)復(fù)雜的燃燒過(guò)程, 內(nèi)部零件在高溫高壓的惡劣環(huán)境中工作[3], 因此需要有良好的潤(rùn)滑和合適的工作溫度, 才能保證機(jī)器高效率、長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)運(yùn)行. 運(yùn)行一段時(shí)間后的中心擺和缸體如圖3所示.

圖3 運(yùn)行一段時(shí)間后的中心擺和缸體圖 Fig.3 The central pendulum and cylinder diagram after a period of operation

由圖3可見(jiàn), 中心擺靠近燃燒室的部分因?yàn)楦邷貧怏w和壓力的作用出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象; 中心擺與前后端蓋密封處磨損嚴(yán)重; 4個(gè)密封容室存在竄氣、漏氣現(xiàn)象, 特別是兩個(gè)燃燒室之間密封性能差, 竄氣嚴(yán)重; 中心擺和缸體磨損嚴(yán)重. 另外, 中心擺的上端有個(gè)扇形腔體用于放置潤(rùn)滑油, 潤(rùn)滑油靠中心擺高速擺動(dòng)所產(chǎn)生的離心力甩到缸體的內(nèi)表面, 從而實(shí)現(xiàn)中心擺與缸體之間的潤(rùn)滑[4]. 中心擺兩側(cè)的隔熱槽中放置刮油鋼片, 把缸體內(nèi)表面多余的潤(rùn)滑油重新收集到潤(rùn)滑槽中. 中心擺扇形腔體中放置潤(rùn)滑油的設(shè)計(jì)思想雖然巧妙, 但實(shí)際運(yùn)行中存在諸多弊端: 其一，因?yàn)橹行臄[的擺動(dòng)頻率高、運(yùn)動(dòng)速度快, 潤(rùn)滑油的離心力大, 造成潤(rùn)滑油快速外甩, 一部分潤(rùn)滑油通過(guò)排氣口甩出造成浪費(fèi), 潤(rùn)滑油消耗過(guò)快; 其二，因?yàn)楣斡弯撈x潤(rùn)滑油槽較遠(yuǎn), 加之中心擺與缸體之間配合間隙較小, 使得甩出的潤(rùn)滑油不能及時(shí)返回油槽, 被擠入中心擺和端蓋之間的縫隙或者直接參與燃燒, 燃燒的潤(rùn)滑油所產(chǎn)生的積碳問(wèn)題進(jìn)一步加劇了中心擺和缸體之間的磨損, 甚至是卡死.

本文根據(jù)中心擺和缸體磨損嚴(yán)重及潤(rùn)滑條件惡劣等情況進(jìn)行了研究, 通過(guò)改進(jìn)中心擺結(jié)構(gòu)和重新設(shè)計(jì)新的潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)改善以上問(wèn)題, 提高M(jìn)FPSE的工作效率.

2 MFPSE的應(yīng)變干涉分析

MFPSE要實(shí)現(xiàn)小體積、便攜式設(shè)計(jì)要求, 其零部件就要設(shè)計(jì)巧妙、安裝簡(jiǎn)單. 從上節(jié)介紹可知, MFPSE是依靠中心擺、缸體和端蓋的尺寸配合完成4個(gè)可變?nèi)莘e的密封隔離的, 因此，設(shè)計(jì)尺寸有嚴(yán)格的公差要求, 要求配合的間隙范圍既要保證MFPSE運(yùn)行的順暢高效, 又要保證4個(gè)腔體之間有良好的密封, 以此保證MFPSE達(dá)到設(shè)計(jì)的壓縮比和輸出功率. MFPSE試驗(yàn)樣機(jī)的中心擺上下兩個(gè)外圓弧面和缸體燃燒室內(nèi)表面的最大配合間隙為0.015 mm, 中心擺輪轂和缸體兩個(gè)卡臂圓弧的最大配合間隙為0.010 mm[2]. 為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)尺寸的合理性, 利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)變干涉分析, 具體分析結(jié)果如下所述.

2.1 缸體和中心擺的溫度場(chǎng)分析結(jié)果

缸體和中心擺的應(yīng)變干涉分析需要兩者的溫度場(chǎng)分析結(jié)果, 根據(jù)MFPSE的工作特點(diǎn), 以一個(gè)工作循環(huán)為載荷步得到做功、排氣、掃氣、壓縮4個(gè)工作過(guò)程溫度，結(jié)果如表3所示.

表3 缸體和中心擺的溫度場(chǎng)分析結(jié)果

由表3可知： 做功開(kāi)始階段，缸內(nèi)可燃?xì)怏w急速燃燒, 最高的溫度值可超過(guò)2 000 ℃, 此時(shí)中心擺做功一側(cè)被燃燒氣體包圍, 溫度急速上升, 最大溫度到達(dá)1 576 ℃ ; 在排氣和掃氣階段, 隨著高溫廢氣的排出和新鮮混合氣體的進(jìn)入, 缸體和中心擺的溫度都有所下降; 壓縮階段兩者的溫度都有所上升. 對(duì)比兩者的溫度可知, 因?yàn)橹行臄[被密封在缸體內(nèi)部, 與高溫氣體接觸面積大, 加熱時(shí)間長(zhǎng), 而散熱困難, 因此中心擺的溫度一直高于缸體的溫度. 如此高的工作溫度使得中心擺和缸體均發(fā)生較大熱變形, 從而破壞兩者原有的配合關(guān)系.

2.2 缸體和中心擺的應(yīng)變分析結(jié)果

中心擺長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作, 自身溫度居高不下, 始終處在過(guò)熱狀態(tài)中, 對(duì)中心擺是非常不利的, 所產(chǎn)生的熱變形會(huì)引起中心擺卡死、拉缸、嚴(yán)重磨損、應(yīng)變集中等問(wèn)題[5]. 為了更清楚地分析由于中心擺和缸體熱變形所引起的干涉情況, 利用有限元分析軟件對(duì)圖4中標(biāo)注配合位置提取7個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值, 1、2、3是中心擺和缸體在燃燒室的配合節(jié)點(diǎn), 5、6是中心擺和缸體在預(yù)壓縮室的配合節(jié)點(diǎn), 4、7是輪轂和卡臂的配合節(jié)點(diǎn), 配合節(jié)點(diǎn)的數(shù)值比較可以直觀地反映中心擺和缸體的干涉情況. 中心擺和缸體在做功階段的溫度最高, 相應(yīng)的熱變形最大, 因此本文只列出這一階段的應(yīng)變結(jié)果, 如表4所示.

Table 4 The node’s equivalent total strain value in work stage mm

節(jié)點(diǎn)應(yīng)變缸體中心擺應(yīng)變之和過(guò)盈量1-0．02070．08180．10250．08752-0．00710．08130．08940．07443-0．01520．08000．09520．08024-0．01280．03820．05100．03605-0．01070．07350．08420．06926-0．00870．07350．08220．06727-0．01900．03890．05790．0429

中心擺和缸體因?yàn)闇囟壬弋a(chǎn)生膨脹變形, 兩者的配合表面是缸縮擺脹. 由表4可見(jiàn), 中心擺因?yàn)闇囟雀咂渥冃我泊? 其中節(jié)點(diǎn)1、2、3、5和6所表示部分的變形最為嚴(yán)重, 最大值是0.081 8 mm, 上圓弧向上膨脹, 下圓弧面向下伸長(zhǎng), 兩處的變形之和為0.155 3 mm, 已經(jīng)大于配合間隙0.015 mm, 可見(jiàn)中心擺因?yàn)榕蛎涍^(guò)大, 致使與缸體磨損嚴(yán)重. 缸體的熱變形進(jìn)一步加重兩者的干涉, 表中的負(fù)號(hào)代表兩者的變形方向相反.

3 中心擺結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

從上述分析可知，中心擺溫度過(guò)高, 其向四周膨脹厲害, 導(dǎo)致了中心擺與缸體的磨損嚴(yán)重, 影響了整機(jī)的運(yùn)動(dòng)可靠性. 因?yàn)镸FPSE的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)中心擺和缸體的配合尺寸要求非常嚴(yán)格, 而兩者工作過(guò)程中的溫度會(huì)隨外界環(huán)境發(fā)生很大的變化, 不同部分和不同工作階段的變形量均不相同, 因此，只是單純地依靠配合尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)MFPSE的密封是很困難的. 本文在綜合了各種因素之后對(duì)中心擺進(jìn)行了改進(jìn)[6-7], 具體如圖5所示.

圖5 中心擺改進(jìn)后的三維圖Fig.5 Improved 3D graph of central pendulum

中心擺的具體改進(jìn)之處如下：

(1) 去掉中心擺的扇形潤(rùn)滑油槽, 改為凹下的加強(qiáng)筋板. 由于扇形潤(rùn)滑油槽弊端大, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的潤(rùn)滑效果. 中心擺上端兩側(cè)是燃燒室, 兩個(gè)側(cè)面要承受氣體燃燒的推力, 加強(qiáng)筋板可以保證中心擺的剛度, 變形小. 上下加強(qiáng)筋板減小了中心擺與兩側(cè)端蓋的接觸面積[6], 利于配合尺寸的設(shè)計(jì), 既能保證良好的密封也減小了兩者的磨損.

(2) 減小中心擺上下圓弧表面的半徑尺寸, 有原先的23.0 mm改為22.5 mm. 由于缸體和中心擺工作溫度過(guò)高, 應(yīng)變干涉嚴(yán)重, 減小中心擺的尺寸, 消除兩者的干涉現(xiàn)象, 而密封容積的密封問(wèn)題有潤(rùn)滑圓柱和刮油鋼片完成.

(3) 安裝潤(rùn)滑圓柱的孔為開(kāi)口的類(lèi)橢圓孔. 當(dāng)孔為開(kāi)口狀態(tài)下, 潤(rùn)滑圓柱與缸體的內(nèi)表面接觸, 在中心擺的帶動(dòng)下作滾動(dòng), 把出油槽中的潤(rùn)滑油涂抹到缸體和中心擺的配合表面. 同時(shí)突出的潤(rùn)滑圓柱和刮油鋼片起到密封的作用, 防止內(nèi)燃機(jī)發(fā)生竄氣、漏氣現(xiàn)象. 中心擺溫度上升發(fā)生膨脹, 潤(rùn)滑圓柱在類(lèi)橢圓的安裝孔中有較大的變形空間, 不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大致使中心擺和缸體產(chǎn)生卡死現(xiàn)象.

(4) 利用中心擺與花鍵軸的配合形成了較完善可行的潤(rùn)滑系統(tǒng).

4 潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)

潤(rùn)滑油利用中心擺的運(yùn)動(dòng)甩到缸體上實(shí)現(xiàn)了兩者的潤(rùn)滑, 但實(shí)際運(yùn)行中潤(rùn)滑情況不理想. 一是潤(rùn)滑油不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)補(bǔ)充; 二是潤(rùn)滑油消耗太快; 三是潤(rùn)滑油參與燃燒形成積碳, 增大了磨損; 四是潤(rùn)滑油溫度過(guò)高, 黏度下降, 很容易變質(zhì). 因此, 通過(guò)比較各種方案, 結(jié)合汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)置[6], 設(shè)計(jì)出本文所采用的潤(rùn)滑方式, 如圖6所示.

圖6 MFPSE潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of MFPSE lubrication system

首先利用中心擺和花鍵軸的配合關(guān)系, 在花鍵軸兩側(cè)軸線(xiàn)上分別加工深孔(進(jìn)油孔和回油孔), 分別用于進(jìn)油和回油, 兩孔位于一條直線(xiàn)但不相通. 中心軸上所加工的進(jìn)油路與花鍵軸上的進(jìn)油孔相連, 回油路與花鍵軸的回油孔相連, 這樣就形成了一個(gè)封閉的潤(rùn)滑回路. 另外，配置一個(gè)帶有彈簧的進(jìn)油容器和一個(gè)帶有濾網(wǎng)的回油容器, 即可利用彈簧的壓力把帶有一定壓力的潤(rùn)滑油通過(guò)花鍵軸中心進(jìn)油孔、中心擺進(jìn)油孔送給潤(rùn)滑圓柱, 利用潤(rùn)滑圓柱的滾動(dòng)把潤(rùn)滑油均勻地涂抹在缸體的內(nèi)表面上, 以實(shí)現(xiàn)中心擺和缸體的潤(rùn)滑. 刮油鋼板的運(yùn)動(dòng)把過(guò)多的潤(rùn)滑油收集到回油槽中, 回油槽中的潤(rùn)滑油通過(guò)中心擺、花鍵軸的回油孔被集中收集到回油容器中進(jìn)行過(guò)濾和冷卻, 過(guò)濾后的潤(rùn)滑油可以重新參與潤(rùn)滑. 整個(gè)潤(rùn)滑過(guò)程回路易于加工, 無(wú)需額外的動(dòng)力裝置, 簡(jiǎn)單可行.

圖7是利用有限元分析軟件對(duì)生成潤(rùn)滑油膜的缸體的溫度場(chǎng)分析結(jié)果, 分析設(shè)定內(nèi)部溫度為100 ℃, 室內(nèi)溫度為20 ℃, 油膜厚度為0.015 mm, 導(dǎo)熱系數(shù)為0.137 W/(m·K), 接觸缸體的厚度為1 mm, 導(dǎo)熱系數(shù)為58 W/(m·K)[2-5]. 圖7(a)是缸體和潤(rùn)滑油膜的溫度分布云圖, 左側(cè)代表溫度高的深色部分很少, 缸體溫度整體在75 ℃下; 圖7(b)是兩者橫截面的路徑溫度變化曲線(xiàn).

(a) 溫度分布圖

(b) 路徑溫度變化曲線(xiàn)圖7 缸體與潤(rùn)滑油膜的溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of cylinder and lubricating oil film

由圖7顯示, 油膜具有很好的隔熱效果. 因?yàn)闈?rùn)滑油膜導(dǎo)熱性能差, 阻隔了熱量的傳遞, 結(jié)果顯示在存在油膜的左側(cè)溫度由100 ℃急速下降到74 ℃, 進(jìn)入缸體之后溫度下降緩慢, 溫度曲線(xiàn)變得緩和, 由此也可知油膜對(duì)熱量的傳遞起了很大的阻礙. 綜上所述，良好的潤(rùn)滑油膜大約可以阻隔和吸收25%的熱量, 依此推算缸體和中心擺的溫度大約可以下降100～200 ℃, 這對(duì)防止MFPSE工作溫度過(guò)高起到很重要的作用. 改進(jìn)后的潤(rùn)滑系統(tǒng)可以保證潤(rùn)滑油得到很好的補(bǔ)給和冷卻, 在潤(rùn)滑圓柱和刮油鋼板的運(yùn)動(dòng)下，既可以保證潤(rùn)滑油膜的厚度又防止?jié)櫥蛥⑴c燃燒形成積碳, 一定厚度的潤(rùn)滑油膜對(duì)密封性能也起到積極作用.

根據(jù)本文所提出的改進(jìn)意見(jiàn)所研制的試驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示.

圖8 采用新潤(rùn)滑系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 Experimental prototype of the new lubricating system

樣機(jī)試驗(yàn)表明, 機(jī)器運(yùn)行狀況大大改善. 在相同的時(shí)間內(nèi)機(jī)器外殼溫度下降， 運(yùn)行中未出現(xiàn)卡死情況， 運(yùn)行一段時(shí)間后, 缸體與中心擺配合表面磨損痕跡少許, 干涉情況有極大的改善. 中心擺與前后端蓋因?yàn)榻佑|面的減少及潤(rùn)滑油膜的存在, 磨損減少, 輸出動(dòng)力明顯增強(qiáng)， 機(jī)器整體潤(rùn)滑情況改善. 新的潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)微型擺式內(nèi)燃機(jī)高效順暢的工作起著重要的推進(jìn)作用, 同時(shí)改善內(nèi)燃機(jī)的積碳等不正常燃燒現(xiàn)象.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文所研究的中心擺是MFPSE傳遞能量和組成燃燒室的主要零件, 因?yàn)楣ぷ鳒囟葘?dǎo)致中心擺變形過(guò)大, 改變了其與缸體的配合關(guān)系, 發(fā)生干涉現(xiàn)象, 兩者磨損嚴(yán)重, 甚至發(fā)生卡死現(xiàn)象, 同時(shí)中心擺上部的扇形潤(rùn)滑油槽也無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑. 而合適的工作溫度、良好的潤(rùn)滑和密封性能是保證內(nèi)燃機(jī)高效、高能運(yùn)行的必備條件. 因?yàn)镸FPSE體積的減小, 現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)所用的潤(rùn)滑、散熱和密封方式對(duì)其來(lái)說(shuō)都過(guò)于復(fù)雜, 難以實(shí)現(xiàn). 綜合各種因素并借鑒現(xiàn)有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑方式, 本文對(duì)中心擺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn), 并以此設(shè)計(jì)了一套可行、簡(jiǎn)單、可以小尺寸加工的潤(rùn)滑方案. 改進(jìn)后的中心擺與缸體既可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng), 同時(shí)保證良好的密封和潤(rùn)滑性能, 大大減小兩者的磨損. 今后的研究通過(guò)不斷地改進(jìn)完善，使得MFPSE更快地進(jìn)入實(shí)用階段, 并給同類(lèi)微型動(dòng)力裝置提供有益的啟發(fā)和幫助.

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Structure and Lubrication System’s Improvement of MFPSE

LINJi-jing,ZHUFeng

(Machinery and Automobile College, Kaifeng University, Kaifeng 475004, China)

The micro-free piston swing engine (MFPSE) is a small and light machine with a small number of component parts. However, its structure is so simple that there are many problems in the practical operation of MFPSE. According to the working condition of the test prototype and the results of finite element analysis, the structure of the center pendulum is improved, and a new lubrication mode is designed. After the improvement, the MFPSE operates stably, and its design meets the requirements of practical operation. The design ideas can provide a useful reference for the development of portable micro mechanism and MFPSE.

micro-free piston swing engine; center pendulum; structure design; interference analysis; lubrication

1671-0444 (2016)04-0542-06

2016-03-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51065019)

林吉靚 (1979—),女,山東濟(jì)南人，講師，碩士，研究方向?yàn)槲⑿蜋C(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控加工. E-mail：linjijing888@126.com

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