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      航空航天整體結(jié)構(gòu)件新型校形技術(shù)研究現(xiàn)狀

      2017-04-10 13:57:18曲中興張立武
      航天制造技術(shù) 2017年1期
      關(guān)鍵詞:噴丸結(jié)構(gòu)件時(shí)效

      陳 浩 曲中興 張立武

      (西安航天動(dòng)力機(jī)械廠,西安 710025)

      航空航天整體結(jié)構(gòu)件新型校形技術(shù)研究現(xiàn)狀

      陳 浩 曲中興 張立武

      (西安航天動(dòng)力機(jī)械廠,西安 710025)

      航空航天整體結(jié)構(gòu)件加工變形問題制約著其應(yīng)用的廣度和深度,在加工中或者針對(duì)成品進(jìn)行校形處理是提高整體結(jié)構(gòu)件形狀精度的有效手段。本文在分析整體結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生加工變形原因的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)討論了電磁校形、激光校形、超聲波噴丸校形、蠕變時(shí)效校形、振動(dòng)時(shí)效校形這幾種新型校形技術(shù)及其研究現(xiàn)狀。

      整體結(jié)構(gòu)件;加工變形;校形

      1 引言

      航空航天飛行器整體結(jié)構(gòu)件以其大幅減少工件數(shù)目,降低裝配難度,提高制造質(zhì)量,提升飛行器綜合性能等優(yōu)勢(shì)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而,整體結(jié)構(gòu)件因尺寸大、形狀復(fù)雜、變壁厚(最薄處<1mm)等特點(diǎn),導(dǎo)致其制造加工工藝繁復(fù),難度大,常常產(chǎn)生嚴(yán)重的加工變形。當(dāng)變形量過大時(shí),工件超差甚至報(bào)廢,嚴(yán)重影響著航空航天產(chǎn)品質(zhì)量及交付進(jìn)度,制約著整體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用,給航空航天制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)[1,2]。

      按照變形特點(diǎn)劃分,變形一般可分為彎曲變形、扭曲變形、翹曲變形。航空航天整體結(jié)構(gòu)件變形多為各種變形的復(fù)雜組合,一般需要在加工后安排校形工序。目前,傳統(tǒng)的校形方法已無(wú)法滿足航空航天整體結(jié)構(gòu)件的校形要求。鑒于此,為推動(dòng)航空航天整體結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用步伐,充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)件優(yōu)勢(shì),必須開展相關(guān)技術(shù)研究,以此確保航空航天結(jié)構(gòu)件制造精度。因此,校形技術(shù)一直是航空航天制造業(yè)有關(guān)家學(xué)者的研究重點(diǎn)。

      2 結(jié)構(gòu)件加工變形產(chǎn)生的原因

      結(jié)構(gòu)件的加工變形問題,涉及坯料制備、切削加工和材料力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,是航空航天產(chǎn)品制造加工中的主要瓶頸之一。引起加工變形的因素很多,主要包括坯料的性能、工件的尺寸形狀及剛度、加工工藝方法以及采用的加工設(shè)備等。根據(jù)相關(guān)研究,引起結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素有以下幾方面[3~5]:

      a.坯料初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放與重新分布

      坯料的成形往往要經(jīng)過鍛、鑄、軋和熱處理等工藝,這些工藝或多或少的會(huì)引入一定的殘余應(yīng)力,且其分布不均勻。在切削過程中隨著材料的層層去除,工件內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放、重新分布,原有的內(nèi)應(yīng)力平衡破壞,為達(dá)到新的平衡狀態(tài)工件就產(chǎn)生了宏觀變形,根據(jù)研究若能將材料初始?xì)堄鄳?yīng)力水平降到足夠低的水平,工件的加工變形會(huì)顯著降低。

      b.結(jié)構(gòu)件材料的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

      隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出大尺寸、復(fù)雜形狀、幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、薄壁曲面(最薄處<1mm)和整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì),這樣的結(jié)構(gòu)自身剛度差,因此加工過程中容易產(chǎn)生較大變形。此外,有些材料彈性模量?。ㄈ玟X合金僅為鋼材的三分之一左右),屈強(qiáng)比大,在切削加工過程中極易產(chǎn)生“讓刀”和回彈現(xiàn)象,影響最終制造精度。

      c.刀具對(duì)結(jié)構(gòu)件的作用

      切削加工時(shí),刀具與結(jié)構(gòu)件相互接觸,產(chǎn)生切削力和切削熱。切削力會(huì)引起工件的回彈變形,同時(shí)當(dāng)切削力較大超過材料的彈性極限時(shí),又會(huì)引起工件的擠壓變形;此外由于切削熱的作用,工件表層溫度迅速升高,而內(nèi)部溫度卻很低,造成溫度不均勻分布,從而在切削表層產(chǎn)生應(yīng)力,也加速了工件的變形。

      d.結(jié)構(gòu)件的裝夾

      裝夾是影響結(jié)構(gòu)件加工變形的又一個(gè)重要因素,尤其是整體結(jié)構(gòu)、大尺寸、弱剛性薄壁設(shè)計(jì)的航空航天結(jié)構(gòu)件,裝夾變形問題尤為突出,嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)件的加工精度。

      除上述主要影響因素外,刀具材料、切削液、加工路徑等對(duì)加工變形也有一定影響。

      3 新型鋁合金結(jié)構(gòu)件校形技術(shù)

      根據(jù)制造業(yè)的現(xiàn)狀,在現(xiàn)有的加工工藝水平下,僅僅通過加工工藝優(yōu)化很難確保結(jié)構(gòu)件的形狀精度,往往需要安排專門的校形工序。校形是提高構(gòu)件成形精度的有效方法,傳統(tǒng)的校形方法主要有機(jī)械校形法、加熱校形法、冷作校形法等,但因其存在一定的局限性,應(yīng)用范圍較窄[6]。隨著校形理論與校形技術(shù)的發(fā)展,人們探索出了越來越多的新型校形技術(shù),如電磁校形技術(shù)、激光校形技術(shù)、超聲波噴丸校形技術(shù)、蠕變時(shí)效校形技術(shù)、振動(dòng)時(shí)效校形技術(shù)等,相關(guān)研究還在不斷深入。

      3.1 電磁校形技術(shù)

      電磁校形技術(shù),又稱磁脈沖校形技術(shù),是在電磁成形技術(shù)(Electromagnetic Forming,EMF)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,利用電磁成形原理,先將放電線圈放置于工件內(nèi),再將它們放置于校形模具內(nèi),如圖1所示。接通電源,線圈在高電壓的作用下產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),同時(shí)工件在感應(yīng)電流的作用下也將產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),工件在兩磁場(chǎng)疊加形成強(qiáng)磁場(chǎng)力與工件感應(yīng)電流共同作用,快速向外膨脹與校形模具貼合,完成校形[7]。

      電磁校形技術(shù)是適用于導(dǎo)電性良好材料的一種非接觸的校形,工藝穩(wěn)定性較好,零件貼模性好,彈性回復(fù)小,校形精度高,同時(shí)可以很好地改善材料內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。

      電磁校形精度主要取決于兩方面因素:校形模具和線圈[8]。校形零件最終要與校形模具相貼,其形狀精度至關(guān)重要;若線圈外形輪廓依據(jù)零件尺寸形狀設(shè)定,線圈緊貼著零件平行放置,兩者之間的距離都是相同的,則預(yù)校形的零件各個(gè)部位都能受到相對(duì)均勻的電磁力,這對(duì)提高校形精度極為有利[9]。除此之外放電電壓、放電次數(shù)對(duì)校形精度也有影響。

      近些年,人們對(duì)材料在電磁作用下的行為研究取得了一些進(jìn)展,圍繞板料、圓筒件開展了很多研究。于云程[10]等人根據(jù)純鋁和LF21管件端口電磁校形實(shí)驗(yàn)研究,分析得出,放電電壓是影響校形效果的關(guān)鍵,增大放電電壓可提高校形效果;增加放電次數(shù)可解決放電能量低時(shí)變形小、貼模性差的問題;因力學(xué)性能不同,材料校形效果各異。張文忠[11]等人研究了鈹青銅波形彈簧磁脈沖校形工藝,結(jié)果表明,磁脈沖對(duì)鈹青銅波形彈簧有明顯的校形效果,提高了零件尺寸精度;校形后可提高波形彈簧的性能;校形后沒有給鈹青銅的組織結(jié)構(gòu)帶來不利影響。之后劉賓[12]等人、張開[13]等人、胡建華[14]等人開展的研究也得出了相同的結(jié)論,驗(yàn)證該工藝的可行性。

      目前,人們還沒有完全理解電磁成形以及其如何影響材料的成形性,還沒有足夠充足的知識(shí)指導(dǎo)該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用[15]。

      3.2 激光校形技術(shù)

      激光校形技術(shù)是近些年出現(xiàn)的一種新型柔性校形工藝方法,通過激光器產(chǎn)生一定強(qiáng)度的激光束,并以特定路徑掃描工件上的待校形區(qū)域,該區(qū)域在激光的熱效應(yīng)作用下,溫度迅速提升,增加該區(qū)域材料的塑性變形能力并降低其屈服強(qiáng)度,促進(jìn)彈性內(nèi)能做功,校正工件的加工變形,提高變形工件的形狀精度[16]。

      關(guān)于激光校形技術(shù)的研究,到目前為止仍不多見。最早德國(guó)學(xué)者Geiger M等在汽車零部件、船舶的船板及焊接件上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。Takashi Ueda[17,18]等人采用試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)3種典型突起進(jìn)行了研究,簡(jiǎn)單分析了激光校平的機(jī)理,得出了激光校平時(shí)激光功率和掃描路徑對(duì)校平結(jié)果的影響規(guī)律,校平時(shí)凸表面的激光輻照與凹表面的激光輻照相比更有效,且隨著激光掃描次數(shù)的增加,可改善板料校形效果。我國(guó)學(xué)者宋文榮[19,20]等人應(yīng)用激光校形技術(shù)對(duì)繼電器的簧片氣隙進(jìn)行校正試驗(yàn),結(jié)果表明該方法是可行的,且不影響簧片的機(jī)械壽命性能,在合適的激光功率與時(shí)間參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)的校形。夏寒劍[21]采用有限元模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法,以1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼板料的簡(jiǎn)單彎曲為研究對(duì)象,進(jìn)行激光校形試驗(yàn),得到各因素對(duì)校形效果的影響規(guī)律,并獲得了最優(yōu)方案。王秀鳳[22]等人針對(duì)鋁合金薄壁件進(jìn)行的激光校形試驗(yàn)也驗(yàn)證該技術(shù)的可行性,且校形效果與工件材料和厚度有關(guān)。

      王秀鳳[23]等人認(rèn)為,激光校形的原理不同于激光成形,主要原理是采用最優(yōu)的激光校形工藝參數(shù),精確釋放待校形工件上變形區(qū)域的彈性勢(shì)能,降低內(nèi)應(yīng)力大小與改善其分布狀態(tài),從而提高零件校形部位的形狀精度。根據(jù)相關(guān)研究,影響激光校形精度的主要因素如圖2所示。

      該方法屬于非接觸加工且不需要模具,柔性大,不受加工環(huán)境、工件尺寸的限制,適用于解決航空航天復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件加工變形;生產(chǎn)周期短,激光束的掃描花費(fèi)時(shí)間不多,校形精度高,有廣闊的應(yīng)用前景,值得深入研究。為實(shí)現(xiàn)更好的工程化,還需深入研究激光校形機(jī)理,明確各因素對(duì)激光校形精度的影響規(guī)律。

      3.3 超聲波噴丸校形技術(shù)

      超聲波噴丸校形技術(shù)是利用超聲波產(chǎn)生的高頻沖擊波,通過彈丸或撞針等介質(zhì)作用于金屬材料表面變形區(qū)域,校正成形誤差的技術(shù)[24],基本原理如圖3所示。該技術(shù)是在傳統(tǒng)噴丸校形和超聲波應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上形成的。由于超聲波噴丸的過程非常復(fù)雜,同時(shí)相關(guān)的理論也不完整,所以目前對(duì)超聲波噴丸的機(jī)理分析還未得到非常完整的解釋,關(guān)于超聲波噴丸的研究更多地集中在金屬材料的表面強(qiáng)化處理方面,目前關(guān)于超聲波噴丸成形及校形方面的研究較少。

      法國(guó)SONATS公司從1996年開始,對(duì)超聲波噴丸技術(shù)進(jìn)行了大量研究,已開發(fā)出一套超聲噴丸技術(shù)(STRESSONIC)及其相應(yīng)的超聲波噴丸自動(dòng)化設(shè)備,并將其應(yīng)用于機(jī)翼蒙皮局部校形,校形效果明顯(如圖4所示)[25]。Polytechnique[26]等人采用超聲波噴丸校形技術(shù)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空心軸進(jìn)行校形研究,結(jié)果表明,采用該技術(shù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空心軸校形。此外KSA公司、美國(guó)Integrity Testing Laboratory公司進(jìn)行了很多數(shù)控超聲波噴丸設(shè)備的研究。我國(guó)在超聲噴丸技術(shù)領(lǐng)域的起步比較晚,但近些年也取得了較大的發(fā)展,其中,南京航空航天大學(xué)超聲波噴丸技術(shù)課題組開展了大量超聲波噴丸理論和應(yīng)用方面的研究,針對(duì)鋁合金板料進(jìn)行了很多校形試驗(yàn),取得了一定成果。如,陳星[27]研究了2024鋁合金板料超聲波噴丸校形,結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)板料的單曲率曲面變形的校形具有很好的可行性。同時(shí)得出了電流強(qiáng)度、噴丸時(shí)間和撞針直徑等工藝參數(shù)對(duì)校形效果的影響規(guī)律。郭超亞[28]針對(duì)2024鋁合金板進(jìn)行了數(shù)控超聲波噴丸校形研究,效果十分顯著,并得出隨進(jìn)給速度、噴丸軌跡間距、噴丸電流的增大校形量先增后減,噴丸區(qū)域?qū)挾仍黾有P涡瘟吭黾?,而初始變形量?duì)可校形量影響很小的結(jié)論。

      超聲波噴丸校形技術(shù)是一種高效的綠色校形技術(shù),其設(shè)備輕巧、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可提高校形零件的綜合機(jī)械性能和疲勞壽命,適用性強(qiáng)且耗能低,在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。跟國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比,國(guó)內(nèi)在工藝技術(shù)和相關(guān)設(shè)備研究方面均處在初期,距離工程化應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。

      3.4 蠕變時(shí)效校形技術(shù)

      蠕變時(shí)效校形技術(shù)是將人工時(shí)效與構(gòu)件機(jī)械校形相結(jié)合,主要利用在彈性應(yīng)力作用下材料于較高溫度下(人工時(shí)效溫度左右)的蠕變變形及應(yīng)力松弛行為,降低構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力,同時(shí)達(dá)到校正構(gòu)件變形的目的[29]。

      采用該方法進(jìn)行校形后,可有效減小構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力,使內(nèi)應(yīng)力分布均勻,提高構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性,降低后續(xù)的加工、存放及使用過程中再次發(fā)生變形的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)該校形方法還具有生產(chǎn)投資少,不需要專門設(shè)備,可采用零件熱處理設(shè)備;可重復(fù)性較高,對(duì)工件形狀限制較少,校形所需載荷低;校形精確度高,可改善零件材料的性能等優(yōu)點(diǎn)。

      蠕變時(shí)效校形技術(shù)是在蠕變時(shí)效成形技術(shù)(Creep aging Forming,CAF)及熱校形技術(shù)的基礎(chǔ)上開始的研究,一般包括3個(gè)階段[30,31]。

      a.施加載荷階段。常溫條件下,以一定的方式向金屬工件施加載荷使其產(chǎn)生彈性變形,并將其固定在特制的模具上。

      b.時(shí)效階段。將帶校形工裝的零件放入加熱爐內(nèi),加熱到特定溫度保溫一定時(shí)間,材料在此過程中會(huì)產(chǎn)生蠕變及應(yīng)力松弛。

      c.卸載階段。在保溫結(jié)束待零件和工裝冷卻至室溫后,去掉工裝的約束,工件產(chǎn)生回彈,獲得所需外形。

      根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究,確定合適的蠕變時(shí)效校形工藝參數(shù)(時(shí)效時(shí)間、時(shí)效溫度、預(yù)應(yīng)力)是一個(gè)多次嘗試縮小范圍的過程,需根據(jù)材料的蠕變、應(yīng)力松弛性能參數(shù)和時(shí)效參數(shù),利用有限元模擬技術(shù)及相關(guān)試驗(yàn)確定較為優(yōu)化的工藝參數(shù)[31~33]?;貜梿栴}一直是蠕變時(shí)效校形的關(guān)鍵,校形結(jié)束后往往存在一定回彈量,影響校形效果。因此,在應(yīng)用蠕變時(shí)效校形工藝時(shí),只有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回彈量,將回彈量補(bǔ)償?shù)侥>弑砻嫔希趴色@得所需的零件形狀[34,35]。但該問題一直沒有得到很好的解決。

      近年來我國(guó)圍繞蠕變時(shí)效技術(shù)上開展了很多研究,如中南大學(xué)湛利華團(tuán)隊(duì)[36~38],在材料的蠕變時(shí)效行為、工藝參數(shù)對(duì)材料蠕變時(shí)效成形性影響規(guī)律以及回彈補(bǔ)償方面均做了很多工作,取得了很大成果。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)韓志仁[39,40]等人發(fā)明了一種專門的蠕變時(shí)效校形裝置,裝置簡(jiǎn)單,校形效果良好,適用于批量生產(chǎn)。但由于開始研究的較晚,很多方面研究不夠深刻,距工程化應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

      3.5 振動(dòng)時(shí)效校形技術(shù)

      構(gòu)件的變形往往和應(yīng)力集中有著很大的關(guān)系,基于應(yīng)力松弛的熱時(shí)效校形方法已應(yīng)用于航空航天工業(yè)[41]。與熱時(shí)效相比振動(dòng)時(shí)效(Vibratory Stress Relief,VSR)降低構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果更佳,同時(shí)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)還具有環(huán)境友好、高效節(jié)能,生產(chǎn)周期短,且對(duì)零件沒有形狀與尺寸限制的優(yōu)點(diǎn)[42],因此越來越受到人們的重視。

      圍繞振動(dòng)時(shí)效技術(shù)有關(guān)學(xué)者開展很多研究,振動(dòng)時(shí)效技術(shù)已由最早的亞共振時(shí)效發(fā)展到高頻振動(dòng)時(shí)效、頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效主要應(yīng)用于降低結(jié)構(gòu)件材料內(nèi)部殘余應(yīng)力,在國(guó)內(nèi)外航空航天制造業(yè)已普遍應(yīng)用。關(guān)于振動(dòng)時(shí)效校形的研究較少,振動(dòng)時(shí)效校形技術(shù),是將變形零件約束在特制的校形夾具中,通過強(qiáng)力激振器的作用使零件產(chǎn)生振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力與材料原有殘余應(yīng)力相疊加,應(yīng)力幅值大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí),材料屈服產(chǎn)生塑性變形,從而材料殘余應(yīng)力均勻化且應(yīng)力峰值減小,實(shí)現(xiàn)一定程度的校形的工藝方法[43]。

      瞿峰、李兵[44]將振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用于殼體產(chǎn)品端面圓度校形,取得了不錯(cuò)的校形效果,根據(jù)研究成果,發(fā)明了一套專用的振動(dòng)時(shí)效校形裝置。首都航天機(jī)械公司將振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用于Φ5000mm鍛造鋁合金大型環(huán)框生產(chǎn),經(jīng)振動(dòng)時(shí)效后,產(chǎn)品的圓度及平面度均得到了較大的提高,如半精加工后經(jīng)振動(dòng)時(shí)效圓度由0.2mm提高至0.8mm,平面度由0.04mm提高至0.25mm,可完全滿足后續(xù)加工、裝配的要求[45]。

      姜亦濤、孫杰[46]等人對(duì)產(chǎn)生彎曲變形的鋁合金梁和隔框,在校形夾具的約束下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn),結(jié)果表明振動(dòng)時(shí)效在消除工件殘余應(yīng)力的同時(shí),可對(duì)變形工件得到一定程度的校形,同時(shí)二次振動(dòng)時(shí)效對(duì)工件校形效果影響不大。

      綜合上述研究,振動(dòng)時(shí)效可對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生一定的校形效果,可作為一種輔助校形技術(shù),在整體結(jié)構(gòu)件分步校形過程中或最終校形后引入振動(dòng)時(shí)效技術(shù)有很大價(jià)值。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,很多新型技術(shù)被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件校形中,校形技術(shù)呈現(xiàn)出多元化的特點(diǎn),雖然很多研究還處于初期,還有很多技術(shù)難題需要攻破,距離工程化應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路程。但因其先進(jìn)性及制造業(yè)的迫切需要,這些技術(shù)終將日益完善,在航空航天制造業(yè)中大量應(yīng)用,為提升航空航天制造業(yè)水平發(fā)揮重要的作用。

      1 石廣豐,王景梅,宋林森,等.薄壁零件的制造工藝研究現(xiàn)狀[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,35(1):68~72

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      Research Status of New Correction Technology of Aerospace Monolithic Component

      Chen Hao Qu Zhongxing Zhang Liwu
      (Xi’anAerospace Power Machine Factory,Xi’an 710025)

      The machining deformation of aerospace monolithic component restricts the extent of its application. Increasing correction process during manufacturing or for the finished products is an effective means to improve the shape precision of the monolithic component.In this paper,the reasons for the machining deformation of components are expounded,the new types of correction technology such as electromagnetic correction,laser correction,ultrasonic shot peening correction,creep aging correction,vibration aging correction and its research status are discussed.

      monolithic component;machining deformation;correction

      陳浩(1990-),碩士,材料科學(xué)與工程專業(yè);研究方向:金屬材料成型技術(shù)。

      2016-11-22

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