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班 級 09 機械設(shè)計制造及其自動化 4 班 姓 名 趙天星 課題名稱 汽車摩擦片模具設(shè)計 目錄 1 前言 2 國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力 3 覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù) 3 1 軟件環(huán)境 3 2 修正回彈的對策 3 3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用 3 4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 4 總結(jié) 參考文獻 指導(dǎo)教師 審批意見 簽名 1 年 月 日 汽車摩擦片沖壓模具設(shè)計 趙天星 機械設(shè)計制造及其自動化 09 4 班 B09300426 1 前言 近幾年來 我國轎車市場發(fā)展十分迅猛 2002 年在轎車銷售超過 100 萬輛的基 礎(chǔ)上 2003 年則向 200 萬輛大關(guān)邁進 達到了 197 萬輛 然而 在轎車熱迅速升溫 的同時 不得不尷尬地面對這樣的現(xiàn)實 市場上熱銷的絕大多數(shù)車型是直接從國 外引進的 由手國內(nèi)轎車覆蓋件模具設(shè)計制造能力從總體上看還比較薄弱 為了生 產(chǎn)這些車型 各大汽車公司不得不耗資幾億 十幾億元采購海外模具 與國外大汽 車公司相比 由于生產(chǎn)規(guī)模比較小 這就造成單車均攤的模具成本遠高于國外車 這也是造成國產(chǎn)車整車制造成本居高不下的主要原因之一 1 2 國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力 國內(nèi)主要的轎車模具制造商有 一汽模具制造有限公司 東風(fēng)汽車模具廠 天 津汽車模具有限公司 成飛集成科技股份有限公司 南京模具裝備有限公司 上海 千緣汽車車身模具有限公司等等 作為國內(nèi)最大轎車生產(chǎn)銷售商 上海大眾汽車 有限公司 也有自己的模具設(shè)計制造部門 TMM部 目前 雖然國內(nèi)模具商在轎車內(nèi) 覆蓋件模具設(shè)計制造方面已小有能力 并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項目 但對 于有很高型面精度和表面質(zhì)量要求的外覆蓋件 特別是中高檔轎車的外覆蓋件 整 車廠很少會將這類模具交由國內(nèi)開發(fā) 上海大眾汽車有限公司為了降低整車生產(chǎn)成本 同時也為了提高公司的核心 技術(shù)能力 從2001年開始 涉足轎車沖壓模具設(shè)計制造領(lǐng)域 2001年 2002年完成 2 了POL0轎車在手動壓機線上生產(chǎn)的10只簡單零件的模具 通過了公司質(zhì)保部門驗收 并投產(chǎn) 2002年開始向大型化 復(fù)雜化 自動化發(fā)展 設(shè)計制造了6000kN自動線上 生產(chǎn)的POLO轎車備胎座模具 該零件外形尺寸大 拉深深度深 形狀復(fù)雜 2003年 為進一步提高模具設(shè)計制造的能力和水平 他們涉足20000kN多工位壓力機和 10000kN自動線生產(chǎn)使用的模具設(shè)計 過去上海大眾在20000kN多工位壓力機上使用 的模具 全部需進口 國內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計制造這樣的模具 為此 他們選 擇了POLO轎車中柱內(nèi)板的模具進行設(shè)計 10000kN多工位壓力機是世界上最先進的壓 力機之一 集成化自動化程度非常高 當(dāng)然這對模具設(shè)計的要求也相應(yīng)地提高 零 件的送料高度 步距 機械手的位置有嚴(yán)格的要求 還要保證機械手在運動過程中 與模具無干涉 這樣給予模具設(shè)計的空間就小了很多 在考慮諸多因素之后 他們 最終完成了整套模具的設(shè)計 另外 他們還完成了PoLo轎車在10000kN自動線上生產(chǎn) 的后輪罩的模具設(shè)計 在去年的基礎(chǔ)上更進一步 這些工作的順利完成 標(biāo)志著上 海大眾模具設(shè)計能力已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平 從而為今后上海大眾汽車模具國產(chǎn) 化 打 下 了 堅 實 的 基 礎(chǔ) 盡 管 如 此 與 國 際 先 進 水 平 比 較 圖1 內(nèi)板模具裝配示意圖 仍有較大差距 比如在轎車外覆蓋件具設(shè)計方面還是空白 POLO轎車中柱內(nèi)板模 具裝配示意圖 a 上模裝配示意圖 b 下模裝配示意圖在轎車沖模中 難度最大的是外 覆蓋件模具設(shè)計 主要表現(xiàn)在以下兩個方面 1 克服由回彈造成的零件型面偏差破裂 起皺 回彈是轎車沖壓件成形過程中的 3 主要缺陷 由于轎車外覆蓋件外形尺寸大 拉深深度淺 塑性變形程度低 一般不易拉裂 因而回彈就成為該類零件制造過程中的主要問題 它將嚴(yán)重影響零件間的相互配合 關(guān)系 有限元模擬軟件在沖壓模具設(shè)計中得到普遍應(yīng)用 已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測 破裂和起皺 從而有助于設(shè)計合適的工藝補充面來改善拉深過程中材料的流動狀況 提高零件的成形性 然而 迄今為止 大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預(yù)測沖壓件 從模具當(dāng)中取出后的回彈變形 因此 對外覆蓋件回彈問題的處理 主要還是依靠 經(jīng)驗來修改模具型面 使沖壓件過正成形 來抵消由于回彈導(dǎo)致的變形 2 2 沖壓件的取件 由于外覆蓋件 如前蓋外板 車頂 翼子板 都需進行復(fù)雜的翻邊整形或預(yù)卷邊 工藝 這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時 必須考慮沖壓件成形后的取件問題 目前 大 都依靠復(fù)雜的多斜楔機構(gòu)聯(lián)動來實現(xiàn)模具工作部分對零件讓位 以實現(xiàn)方便取件 由此造成整個模具的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 3 3 覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù) 目前 國外大汽車公司為了降低模具開發(fā) 制造成本 縮短生產(chǎn)周期 將除 轎車外覆蓋件之外的大部分轎車沖壓件的模具都交由專業(yè)模具公司 如Fontana Pietro Kuka Laepple Schuler Cartec Ogi hala Fuji Techniaca等等 設(shè)計 和制造 這些公司都有很強的開發(fā)能力 并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的 優(yōu)勢 但作為整車廠 考慮到新車型開發(fā)過程中的保密 對諸如翼子板 行李箱蓋 車門 側(cè)圍 車頂 前蓋等敏感零部件的模具 則都由自己的模具制造部門來設(shè)計 和制造 4 3 1軟件環(huán)境 沖壓模具設(shè)計 除了必要的CAD軟件之外 還大量應(yīng)用了有限元模擬軟件 如 AutoForm PamStamp DynaForm Indeed等 來輔助沖壓工藝設(shè)計 下面 以AutoForm 為例 說明如何利用CAE軟件來設(shè)計拉深I(lǐng)序工藝補充面 AutoForm是一款由瑞士開 發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件 可以用于薄板 拼焊板的沖壓成形 液壓脹形等 過程的模擬 配合不同的功能模塊 還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工 序工藝補充面 Addendum 的設(shè)計 轎車沖壓件中 約有2 3可以利用AutoForm的 Diedesigner Module模塊設(shè)計Addendum 該模塊根據(jù)由設(shè)計者指定的或由軟件自動 4 產(chǎn)生的壓邊圈型面 以及工藝補充面的多條截面線 Profile 能夠快速地生成工藝 補充面 用于拉深工序的模擬 如圖2所示 壓邊圈型面 Profile均可進行參數(shù)化 式的調(diào)整 這種快速設(shè)計是建立在對Addendum曲面的粗略構(gòu)造上的 即曲面面片本 身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順 盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面 的機械加工 但是對于模擬精度的影響卻不是很大 根據(jù)模擬結(jié)果 設(shè)計者可以很 方便地對工藝補充面進行調(diào)整 直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求 最后 將壓邊圈 Addendum曲面和Profile以中性數(shù)據(jù)格式IGS或VDA輸出 在CAD軟件中進行曲面重構(gòu) 并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模 就能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模 5 圖2 AutoForm設(shè)計工藝補充面示意 沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計方法 首先 在經(jīng)驗基礎(chǔ)上 利用CAD設(shè)計工藝補充面 其次 將CAD數(shù)模傳遞給AutoForm等CAE軟件進行拉深過程模擬 根據(jù)模擬結(jié)果 在CAD中對 工藝補充面進行調(diào)整 并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE 開始新的模擬 直到滿足要求 為止 這是一個從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復(fù)的過程 由于每次在CAD中構(gòu)造曲 5 面都遠較在AutoForm中復(fù)雜 因此 整個過程所花費的時間就多得多 而新方法在 沖壓工藝設(shè)計初期 就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計并調(diào)整拉深工 藝補充面 與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比 就能夠大大提高設(shè)計效率 6 由于AutoForm是一款快速模擬軟件 為了在較短的時間內(nèi)對復(fù)雜沖壓件的成 形過程進行評價 采用了膜單元來離散幾何模型 必然要降低模擬精度 因此 有 些汽車公司在模具設(shè)計開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件 如德國大眾就采用 了Indeed軟件 對拉深工序進行再次模擬 Indeed軟件的計算是基于帶厚度的殼單元 的 能夠得到更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果 但是其計算所花費的時間通常是AutoForm的幾 到十幾倍 該軟件比較適用于最終驗證 7 所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗 證為是可行的 才可用于模具設(shè)計 模具設(shè)計完備 應(yīng)通過圖紙結(jié)合泡沫模型進行驗收 圖3 各道工序用不同顏 色的線條標(biāo)記在泡沫模型上 這樣做直觀而清晰 還應(yīng)組織包括工藝設(shè)計者 項目 規(guī)劃員 模具調(diào)試人員 模具操作者等相關(guān)人員進行討論驗收 對于在沖壓工藝上 難以解決的成形問題 還應(yīng)邀請產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論 尋求對產(chǎn)品進行更改設(shè)計 的n I能性 8 圖 3 沖壓工藝泡沫模型 3 2 修正回彈的對策 由前已知 回彈是轎車外覆蓋件成形過程中的主要問題 現(xiàn)以前蓋外板為例 對此進行詳細分析 通常外覆蓋件的回彈有以下兩類 6 大片平坦曲面由彈性回復(fù)造成的拱起或塌陷 如圖 4 中 C 部放大所示 虛線 表示零件從模具中取出并發(fā)生回彈后的位置 這類問題 工藝設(shè)計時通常不加以考 慮 工藝數(shù)模中產(chǎn)品型面部分的數(shù)據(jù)與來自于產(chǎn)品開發(fā)部門的數(shù)據(jù)相一致 并用于 模具制造 待試模之后 將試件與檢具進行對比測量 根據(jù)偏差對拉深模型面進行 修正 如果設(shè)計人員對于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗的話 也可以事先估計 出曲面彈性回復(fù)的方向以及偏移量 并將其反向疊加到產(chǎn)品數(shù)模上去 求得考慮回 彈變形的拉深工藝曲面 這個計算過程需要由專門的計算機軟件來完成 在德國大 眾 采用的是 ICEM 翻邊整形部分由彎曲變形回彈造成的折邊轉(zhuǎn) 圖 4 平坦曲面由彈性示意圖 角變化 如圖 4 中 B 部放大所示 對于這類問題 該處除拉深和剪邊外 還包括翻 邊和斜楔整形 整形工藝需過正成形 2 3 以抵消彎曲回彈 該工藝由工藝 設(shè)計完成 并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中 9 3 3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用 目前 新車型的很多外覆蓋件 如翼子板前蓋外板 車頂?shù)鹊姆呎喂ば?中 采用了一種稱之為 旋轉(zhuǎn)斜楔 的新工藝 16 其工作原理為旋轉(zhuǎn)進程 斜楔上 的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域 當(dāng)整形過程完成后 氣缸驅(qū)動的托架推動旋轉(zhuǎn) 斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動 從而達到對零件讓位的目的 方便整形后的零件從模具上取出 7 旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點是 因整形部分與沖壓件托料部分的拼接處非常光順 故零件上無 明顯壓痕 模具結(jié)構(gòu)簡單 維修保養(yǎng)簡便且費用低 3 4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)方法有很多 具體用那種方法要看汽車覆蓋 件沖壓模具的難易程度和制造精度 3 4 1 快速成型技術(shù) 快速成型技術(shù)是基于離散 堆積成形思想的新型成形技術(shù) 即由三維 CAD 模 型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù) 這是繼數(shù)字驅(qū)動設(shè)計 CAD 和數(shù)字驅(qū)動制造 CAM 之后的又一項為制造業(yè)帶來巨大變革的數(shù)字化制造技術(shù) 10 快速成型技術(shù)中 三維形體在離散過程中被沿著一至三個方向分解 生成形體的各 個離散面 離散線和離散點 將這些離散體 面 線和點 轉(zhuǎn)換成實體 并將它們 依照原先的順序堆積還原成三維形體的實體形狀 15 通過離散獲得材料堆積的路徑 順序和方式 生成一系列二維層面數(shù)據(jù) 再將分層后的數(shù)據(jù)進行處理 加入加工參 數(shù) 生成數(shù)控代碼 在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層 迭加 起來形成三維實體 實 現(xiàn)數(shù)字化成形 構(gòu)成三維物理實體 快速成形技術(shù)的特點有 1 高度柔性 不需要傳統(tǒng)的專用工具和生產(chǎn)裝備 而利用信息技術(shù)把生產(chǎn)加 工的重組集成到制造系統(tǒng)中 2 各種先進技術(shù)的高度集成 3 快速性 傳統(tǒng)加工方式開發(fā)一個復(fù)雜形狀的產(chǎn)品 從設(shè)計 工藝規(guī)劃到加 工完成 可能需要幾天 幾個月甚至上年的時間 而采用快速成形技術(shù) 從實體建 模到原型或零件加工完成 可以在幾十小時或幾個小時內(nèi)完成 4 自由成形性 因此能夠制造特別復(fù)雜的實體 5 材料的廣泛性 不同的工藝可制造樹脂 塑料 紙 石蠟 復(fù)合材料 金 屬材料 陶瓷等原型 采用分層實體制造工藝 分層實體制造將激光用于箔材 主 要是涂敷紙 的切割 逐層粘切完成后 清除被切割的廢料 就獲得了所需要的原 型 該技術(shù)可保證原型件精度 能制造出大型甚至超大型的設(shè)備 得到最大尺寸 運行費用設(shè)備中為最低 3 4 2 電磁成型技術(shù) 電磁成型技術(shù)最先起源于美國 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和制造業(yè)的發(fā)展 電磁 8 成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造業(yè)中一種新型的金屬塑性加工方法 它是利用瞬間的高 壓脈沖磁場迫使金屬產(chǎn)生塑性變形達到成型金屬零件的目的 電磁成型加工是一種 高速能的工藝 目前 電磁成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天 原子能 汽車 儀器 儀表 電子以及玩具等領(lǐng)域 11 主要是金屬板材的沖孔 壓印或壓花以及管材的脹 形 縮頸 沖孔 翻邊等 電磁成型的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律 在電 場周圍會產(chǎn)生變化的磁場 而隨時間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)渦旋電場 所以 當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場中時就會產(chǎn)生感應(yīng)電流 渦流 在電磁成形過程中 磁場力是 工件成型的動力 電磁成型是利用脈沖磁場力來使金屬坯料變形的 脈沖磁場力是 由電容器通過工作線圈瞬間放電所產(chǎn)生的 脈沖磁場里是磁場間相互排斥或相互吸 引的作用 電磁成型加工的工藝特點 非機械接觸性加工 電磁力是工件變形的動力 它 不同于一般的機械力 工件變形時施力設(shè)備無需與工件進行直接接觸 因此工件表 面無機械擦痕 也無需添加潤滑劑 工件表面質(zhì)量較好 工件變形源于工件內(nèi)部帶 電粒子受磁場力的作用 14 因此 工件變形受力均勻 殘余應(yīng)力小 疲勞強度高 使用壽命長 加工后不影響零件的力學(xué) 物理 化學(xué)性能 也不需要熱處理 施力 元件 線圈 相對壓力機尺寸小 易在真空和氣保下進行 將感應(yīng)加壓一次完成 由 電磁力的控制精度其誤差可在 0 5 以內(nèi) 因此加工精度高 加工效率高 時間短 成本低 便于實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化 電磁成型設(shè)備可實現(xiàn)工件的多步 多點 多工位 成型 有助于實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化 污染較輕 有利于環(huán)境的保護 電磁成型加工作 為一種新型的金屬塑性加工技術(shù) 不同于傳統(tǒng)的冷鍛 溫鍛和熱鍛等加工方法 它 以其獨特的加工特點展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?12 3 4 3 無模多點成形 無模多點成形就是將多點成形技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合為一體的先進制造技 術(shù) 該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的 高度可調(diào)的基本體 通過對各基本體運動的實 時控制 自由地構(gòu)造出成形面 實現(xiàn)板材的三維曲面成形 它是對三維曲面扳類件 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新 實現(xiàn)無模成形 取代傳統(tǒng)的整體模具 節(jié)省模具設(shè)計 制造 調(diào)試和保存所需人力 物力和財力 顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期 降低生產(chǎn)成 本 提高產(chǎn)品的競爭力 與模具成形法相比 不但節(jié)省巨額加工 制造模具的費用 而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時間 與手工成形方法相比 成形的產(chǎn)品精度高 質(zhì)量 9 好 并且顯著提高生產(chǎn)效率 優(yōu)化變形路徑 通過基本體調(diào)整 實時控制變形曲面 隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài) 提高材料成形極限 實現(xiàn)難加工材料的塑性 變形 擴大加工范圍 實現(xiàn)無回彈成形 可采用反復(fù)成形新技術(shù) 消除材料內(nèi)部的 殘余應(yīng)力 并實現(xiàn)少無回彈成形 保證工件的成形精度 小設(shè)備成形大型件 采用 分段成形新技術(shù) 連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件 易于實現(xiàn)自 動化 曲面造型 工藝計算 壓力機控制 工件測試等整個過程全部采用計算機技 術(shù) 實現(xiàn) cad cam cat 一體化生產(chǎn) 工作效率高 勞動強度小 極大地改善 勞動者作業(yè)環(huán)境 13 3 4 4 其它技術(shù) 采用低熔點合金澆鑄 快速制造汽車蓋件試制模具 合金的熔點低至 且凝 固時幾乎沒收縮 是其兩個明顯的特點 提出工藝路線為 根據(jù)模型制造原型 再 將翻制為具有足夠尺寸精度的陶瓷型 對陶瓷型進特殊處理后 在接近的溫度下 澆鑄出低熔點合金汽車覆蓋件拉延模具 此拉延模具以制造件汽車覆蓋件零件 完 全滿足試制模具的需要 主要應(yīng)注意 低熔點合金的設(shè)計 低熔點合金的澆鑄工藝 低熔點合金模具的試模與調(diào)試 采用等離子噴涂技術(shù) 也可快速制造汽車車身試制 模具 在電弧噴涂研究的基礎(chǔ)上 進行的主要研究與開發(fā)技術(shù)為采用原型制造汽車 噴涂模具的工裝 8 紙原型與工藝轉(zhuǎn)化原型的設(shè)計與制造 噴涂工藝參數(shù)的選擇 噴涂型殼與紙原型的分離 噴涂模具背襯材料的選擇與制備 噴涂模具背襯的制造 及后處理 噴涂模具的試模與調(diào)試 4 總結(jié) 近年來 通過不懈的努力 國內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計制造能力取得了顯著的進 步 但是 在轎車特別是中高檔轎車外覆蓋件模具的開發(fā)上 我們與國際水平仍有 較大差距 不過 這種差距并非不能縮小 只要我們多加強國際交流 多吸取國外 同行的設(shè)計制造經(jīng)驗 一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國產(chǎn)化進程 10 5 參考文獻 1 陳炎嗣 郭景儀 沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù) 北京 北京出版社 1991 04 2 郭春生 湯寶駿 孫繼明 汽車大型覆蓋件模具 北京 國防工業(yè)出版社 1993 10 3 楊玉英 大型薄板成型技術(shù) 北京 國防工業(yè)出版社 1996 02 4 鄧仕珍 汽車車身制造工藝學(xué) 北京 北京理工大學(xué)出版社 1997 09 5 Gang Liu Zhongqin Liu Youxia gao Optimization desing of drawbead in drawing tools of autobody cover paneljournal of Engineering mateials and Technology 6 劉罡 基手回彈控翩的提高轎車沖壓成形精度方法研究 上海交通大學(xué)博士論文 2001 7 程迎潮 劉罡 范國輝 國內(nèi)外轎車覆蓋件沖壓模具設(shè)計概況 上海大眾汽車有限公司 上海 201805 8 樊小年 試談汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù) 岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南岳陽 414000 9 崔令江 汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù) M 機械工業(yè)出版社 2003 10 劉緒功 基于特征的汽車覆蓋件沖壓成形性研究 D 南京 南京航空航天大學(xué) 2005 11 朱東波 王伊卿等 電弧噴涂汽車覆蓋件沖壓模具快速制造方法 P 中國專利 03134500 2004 4 12 程應(yīng)潮 范國輝 國內(nèi)外橋車覆蓋件沖壓模具設(shè)計概括 1672 0121 2004 04 0026 04 13 李體彬 沖壓成型工藝 化學(xué)工業(yè)出版社 2008 023458 號 1 198 14 李德群 肖祥芷 模具 CAD CAE CAM 的發(fā)展概況及趨勢 J 模具工業(yè) 2005 7 9 12 15 中國模具工業(yè)協(xié)會 模具行業(yè) 十一五 規(guī)劃 J 模具工業(yè) 2005 7 3 8 16 李大鑫 張秀錦 模具技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述 J 模具制造 2005 2 1 4 11