成小樂(lè)，尹 君，楊 建，張 君，郭永安

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

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·實(shí)驗(yàn)研究·

扁擠壓筒優(yōu)化方法研究

成小樂(lè)1,2，尹 君3，楊 建1,2，張 君1,2，郭永安1,2

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

扁擠壓筒是擠壓大型扁寬薄壁板材最有效的工具。綜述了扁擠壓筒的一般設(shè)計(jì)原則、研究現(xiàn)狀及扁擠壓筒的優(yōu)化方式。發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變扁擠壓筒整體結(jié)構(gòu)、孔型、新結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)和新材料等方面降低其應(yīng)力峰值，達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的效果。

扁擠壓筒；孔型；溫度場(chǎng)

0 前言

隨著大飛機(jī)、高速列車及城市地鐵等現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具的廣泛應(yīng)用，大寬幅壁板型材的需求量逐年遞增[1-3]。“中國(guó)制造2025” 規(guī)劃對(duì)現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具提出了綠色化、輕量化的更高要求，其最有效的方式是在不影響其使用功能前提下減輕自重，從而達(dá)到綠色節(jié)能的目的。這一類優(yōu)化設(shè)計(jì)后的壁板型材的橫截面必然非常復(fù)雜，制造此類橫截面復(fù)雜壁板型材可通過(guò)3D打印技術(shù)或擠壓加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4-5]。擠壓加工技術(shù)適用于多種金屬及合金的成型，利用金屬的塑性壓力加工，將金屬錠坯一次加工成管、棒、空心型材，成型在瞬息之間，其生產(chǎn)效率、成本和成品質(zhì)量是目前3D打印技術(shù)所不能匹敵的。

擠壓筒是擠壓設(shè)備的核心部件，當(dāng)生產(chǎn)中等批量的擠壓產(chǎn)品時(shí)，擠壓筒的成本往往占擠壓總成本的30% 以上。由于圓筒擠壓機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用已十分成熟，工廠多采用圓筒擠壓大型扁寬、薄壁和斷面形狀復(fù)雜壁板型材。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒具有幾何形狀上的優(yōu)越性，由于扁擠壓筒形狀與壁板類型材相似，這樣使得金屬的流動(dòng)速度平緩勻稱，產(chǎn)品質(zhì)量高，有效擠壓寬幅大，擠壓過(guò)程中擠壓筒結(jié)構(gòu)也更加緊湊，從而模具耗損度大大降低[6-7]。相同擠壓能力下，扁擠壓筒允許擠壓出的最大壁板寬度大于圓擠壓筒，如表1所示。小、中型扁筒擠壓機(jī)足夠代替大型圓筒擠壓機(jī)生產(chǎn)更大幅寬的扁寬壁板型材，所用擠壓力大大降低，更貼合節(jié)能減排的理念。使用扁擠壓筒是擠壓大型扁寬、薄壁和斷面形狀復(fù)雜壁板型材更好的方式。

表1 圓筒與扁筒擠壓能力對(duì)比

扁擠壓筒要在高溫、高壓、高摩擦等苛刻條件下反復(fù)承受交變應(yīng)力作用，由于內(nèi)孔形狀不對(duì)稱，容易應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。以5 MN擠壓機(jī)為例，通過(guò)有限元分析得出的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)工作內(nèi)壓達(dá)到438 MPa，擠壓筒的最大工作應(yīng)力分布在內(nèi)襯內(nèi)側(cè)圓弧頂端附近，其工作狀態(tài)應(yīng)力值1 060 MPa，接近扁擠壓筒材料的屈服強(qiáng)度，極易破壞，如圖2所示。扁擠壓筒的材料一般選用H13(4Cr5MoSiV1)，是一種空冷硬化熱作模具鋼，其彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為2 040 MPa，屈服強(qiáng)度為1 460 MPa，有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能。扁擠壓筒的成型要通過(guò)冶煉、鍛造、兩次熱處理、一次粗加工、兩次精加工和熱套裝配等多道復(fù)雜工藝。國(guó)內(nèi)扁擠壓筒材料與國(guó)際水平依然存在差距并且其成型工藝繁瑣，是設(shè)計(jì)制造性能優(yōu)良的扁擠壓筒的最大難點(diǎn)。

圖2 扁筒內(nèi)應(yīng)力分布

1 扁擠壓筒設(shè)計(jì)一般原則

由扁擠壓筒受力情況可以看出，因擠壓力會(huì)在扁擠壓筒內(nèi)壁引起很大的集中應(yīng)力，一般采用組合式擠壓筒，可利用裝配產(chǎn)生的壓應(yīng)力來(lái)抵消擠壓力而引起的拉應(yīng)力。在此類預(yù)應(yīng)力組合的扁擠壓筒中，將允許采用比單層扁擠壓筒高得多的工作應(yīng)力。擠壓筒層數(shù)應(yīng)根據(jù)扁擠壓筒內(nèi)襯的最大工作應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度的70 % 為宜。由于在擠壓筒的全長(zhǎng)上的擠壓應(yīng)力分布不均，所以擠壓筒長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，其長(zhǎng)度與內(nèi)徑之比一般介于2.5～5之間。

目前，中小型扁擠壓筒以兩層扁擠壓筒較為常見，三層、四層也能見到。組合式扁擠壓筒一大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)各層熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力情況，采用不同材質(zhì)。由于內(nèi)襯所受應(yīng)力最大且易磨損，應(yīng)選用更高級(jí)材料。

扁擠壓筒尺寸示意見圖3。R1和R2分別表示扁擠壓筒內(nèi)襯與外套外徑，A、B分別為扁擠壓筒的長(zhǎng)短軸，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)可得

徑比K=R2/R1=1.6～2

(1)

長(zhǎng)短軸比A/B=2～2.8

(2)

長(zhǎng)軸與內(nèi)襯外徑之比A/R1=0.4～0.8

(3)

圖3 扁擠壓筒尺寸示意圖

實(shí)際的扁擠壓筒設(shè)計(jì)中，其長(zhǎng)短軸之比的取值應(yīng)考慮比壓P及型材尺寸。當(dāng)擠壓比λ為15 ～ 50時(shí)，比壓P≥450 MPa～600 MPa，特殊情況則要求達(dá)到600 MPa～1000 MPa，為了保證扁擠壓軸強(qiáng)度可靠，比壓P一般取450 MPa～800 MPa，扁擠壓筒的規(guī)格如表2所示[8-9]。

裝配時(shí)，內(nèi)襯與外套要用壓力使之成為一體。裝配應(yīng)力的大小可由配合面之間的過(guò)盈量來(lái)控制。一般，裝配在室溫下進(jìn)行，把內(nèi)襯推入經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的外套中，形成過(guò)盈配合。配合面最小徑向壓力產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)能克服擠壓力的作用。最小徑向壓力

psmin≥FπRlf

(4)

式中，psmin為最小裝配徑向壓力；R為裝配面直徑；l為錠坯長(zhǎng)度；f為金屬與擠壓內(nèi)襯內(nèi)表面的摩擦系數(shù)。

表2 扁擠壓筒規(guī)格

擠壓筒配合面的最小過(guò)盈量應(yīng)根據(jù)最小徑向壓力確定。

江蘇省在工程建設(shè)中，注重加強(qiáng)資金管理，按照分級(jí)管理、分級(jí)負(fù)責(zé)、?？顚Ｓ玫脑瓌t嚴(yán)格財(cái)務(wù)制度，規(guī)范財(cái)務(wù)行為，堅(jiān)決杜絕資金截留、擠占和挪用情況的發(fā)生，為工程建設(shè)順利進(jìn)行提供資金保障。

δmin=psminRE×1K2-1

(5)

實(shí)際選取的過(guò)盈量δ值，應(yīng)大于最小過(guò)盈量δmin值，保證裝配的可靠性。但最大裝配應(yīng)力值不能大于最大工作應(yīng)力值。對(duì)于最初設(shè)計(jì)過(guò)盈量一般取配合直徑的2.0‰～2.6‰[10]。

2 國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各國(guó)已裝備有不同類型、結(jié)構(gòu)、用途和噸位的擠壓機(jī)達(dá)8 000臺(tái)以上，其中美國(guó)700多臺(tái)，日本500多臺(tái)，德國(guó)300多臺(tái)，俄羅斯500多臺(tái)，中國(guó)5 000臺(tái)左右，大部分為 8～35 MN之間的中小型擠壓機(jī)[11-12]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前全世界已正式投產(chǎn)使用的80 MN級(jí)以上的大型擠壓機(jī)約60臺(tái)，擁有的國(guó)家是美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、日本和西歐[13]。

近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)、有限元計(jì)算、工模具材料及熱處理等技術(shù)的進(jìn)步，扁擠壓筒的設(shè)計(jì)制造技術(shù)有了突破性進(jìn)展[14-16]。俄、美、德、日等國(guó)已研制出850 mm ×330 mm、1100 mm×300 mm 等比壓達(dá)600 MPa 以上的大型扁筒，使用壽命在10 000次左右[17]。MARX公司所生產(chǎn)的擁有18個(gè)熱電偶組成的八區(qū)加熱系統(tǒng)的中、小型擠壓筒能夠在惡劣條件下承受20000次擠壓。美國(guó)通用合金(Universal Alloy)公司對(duì)購(gòu)進(jìn)的二手125 MN擠壓機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，完成波音公司研發(fā)的787型飛機(jī)、歐洲空中客車公司研發(fā)的A380 飛機(jī)從機(jī)身到機(jī)翼的各種特大型材，如縱梁、板條、一體化帶筋壁板等的生產(chǎn)，該擠壓機(jī)可生產(chǎn)長(zhǎng)32 m，最寬壁板1016 mm、單位質(zhì)量134 Kg/m的鋁型材[18]。德國(guó)VAW公司72MN油壓驅(qū)動(dòng)臥式擠壓機(jī)上配備有內(nèi)孔尺寸為720 mm×280 mm與675 mm×280 mm的扁擠壓筒和日本KOK公司的油壓驅(qū)動(dòng)臥式擠壓機(jī)上720mm×280mm扁擠壓筒[19]。2014 年德國(guó)西馬克美爾公司推出一款新型的鋁材擠壓機(jī) (SMS Meer) ，與常規(guī)擠壓機(jī)相比，能源節(jié)約 55% 以上，生產(chǎn)效率提高20%[20]。出現(xiàn)了多種抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 500 MPa以上的高強(qiáng)度耐熱工模具材料。俄羅斯制造的120 MN重型臥式擠壓機(jī)用扁擠壓筒內(nèi)襯，在450℃～480℃工作條件下允許使用了幾千小時(shí)，上萬(wàn)次擠壓周期[19]。

3 扁擠壓筒優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

為了提高扁擠壓筒的使用壽命及擠壓成品的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)扁擠壓筒的結(jié)構(gòu)、工藝方法及擠壓過(guò)程提出了大量的改良，取得了顯著成果。

3.1 扁擠壓筒整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙云路[21]等通過(guò)改變內(nèi)層厚度，將扁筒內(nèi)層套外徑由1130 mm減小為1040 mm，扁擠壓筒最大工作應(yīng)力下降7%～8%，內(nèi)孔尺寸由850 mm × 250 mm變?yōu)?50 mm×320 mm，扁擠壓筒最大工作應(yīng)力下降10%～12%，如表3所示。謝水生[22]等應(yīng)用有限元法對(duì)過(guò)盈裝配扁擠壓筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，獲得最佳的內(nèi)中套、中外套過(guò)盈量及各層厚度，如圖4、5所示。谷澤林[23]結(jié)合有限元軟件、MATLAB優(yōu)化工具箱和PYTHON 語(yǔ)言，以各襯等效應(yīng)力最小為目標(biāo)，各襯尺寸及過(guò)盈量為設(shè)計(jì)變量，使用遺傳算法對(duì)擠壓筒進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)21次迭代收斂，得到擠壓筒最小應(yīng)力的結(jié)構(gòu)尺寸及過(guò)盈參數(shù)，提高了擠壓筒的壽命，收斂情況如圖6所示。

表3 扁擠壓筒外徑及孔型對(duì)最大裝配應(yīng)力的影響

圖4 各層厚度對(duì)最大等效應(yīng)力值的影響

圖5 各層過(guò)盈量對(duì)最大等效應(yīng)力值的影響

圖6 適應(yīng)度函數(shù)收斂情況

李燕[24]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法思想引入到扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，得出一套可行的智能設(shè)計(jì)方法，如圖7所示。馮秋紅[25]等結(jié)合有限元模擬技術(shù)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立了變過(guò)盈量下三層組合式扁擠壓筒結(jié)構(gòu)尺寸與各層等效應(yīng)力分布、內(nèi)腔位移之間的非線性映射模型，采用了向量評(píng)價(jià)法、最佳個(gè)體保存策略和小生境技術(shù)，選出滿意解。范曄峰[26]等針對(duì)擠壓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元強(qiáng)度計(jì)算、原材料選擇、熱處理及多層擠壓筒過(guò)盈量的選定等影響擠壓筒壽命的諸多問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的論述。對(duì)于兩層扁擠壓筒，當(dāng)裝配過(guò)盈量為2.9 ‰時(shí)，最大工作應(yīng)力降低19.6% 。

圖7 兩層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 扁擠壓筒內(nèi)襯孔型優(yōu)化

圖8 內(nèi)孔形狀示意圖

1、2.直線圓弧形優(yōu)化前后 3、4.直線橢圓形優(yōu)化前后圖9 扁擠壓筒孔型優(yōu)化

劉全坤[30]等采用保角映射的方法，構(gòu)造過(guò)渡曲面入口和出口復(fù)雜圖形的解析函數(shù)，得出流線型過(guò)渡曲面有利于金屬流動(dòng)，并且有利于降低型腔面上的法向壓力，可減少磨損、提高模具壽命。

3. 3 扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)

在深入的研究扁擠壓筒過(guò)盈量、尺寸結(jié)構(gòu)及孔型對(duì)其應(yīng)力峰值與過(guò)盈量的影響的同時(shí)，很多人另辟蹊徑，考慮到扁擠壓筒的新結(jié)構(gòu)同樣會(huì)給在某種程度上的增加扁擠壓筒的使用壽命。前人提出了幾種扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)的設(shè)想，如圖10所示。

圖10 內(nèi)孔結(jié)構(gòu)示意圖

方清萬(wàn)[31]提出了一種扁筒的新結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)襯圓環(huán)、上鑲塊和下鑲塊。上鑲塊和下鑲塊分別對(duì)稱位于內(nèi)襯圓環(huán)的內(nèi)壁上共同形成扁筒的內(nèi)套工作腔，改善內(nèi)套工作腔直面與弧面交界處的應(yīng)力分布，如圖11所示。

圖11 上下鑲塊扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)

肖大志[32]等提出來(lái)局部預(yù)壓力結(jié)構(gòu)扁擠壓筒模型，通過(guò)模型的有限元分析結(jié)果可以看出，在同等條件下，可以使危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力降低32 %，如圖12所示。李燕[33]等提出在橢圓形內(nèi)層套的長(zhǎng)軸和短軸方向上分別采用不同的過(guò)盈量,可以使內(nèi)孔變形進(jìn)一步均勻化，提高扁擠壓筒的強(qiáng)度，如圖13所示。通過(guò)削減扁筒外套兩側(cè)壁厚和在其內(nèi)襯外表面打孔的新結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的扁筒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，在同等條件下，可使危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力分別降低10 % 和2.5 %，如圖14所示。

圖12 局部預(yù)壓力結(jié)構(gòu)模型

圖13 局部過(guò)盈量扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)

圖14 扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)尺寸圖

3.4 溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)協(xié)同控制

因扁擠壓筒結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性造成同不同部位的溫度邊界條件不同，因此其內(nèi)部熱應(yīng)力也是不均勻分布的。溫度分布的均勻化能在一定程度上的改善其應(yīng)力分布不均程度。

趙云路[21]等通過(guò)在襯套之間設(shè)有加熱圈，使溫度場(chǎng)變得更加均勻，進(jìn)而使熱應(yīng)力下降，較之不帶加熱圈時(shí)熱應(yīng)力下降14 ‰，如圖15、16所示。

圖15 有無(wú)加熱圈時(shí)4層套扁擠壓筒的溫度場(chǎng)(左為無(wú))

圖16 有無(wú)加熱圈時(shí)4層套扁擠壓筒熱應(yīng)力分布圖(左為無(wú))

Robbins[34]等設(shè)計(jì)了一種襯套上加熱孔分布的新結(jié)構(gòu)，放置加熱元件后使扁筒能夠均勻受熱，以降低開裂的可能，如圖17所示。

圖17 放置加熱元件改善應(yīng)力結(jié)構(gòu)

侯文榮[35]提出，在坯料溫度550℃、擠壓筒溫度520℃、擠壓速度1mm/s的擠壓條件較坯料溫度500℃、擠壓筒溫度470℃、擠壓速度3 mm/s的擠壓條件下，型材橫截面最大溫差降低至31℃，有效減低擠壓筒磨損，提高其壽命。楊文一[36]等提出加熱器安裝應(yīng)接近擠壓筒中心，盡可能減小外套與內(nèi)襯之間溫差，對(duì)擠壓筒前、后兩端以及頂部和底部應(yīng)采用獨(dú)立加熱系統(tǒng)，如圖18所示，通過(guò)多區(qū)加熱元件正確定位，控制擠壓筒溫升和溫差，可以使擠壓筒溫度及應(yīng)力分布均勻，提高其使用壽命。

圖18 多區(qū)加熱系統(tǒng)

William Gordon[37]等利用適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法與上限模型結(jié)合，通過(guò)控制擠壓變形過(guò)程的速度場(chǎng)，能夠確定最佳模具形狀。Amin Farjad Bastani[38]等制定不同的橫向溫度梯度，如圖19所示，Zhi Peng[39]等通過(guò)改變墊片擠壓速度，均為了實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓進(jìn)而提高扁擠壓筒的使用壽命。

圖19 坯料軸向溫度梯度的實(shí)現(xiàn)

3.5 扁擠壓筒新材料

扁擠壓筒的材料的改良一直是提高扁擠壓筒使用壽命的研究熱點(diǎn)。為了提高扁擠壓筒的使用壽命，Krumphals[40]等發(fā)現(xiàn)奧氏體熱作工具鋼B?hler W750，具有耐高溫，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，通過(guò)FE程序模擬在三個(gè)不同溫度下的銅坯料的擠出工藝，發(fā)現(xiàn)該新材料具有優(yōu)良的使用性能。C. Sommitsch[41]等基于鋁擠壓的示例，通過(guò)非彈性本構(gòu)方程及有限元軟件計(jì)算，得出熱作工具鋼B?hlerW300在擠壓過(guò)程中的應(yīng)力幅度和停留時(shí)間導(dǎo)致蠕變疲勞損傷。Sommitsch[42-43]等設(shè)計(jì)了一種高強(qiáng)度耐熱材料以及優(yōu)化了擠壓過(guò)程控制步驟，利用Deform-2D變形模擬擠出過(guò)程，得到應(yīng)力、溫度及邊界條件數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，構(gòu)建非彈性本構(gòu)方程，確定其損傷模型。朱琳[44]等研究了國(guó)產(chǎn)H13鋼的熱處理工藝，運(yùn)用正交分析法得到了H13鋼在不同熱處理工藝下σb、σ0.2、δ5、Ψ、Aku2的變化規(guī)律，及最佳熱處理工藝。

3.6 扁擠壓筒的保護(hù)

在擠壓過(guò)程中，金屬與擠壓筒的粘合會(huì)影響擠壓制品的表面質(zhì)量及擠壓筒的使用壽命。M.Kalin[45]等研究發(fā)現(xiàn)在擠壓筒與鋁合金坯料接觸部分涂覆TiAlN，在200-300℃下接觸摩擦力最低，擠壓筒與鋁合金坯料接觸部分涂覆CrN，在400℃～500℃下接觸摩擦力最低，有效降低磨損。 Birol[46]等通過(guò)滲碳處理及AlTiN涂覆AISI H13熱作工具鋼，保護(hù)鋼基底免受與鋁接觸面的物理及化學(xué)作用影響，測(cè)得磨損率降低。

4 結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)在擠壓制品的產(chǎn)量，重型及超重型擠壓設(shè)備自主研發(fā)領(lǐng)域取得了諸多傲人成果，已然成為了全球第一擠壓生產(chǎn)大國(guó)，但與擠壓強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)還有一定差距。扁擠壓筒優(yōu)化的主要發(fā)展方向可以概括為三個(gè)方面：一是在扁擠壓筒結(jié)構(gòu)方面改良，削弱扁擠壓筒工作狀態(tài)應(yīng)力峰值；二是多加考慮應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)協(xié)同作用對(duì)扁擠壓筒使用情況的影響；三是新材料的研發(fā)，開發(fā)出高強(qiáng)度的熱作磨具鋼能從根本上解決現(xiàn)有扁擠壓筒使用壽命短等諸多問(wèn)題。

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Study on optimization of flat container

CHENG Xiao-le1,2，YIN Jun3，YANG Jian1,2，ZHANG Jun1,2，GUO Yong-an1,2

(1.China National Heavy Machinery Research Institue Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China;2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology,Xi’an 710032,China;3.Xi’an Polytechnic Uiversity,Xi’an 710048,China)

Flat container is the most effective tool for extruding large flat sheet. The design principles of flat container, the research status and the optimization of flat container were introduced. The stress peaks of flat container must be reduced by such as changing the structure, the pass, the temperature field and materials, and the service life can be prolonged.

flat container;pass;temperature field

2016-12-03；

2017-01-06

成小樂(lè)(1976-)，男，高級(jí)工程師，博士。

TG375+.43

A

1001-196X(2017)04-0022-08