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微细加工技术在国内外发展趋势的研究


!"#$%&’ (#")*+, 综- 述

微细加工技术在国内外发展趋势的研究
王- 军
( 广东轻工职业技术学院, 广东 广州 /01.11 ) 摘- 要: 研究了国内外微细加工技术的发展状况, 基于 !"!# 器件的微细加工技术, 提出了在低电位、 微电 流密度下电化学钝化效应基础上, 用高频振动效应消除钝化, 用与高频振动同频同步的窄脉冲电流 电解作用去除机体材料, 实现电解复合微细加工, 这是微细加工技术的新构想及发展趋势。 关键词:!"!# 器件- 高频振动- 窄脉冲电流- 电解复合微细加工

!"# $#%#&’()*+ !,#*- ’. /)0,’ 2 (,’0#11)*+ !#0"*’&’+2 34 5’6# 3*- 78’3,3456 789 ( 68&9:;)9: <9;8,+*= >#$?9%$&’ @)’’#:# ,68&9:A?)8/01.11 ,@B5) $%&’()*’ :<9 *#,#&*$? )C +?# ;#D#’)"%9: +*#9; )C E%$*) 2 "*)$#,,%9: +#$?9)’):= &9; F&,%9: )9 +?# G%$*) 2 "*)$#,,H %9: +#$?9)’):= )C EIE! ,J# ,8::#,+ +?&+ 89;#* +?# ’)J ")+#9+%&’ &9; +?# #CC#$+ )9 "&,,%D%+= )C #’#$+*)H $?#G%$&’ &C+#* E%$*) 2 $8**#9+ ;#9,%+= ,J# $&9 8,# +?# ?%:? 2 C*#K8#9$= D%F*&+%)9 #CC#$+ +) *#’#&,# +?# "&,,%D%+= &9; 8,# +?# 9&**)J "8’,# $8**#9+ *)’# )C #’#$+*)’=+%$ &, J#’’ &, +?# ?%:? C*#K8#9$= D%F*&+%)9 C)* *#G)D%9: F);= G&+#*%&’L >?%, $&9 &$$)G"’%,? +?# G%$*) 2 "*)$#,,%9: )C $)G")89; #’#$+*)’=,%, J?%$? %, &’,) & 9#J $)9$#"+ &9; ;#D#’)"%9: +*#9; )C G%$*) 2 "*)$#,,%9: +#$?9)’):=L +,-./(0&:EIE! ;#D%$#,;B%:? 2 C*#K8#9$= M%F*&+%)9;5&**)J N8’,# @8**#9+;E%$*) 2 "*)$#,,%9: )C @)G")89; I’#$+*)’=,%, 现代工业的发展, 要求在有限空间内, 产品具有多 因而对产品小型化、 微型化的要求日益迫切。 种功能, 在航空、 航天、 医疗生物工程、 环境监测、 微型机器人、 传感器等众多领域中的微小机械有广泛应用前景, 计 算机技术、 微电子技术及航空航天等技术的进一步发 展也只有通过微型化和集成化来实现。 微机电系统 ( EIE!) 技术是产品微型化的技术支撑, 基于 EIE! 器件的微细加工技术集合、 交叉了多学科的内容, 是一 个融前沿高技术和工程应用于一体的科学技术体系, 受到国内外广泛重视, 发展非常迅速。因此, 研究国内 外微细加工技术的发展状况, 发掘电解加工机理的优 势, 并将其应用于 EIE! 器件的微细加工中, 目前已 成为一项很有应用前景的研究课题。 ( 制版、 电铸、 注塑 ) 可以对许多金属材料进行微细加 尺寸可小至 0 !G, 精度达亚 !G 级, 已使 EIE! 领 工, 域产生重大进展。但 O<64 技术所需要的深层 P 射线 辐射源价格昂贵, 推广应用受到限制。 而采用电铸工 艺, 不需要同步 P 射线辐射源的准 O<64 技术成为又 一研究热点, 但研究还有待深入
[ 0 Q .]

。 线电极电火花

( 3%*# I’#$+*%$&’ R%,$?&*:# 6*%9;%9:) 磨削技术 3IR6 使 微细加工电极的在线制作、 安装得到较好的解决, 微细 ( E%$*) 2 IRE ) 因此有了迅速发展。 日本 电火花加工 东京大学增泽隆久等人采用微细电火花技术已加工出 直径 "ST / !G 的微细轴和孔径 "/ !G 的微细孔, 可 进行 /11 !G U .11 !G U S11 !G 三维微细轮廓的数控 ( E%$*) 2 OVE ) 电火花铣削加工。 微细激光加工 技术 应用范围广泛、 加工精度及效率高, 便于计算机控制, 是一 种 很 有 发 展 前 景 的 微 细 工 艺。 电 子 束 加 工 ( IVE) 用于小孔、 窄缝、 刻蚀等微细工艺, 加工孔径可 ( <VE ) 达 ". !G, 刻线宽度可达 1T 0 !G。离子束加工 可用于精密微量去除、 离子刻蚀、 离子镀膜等表面改性 ( 1T 110 !G ) , 中, 去除精度可达纳米级 镀膜精度可控 ( E%$*) W’+*&H 制在 0 Q 1T 10 !G。 微细超声加工 W!E
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12 国内外研究发展现状
EIE! 器件材料有硅、 金属、 压电材料、 磁性材料、 超导材料、 感光材料、 形状记忆合金等。依托大规模集 成电路工艺基础的硅微细加工技术主要通过光刻及化 学刻蚀得到微小的沟槽、 筋板、 孔洞等结构, 但此工艺 O<64 技术 只限于硅材料。相对于硅材料的微细加工,

综! 述 "#$%&’( )$#*+,-*0&% 1’%2&0&03) 特别适合于硬脆性材料微细刻槽、 细 小孔的加工 。 利用电化学阴极沉积原理的精密微 ( 1&%+* 5 671) 细电铸技术 可制作形状复杂、 精度很高 在微细制造领域得到重要应用, 成为 89: 的微细结构,
[ = > ?] ;< 技术的重要组成部分 。 用电化学隧道扫描显 [ 4]

“ 离子” 状况与其 方式去除材料的机理优势很不相称, 究其原因主要在于: 常规电解加工为了避免钝化及提 高加工速度, 需采用大电流密度进行高速加工, 由于加 流场复杂多变及电解液的杂散腐蚀, 加 工间隙中电场、 工间隙的稳定性及一致性难以保证, 去除材料的定域 使电解加工的精度较难控制; 另外, 为了提高电 性差, 解液的电导率, 常采用具有一定腐蚀性或强腐蚀性的 高浓度中性盐电解液, 这对设备、 环境保护及零件性能 均可能造成影响, 限制了电解加工的进一步扩大应用, 在微细加工领域的应用更没有得到应有的重视。实际 “ 离子 ” 上电解加工是一种在电场作用下材料 方式去 除工艺, 这在加工机理上有微细加工, 甚至 0B 级加工 的可行性
[ ., 4]

( "@1) 探针尖进行的微细电化学加工, 在 "@1 探 微镜 针尖上加超短脉冲电压, 使探针尖附近发生电化学反 ( <A)表面加工出直径为 ? 0B、 应, 成功地在金 深度为 CD . > = 0B 的纳米坑和在 EA"F/ 和 GH "F/ 的混合溶液 中沉积出高为 = 0B、 直径为 I 0B 的 EA 。光刻胶掩膜 微细电化学加工将光刻技术与电化学加工技术相结 合, 能加工出微米甚至亚微米级的复杂形状, 可用于精 密光栅、 超大规模集成电路、 印刷电路等各种金属薄壁 零件和微机电系统零件的制造, 是半导体工业、 微电子 工业和微机械领域的重要制造技术 。 如 9J1 公司 [ I] 对电子产 品 中 的 微 小 零 件 进 行 电 化 学 蚀 刻 加 工 ;
[ L] [ H, 4]

。电解加工 “ 离子” 去除机理上的优势已

在常规电解加工中有所体现, 如表面无变质层, 无残余 应力、 粗糙度值小, 此外电解加工生产率高, 阴极无损 耗, 批量加工成本相对较低, 这些特点是其它微细加工 。 方式所难以兼备的 因此, 如何发掘电解加工机理优势, 将其应用于 161" 器件的微细加工中, 目前已引起了各国学者的 广泛重视, 成为一项很有应用前景和发展的研究课题。

K2&(&#- 公司对电动剃须刀窄槽、 微孔进行高频脉冲电 解加工 ; 印度 E’(%A,,’ 大学和美国 M$N+’-O’ 大学进 行微细电化学加工规律及在微器件应用中的研究探 [ == ] 索 ; 用超微电极进行无掩膜加工是电化学微细加工 的又一发展方向, 德国佛里 ? 哈尔贝尔研究所的 )*(P "%2A-,$+ 等人研究出的利用持续时间以纳秒计的超短 脉冲电压进行电化学微细加工新技术, 成功加工出微 [ ?] 米级尺寸的微细零件, 加工精度可达几百纳米 ; 国 内清华大学进行的微细电解直写加工; 日本 QA0&* 5 E2&O’B*+& 以牺牲速度为代价, 选用低电压、 低浓度电 解液, 在 CD H BB 薄片上加工出 !=RC "B 的微孔。 然而, 上述微细加工方法在各具优点的同时, 亦各 有一定的局限性。如: 微细电火花加工表面层质量及 加工效率受到加工机理的制约; 激光加工是热加工, 热 影响因素较多; 电子束、 离子束加工均需在真空中进 , , 行 设备成本高 使用受到很多限制; 超声加工工具有 损耗, 且在材料面积、 韧性较大时, 效率显著降低, 应用 也受到限制; 基于电化学阴极沉积的精密微细电铸技 术可制作形状复杂、 精度很高的细小零件, 但存在废品 率较高与效率较低的问题; 基于阳极溶解的微细电化 ( 电解) 学 加工在微器件加工中的应用主要还局限于 一些二维形状刻蚀, 且由于影响因素多, 形状精度还有 待于进一步提高, 国外研究三维展成式电化学微细成 形加工, 精度提高有较大难度, 扩展其在微细加工中的 应用仍需要开拓性的创新研究。 与源于电化学阴极沉积成形原理的微细电铸相 ( 6E1, 6($%: 比, 基于电化学阳极溶解原理的电解加工 ,+*%2$B&%’( 1’%2&0&03) 技术目前在微细加工中的应用
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!" 电解微细加工机理
! ! 电解加工时, ( 阳极 ) 工件 表面因钝化作用产生的 ( 金属氧化物吸附膜或成相膜 ) 钝化膜 会阻止低电流 ( 在电流效率曲线上, 密度下的电解作用 钝化区电流 H , 密度一般在 ? > HC < S %B 之间) 常规电解加工用较高 的电流密度及高速流动的电解液来消除钝化、 清除电 解产物, 保持电解过程的连续高速进行。 而微细加工 材料去除量微小, 加工精度要求很高, 电解作用必须在 ( 处于效率曲线的钝化区 ) 低电位、 微电流密度下 进 行, 不能采用活性大但杂散腐蚀严重的 M’E( 电解液, 否则用单一电解方式加工时, 工件表面的钝化膜将难 以破坏, 电解作用不能持续进行, 使得单一电解方式在 微细加工中的应用受到限制。 实现电解微细加工必须解决好钝化膜剥落及从加 工区及时清除产物的问题。工件表面的钝化膜虽在单 纯的微电流电解作用下难以消除, 但其强度远低于基 体材料, 如在加工区加上高频振动, 利用电解液的振动 “ 负压空化” ( 必要时可在电解液中加入 冲击波及 作用 极细的微粉磨料 ) 来消除附着在工件表面的钝化膜, 使加工过程连续进行下去, 并可同时改善加工区状态。 基于上述设想, 将高频振动、 脉冲电流同时引入微 (可 电流电解过程中, 使脉冲电流与高频振动的频率 、 高于 HC OGT) 相位相互协调, 当工件与工具阴极相互

!"#$%&’ (#")*+, 综- 述 ( 可达 !, 级 ) , 接近时为脉冲加电区 退离时为脉冲间 由于电解作用在工件表面产生厚 歇区。加工开始后, 度极薄、 强度远低于基体材料的钝化膜, 利用高频振动 钝化膜破坏后的表面由于电解作用 作用消除钝化膜; 又迅速产生新的钝化膜, 阻止进一步电解, 这样可避免 通常大电流密度电解时产生的杂散腐蚀作用。由于阴 极无损耗的特殊优点, 加工型面将会完全根据阴极形 ( 拷贝式) ( 展成式) 状 或包络轨迹 成形, 而阴极可由线 ( 0123 ) ( 或采用快速 电极电火花磨削 技术在线制作 , 原型 4 精密微细电铸及掩模式刻蚀 ) 这个特点非常 有利于 515! 器件立体型面加工。 由于采用高频脉 “ 负压 冲电流, 电解作用间歇进行, 高频振动冲击波及 空化” 作用能有效、 及时地去除加工区的电解产物, 改 善及加强电解作用。 这种特性对 515! 器件的高深 度比沟槽加工非常重要。这种方式的材料去除是以钝 ( 亚 !6 级 ) , 化膜层为单位 电解钝化与高频振动作用 机理上可保证加工过程中钝化膜产生 消除交替进行, 和去除的协调配合, 解决电解微细加工过程难以持续 使其实用成为可能; 此外, 高频振动冲击及空 的问题, 化作用只起消除钝化膜的作用, 不直接参与去除基体 材料, 所以通过对微能电源参数的控制, 就可能实现微 ( 深度) 细加工速度及去除量 的自动控制。 电解微细加工需采用钝化性电解液, 如浓度 78 9 :8 的 ;&;<. 或 超 纯 水, 不 具 污 染 性, 且在高频振 动、 脉冲电流作用时只需采用静液加工, 不会产生常规 大电流电解加工在工件、 设备、 环境保护方面存在的多 种问题, 便于实现清洁、 绿色制造。 脉冲电源的正极接加工的微器件, 负极接工具阴 极。为了保证加工区电流密度处于电流效率曲线的钝 化区, 脉冲电压幅值 $ 可取 7 9 . = 或更小。将微能电 源的脉冲电压信号通过转换与功率放大电路产生同频 交变电压信号, 输入给压电元件换能器, 使高频振动头 带动阴极作高频振动。 其振幅 % 可由交变电压幅值 调节, 工作台振动频率、 相位与阴极、 工件间的脉冲电 压的频率、 相位协调同步, 保证阴极与工件接近时加脉 ( 如图 : ) , 冲, 分离时为脉冲间隔 即在一个脉冲区间, 钝化膜产生、 钝化消除、 材料去除、 产物排除过程分别 进行一次, 电解则以钝化膜层为单位有条不紊地在小 ( > 7? !6 ) 间隙 下进行。 在脉冲间隔区, 有限的加工 产物在电解液振动冲击波及空化作用下可及时清除, 外部电解液亦可循环更新, 无须泵液系统。 # 微位移伺服工作台发出位置 据 ! 轴深度信息, 给 "、 进行位置调节或三轴运动合成型面展成加 控制指令, 工所需的轨迹。因此, 本试验装置不但可以进行三维 还可以进行展成铣削式型面 型面的拷贝式微细加工, 加工, 可简化微细阴极的制作。

!" 试验研究
电解微细加工采用图 7 所示的试验装置。 针对 515! 器件的微细加工, 高频振动作用只是用来消除 (7 9 钝化及改善产物排除条件, 用压电元件产生振幅 / !6) ( 线电极电火花磨削) 已可满足需要。用 0123 方式制作的微细工具阴极随振动头作高频振动。粘贴 于工作台上的微器件在连通器压力油的压力作用下与 工具阴极间保持一定的微小压力, 大小可由砝码微细 精确调节。 阴极与工件之间的间隙随高频振动作周期性变 化, 随着加工深度增加, 工件在压力油的压力作用下自 适应向上位移。 由工件的 ! 向位置可知加工去除深 度。工件的 ! 向位置通过线位移微传感器反馈给控 制计算机, 计算可得到加工深度与实时速度, 根据控制 模型向微能电源及接口功放电路发出控制信息, 调节 脉冲及振动参数, 保持加工过程的优化; 计算机还可根

在 515! 器件高深宽比沟槽加工中, 在线制作工 , ; 具阴极 可大大提高制作和安装精度 将阴极端部加工 部位以外的区域绝缘化处理, 可避免工件喇叭口的形 成; 采取减小电脉冲宽度, 提高振幅, 适当增加电解液
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综! 述 "#$%&’( )$#*+,供给量可进一步改善产物排除条件。 在微细加工中工件与阴极之间的准确定位是保证 精度的关键, 可在装置中附加一可移动转位式高精度 用阴极试加工一印记, 测 测量显微镜。在工件固定后, 定印记与加工件设计基准间的距离; 可标定工件与阴 通过微位移工作台可实现阴极与工件 极的位置关系, " 微位移工作台的伺服进 加工位置的找正, 通过 !、 给, 工件位置精度也可以得到保证。
5667 (5) : 3 87 具, 7! 9*+:$,, ; ,1%<$*=> ? @ ,?$AA- B C ,$, ’(4 C’>*,$%D>*(*AE:&>,$+>’F ,&*>’( G$H$(*#0$>,- ’>G $0$+A&>A #+*GI%,-4 <$E>*,$ ?’#$+ ,@>>’(- *J ,D$ 9K)? , 566L , L7 (5) : L5. M L7L L! @ 9D$>A N’>A,O&&>A P=’ Q’> ,R&’>A S’& T&,UI’>A QI’> PI’>A, V-$ *J 0&%+* I(,+’-*>&% H&:+’,&*> (’##&>A ,* $>D’>%$ ,D$ #+$%&-&*> *J 0&F %+*D*($- G+&(($G :E 0&%+* $($%,+* M G&-%D’+A$ 0’%D&>&>A, K>,$+>’,&*>’( ;*I+>’( *J 1’%D&>$ S**(- W 1’>IJ’%,I+$, 566/ , 75 : X3L M X5. /! ;$+YE <*Y’Z <’0(’Z’+ ?4 )’[I+Z’+ ;$+YE <*Y’Z <’0(’Z’+ ?4 )’[I+Z’+4 ",IGE *J \&0$>-&*>’( T&0&,’,&*>- *J 2($%,+* M %D$0&%’( 1&%+* M 0’%D&F >&>A4 SD$ U&J,$$>,D @>>I’( 1$$,&>A 4 SD$ @0$+&%’> "*%&$,E J*+ ?+$%&-&*> 5665 : 357 M 35] 2>A&>$$+&>A, ]! ?*--&:&(&,E *J 2($%,+*%D$0&%’( 1&%+*0’%D&>&>A4 K>,4 ;4 ;’#’> "*%4 ?+$%4 2>A, 3XXX , .5 (3) ^! <*%D, 14 ,<&+%D>$+, _4 ,"%DI-,$+, )4 ,$, ’(, 2($%,+*%D$0&%’( 0&%+*0’F %D&>&>A =&,D I(,+’ -D*+, H*(,’A$ #I(-$ M ’ H$+-’,&($ 0$,D*G =&,D (&,D*A+’#DF &%’( #+$%&-&*>, 2($%,+*%D&0&%’ @%,’4 , 566L , 7^ : .53. M .53X X! )*(J "%DI-,$+ ,_&*(’ <&+%D>$+4 2($%,+*%D$0&%’( 0&%+*0’%D&>&>A4 "%&F 566] , 5^X : X^ 8 363 $>%$, 36! "$ PEI> @D>,"D& PE*I>A )EI,\$*Z <& 9D*&,9D*>A C’0 9DI4 2F ($%,+* M %D$0&%’( 0&%+* G+&((&>A I-&>A I(,+’ -D*+, #I(-$-4 ?+$%&-&*> 2>A&F 566/ , 5^ : 35X M 3.7 >$$+&>A, 33! OD’,,’%D’+EE’ O,1I>G’ ;4 2‘#$+&0$>,’( &>H$-,&A’,&*> *> ,D$ &>J(I$>%$ *J $($%,+*%D$0&%’( 0’%D&>&>A #’+’0$,$+- *> 0’%D&>&>A +’,$ ’>G ’%%I+’%E &> 0&%+*0’%D&>&>A G*0’&>4 K>,$+>’,&*>’( ;*I+>’( *J 1’%D&>$ S**(- W 566/ , 7. : 3.63 M 3.36 1’>IJ’%,I+$, 35! 王军4 电解加工脉冲电源研制4 制造技术与机床,566] ( 35 ) : // 8 /^ 3.! 森勇藏, 藤英和, 广濑喜久治4 超纯水のみによる 化学的加工法の 研究—触媒反 を利用した 超纯水中の aP M イオン密度の增加方 5663 , /] (/) 法4 精密工学会志,

!" 结语
从国内外微细加工技术的发展状况、 电解微细加 工机理和实验研究均可看出, 将高频振动、 脉冲电流同 步协调用于电解微细加工, 电解作用被赋予了新的含 义, 常规电解加工钝化的弊端成为提高加工精度的有 “ 定域去除及微 利条件。用控制微能电源电参数实现 ‘ 离子’ 量去除” 的目标, 发挥电解 去除机理的优势, 实 现电解由普通成形加工到可靠进行微细加工的跳跃, “ 将电解引入 !0 级加工范畴 ” 并为 展示了现实可能 微传感器、 微驱动器、 检测分析设备构 性。由计算机、 造的加工系统, 加工电参数在线可调, 易于实现加工的 自适应控制, 保证了加工过程中的高精度、 高效率, 又 巧妙利用微电流密度下的电化学钝化效应, 避免电解 杂散腐蚀作用, 实现定域加工, 很好解决电解微细加工 存在的关键问题。 研究成果可为 121" 器件微细加 工开创一种清洁、 高效、 高精度、 低成本的新方法, 向着 目前国内外相关研究正在寻求的目标迈进。 参
56654 业大学出版社, 5! 苑伟政, 马炳和4 微机械与微细加工技术4 西安: 西北工业大学出版 56664 社, .! 李小海, 王振龙, 赵万生4 微细电化学加工研究新进展4 电加工与模







3! 李德胜, 王东红, 孙金玮等4 121" 技术及其应用4 哈尔滨: 哈尔滨工

作者: 王军 , 男, 副教授, 主要从事特种加工、 机械 设计方面的研究。 ( 编辑! 徐洁兰) ! ( 收稿日期: 566^ ― 33 ― 5^ ) !
! X]3. 文章编号: 如果您想发表对本文的看法, 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

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?书讯? T’:_K 2N^4 54 3 虚拟仪器实例指导教程 ( 计算机辅助分析实例指导丛书) 566^ 年 3 月出版。 L7 元 胡仁喜等编著, 邮购价: 本书通过理论与实例结合的方式, 深入浅出地介绍了 T’:_K 2N 的使用方法和使用技巧。全书共分 35 章, 每个章节中都配有 目的在于让读者结合实例更加快捷地掌握 T’:_K 2N 的编程方法。第 3 章介绍虚拟仪器系统的基本概念、 组成与特 必要的实例, 点, 虚拟仪器技术的发展现状与展望; 第 5 章介绍 T’:_K 2N^4 54 3 的新功能和新特性, 编程环境以及帮助系统; 第 . 章介绍 T’:_K 2N 的前面板、 前面板控件及其使用方法和属性设置、 程序框图及其组成要素; 第 7 章介绍创建和编辑 _K 的方法, 运行和调试 _K 的 _K 2‘#+$-_K L T’:_K 2N 的方法, 的概念及使用方法, 菜单的创建方法; 第 章介绍 中的程序控制结 方法与技巧以及创建和调用子 构框图; 第 / 章介绍局部变量和全局变量, 数组、 簇和波形数据; 第 ] 章介绍 T’:_K 2N 中与数据显示相关的内容; 第 ^ 章介绍 T’:_K 2N 中与数据的存储和读取相关的内容; 第 X 章介绍 T’:_K 2N 中信号发生、 分析和处理的相关内容; 第 36 章介绍数据采集的相关 T’:_K 2N 33 T’:_K 2N 知识以及使用 进行数据采集的方法; 第 章结合实例对 中实现通信以及网络应用的方法进行了介绍; 第 35 章介绍 _K 的优化方法, 该部分可以帮助用户优化自己的 _K, 从而编写出更高性能的程序。 本书主要面向 T’:_K 2N 的初、 中级用户, 介绍 T’:_K 2N 编程的基础知识和基本技巧, 可作为大、 中专院校相关专业的教学和 参考用书, 也可供有关工程技术人员和软件工程师参考。 366365 。 来款请寄: 北京市朝阳区望京路 7 号, 机床杂志社收, 邮编: ?! ./ ?


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