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嘉興學(xué)院南湖學(xué)院外文文獻(xiàn)翻譯譯文
題 目： 拉鉤的冷沖模設(shè)計
系 別： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機(jī)械N061 學(xué) 號： 2006456790601
學(xué)生姓名： 潘曉慧
二、翻譯文章
注塑模的參數(shù)控制型腔布局設(shè)計系統(tǒng)
M. L. H. Low and K. S. Lee
機(jī)械工程系，新加坡大學(xué)，新加坡
如今，塑料產(chǎn)品的上市時間變的越來越短，因此，制造注塑模的可用交貨時間也變的少了。在模具的設(shè)計階段有個省時的潛在方法，因為由于每個模具設(shè)計可以是標(biāo)準(zhǔn)化的，所以一個設(shè)計程序可以被重復(fù)使用。本文提出了一種通過使用標(biāo)準(zhǔn)模版來控制幾何參數(shù)的方法來設(shè)計注塑模的型腔布局。標(biāo)準(zhǔn)模版的型腔布局設(shè)計包括可能布局的配置。每個布局設(shè)計的配置都有其特有的由所有幾何參數(shù)構(gòu)成的布局設(shè)計表格。這個標(biāo)準(zhǔn)模版是預(yù)定義在合型設(shè)計的布局設(shè)計的級別時的。這樣就能夠確保要求的配置能夠被快速地輸入到模具裝配設(shè)計中，而不需要重新設(shè)計布局。這使得它在模具制造前產(chǎn)品設(shè)計師和模具設(shè)計師之間的技術(shù)討論上更有用。在討論時直接改變3D型腔的布局設(shè)計，這樣可以節(jié)省時間和避免錯誤傳達(dá)。型腔設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)模版便于各個模具制造公司依照顧客具體要求而制造他們各自的規(guī)格。
關(guān)鍵詞：型腔布局設(shè)計；幾何參數(shù)；合型；注塑模設(shè)計；標(biāo)準(zhǔn)模板
1．簡介
注塑法是在一個較好的公差范圍內(nèi)生產(chǎn)大量塑料零件的最簡單的方法。在注塑法中有兩個主要的要求。那就是注塑設(shè)備和注塑模。注塑制模機(jī)上有安裝好的模具并且提供有將熔融的塑料從機(jī)器中轉(zhuǎn)移到模具中的機(jī)械設(shè)，利用壓力應(yīng)用程序來加緊模具來噴出成型的塑料部件。注塑模是將熔融的塑料轉(zhuǎn)變成最終具有詳細(xì)尺寸形狀的塑料部件的工具。如今，隨著塑料部件的上市時間變得越來越短，在一個更短的時間里生產(chǎn)注塑模變得更加必要。
注塑模具的設(shè)計及其相關(guān)的領(lǐng)域有很多工作都是依靠電腦技術(shù)來完成的。知識庫系統(tǒng)例如IMOLD[1.2]，IKMOULD[3]，ESMOLD[4]，臺灣[5]的國家程康大學(xué)[6]的知識庫系統(tǒng)，德雷塞爾大學(xué)的知識庫系統(tǒng)等都是注塑模具設(shè)計較發(fā)達(dá)的。如HyperQ/Plastic[7]，CIMP[8]，F(xiàn)IT[9]系統(tǒng)等,通過使用知識庫系統(tǒng)在挑選塑性材料方面有了發(fā)展。在注塑法[10-12]的分離設(shè)計技術(shù)上也同樣有所提高。
據(jù)觀察盡管模具制造公司仍在使用3D CAD軟件來進(jìn)行模具設(shè)計，大量的時間都浪費(fèi)在了仔細(xì)檢查每個項目的同一設(shè)計程序。在模具設(shè)計階段如果重復(fù)的設(shè)計程序能夠標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)而避免了常規(guī)任務(wù)就能夠更好的節(jié)省時間。在合型方面一個有條理的樹形分層設(shè)計也同樣是個重要因素[13,14]。然而，在型腔的布局設(shè)計中有極少的工作是控制參數(shù)，這樣，這片領(lǐng)域?qū)⑹俏覀冎饕慕裹c。盡管在設(shè)計型腔的布局時有很多的方法[15,16]，模具設(shè)計師們更傾向于使用最常見的設(shè)計方法，這樣就有必要在型腔布局設(shè)計層面上制定標(biāo)準(zhǔn)。
本文介紹了基于標(biāo)準(zhǔn)模板通過控制參數(shù)來設(shè)計注塑模的型腔布局設(shè)計的方法。首先，必須確定一個有條理的樹形合型分層設(shè)計。其次，對標(biāo)準(zhǔn)配置和不標(biāo)準(zhǔn)配置之間不同型腔配置進(jìn)行分類。在配置數(shù)據(jù)庫中將標(biāo)準(zhǔn)配置列表，并且每個配置有其自己的布局設(shè)計表來控制它自身的幾何參數(shù)。這個標(biāo)準(zhǔn)模板在模具合型設(shè)計的布局設(shè)計階段進(jìn)行先驗。
圖1.前嵌入（型腔）和后嵌入（型芯）
2．注塑模的型腔布局設(shè)計
注塑模是將熔融的塑料轉(zhuǎn)變成最終具有詳細(xì)尺寸形狀的塑料部件的工具。這樣，一個模具的最后部分要包含有推出機(jī)構(gòu)。大多數(shù)的模具由兩部分構(gòu)成：動模板和定模板。在有些模具制造公司，動模板也被稱為凹模，定模板也被稱為凸模。 表一所示為動模板（凹模）和定模板（凸模）。熔融的塑性材料被注射進(jìn)型腔中。熔融的塑性材料固化后就形成了部件。表二所示為一個簡單的兩板式注塑模。
圖2 單型腔合型
2.1單型腔和多型腔的區(qū)別
通常，熔融塑性材料所注入的空間被稱為型腔。型腔的排列被稱為型腔的布置。當(dāng)模具包含有超過一個的型腔時被稱為多型腔模具。圖3（a）和圖2（b）所示為一個單型腔模具和一個多型腔模具。
單型腔模具通常用來制造大的直方的部件例如打印機(jī)的外殼和電視機(jī)的外殼。對于較小的部件如手機(jī)外殼和齒輪，一般更經(jīng)濟(jì)的用多型腔模具來生產(chǎn)，這樣每個模具周期能夠生產(chǎn)更多的部件。顧客通常決定型腔的數(shù)目，所以他們不得不平衡機(jī)器設(shè)備的費(fèi)用和部件的費(fèi)用。
2.2多型腔的布局
同時能生產(chǎn)不同產(chǎn)品的多型腔模具稱為一個系列模具。然而，它并不經(jīng)常用來設(shè)計有不同型腔的模具，因為型腔不一定能同時在同一個溫度下被熔融的塑性材料填充滿。
另一方面，一個多型腔模具在整個的模具周期中生產(chǎn)相同的產(chǎn)品會用到平衡布局和不平衡布局。平衡布局是指型腔能夠在相同的熔融條件下同時全部被填充滿[15,16]。當(dāng)使用不平衡布局時可能會產(chǎn)生成型不完全的模具，但是可以通過修改分型面的澆流道（熔融塑性材料從澆口流到型腔的通道）的長度來克服。然而這不是一個高效的方法，在可能的情況下避免使用。圖4所示為由于使用不平衡布局而導(dǎo)致了成型不完全的情況。
平衡布局能更進(jìn)一步的分為兩類：線形和環(huán)形。平衡線形布局適用于2、4、8、16、32等型腔，也就是說它遵循系列。平衡環(huán)形布局可以有3、4、5、6或者更多的型腔，但是由于空間限制在平衡環(huán)形布局的型腔布置上有數(shù)量的限制。圖5所示是討論過的多型腔布局。
3.設(shè)計方法
本章概況地介紹注塑模的高級參數(shù)控制型腔布局設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計方法。模具設(shè)計的有效工作方法包括將大量的組件和部件安排到設(shè)計樹的最合適的層次上。圖6所示為第一級的組件和部件在設(shè)計樹的合型層。設(shè)計樹的第二層向前直到第N層的合型層上的組件和部件將被組合。在這個系統(tǒng)中，重點是“型腔的布局設(shè)計”。
圖3（a）單型腔模具。（b）多型腔模具
圖4 不平衡布局而導(dǎo)致了成型不完全
3.1標(biāo)準(zhǔn)化程序
在模具設(shè)計過程中為節(jié)約時間，有必要鑒別通常使用的設(shè)計方法的特點。每個模具設(shè)計中重復(fù)使用的設(shè)計步驟可以被標(biāo)準(zhǔn)化。從圖7中可以看出在型腔布局設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化程序中有兩個部分是互相影響的：零部件裝配的標(biāo)準(zhǔn)化和型腔布局配置的標(biāo)準(zhǔn)化。
圖5 多型腔布局
圖6 合型分層設(shè)計樹
圖7 在標(biāo)準(zhǔn)化程序中的相互關(guān)系
3.1.1零件裝配標(biāo)準(zhǔn)化
在型腔布局配置標(biāo)準(zhǔn)化前，有必要識別在型腔布局中在大量型腔中重復(fù)使用的零部件。表8所示為一個詳細(xì)的型腔布局設(shè)計的樹形層次設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。在樹形層次設(shè)計結(jié)構(gòu)圖的第二層中主要的嵌入部件有大量在層次設(shè)計樹中第三層以前的被直接裝配的零部件。它們可以被看做是主要成分和次要成分。主要成分存在于每個模具設(shè)計中。次要成分取決于所生產(chǎn)的塑料部件，所以它們可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)在模具設(shè)計中。
圖8詳細(xì)型腔布局設(shè)計的樹形層次設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
結(jié)果，將這些零部件直接放到主要嵌入部件下，確保每個重復(fù)使用的主要嵌入（型腔）將延續(xù)層次設(shè)計樹第三層以前的相同零部件的使用。這樣，就沒有必要重復(fù)設(shè)計在型腔布局中的每個型腔中的相同零部件了。
3.1.2型腔布局的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化
有必要學(xué)習(xí)和將型腔布局標(biāo)準(zhǔn)化分類為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化。圖9所示為型腔布局結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程序。
圖9型腔布局結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程序。
一個型腔布局設(shè)計，可以被理解為或者是多腔布局或者是單腔布局，但是通常是顧客來決定這個。單型腔布局總是被認(rèn)為有一個標(biāo)準(zhǔn)的配置。多型腔模具可以同時生產(chǎn)不同產(chǎn)品或者同時生產(chǎn)相同產(chǎn)品。一個模具同時生產(chǎn)不同產(chǎn)品被認(rèn)為是同系列的模具，這是不常見的設(shè)計。這樣，一個多型腔系列模具就有一個非標(biāo)準(zhǔn)配置。
多型腔模具生產(chǎn)相同產(chǎn)品可以包含要么平衡布局設(shè)計要么非平衡布局設(shè)計。非平衡布局設(shè)計很少使用，結(jié)果它被認(rèn)為是有一個非標(biāo)準(zhǔn)配置。然而，一個平衡布局設(shè)計也可以包含有一個線性布局設(shè)計或者是一個環(huán)形布局設(shè)計。這個取決于顧客要求的型腔的數(shù)目。這個必須注意，然而，布局設(shè)計也有其他非標(biāo)準(zhǔn)型腔數(shù)目也被分類在非標(biāo)準(zhǔn)配置中。
將這些布局設(shè)計分為標(biāo)準(zhǔn)化后，他們的詳細(xì)信息就可以列入標(biāo)準(zhǔn)模板中。在合型設(shè)計和支持所有的標(biāo)準(zhǔn)配置的型腔布局設(shè)計階段標(biāo)準(zhǔn)模板要進(jìn)行先驗。這樣就能確保要求的配置能夠很快的載入到合型設(shè)計中而不用再次設(shè)計布局。
3.2標(biāo)準(zhǔn)化模板
從圖10中可以看出在標(biāo)準(zhǔn)模板中有兩部分：配置數(shù)據(jù)庫和部件設(shè)計表。配置數(shù)據(jù)庫包括有所有的標(biāo)準(zhǔn)布局配置，每個布局配置都有它自己的帶有幾何參數(shù)的布局設(shè)計表。由于模具制造工業(yè)有他們自己的標(biāo)準(zhǔn)，這樣配置數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)顧客具體要求來運(yùn)用到那些預(yù)先被認(rèn)為是非標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計中。
圖10 標(biāo)準(zhǔn)模板
3.2.1配置數(shù)據(jù)庫
一個數(shù)據(jù)庫可以用來包含了所有的不同標(biāo)準(zhǔn)配置的列表。在這個數(shù)據(jù)庫中的配置的總數(shù)目相當(dāng)于在模具設(shè)計裝配的型腔布局設(shè)計階段的可利用布局配置的數(shù)目。在數(shù)據(jù)庫所列信息就是配置數(shù)目、類型、和型腔數(shù)。表1所示是數(shù)據(jù)庫的一個例子。每個可利用的布局配置的一般類型和型腔的數(shù)目的名字是配置數(shù)目。當(dāng)布局的特殊類型和型腔的數(shù)目被要求時，適當(dāng)?shù)牟季峙渲脤惠d入到型腔布局設(shè)計中。
3.2.2布局設(shè)計表
配置數(shù)據(jù)庫中所列的每個標(biāo)準(zhǔn)配置都有它自己的布局設(shè)計表。布局設(shè)計表包含有布局配置的幾何參數(shù)并且每個配置都是獨立的。更多的復(fù)合布局配置將有更多的幾何參數(shù)來控制型腔布局。
圖11（a）和11（b）所示為裝配相同四個型腔布局的有一個大腔和四個小腔的模板的背面。它一般更經(jīng)濟(jì)，與用機(jī)械設(shè)備在一大塊的鋼板上制造獨立的更小的腔相比，用機(jī)械設(shè)備在制造一個大的腔更加容易。用機(jī)械制造一個大的腔的優(yōu)點有：
1. 在腔與腔之間可以節(jié)省更過的空間，這樣更小塊的鋼板就可以被使用了。
2. 與加工多個小的腔相比加工一個大的腔的加工時間要更快。
3. 加工大腔比加工小腔能獲得更高的精確度。
結(jié)果，在布局設(shè)計表中的幾何參數(shù)的默認(rèn)值將導(dǎo)致腔于腔之間將沒有間隙。然而，為是系統(tǒng)更加靈活，幾何參數(shù)的默認(rèn)值在需要的地方可以修改以此來適應(yīng)每個模具設(shè)計。
圖11 模板背面
3.3幾何參數(shù)
幾何參數(shù)有三個變量：
1. 型腔之間的距離。布局設(shè)計表中所列出的型腔之間的距離可以由使用者來控制或修改。距離的默認(rèn)值就是這些型腔間沒有間隙的值。
2. 個別型腔的取向角。個別型腔的取向角也被列在了布局設(shè)計表中，這些數(shù)值用戶可以修改。對于一個多型腔布局，所有的型腔都必須如布局設(shè)計表中所說有相同的取向角。如果取向角被修改，所有的型腔將會旋轉(zhuǎn)相同的取向角而不受結(jié)構(gòu)配置的影響。
3. 型腔間的裝配關(guān)系。型腔間的方向與先驗每個獨特的布局配置有關(guān)并且由型腔間的裝配關(guān)系控制。
圖12所示為一個單型腔布局配置和它的它的幾何參數(shù)的例子。主要嵌入/型腔的原點是在中心。X1和Y1的默認(rèn)值是0所以型腔的布局時在中心的（雙方起源重疊）。使用者可改變X1和Y1的值，所以型腔可以適當(dāng)?shù)钠啤?
圖13所示是一個八型腔布局配置和它的幾何參數(shù)的例子。X和Y值是主要嵌入/型腔的大小。默認(rèn)X1、X2的值等于X，Y1的值等于Y，這樣型腔間就沒有間隙。考慮到設(shè)計中的型腔間的間隙X1、X2和Y1的值可以增加。這些數(shù)值在布局設(shè)計表中都有列出。
如果一個型腔的方向不得不調(diào)整90°，剩下的型腔也要旋轉(zhuǎn)相同的角度，但是布局設(shè)計的殘余也是同樣。使用者可以通過改變布局設(shè)計表的參數(shù)來旋轉(zhuǎn)型腔。最終的布局如圖14所示。一個復(fù)雜的型腔布局配置有更多的幾何參數(shù)，必須確保參數(shù)方程的聯(lián)系。
圖12 單型腔布局配置和幾何參數(shù)
圖13沒有型腔旋轉(zhuǎn)的八型腔布局配置
和幾何參數(shù)圖 圖14 型腔旋轉(zhuǎn)的八型腔布局配置和幾何參數(shù)
4.系統(tǒng)實現(xiàn)
注塑模的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)控制型腔布局設(shè)計系統(tǒng)通過奔騰III PC兼容機(jī)作為計算機(jī)硬件來執(zhí)行。這個原型系統(tǒng)使用商業(yè)CAD系統(tǒng)（SolidWorks2001）和商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Microsoft Excel）作為軟件。成熟的原型系統(tǒng)在Windows NT環(huán)境下使用Microsoft Visual C++ V6.0編程語言和SolidWorks API（應(yīng)用程序設(shè)計接口）。
SolidWorks被挑選出來的兩個主要的原因是：
1. 在CAD/CAM工業(yè)放心日益增長的趨勢是向Windows-based PCs的使用來代替了UNIX工作站的使用，主要是因為包含購買計算機(jī)硬件的花費(fèi)。
2. 三維CAD軟件是Windows系統(tǒng)完全兼容的，這樣它能夠平穩(wěn)地整合從Microsoft Excel文件到CAD文件（部分，裝配，圖紙）的信息[17]。
這個原型設(shè)計有一個列在Excel文件中的八個標(biāo)準(zhǔn)布局配置的配置數(shù)據(jù)庫。這個由圖15（a）所示。與這個配置數(shù)據(jù)庫一致，布局設(shè)計階段，SolidWorks中的一個裝配文件有相同的布局配置。在Excel文件中的配置名與圖15（b）所示的在布局裝配文件中的裝配名相對應(yīng)。
每個設(shè)計中的每個型腔布局裝配文件將會被這些布局配置預(yù)裝載。當(dāng)要求的布局結(jié)構(gòu)按要求通道到用戶界面，布局配置將被載入。用戶界面如圖16所示是在要求的布局配置載入之前的。在載入要求的布局配置之上，最近的布局配置信息將會被列入列表框中。
對在配置數(shù)據(jù)庫中找到的任何其他可用的布局結(jié)構(gòu)，用戶就能夠改變當(dāng)前布局結(jié)構(gòu)。這個由圖17舉例說明。
最近的布局結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計表包含有當(dāng)用戶觸發(fā)了在用戶界面底部的按鈕時就能夠激活的幾何參數(shù)。當(dāng)幾何參數(shù)值改變，型腔布局設(shè)計將因此更新。圖18所示是激活了最近的布局結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計表。
圖15 原型系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)庫和布局模板 圖16 要求的布局配置載入之前的用戶界面
圖17 要求的布局配置載入之后的用戶界面 圖18布局設(shè)計表的用戶界面
5.案例研究
如圖19所示的手機(jī)外殼的CAD模型，使用了如下的案例研究。
在型腔布局設(shè)計階段之前，原CAD模型必須根據(jù)使用的模具損耗值來修剪。主要的嵌入部分會制造的能夠壓縮進(jìn)收縮的部分。這個整個的部件被認(rèn)為是主要的嵌入部件(xxx cavity.sldasm),?！癤XX”是項目名。圖20所示是主要的嵌入部件。在主要的嵌入部件創(chuàng)建后，型腔布局設(shè)計系統(tǒng)將會被用于準(zhǔn)備合型的型腔布局。
5.1方案1：最初的型腔布局設(shè)計
在一個模具設(shè)計中，建立在一個模具中的型腔的數(shù)目通常是有顧客建議的，這樣他們必須平衡工件方面的投資和零件的花費(fèi)。最初，顧客要求用一個兩個型腔的模具來設(shè)計這個手機(jī)外殼。在創(chuàng)建了主要的嵌入部件后，模具設(shè)計師載入了一個使用型腔布局設(shè)計系統(tǒng)有兩個型腔的線性布局結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的配置名是L02如圖21所示列入了用戶列表中。
5.2方案2：型腔布局設(shè)計中的修改
顧客與模具設(shè)計者間的工藝討論會議是很普遍的。這樣在模具制造前就能夠盡可能早的修改三維CAD文件中的產(chǎn)品和模具。修改基本上是不可避免的，模具設(shè)計者也從不會在主要的時間上延期。
既然這樣，在工藝討論會議中，顧客改變他們的想法，需要一個線性的四個型腔的模具來代替兩個型腔的模具，所以手機(jī)外殼的價格就要增加。模具設(shè)計者可以使用型腔布局設(shè)計系統(tǒng)來修改目前的型腔布局設(shè)計為一個線性的四個型腔的模具。要求的新的布局結(jié)構(gòu)可以從配置數(shù)據(jù)庫所列的可利用的布局結(jié)構(gòu)中挑選出來。如圖22所示。
圖19 手機(jī)的CAD模型 圖20 主要嵌入包裝的收縮部分
圖21 線性兩型腔的配置 圖22 線性 四型腔布局配置（布局配置變化后）
5.3方案3：型腔間所要求的間隙
最后，在另一個工藝討論會議中，模具設(shè)計者被要求介紹在軸向方向上型腔間有20mm的間隙，如圖23所示。
圖23 型腔間有間隙的簡介
在型腔布局組件階段，模具設(shè)計者使用型腔布局系統(tǒng)來激活最近的布局結(jié)構(gòu)中的布局設(shè)計表。介紹的軸向方向上型腔間的間隙是20mm的Y1值是從50mm到70mm間變化的。圖24所示是在布局設(shè)計表中Y1值的變化。最終的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在間隙增加后如圖25所示。
圖24 布局設(shè)計表中Y1值的變化 圖25 增加間隙后的最終設(shè)計
6.結(jié)論
在本文中，使用標(biāo)準(zhǔn)模板的方法是為參數(shù)控制的型腔布局設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展提出計劃。自從這個方法使用了標(biāo)準(zhǔn)化后，如果他們的設(shè)計程序是重復(fù)使用的或者他們有普遍應(yīng)用于每個模具的特點，它就可以更進(jìn)一步的應(yīng)用于其他的合型設(shè)計的部件。較成熟的型腔布局系統(tǒng)的優(yōu)點如下：
1. 該系統(tǒng)有容易使用的界面。
2. 自從它使用數(shù)據(jù)庫后，它就高度的靈活，有他們自己標(biāo)準(zhǔn)的模具制造公司可以根據(jù)顧客的具體要求來制定數(shù)據(jù)庫來迎合他們的需要。
3. 因為先驗標(biāo)準(zhǔn)模板在合型設(shè)計中的布局設(shè)計階段是可利用的，所以要求的布局結(jié)構(gòu)可以很快地載入到合型設(shè)計中而不需要再次設(shè)計布局。
4. 這個系統(tǒng)能夠使產(chǎn)品設(shè)計者和模具設(shè)計者在模具制造前，在討論中直接改變布局有更多的有用的工藝討論。
5. 這個系統(tǒng)這模具設(shè)計程序能夠節(jié)省時間，因為它省去了多余的工作。這對于在模具制造工業(yè)自從模具制造的生產(chǎn)周期日益提高是很重要的。
較發(fā)達(dá)的系統(tǒng)有相同的局限性。盡管數(shù)據(jù)庫和布局設(shè)計表可以根據(jù)顧客的具體要求來制定，客制化將會由于更多的復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)化配置而變的能困難，因為正確的幾何參數(shù)有待確定。我們一般工作都要求有一個標(biāo)準(zhǔn)的模板來制造模具設(shè)計中的其他部件。
參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師評語
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