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彩板门窗型材轧制

发布日期:2016/11/18 23:44:27  信息来源:本站原创

第一节    彩板门窗型材成型工艺简介

  彩板门窗型材的成型是彩板门窗生产中的关键环节。彩板门窗型材直接影响到门窗的物理性能。
冷弯成形(Cold  Roll Forming)是一种节材、节能、高效的金属成形新工艺、新技术。冷弯成形是通过顺序配置的多道次成形轧辊,把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲,以制成特定断面的型材。在辊式冷弯成型过程中只有弯曲变形。除坯料弯曲角局部有轻微减薄外,变形材料的厚度在成型过程中保持不变。这种加工方法特别适合于外形纵长、批量较大的高精度产品的加工。
  钢门窗料型采用辊式连续冷弯成型工艺,成型时前一卷带材的尾部与后一卷带材的头部经对齐对焊,使坯料带材连续不断地进入成型机进行成型。这种成型工艺高效、高产、通用。这种成型工艺的主要优点是:

     (1)带卷成本低、切损少,因而降低了材料总成本。

     (2)可以加工形状复杂的型材。

     (3)型材的头尾部扭曲及张开度减小。

     (4)由于操作几乎是连续的,因而生产率得到提高。

  冷弯成形的产品用于建筑、汽车制造、矿山机械制造、农业及轻工机械制造、造船及交通运输、石油化工电力工业、仪器仪表、集装箱、纺织机械、高速公路、金属货架、民用电器及日常用品制造等各个领域,在经济发展中起着很重要的作用。

  尽管采用冷弯成形工艺已达到很大的生产量,但它仍被普遍认为是一种“未掌握的艺术”(Blank Art),还未上升为科学。主要原因是冷弯成形作为一种金属成形加工新技术,本身具有的特点和规律尚未被人们完全掌握和认识。

  彩板门窗型材的成型绝大多数采用辊式冷弯成型。这是因为这种工艺的生产效率高(成型速度10-30m/min)、成型精度高(尺寸控制精度0.2-0.5mm)、大批量生产的成本低(成型加工费1000元/t左右)。

  我国自1986年从意大利塞柯(SERCONSULT)公司引进彩色门窗生产线,目前已有70多条门窗型材生产线,生产能力达到15万吨足以满足门窗行业的需要。


  目前国内钢门窗型材生产厂家所采用的成型机,基本上和塞柯公司的类似。这种成型机一般由24-32道水平辊机架和矫直辊机架组成。按型材成型要求配置不同辅助变形辊和立辊。水平辊是传动机架,承担变形的主要任务。辅助辊是被动的,设立于两架水平辊间或成组设立,主要作用是对平辊无法压实的盲角部分变形、并减少水平辊的道次。立辊设置在水平辊孔型的同一平面内,用于最后几道的边部成型。对于咬口的封闭街面,还要设置芯子、拉杆、咬口压痕等部件。
  轧机的压下形式可分为螺旋机械压下和液压压下。机械压下成本较低,液压压下操作方便。传动方式为万向轴式,上下水平辊可有较大的调整范围,以适应多品种门窗型材的生产。为便于轧辊的更换,外侧机架与底板多为可翻转的铰链连接。
1-带卷2-开卷机3-坯料4-对焊平台 5-加热 6-贴膜 7-进料8-成型机9-辅助辊10-驱动平辊 11-矫直台12-飞锯切断13-储料台。

 彩板门窗型材的一般生产工艺为:

 也有企业为了降低成本,略去了红外线加热和贴膜工序,这种情况下,对成型轧制轧辊的表面和生产控制有更高的要求。             

第二节 型材展开尺寸计算

型材展开尺寸是确定纵剪下料的依据。生产中通常根据理论计算值先确定基本的尺寸,然后根据实际轧制情况作一些调整。如果算法选得比较好,计算机也能直接给出准确的结果。


一般可按图形分析法计算坯料宽度,复杂断面要用计算机程序进行精确计算。料宽通常按断面中性层长度决定。一般认为中性层不经受弯折或横向拉伸变形。计算出的结果再考虑弯折处金属变薄及横向拉伸而加以修正。一个门窗型材,不管其外形多么复杂,总是由直线和圆弧单元组成的。要确定一个给定型材所需要的带宽,把它划分为直线段和圆弧段后,沿中性线对各段长度进行求和。

各弯曲段对应的带坯宽度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径 (称为名义弯曲半

径,所确定,即

W= rmα

式中  W一一弯曲段长度,mm;

rm一一名义弯曲半径,mm

α一一弯曲角角度,rad.

名义弯曲半径rm为:

rm =r+kt

式中  r一 弯曲角内径,mm

      k 一系数 (弯曲因子)

      t一带坯厚度,mm.

不同的研究者对弯曲因子k选取的数值不同。卡尔特普罗菲尔(Kaltprofile)推荐的k值如下:

         

            r/t    >0.65    >1.0     >1.5     >2.4   >3.8

            k     0.30     0.35     0.40     0.45   0.50

 

美国《金属手册 (第九版)》  推荐的 k值计算公式为   (参见图  5-3)

                

                           r ×0.04 +0.3                     r/t < 1

                K  =    (r -1.0) × 0.6 +0.34            r/t ≥ 1

                           0.45                           r/t>1,k>0.4

 


美国金属学会推荐按下表计算k值:


                 r/t                    0                0-2          >2

                  k           普通带坯0.33         0.33       0.5

                              难变形材料0.5

 


按德国DIN6935标准,k值的计算公式为:

 


                           k=0.5[0.65十0.5lg(r/t)]

                           k=0.5                   当r/t>5时

 


上式可以重新整理为:

 


         r/t           0.65-1.0   l.0-1.5   1.5-2.4    2.4-3.8     >3.8        

          k             0.3         0.35      0.4       0.45       0.5

 


计算板带宽度的公式有很多,需要注意这些公式的导出条件及其适用范围。

  Proksa方法是根据非线性微分方程公式,由龙格-库塔(Runge-Kutta)法求出的;Bogojawlenskij方法是由数学统计方法得出的,适用于U型断面壁厚1-8mm,r=5-35mm,弯曲角0-90度,板带宽度为100-350mm;德国工程师协会标准VDI3389是根据边缘变形角为90度的精确试验结果得出的,适用于V或U型断面;Oehler方法适用于弯曲角为30-150度。


总之,弯曲因子k值主要取决于弯曲内径与带坯厚度的比值,而基本上与弯曲角的大小无关。如弯曲角内径为零,弯曲角分别为90和180度时,对应的弯曲段长度为1/3t和2/3t。因此,在实际生产中计算带坯宽度仅考虑r/t的影响,材料在弯角处减薄较多或材料的强度很高时需要考虑材料的影响。

表5-1   30平开窗料型展开宽度计算值


计算方法

展开长度

中心线

223.007

DIN 6935

218.021

Proksa

221.565

Bogojawlenskij

218.021

VDI 3389

218.427

Oehler

221.244

 


第三节 轧辊的计算机辅助设计(CAD)技术

  目前冷弯型钢正朝着高精度的方向发展。以彩色钢板门窗料型为例,为保证良好的气密性、水密性,料型的制造公差在±0.3mm左右,相应地轧辊的制造公差也应控制在0.02~0.03mm之间,这对于复杂轮廓的截面来说,用普通的人工设计及手工制造来说是不可能达到的。

  对于冷弯成形行业,初级的CAD系统是以计算机辅助绘图为主要功能的。由于手工设计时,无法在一张图纸上画出二、三十道次的变形辊花图,因而在设计每一道轧辊时需要进行坐标的转换,使得计算工作量相当大和繁琐。利用计算机作图极大地简化了这一过程,通过编制的专用程序,可以很快地作出辊花图和轧辊图。但是只解决计算作图是远远不够的。门窗料型要求有良好的气密性和水密性,几何精度要求高;表面质量要求也极高,不允许擦伤彩色涂层;而彩色钢板的厚度一般较薄(0.6-1.0mm),板带料宽达200-400mm;这就极易产生翘曲和折皱等冷弯缺陷,是目前工程应用中亟待解决的问题。解决好这一难题对冷弯成形工艺具有普遍应用价值。

  冷弯型钢行业采用计算机技术是从轧辊的孔型设计开始的,轧辊的计算机辅助设计(即CAD)技术在国内应用已有近十年的历史。问题是在多大程度上可“辅助”人们完成设计。一般的CAD代替了人工计算与出图,缩短了轧辊的设计周期,但这种设计依赖的仍然是几何关系和设计者的实践经验。

  目前的CAD要向更高的层次发展。一是向自身内涵的深度发展,用计算机技术分析成形过程的应力、应变,为确定成形工艺提供模拟方法,为实际生产提供最优的辊型设计。二是向外延扩展的广度发展,用计算机技术不仅完成轧辊设计,还要实现辅助制造、生产管理、成本核算、质量控制,即实现设计制造一体化(CAD/CAM)甚至是计算机辅助工程(CAE)和计算机集成制造(CIMS)技术。由德国data M开发的COPRA是解决辊弯成型设计的集成软件。

  对用户来说,一个好的冷弯型钢轧辊设计软件应具有良好的界面,能适应不同的轧机参数,能实现多种方法的设计。COPRA是在微机上AutoCAD平台运行的一个优秀软件,该软件系统地归纳总结了冷弯成形领域的理论成果、相关的标准规范以及大量的实验数据和经验。可计算显示弯曲应变水平,计算各种材料的回弹,优化成形过程,用户可以自己定义参数存入数据库。从断面设计到轧辊制造、成本核算的全过程都可以由计算机很快地完成。

  冷弯型钢计算机辅助设计应有完整、系统的理论体系支持,例如计算板料宽度应提供有关的行业标准或Proksa、Bogojawlenski等计算方法。根据不同的材料,给出回弹计算结果,修正辊型设计参数,能够设计彩色钢板、不锈钢板、多种金属的合金板等。根据断面计算出截面面积、重量、重心坐标、几何惯性矩、截面模量、扭转几何惯性矩、载荷中心坐标、失稳参量计算等,为断面设计提供基本力学参数,为生产工艺过程提供变形力学分析依据。应力、应变计算功能,采用FEM、能量法等对冷弯变形过程计算,给出最大应变值、应力分布状况,不断优化设计结果。数据库管理功能,存储用户自定义的企业标准、实验数据、经验公式,存储和管理本企业的型材断面资料、轧辊资料、库存管理等。能进行辊的成本核算,直接给出锯切下料表、成品辊的重量。

  在进行冷弯型钢轧辊设计之前,要先确定轧机的参数文件。如机组辊的排列方式、轧辊轴线的位置、驱动直径、各架次的传动比等。这些参数可由人机对话的方式输入,也可写成相应的数据文件。一个生产厂可按不同的机组,确定几个参数文件,设计时只要选择对应的轧机文件即可。轧辊设计的有关参数,例如平辊的内径结构尺寸、最大轴向长度,轧辊的最大、最小直径,立辊的内孔结构尺寸等都可由参数文件确定。对于具体的生产企业,上述参数只需一次确定即可。在实际设计时,只要输入截面的外形尺寸,计算机就能够排出各道次的辊花图,随后可利用轧辊的编辑模块设计出轧辊的零件图。

  由于设计软件可以根据给定的参数,指导设计者确定每一道轧辊的设计和装配关系,因而轧辊的安装、调整就不会出任何问题。一旦超过极限值,就会得到一个错误或警告信息。设计者可预先了解下辊和上辊辊环的间隙,是否会发生碰撞,轧辊的最大直径是否会超过机架的最大开口度,以及是否在轧辊的端面上有足够的位置做标记槽。

  一般的计算机设计软件中虽然都包括了尺寸标注功能,但逐一地标出全部尺寸,仍是费时费力的枯燥工作。提供给用户一个专门的适用于尺寸标注的软件包,这包括单件轧辊尺寸的自动标注、配辊平面图尺寸的自动标注、自动标注孔型尺寸等功能。尺寸标注是自动执行的,用户可以对标注的尺寸移动和修改。因为这一过程是自动进行的,不但可以节省大量的时间,而且可避免尺寸的漏注和错标。

  根据不同的用户需求可选择不同的尺寸标注方法。设计者可以选择轧辊轮廓的自动标注、适用于数控加工要求的自动尺寸标注。需要说明的是,采用计算机数控方法加工要按相交点和切线方式标注尺寸,这样可节省数控编程的时间和避免错误。有键槽和标记槽的轧辊图以及装配平面图可自动地画出来。图纸可以按选定的半剖或全视图的方式绘制。

  为了方便用户应用该软件,开发了相应的汉字化环境,提供了中文菜单,中文对话框。用户可以方便地选择图幅和标题栏,能在图上按我国标准注出表面粗糙度和形位公差,用汉字写出技术要求等。

过去,要设计出好的轧辊,设计者必须有丰富的实践经验和“技术绝窍”。在确定成形工艺即辊花设计时,主要的决定是由工程技术人员作出的。在完成一套轧辊的设计之后,设计是否成功,在调试过程中是否会出严重的问题等,都是设计人员十分关注的问题。

  现有的大多数软件只能够作出几何设计,尚未提供一种可靠的预先检验、评价设计质量的方法。计算机辅助设计的优势,不应仅仅是节省人工、缩短设计周期,更重要的是实现人工设计无法做到的弯曲成形模拟技术,使得设计者能通过计算机预测实际结果。

  采用变形技术模拟软件能够用最短的时间计算出纵向发生的应变,得到与有限元类似的精确结果。用户根据这些新的模拟方法,不用大型计算机和专业的软件工程师就可以优化自己的轧辊设计。辊弯成形的工艺过程可由该软件模拟给出。产生的彩色图形清楚地显示板料在什么地方产生过度变形,为避免设计失误和优化设计提供了直观可靠的判定依据。

  对于料型断面比较复杂而板较薄的彩色钢板和不锈钢门窗,要使其在弯曲过程中不出现波浪、皱褶等缺陷,最重要的是使其在成形的纵向不产生塑性应变。最新的研究成果表明,无论多薄的板料,在变形区的应变状态总会有拉伸和压缩两种应变的交变,而拉伸和压缩的应变在板的不同层面上又显出不同的分布。只有在板的各层上都保证非弯区域各点的应变都不超过材料的弹性极限,才能保证稳定地成形。

  下山法成形在冷弯型钢的轧辊设计中是常用的方法。这种方法的目的是为使板坯边缘区域得到最小的边部应变。为使计算简单,通常采用轧制基准等量下降的方法。最近的研究表明,这种轧制基准等量下降的方法并不是应变值最小的。一种称为边部应变最小的成形方法是只有借助于计算机的手段才能实现。对于高断面的薄壁冷弯型钢生产,这种成形方法可得到更好的边缘质量以及减少轧件的生产缺陷。

这一新的模拟技术可在个人计算机上应用,这特别适合我国企业的情况,为用户学习、改进轧辊设计技术提供了方法。即使用户无计算机经验,或缺少设计经验也可预先选择视点,根据需要显示出全部轧辊的三维视图,从上部或侧面观察整个成形过程。对于小轧机能否轧出较大规格的断面,也可根据计算机显示的结果判定相邻轧辊是否会产生干涉。
  模拟技术可根据不同的材料特性、轧机参数给出相应的结果,各种冷弯异型截面成形都可给出应变分析的结果。此外,这一技术对冷弯型钢设备的生产厂改进和优化机组参数提供了很好的方法。

  我们曾用该软件的变形模拟技术为国内多个厂家作过分析模拟,计算机给出的结果与实际情况吻合的相当好。过去生产的一些料型,虽然也采用了计算机设计,但只能根据几何关系设计孔型,对实际轧制情况无法判断和模拟,在调试过程中也出现过一些问题。我们用这一新的模拟技术验证,结果与实际情况完全一致。有了模拟手段,设计质量就能采用最优化技术,我们曾根据用户厂里现有条件,采用五道变形就完成了原为十一道才能作出的一个严重不对称的截面,并一次试轧成功。

第四节 彩板门窗型材变形工艺及设计特点

  型材变形工艺图俗称辊花图,是根据型材的成品断面,按照与成型顺序相反的步骤展开,叠加在同一平面内,象一朵开放的花型。通过这样的花型图,设计者可以了解型材的变形情况,配置相应的轧辊孔型。图5-6是图5-4截面的变形工艺叠加图。图5-7是该料型的变形工艺排列图。


彩板钢门窗料采用彩色涂层钢板为原料经辊弯成形工艺制成。为保证门窗的强度采用封闭截面。焊接方法将破坏钢板表面,因而广泛采用了咬口结构。为避免咬口过程中发生干涉,避免对彩色涂层表面的损伤,同时也保证门窗的气密水密性及配合要求,要求辊型设计及制  造达到较高的精度。辊的表面粗糙度Ra ≤ 0.63μm,辊的圆周速度尽可能接近驱动速度,若辊的线速度差较大时,设计上应采用空转结构。


对于一般的辊弯成型,成形辊轴线为水平或垂直两种配置。咬口料型的成形广泛应用了空间结构的辅助辊,这种辅辊结构安装在两道主辊之间,轧辊轴线可为任意倾斜角度,它的结构形式不同于主辊及立辊。图 5-8表示了一种辅助辊的装配关系示意。为得到精确的尺寸和形状,在最后的成型道次中采用了芯子。图5-9是彩板推拉钢窗料的成形工艺图实例。


 咬口结构是彩板钢窗封闭截面的常见形式。在成型过程中,角简单的180度的一侧通常用4道次成型,另一侧常用6道次成型。


通常上下辊的齿轮传动比为1.3:1,下辊的基准直径为140mm.

第五节  轧辊的计算机辅助制造(CAM)技术


  彩板门窗型材轧辊是型材成型的关键部件。轧辊的基本特点是:外形轮廓复杂且精度高,轧辊的耐磨性应满足大批量生产的要求。采用常规的机械加工,难以保证型面精度,特别是轴向精度和变形圆角。这就给调试工作带来很大的工作量。


  数控加工是CAD/ CAM技术中最能发挥效益的生产环节之一,它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量,操作过程容易实现自动化,生产率高生产周期短,它与CAD衔接紧密,可以从产品的数字定义产生加工指令,保证零件具有精确的协调性和互换性,容易严格地控制外形和尺寸精度。生产对象的几何形状越复杂加工精度要求越高,设计更改越频繁,生产批量越小,数控加工的优越性就越容易得到发挥。上述特点正适合于门窗型材轧辊的制造。

  数控加工中一项主要的任务是数控编程,由于异型轧辊型面复杂,轧辊品种多,编程工作量大,编程速度慢成为制约提高生产率的“瓶颈”。据统计采用手工编程,一个零件的编程时间与机床的加工时间之比,平均约为30:1。因此,要充分发挥数控设备的功能,必须采用先进的计算机自动编程,使用计算机进行数控机床程序编制工作,即由计算机自动地进行数值计算,编写零件加工程序单。目前,自动编程分为两个分支,一个是以APT语言为代表的语言式自动编程系统,它用语句形式描述加工零件的几何形状以及进刀和走刀方法等,这种系统语言词汇丰富,定义的几何类形多,系统庞大,占用内存大,需使用大型计算机,费用昂贵,且不易掌握,需专门的编程人员。另一个分支是交互式图形编程系统,它借助于计算机绘图技术的发展,直接用交互式方式绘制加工零件的轮廓,通过计算和特征点的自动求解,按一定格式输出代码。这种系统从零件图形的再现,走刀轨迹的生成,加工过程的动态模拟直到数控加工指令的生成都是通过屏幕菜单驱动,图形交互式得到的,具有形象、直观、效率高的优点;这种系统还可通过DXF文件与其它绘图软件交换数据,有利于实现CAD/ CAM一体化技术。北方工业大学开发的NCUT系统就是属于这种系统,同时它还带有加工仿真模块,可模拟加工过程,代替试切加工。

  该软件是一个集成的微机图形交互式数控自动编程软件,可以进行零件的图形定义和加工的自动编程,当用户定义了零件并确定了工艺参数后;该系统将自动生成数控代码。其功能主要功能包括:

(1) 绘图与编辑功能:

   图形绘制: 包括多种方式定义点、直线、多边形、轮廓线(多义线)、圆锥曲线、解析曲线和样条曲线等。命令简单、操作方便,可实现图素几乎全部的定义方法。

   图形编辑:包括对图形元素间的过渡(圆角,倒角)、打断、修剪、形成封闭轮廓及拉伸、删除、反悔等。

   图形修改:可对图形、某组图形、图块进行多种移动、旋转、缩放、镜象、拷贝等几何处理。

   显示处理:可对图形进行局部缩放、充满全屏、移动镜头、中心移动等处理。还可随时打开局部视窗,以便同时观察全部图形和局部图形,并可执形各种操作。

   测量与查询:可测量各种尺寸、距离、角度等;还可查询各种图素的图形和属性数据。

   辅助操作:网格捕捉、特征点捕捉、各种检取方法等辅助作图手段。

   文件管理功能:包括对图形文件存贮、装载、列表、检索

   与其它系统可通过DXF文件交换图形数据。

(2) 数控编程功能:

   准备功能: 设置刀库:用于刀具、刀库管理。包括刀库选择,删除,增加, 查询;

    设置加工参数:设置换刀原点和一系列编程中所用参数。

   轨迹计算功能:

    自由轨迹: 交互式的定义直线/圆弧加工程序;

    轮廓车削: 沿一轮廓移动刀具;  

    磨削加工: 产生轮廓磨削加工程序。

(3) 代码产生加工模拟功能:

    设置后置代码类型: 设置产生同种类型的加工代码;

    代码输出: 输出已编制轨迹加工代码;

    加工模拟: 对加工程序的实际加工模拟,包括对用户自己编制程序的模拟。

    打印代码: 将代码输出到打印机;

(4) 轨迹编程功能:

    轨迹连接: 使用同一刀具的相邻加工轨迹相连,避免返回换刀原点;

    轨迹编辑: 用于修改已生成的加工轨迹的切削参数;

    轨迹删除: 删除已存在的不合适的加工轨迹。

  对于轮廓中有样条曲线或二次曲线等复杂曲线在生成刀心轨迹前可根据用户对加工离散精度的要求将其离散成多段圆弧。在编程中考虑以下几个方便用户的功能如倒角圆角的多入多出;搭刀点处的自动接刀;很方便利用刀具组的检查刀具干涉等。 利用计算机与数控机床的通讯技术,实现了数控程序的自动传输,缩短了机床辅助时间,减少了代码输入错误,大大提高了机床的利用率,并降低了废品率。 

  过去,数控程序的输入是靠手工方式一个码一个码地键入,一个较长的程序要十分钟左右,与完成一个零件的精加工的时间相差不多。人工输入很难避免错误,而任何错误都会造成工件的报废或机床事故。采用计算机与数控机床的通讯接口技术,可将编好的程序快速准确地送到数控机床,提高了机床的利用率。

  由于实现了计算机与数控机床之间的通讯,几秒钟之内可实现上千条语句的传输。一片普通的磁盘可存储二、三千片轧辊的加工数据。这样做可提高数控机床的利用率,对复杂型面轧辊的精加工,大约可提高利用率40~50%。消灭了人为输入错误,减少了废品,有力地避免了由于程序错误造成的事故。便于辊片数据的保存。重复生产及辊片的修复是十分方便的。

  彩板门窗轧辊应采用新的切削加工工艺,实现淬火后车削精加工,从而大大提高了产品精度和产品使用寿命,简化了工艺流程,缩短了产品研制周期。图5-10是用8工位数控车床加工淬火轧辊。


  由于对轧辊使用性能的特殊要求,轧辊一般都要选择较硬的材料并经过淬火处理,其硬度很高。在以前的加工工艺中,对于精度要求特别高的轧辊,只有在热处理前留一定的余量,热处理后再采用磨削工艺做精加工;对于精度要求不特别高的轧辊,一般在热处理前加工到尺寸,热处理后再采用手工抛光的办法,但这种方法不能消除热处理的变形,轧辊精度特别是形状精度有较大的误差,从而影响金属的成型。

  随着制造技术的发展,特别是刀具材料和切削工艺的迅速发展,出现了涂层硬质合金、超硬硬质合金、陶瓷材料、立方氮化硼等新型刀具材料。新型刀具材料的出现不仅大大提高了刀具耐用度和切削加工生产率,提高了加工精度和表面质量,而且解决了许多难加工材料的加工问题,可用车削加工部分代替以前使用的磨削加工,大大提高高硬度淬火材料的切削加工生产率。为此我们经过大量的切削实验和切削工艺参数优化实验,选择了合适的刀具材料牌号,确定了在数控加工中的切削工艺参数,实现了轧辊淬火后车削精加工,从而大大提高了轧辊精度和轧辊使用寿命,简化了轧辊制造的工艺流程,缩短了新的型钢断面的研制和开发周期,并降低了生产成本。

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