余劍武　何利華　黃　帥　尚振濤　吳　耀　段　文

1.湖南大學，長沙，410082　　2.國家高效磨削工程技術研究中心，長沙，410082

電火花修整超硬磨料砂輪技術發(fā)展現狀

余劍武1,2何利華1,2黃帥1尚振濤2吳耀2段文1

1.湖南大學，長沙，4100822.國家高效磨削工程技術研究中心，長沙，410082

電火花加工技術的發(fā)展帶動了電火花修整超硬磨料砂輪技術，改變了傳統(tǒng)砂輪“硬接觸”修整方法。近年來，許多學者致力于研究超硬磨料砂輪的電火花修整方法，為提高磨削效率和磨削精度做了大量有意義的研究?；诖罅课墨I的論述與研究，回顧了近三十年來電火花修整超硬磨料砂輪技術發(fā)展過程的各種研究內容以及取得的成果，完整地闡述了電火花修整金屬基超硬磨料砂輪技術的基本原理。以立方氮化硼(CBN)和金剛石磨料砂輪修整為主要應用，對不同電極、不同放電介質、不同放電參數以及現代工程理論輔助下的建模分析方法等方面做了介紹，分析了現有電火花修整技術發(fā)展中存在的問題，探討了未來發(fā)展的方向及趨勢。

電火花修整；金屬結合劑；超硬磨料砂輪；發(fā)展現狀

0　引言

近年來，光學、電子、通信、航空航天等領域的高科技產業(yè)飛速發(fā)展，特別是光學玻璃、碳化硅、碳化鎢等先進材料的廣泛應用，對零件的加工效率和加工精度提出了更高的要求[1]。為了達到這一要求，以磨削為代表的機械制造加工技術得到了高度關注，它反映了一個國家機械制造業(yè)的水平[2]。精密加工脆硬材料等難加工材料的傳統(tǒng)工藝——精磨、研磨和拋光，存在許多缺點，如工序繁多，工具耐磨性差，拋光液的處理比較麻煩，零件機械損傷比較嚴重等[3]，故最實用的加工方法仍是用超硬磨料砂輪(立方氮化硼和金剛石砂輪)進行粗磨、精磨，然而超硬磨料砂輪由于價格高、難修整[4-6]而使得其應用受到阻礙。因此，國內外許多學者開始對超硬磨料砂輪精密修整技術進行研究，該技術成為精密加工技術領域最重要的課題之一。

電火花加工(electrical discharge machining，EDM)起源于20世紀40年代蘇聯科學家拉扎連科夫婦的研究[7]，它是利用電能和熱能來熔化甚至氣化傳統(tǒng)切削方法難以加工的超硬材料的加工方法[8-9]。另外，EDM過程中電極和工件之間不會直接接觸，因此避免了傳統(tǒng)機械加工中的應力、振動等問題[10]。在20世紀80年代末，Suzuki等[11]首先提出電火花修整砂輪(electrical discharge dressing，EDD)技術，將EDM技術完美地融合到了磨削領域?，F在這項技術開始向加工精密、操作簡易、成本低廉等方向發(fā)展[12]。

EDD技術修整砂輪過程中，由于砂輪自身存在旋轉運動，且只作為磨削加工過程的重要組成部分，其應用仍存在一定的局限性，但通過對EDD的實驗研究以及實際應用，其修整原理以及修整效果已經得到人們的廣泛認同。

1　EDD技術原理

EDD技術一般將工具電極作為加工工具(負極)，金屬結合劑砂輪作為被加工工件(正極)，兩極之間產生火花放電和無序電弧放電[13]，利用電能的瞬時局部高溫將砂輪的金屬結合劑熔化、氣化或軟化以達到砂輪的整形和修銳要求[14]。金屬基砂輪通過不斷腐蝕金屬結合劑使磨粒重新突出。

EDD工作機理如圖1所示：

(1)當脈沖電壓施加于工具電極與工件之間時，兩極間立刻形成一個電場，使得極間介質發(fā)生電離，形成放電通道[15]。

(2)脈沖電源驅使通道內的電子高速奔向金屬結合劑(正極)，正離子奔向電極(負極)，兩種電荷不斷沖擊電極和金屬結合劑。

(3)電極和金屬結合劑表面放電點的瞬時高溫使得金屬材料熔化甚至氣化[8]。被蝕除的材料在通道中凝聚，形成蝕除產物。

(4)在電火花修整過程中，有的嵌裝在結合劑中的磨料會自行脫落，或使舊磨料出刃高度增大[15]。該過程被循環(huán)進行。

電極與砂輪之間的電壓和電流脈沖隨時間變化的波形特征如圖2所示。電脈沖中起決定性作用的參數有：U0(開路電壓)，Ue(瞬時電壓)，ie(瞬時電流)，τd(放電延遲時間)，τon(放電持續(xù)時間)，τoff(脈沖間隔時間)，τc(脈沖周期)。

圖1　EDD工作機理示意圖

圖2　極間電壓和電流脈沖波形特征

修整過程中單個脈沖電火花放電能量為[16]

(1)

式中，Ee為單個脈沖放電能量。

在一定加工條件下，單個脈沖電火花瞬間產生，且不受其他參數影響[17]。當兩極之間施加連續(xù)脈沖電壓時，其放電能量為

(2)

n=T/τc

(3)

式中，T為電火花修整過程中的實際加工時間。

放電能量理論上正比于加工量[18]，即

m∝Ee

(4)

式中，m為每單個脈沖放電能量所對應的加工量,g。

故金屬結合劑總蝕除量為

mT=KcEe

(5)

式中，mT為總的蝕除量；Kc為蝕除量與電能之間的轉換系數。

2　EDD技術研究現狀

EDD技術保持了EDM技術的基本原理，但由于加工對象不同，仍存在很多差異。圖3所示為近十年國內外在EDD技術領域所出版的文獻統(tǒng)計(檢索并統(tǒng)計于《科學引文索引(SCI)》、《工程索引(EV2-EI)》、《中國知網(CNKI)》)，可見利用EDD技術修整超硬磨料砂輪的方法已受到一定的關注。根據研究結果，其主要表現為以下幾個方面。

圖3　近十年EDD應用研究出版文獻統(tǒng)計

2.1電極選擇

EDM技術中所用的電極同樣適用于EDD技術。Suzuki等[11]首先采用φ0.5 mm的黃銅絲電極對砂輪進行電火花修整，并將其與磨石修整后的砂輪進行對比，兩者對氮化硅陶瓷的磨削力幾乎無差別，這說明黃銅絲電極電火花修整效果顯著；當然絲電極效率低，成形精度受絲電極直徑影響大，為此Suzuki等[11]又采用成形石墨電極進行砂輪修整，同時切削刀具對磨損嚴重的石墨電極進行在線修形，確保砂輪修整精度高，利用修整后的砂輪對陶瓷進行磨削，成形結果好、精度高。

在不同材料電極修整效率的比較中，Wang等[19]將石墨電極和銅電極進行實驗對比，結果顯示銅電極的修整效率高于石墨電極的修整效率，但是修整過程中銅電極不可避免會發(fā)生電解，使得銅電極表面損耗嚴重，影響砂輪修整精度，故石墨電極更適合實驗使用。然而，Sanchez等[20]在利用石墨電極和銅電極修整大粒度磨粒砂輪后提出，石墨顆粒容易在磨料之間發(fā)生堵塞，影響磨粒出露，因此實際使用中更趨向于使用銅電極。Lee[21]也對銅電極修整砂輪進行了研究，采用1/3砂輪大小99%純度的銅作為電極，修整的同時加工錳鋅鐵磁體，與無EDD修整情況相比，加工效率和加工精度明顯提高。

2.2放電介質選擇

采用EDD技術對金屬結合劑超硬磨料砂輪進行修整時，不同的放電介質對修整過程有不同的影響，許多學者在這方面也進行了研究。

與EDM技術相似，在實驗中研究者們大多采用傳統(tǒng)液體作為放電介質。Suzuki等[11]采用的是Jahnson公司生產的磨削液[11]作為放電介質，其電阻率為83.2 Ω·cm，砂輪直接安裝在磨床主軸上，避免離線修整后二次安裝誤差，實現了高精度整形。王先逵等[22]采用普通乳化液作為介質在磨床上進行在線修整，取得了滿意的修整效果。Sancheza等[23]在實驗中采用噴射液體介質方式對超硬磨料砂輪進行修整，并規(guī)劃噴射路徑與電極運動軌跡保持一致，以確保材料去除區(qū)域始終存在液體噴射，以防堵塞。

除傳統(tǒng)介質以外，王艷等[24]分別進行了氣中電火花放電修整金剛石砂輪和氣介質下電火花線切割修整金剛石砂輪的實驗研究，證明了氣中放電修整、修銳金剛石砂輪的可行性。Cai等[25]提出了一種在霧氣中放電修整金剛石砂輪的技術，其中介質分別采用了霧狀乳化液、煤油和離子水，得出利用專用煤油的噴霧修整效率最高，霧狀乳化液修銳的砂輪表面形貌最佳的結論。洪建軍等[26]比較和研究了壓縮空氣、水霧氣、霧狀乳化油三種放電介質對修整過程的影響。試驗結果表明：壓縮空氣為介質的修整速度最慢，表面質量最差；霧狀乳化油為介質的修整效率及效果最好；水霧氣為介質的修整效率與效果接近霧狀乳化油。

2.3放電參數設計

EDD過程中的熱特性問題存在很大的隨機性，從某種程度上來說，每個實驗存在獨立性以及實驗參數的復雜耦合性等原因，使得這種熱特性現象很難通過確定的電參數來解釋。

Wang等[19]對EDD過程進行了實驗分析，得出選擇適當的實驗電參數可獲得高修整效率的結論，適當的電參數一般為較大電流、較高電壓、較低砂輪轉速和低脈沖頻率，占空比選為50%。Lee等[21]在EDD過程中設定了峰值電流、脈沖持續(xù)時間和脈沖間隔，進行持續(xù)修整，金屬結合劑不斷被去除，修整間隙變大，絕緣程度不斷提高，電極和砂輪之間的電流不斷減小而電壓不斷增大。Xie等[27]通過不同介質下對比實驗研究，發(fā)現放電間隙隨開路電壓的增大而增大，但增大速度非常緩慢；放電去除量也隨開路電壓的增大而增大，且去除速度快。

結合統(tǒng)計學的方法，Sanchez等[20]根據阿達瑪矩陣設計方法進行了20組試驗，將峰值電流、脈沖持續(xù)時間、修整持續(xù)時間等電參數設定在一定的范圍內，利用標準誤差和t分布建立了回歸方程，使用該方程僅用放電電流和脈沖持續(xù)時間就可計算并測定電極磨損量與砂輪材料去除量之間的比值。

2.4EDD技術與現代工程理論結合

EDD技術作為一個復雜的工程問題，已經不能僅僅依靠傳統(tǒng)的分析方法了。將EDD技術加以數學描述，形成一組可編程計算的數學模型，再將該模型在計算機中可視化，直觀地分析大量物理數據，這一過程已得到學者們的認可并進行了深入研究。Sanchez等[20]通過測試磨削力的變化情況對粗磨粒砂輪的結合劑電火花去除機理進行了理論建模和分析。Xu等[28]根據修整參數變量建立了電極補償模型公式，分析了砂輪形貌與輪廓，并用實驗方法測量了磨削力和表面粗糙度，以評估修整后的砂輪。

EDD作為一種熱去除工藝，在修整超硬砂輪時，必須防止超硬磨粒發(fā)生碳化或石墨化。Weingartner等[29]建立了一個熱電模型，用于計算金剛石內部溫度分布情況，結果顯示，EDD過程金剛石石墨化不容易發(fā)生，只有當磨粒周邊被集中放電時金剛石才會被損傷。Wang等[30]在進行氣中電火花修整金剛石砂輪時，為了在特定條件(如電壓、溫度、熱對流一定等)下選擇最優(yōu)參數，利用ANSYS對溫度分布作有限元分析，當切削深度和火花放電點與金剛石修整器之間的距離都在熱影響區(qū)內時，修整器可以去除軟化的金屬結合劑。

3　EDD技術應用

不同超硬磨料的砂輪其應用范圍也不同，CBN砂輪主要用于黑色金屬材料磨削，而金剛石砂輪主要用于脆硬材料磨削。傳統(tǒng)的金剛石筆修整法[31]或滾輪(C杯形砂輪、DC杯形砂輪)修整法[32]都會產生修整器的高磨損率，從而引起砂輪尺寸精度和輪廓精度的降低[33]，使得整形、修銳工藝成為一個難題[34]，限制了金屬結合劑超硬磨粒砂輪的使用。EDD技術改變了傳統(tǒng)修整方法并得到應用。

3.1CBN砂輪的修整

實際生產中，一般有超過60%的結構零部件為圓柱形零部件，其中不乏一些精密部件，如滾軸、推桿和纖維套管等，這些零部件外表面要求精密高效處理。針對這一問題，Ohmori等[35]利用電火花整形技術進行加工使得磨粒明顯突出砂輪表面，該技術在無心磨床上進行了測試。經過電火花整形，得到了800號青銅鑄鐵混合結合劑CBN砂輪高精度輪廓，其直線度誤差為6 μm/W50 mm，圓度誤差為2 μm/φ150 mm。

為得到更高的修整精度，EDD技術很少應用于大粒度CBN砂輪，這是由于砂輪和電極之間的放電間隙小于磨粒突出高度，在修整過程中，很容易引起非導電磨粒與電極的接觸。Ortega等[36]提出了一套修整大粒度磨粒的專有技術，并將EDD修整完的砂輪與機械修整砂輪的方法作比較，前者可將磨削力降低50%，同時磨粒的較高突出使得進給切削深度加大。

3.2金剛石砂輪的修整

脆硬材料的磨削首先考慮使用金剛石砂輪，但是金屬結合劑砂輪用SiC滾輪法修整，效率極低，精度又差。王先逵等[37]用EDD技術對φ200 mm青銅結合劑金剛石微粉砂輪進行修整，部分磨粒在電火花爆炸力作用下或在周圍金屬熔化狀態(tài)下脫落，修銳過程不氧化表面磨粒，修銳后仍能獲得較好的磨削工件表面。在研究超細磨粒金剛石砂輪中，Zhang等[38]采用燒結方式制作500號鑄鐵基金剛石砂輪并進行EDD整形，能達到較高的修整效率和相對高的修整精度，用修整后的砂輪對氧化鋁陶瓷進行孔加工，磨削過程穩(wěn)定。Lee[39]利用EDD技術對4000號鑄鐵基金剛石砂輪修整進行了研究，并在修整的同時加工錳鋅鐵磁體，可以降低砂輪表面粗糙度和磨削力。Chen等[40]采用EDD方法將φ4 mm圓柱形金剛石砂輪制成半球頭形砂輪來磨削石英玻璃，并用該方法來保證磨削后砂輪的半球形幾何精度。

近幾年也有學者開始研究大粒度金剛石砂輪的EDD修整。Wang等[30]選用120號～140號金屬結合劑金剛石砂輪進行EDD修整，修整效率是機械修整效率的兩倍，且修整質量較高。

3.3EDD技術的衍生應用

EDM作為非傳統(tǒng)材料去除的典型方式，被不斷深入研究，發(fā)展至今日趨成熟，已被應用于非導電超硬材料領域。Konig等[41]利用在非導電工程陶瓷上涂覆的方法使其導電值達到約100 Ω·cm。類似地，許明明等[42-43]在非金屬基金剛石砂輪表面涂覆導電介質，達到了滿意的修整效果。Iwai等[44]則在實驗中將超細銅粉混入陶瓷結合劑，同時與金剛石顆粒一起制成砂輪毛坯，并成功利用EDD技術將其修整成精密陶瓷結合劑砂輪。

一些基于電火花原理的新的加工方式也不斷出現，其中，線切割電火花(wire-cut EDM，WEDM)技術是EDM技術應用拓展最為成功的一種技術[45]，這種技術同樣也符合一種工具電極對金屬結合劑砂輪放電的形式，所以也被稱為絲電極放電修整技術(wire electrical discharge dressing，WEDD)[46]。Rhoney等[47]利用WEDD技術修整砂輪并同時加工陶瓷材料，修整后砂輪中的金剛石保持性好，磨削力減小20%～40%。Konrad等[48]提出應用WEDD技術的主要優(yōu)點是修整切削深度小，金屬結合劑去除率高，電極絲和砂輪的相對運行速度大并使熱損傷盡量降低。

Tamaki等[49]提出了基于電火花原理的新的修整方式——接觸式放電修整 (electrocontact discharge dressing，ECDD)技術，舍去了脈沖電源和自動控制放電間隙裝置。Xie等[50]利用ECDD技術實現了脆硬材料的有效磨削，并指出砂輪磨粒的突出受放電電流和放電脈沖的影響很大。Lu等[51]采用實驗驗證了ECDD的修整效率在很大程度上依賴于修整參數和放電效率。

4　EDD存在的問題及發(fā)展趨勢

磨削技術正朝著高效率、高精度以及超高精度方向深入，因此對磨床、砂輪、磨削工藝提出了高要求。超硬磨料的出現一方面為高精度磨削提供了一種思路，推動了磨削行業(yè)的發(fā)展，另一方面也帶來了不可忽視的問題——超硬磨料砂輪修整。利用EDD技術修整砂輪在應用方面取得的成果在一定程度上得到了認可，其研究的主要領域如圖4所示。

圖4　EDD主要研究領域(括號內數字對應本文章節(jié)號)

目前的EDD技術還有很多的局限性。例如：以電火花腐蝕砂輪金屬結合劑，在保證高修整精度的同時修整效率不高；基于熱能的作用來蝕除金屬結合劑，那么熱能同樣會作用到電極和磨粒，因此如何保證電極損耗小、磨粒無損傷以及金屬結合劑的高去除率是需解決的問題；修整過程是一個動態(tài)隨機過程，電極和砂輪之間存在電場、流場，且放電間隙不均勻，因而對修整過程實時監(jiān)測的輔助性要求高；該技術需要專門的修整裝置，在現有的數控磨床上加裝電火花放電裝置，雖然避免了偏心和砂輪不平衡問題，但是還不能達到工業(yè)生產的要求，失去了其實現企業(yè)需求的意義。因此，為使EDD技術適應現代機床發(fā)展的要求(高效、高精、自動化)，可從以下幾個方面作為問題解決的突破口。

4.1砂輪組織研究

砂輪是由多種材料經燒結而成的復合體，其中最重要的部分就是結合劑和磨粒。EDD技術適用于導電金屬結合劑砂輪，但受限于弱導電甚至非導電結合劑砂輪，如樹脂結合劑砂輪、陶瓷結合劑砂輪等。在實際應用中，一般通過檢測砂輪表面磨粒的有效出刃高度來評價EDD技術。因此，不同于電火花直接加工工件，EDD技術更需要分析并認識砂輪修整后磨粒有效出刃高度及其分布與金屬結合劑類型之間的內在關系，以及兩者在電參數作用下的熱影響，開展并深入對現有砂輪材料的特性研究，包括導電、導熱等問題，尋找并確定砂輪旋轉運動下合理的材料去除機理，為探索高效、高精、低成本、工業(yè)應用性強的放電修整技術做好理論準備。

4.2新型智能電源研究

電源是實現EDD技術的重要硬件之一，而目前在EDD技術的實際應用中仍然沿用非常簡單的EDM電源。與EDM加工工件不同，EDD加工中砂輪作為被加工對象，在蝕除金屬結合劑的同時應使磨粒不受損傷。為此，探索砂輪在不同的組織結構、不同的金屬結合劑類型等情況下的修整電參數設置，根據修整精度和修整效率設計和細分放電回路，修整中在線檢測修整過程，自動反饋并調整電參數設置，進一步提高砂輪修整的質量與效率，實現操作簡易方便與自動化，是目前EDD技術電源研究的重要方向。

4.3EDD工藝數據庫研究

超硬磨料價格昂貴，砂輪修整時間長，這些因素都會使砂輪修整過程投入大量人力、物力、財力。合理選擇和優(yōu)化修整工藝參數是提高修整精度和效率的關鍵。計算機所提供的虛擬環(huán)境和數據存儲功能為砂輪修整研究提供了便利。針對電火花修整砂輪技術，首先需要對已經積累的數據工藝參數進行分析，通過機器學習方法對修整工藝建模并優(yōu)化工藝參數，以此為基礎建立電火花修整工藝數據庫。在數據庫的支撐下，修整系統(tǒng)能推理出合適的放電參數，指導電火花修整超硬砂輪。隨著計算機的發(fā)展，自適應控制功能以及圖形化的人機交互系統(tǒng)越來越被重視，數據存儲、提取和管理等操作變得更容易。因此，EDD工藝數據庫的研究為實現超硬砂輪電火花修整自動控制軟件開發(fā)打下了基礎。

虛擬計算環(huán)境建立不同于實際問題，它是通過經驗積累來自動提高工作性能的，因此參數設置應盡可能符合實際情況，以確保修整過程的可靠性，提高具體實驗結論的參考價值。

4.4小型智能化修整裝置研究

砂輪修整的目的是使被磨損的磨粒重新突出，恢復或保持砂輪原來較好的形貌。大多數研究人員將砂輪安裝到磨床主軸上再進行結合劑去除，這樣可以實現高精度，避免了離線修整后砂輪二次安裝出現偏心與不平衡。然而實驗室裝置大多為研究人員自主配置加裝，還未達到工業(yè)生產所要求的自動化水平，因此，需要開發(fā)電火花修整在線或在機修整裝置、檢測裝置，實現砂輪邊磨削邊修整或磨削與修整都基于同一次砂輪安裝，提高修整效率、修整精度，同時實時監(jiān)測砂輪形貌、火花放電間隙、磨削力等參數，保證修整質量并對修整質量實時評價，及時修正。裝置應小型化、集成化、智能化，通用性強，安裝與卸載方便。

5　結語

超硬磨料砂輪傳統(tǒng)修整方法已經很難適應現代高效、高精以及超高精磨削技術的發(fā)展，產品精度要求的提高迫使研究人員實現技術革新。EDM技術的發(fā)展帶動了EDD技術的發(fā)展。然而超硬磨料砂輪作為被加工對象，以及EDD技術作為輔助裝置作用于砂輪，需要進行新的探索。砂輪作為復合材料，其物理化學特性受到高溫、擠壓等多種因素的影響，研究適用于旋轉砂輪的新的電氣或非電氣工藝參數，通過仿真預測和實驗驗證相結合手段分析砂輪結合劑的放電通道、去除機理，優(yōu)化不同的工藝參數使得修整效率和修整精度得到改善是十分必要的。現代數控技術的發(fā)展給EDD技術自動化發(fā)展增加了可行性，大大提高了EDD技術的可控性。但是超硬磨料砂輪的電火花加工修整技術還需要更加深入細致的研究，實現高效、高精、智能、工業(yè)性強的修整裝置是今后超硬磨料砂輪電火花修整技術發(fā)展的方向。

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(編輯王艷麗)

State-of-the-Art of Electrical Discharge Dressing Technology for Superabrasive Grinding Wheel

Yu Jianwu1,2He Lihua1,2Huang Shuai1Shang Zhentao2Wu Yao2Duan Wen2

1.Hunan University,Changsha,410082 2.National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding,Changsha,410082

EDD of superabrasive grinding wheel was developing with electrical discharge machining (EDM) technology, changing the traditional wheel dressing methods based on hard contact. In recent years, many researchers were working on EDM dressing methods of superabrasive grinding wheel and achieving a lot of significant results to contribute to the efficiency and precision grinding. Based on numerous literatures, the research fruits on the development of EDD technology within the last thirty years were reviewed. The basic principles of EDM dressing technology of metal-bonded superabrasive grinding wheel were introduced. According to the dressing applications of CBN and diamond grinding wheels, the effects of different electrodes, different dielectrics, different electrical parameters and modeling with modern design theories were presented. The existing problems in the developing EDD technology were analyzed, and the future developing directions were also discussed.

electrical discharge dressing(EDD); metal-bonded;superabrasive grinding wheel; development state

2014-11-10

國家科技重大專項(2012ZX04003-101)

TG661；TG580DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.022

余劍武，男，1968年生。湖南大學機械與運載工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為特種加工技術、數字化設計與制造技術、先進材料復雜曲面精密加工技術及數控裝備。何利華(通信作者)，男，1987年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生。黃帥，男，1988年生。湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。尚振濤，男，1977年生。湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心研究員。吳耀，男，1965年生。湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心高級工程師。段文，男，1991年生。湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。