摘要：

粗粒度金屬基金剛石砂輪磨削效率高，面形精度保持性好，可以滿足各種成形零件的精密加工，但存在因修整困難而難以推廣的問題。針對(duì)該問題，提出采用電火花機(jī)械磨削法修整粗粒度金剛石砂輪。探究了放電參數(shù)對(duì)修整效率及刀具損耗量的影響規(guī)律，并以修整效率為優(yōu)化目標(biāo)選取粗修整試驗(yàn)放電參數(shù)，以修整精度為優(yōu)化目標(biāo)選取精修整試驗(yàn)放電參數(shù)。設(shè)計(jì)了半徑為3 mm的凹圓弧、凸圓弧砂輪修整試驗(yàn)，粗修整后凹圓弧、凸圓弧半徑分別為2867.510 μm、2919.254 μm，尺寸誤差分別為4.43%、2.69%，輪廓精度PV值為54.34 μm；精修整后凹圓弧、凸圓弧半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸誤差分別為0.17%、0.053%，輪廓精度PV值為17.28 μm。最后，磨削碳化硅陶瓷試件，獲得凹圓弧、凸圓弧半徑的尺寸誤差分別為0.24%、0.045%，工件表面粗糙度Ra可達(dá)0.463 μm。

關(guān)鍵詞：電火花機(jī)械磨削；金剛石砂輪；粗粒度成形砂輪；輪廓精度

中圖分類號(hào)：TG743

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.005

Experimental Research of Coarse-grained Forming Grinding Wheel Dressed by EDDG

YUAN Shangyong CHEN Genyu DAI Longzhou LU Enhao

1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，410082

2.Laser Research Institute of Hunan University，Hunan University，Changsha，410082

Abstract： The coarse-grained metal bond diamond wheel had high grinding efficiency and good surface shape accuracy retention， which might meet the precision machining of various forming parts， but the difficulty of dressing maked it difficult to popularize. In order to solve this problem， the EDDG was proposed for coarse-grained diamond grinding wheel dressing. The influences of discharge parameters on dressing efficiency and tool loss were investigated. The discharge parameters of rough dressing were selected with the dressing efficiency as the optimization objective， and the discharge parameters of precision dressing were selected with the dressing accuracy as the optimization objective. The concave and convex arc-shaped wheels with design radius of 3 mm were used for dressing experiments. After rough dressing， the radius of concave and convex arc-shaped are as 2867.510 μm and 2919.254 μm respectively， the dimensional errors are as 4.43% and 2.69% respectively， and the PV value of profile accuracy is as 54.34 μm. After precision dressing， the radius of concave and convex arc-shaped are as 3005.107 μm and 3001.588 μm respectively， the dimensional errors are as 0.17% and 0.053% respectively， and the PV value of profile accuracy is as 17.28 μm. Finally， the dimensional errors of concave and convex arc-shaped obtained by grinding silicon carbide ceramic specimens are as 0.24% and 0.045% respectively， and the surface roughness value of the workpiece is as 0.463 μm.

Key words： electrical discharge diamond grinding（EDDG）； diamond grinding wheel； coarse-grained forming wheel； profile accuracy

收稿日期：2022-06-16

基金項(xiàng)目：

廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2020B090924005）

0 引言

Symbol`@@航空航天、國(guó)防工程、光學(xué)鏡片、機(jī)械電子、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的高速發(fā)展對(duì)高性能硬脆材料零件的復(fù)雜型面輪廓精度及表面質(zhì)量提出更嚴(yán)苛的要求［1］。精密成形零件往往使用細(xì)粒度金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工。細(xì)粒度成形金剛石砂輪存在易堵塞、磨損嚴(yán)重、修整頻繁等缺點(diǎn)，而粗粒度成形金剛石砂輪精密磨削可大幅提高加工效率，磨削容屑空間大，面形精度保持性好［2］，但粗粒度成形金剛石砂輪的高效精密修整難題一直阻礙其工程應(yīng)用，探索高精度的粗粒度成形金剛石砂輪修整技術(shù)迫在眉睫。

砂輪的輪廓精度決定了零件的型面精度，若成形砂輪存在較大輪廓誤差將直接導(dǎo)致磨削加工的零件精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求［1，3］。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已探究的成形砂輪修整方法有車削修整［3］、磨削修整［4-6］、激光修整［7-10］ 、電火花修整［11-13］等。車削法修整是通過控制單點(diǎn)金剛石的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)砂輪進(jìn)行切削成形加工，修整簡(jiǎn)單，但金剛石刀具損耗大［3］。磨削法修整是使用普通磨料砂輪插補(bǔ)軌跡主動(dòng)與金剛石砂輪對(duì)磨修整，修整效率低，刀具易磨損，但成形精度較高［5］。激光法修整是通過聚焦的高能量脈沖激光燒蝕去除材料，有高穩(wěn)定性和高效率，但由于聚焦的光束特性在加工成形曲面時(shí)易使激光能量分散從而造成形面誤差較大［8］。電火花修整法通過擊穿放電瞬間高溫去除砂輪表面結(jié)合劑，使磨粒把持力減小脫落去除，但受放電間隙的限制，只適用于修整細(xì)粒度砂輪。為了提高砂輪的修整效率，WANG等［14］提出利用電火花放電產(chǎn)生的熱量預(yù)熱輔助機(jī)械磨削去除材料，但因采用金剛石筆作為修整工具易損耗而限制了修整精度的提高。電火花機(jī)械磨削法復(fù)合了兩種方法的材料去除優(yōu)勢(shì)，既提高了加工效率，又改善了工件的加工表面質(zhì)量［15-16］?，F(xiàn)有研究較多是將電火花機(jī)械磨削法運(yùn)用于單一的難加工材料中，還未有相關(guān)文獻(xiàn)介紹將其運(yùn)用于成形砂輪修整的研究中。

為提高粗粒度成形砂輪的修整效率和精度，本文提出采用電火花機(jī)械磨削的修整方法，分析了該修整法的材料去除機(jī)理，對(duì)影響砂輪修整精度、效率和刀具輪損耗量的放電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再分別選取較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行高效率粗修整和高精度精修整試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了成形金剛石砂輪的精密修整。最后，通過磨削碳化硅陶瓷驗(yàn)證成形砂輪的修整效果。

1 電火花機(jī)械磨削法修整機(jī)理分析

1.1 修整機(jī)理

電火花機(jī)械磨削法修整砂輪利用了電火花與機(jī)械磨削同時(shí)進(jìn)行加工去除材料的優(yōu)勢(shì)，通過電火花放電燒蝕去除金屬結(jié)合劑材料，使砂輪磨粒突出，同時(shí)刀具輪磨削磨平砂輪突出磨粒及金屬結(jié)合劑材料。圖1為電火花機(jī)械磨削修整砂輪的原理圖，其微觀修整過程為：刀具輪連接放電負(fù)極，待修砂輪連接放電正極，電火花的放電高溫將待修砂輪表面金屬結(jié)合劑材料快速融化或汽化去除，使砂輪磨粒突出；受到周邊結(jié)合劑材料上放電作用的熱影響，金剛石磨粒的局部區(qū)域會(huì)被軟化（氧化或轉(zhuǎn)變成石墨）［17］；刀具輪上的金剛石磨?？蓪④浕慕饎偸チ＜敖Y(jié)合劑材料上突出的熔融重凝層缺陷磨削去除，使待修砂輪表面金剛石磨粒與結(jié)合劑材料平整，提高砂輪整形精度。

受到電火花放電極性效應(yīng)的影響［18］，正極吸收較多的火花放電能量，可快速去除連接正極的砂輪中結(jié)合劑材料，而連接負(fù)極的刀具輪吸收較少的火花放電能量，可減少刀具輪的損耗。此外，采用放電對(duì)刀具輪進(jìn)行在線修銳也減少了磨削阻塞，提高了刀具輪的磨削能力。

總之，電火花法與磨削法相輔相成，電火花放電軟化待修砂輪表面及修銳加工刀具，提高了加工效率和刀具磨削能力。此外，電火花放電造成的結(jié)合劑重凝層缺陷和磨粒熱變質(zhì)層能被刀具輪磨削掉一部分或完全去除，可提高修整砂輪的表面質(zhì)量。因此電火花機(jī)械磨削修整法既充分利用了電火花修整的優(yōu)勢(shì)，又保持了機(jī)械磨削法修整的高表面形貌質(zhì)量和輪廓精度穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)金剛石成形砂輪高效率、高精度的修整。

1.2 放電參數(shù)與砂輪修整分析

電火花機(jī)械磨削法修整中，電火花放電能量的高低對(duì)修整效率及精度有重要影響。當(dāng)放電能量高時(shí)，可快速去除砂輪結(jié)合劑和加大金剛石磨粒的熱影響程度，但同時(shí)刀具輪也會(huì)受到放電高溫?zé)嵊绊懚觿p耗。當(dāng)放電能量較低時(shí)，待修砂輪上結(jié)合劑材料去除率降低，且金剛石磨粒熱影響程度減弱，造成刀具輪磨損嚴(yán)重。唯有當(dāng)放電能量致使的金剛石磨粒熱軟化層深度與磨削深度匹配時(shí)，才有利于機(jī)械磨削的順利進(jìn)行，在提高修整效率的同時(shí)減少刀具輪的磨損。

脈沖電火花放電去除材料及熱影響大小主要取決于單個(gè)電脈沖能量的高低，單個(gè)脈沖放電能量計(jì)算式為

Q=∫t0u（t）i（t）dt（1）

式中，Q為單個(gè)脈沖放電能量；t為脈沖持續(xù)時(shí)間；u（t）為放電實(shí)時(shí)電壓；i（t）為放電實(shí)時(shí)電流。

由式（1）可知，電火花放電能量隨著放電參數(shù)的增大而增大，可以通過改變放電參數(shù)（電壓、電流、脈寬等）來控制放電能量以實(shí)現(xiàn)砂輪的可控修整。

1.3 成形輪廓金剛石砂輪修整方案的實(shí)現(xiàn)

本文修整的成形砂輪輪廓尺寸如圖2a所示，它包括直線、凹圓弧和凸圓弧，凹凸圓弧半徑R及寬度都是3 mm，凹凸圓弧高度H均為0.402 mm。砂輪的修整分為粗修整和精修整。粗修整采用平行的刀具輪分兩步完成：第一步，將粗修整橫截面區(qū)域劃分成小矩形塊區(qū)域，依次逐層快速去除矩形區(qū)域內(nèi)的磨料層，得到接近需要輪廓形狀的砂輪（圖2a）；第二步，對(duì)于成形砂輪的圓弧輪廓段，根據(jù)橫截面為矩形的刀具輪左右兩側(cè)直角邊尖端分段設(shè)計(jì)修整路徑，找到粗修整余量的最大的偏移位置后，逐層逼近修整去除在粗修整第一步中分矩形層去除后遺留的邊角余量（圖2b）。粗修整中刀具輪會(huì)有損耗，當(dāng)?shù)毒咻喌捻斆孑喞葥p耗量超過20 μm時(shí)，需對(duì)刀具輪進(jìn)行返修，采用磨削法修整提高刀具輪的頂面輪廓精度。精修整中兩邊直線部分采用橫截面為矩形的刀具輪加工，凹凸圓弧部分采用橫截面為圓弧的刀具輪加工，按標(biāo)準(zhǔn)輪廓設(shè)計(jì)修整路徑，逐層逼近去除材料修整出需要的成形砂輪（圖2c）。

2 試驗(yàn)條件及優(yōu)化參數(shù)方案

2.1 試驗(yàn)條件

電火花機(jī)械磨削法修整青銅結(jié)合劑成形金剛石砂輪的裝置如圖3所示。修整電源的輸出脈沖電壓有60，90，120，150 V四擋，輸出峰值電流為0～20 A，占空比在0～100%范圍內(nèi)可調(diào)。機(jī)床設(shè)備采用840DSL 控制系統(tǒng)，且配有CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)砂輪修整狀況及刀具與砂輪的位置。

2.2 砂輪修整量及刀具磨耗量測(cè)量方案

為了分析研究放電參數(shù)對(duì)砂輪修整效率和刀具輪磨耗的關(guān)系，需要檢測(cè)每組試驗(yàn)加工參數(shù)修整前后砂輪輪廓數(shù)據(jù)及刀具損耗深度，測(cè)量方案原理圖見圖4。分別在試驗(yàn)修整前后用石墨板復(fù)印砂輪及刀具的輪廓位置信息，擬合換算成為修整深度H1、損耗深度H2。通過如下公式可計(jì)算出砂輪修整量Q1、刀具磨損量Q2和刀具相對(duì)損耗率σs：

Q1=πT1H1（D1－H1/2）（2）

Q2=πT2H2（D2－H2/2）（3）

σs=Q1/Q2（4）

式中，D1為砂輪直徑；D2為刀具輪直徑；T1為砂輪寬度；T2為刀具輪寬度。

2.3 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

探究放電參數(shù)（放電電流、放電電壓及脈沖寬度等）對(duì)修整效率和刀具輪損耗的影響規(guī)律并優(yōu)化工藝參數(shù)是高效高精修整成形砂輪的保障。成形砂輪修整質(zhì)量表現(xiàn)在磨粒出刃形貌、成形輪廓精度和磨削性能。

為了研究電火花機(jī)械磨削修整參數(shù)對(duì)砂輪修整效率和刀具輪損耗關(guān)系，采用正交設(shè)計(jì)L16（43）三因素四水平進(jìn)行試驗(yàn)分析，首先確定砂輪轉(zhuǎn)速nw=600 r/min，刀具輪轉(zhuǎn)速nt=1100 r/min，進(jìn)給速度vf =4 mm/min，放電介質(zhì)為0.2 MPa壓縮空氣，脈沖間隔為100 μs。設(shè)定每組試驗(yàn)加工30 min，為避免偶然誤差，每組參數(shù)下均試驗(yàn)3次取其平均值作為最后檢測(cè)記錄的砂輪修整深度及刀具損耗深度數(shù)據(jù)。

刀具損耗率表征的是刀具輪損耗量跟砂輪修整量的比值大小。刀具輪損耗量為電火花放電造成的刀具輪損耗量與機(jī)械磨削造成的刀具輪損耗量之和。選取的因素和水平如表1所示，正交試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。其中，R1和R2分別為砂輪修整量和刀具損耗率的極差，用來分析修整參數(shù)對(duì)砂輪修整量和刀具損耗率的影響程度。

對(duì)表2正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主成分分析可知：對(duì)于電火花機(jī)械磨削法修整成形金剛石砂輪時(shí)的修整效率，放電電流影響最大，放電電壓影響次之，脈沖寬度的影響最小；對(duì)于刀具損耗率，脈沖寬度影響最大，放電電流影響次之，放電電壓的影響最小。

圖5所示為放電電壓、放電電流和脈沖寬度對(duì)修整量及損耗率的影響變化規(guī)律。砂輪修整量隨著放電參數(shù)的增大而增大，損耗率隨著放電參數(shù)的增大而先減小后增大再減小。這是因?yàn)樵诜€(wěn)定的放電狀態(tài)下，放電能量的增大會(huì)使砂輪修整量增大，待修砂輪上金剛石磨粒熱軟化深度增加，機(jī)械磨削造成的刀具輪損耗量大大減小，電火花放電造成的刀具輪損耗量稍有增加，因此損耗率減小。若放電能量繼續(xù)增大，則會(huì)使砂輪結(jié)合劑

材料去除量進(jìn)一步增大，但待修砂輪上金剛石磨

粒的去除量因受磨削深度控制而增加較少，砂輪整體的修整量增加較少，機(jī)械磨削造成的刀具輪損耗量幾乎不變，電火花放電造成的刀具輪損耗量增加較多，因此損耗率增大。另外，受放電間隙的限制，當(dāng)兩輪結(jié)合劑材料之間的距離超過放電間隙時(shí)，放電狀態(tài)停止，需兩輪進(jìn)給靠近繼續(xù)進(jìn)行放電。當(dāng)放電能量再繼續(xù)增大時(shí)，較短的放電時(shí)間就可將相應(yīng)放電間隙內(nèi)的砂輪修整量去除，需要進(jìn)一步加大進(jìn)給量才能繼續(xù)放電，這樣縮短了放電時(shí)間從而電火花放電造成的刀具輪損耗量相對(duì)減少，機(jī)械磨削造成的刀具輪損耗量也減少，因此損耗率減小。砂輪粗修整要獲得最大的修整量理論最優(yōu)組合，可選擇放電電壓150 V、放電電流16 A、脈沖寬度300 μs進(jìn)行試驗(yàn)。精修整要獲得最小的損耗率理論最優(yōu)組合，

可選擇放電電壓90 V、放電電流8 A、脈沖寬度300 μs進(jìn)行試驗(yàn)。

3 成形金剛石砂輪修整試驗(yàn)

本文試驗(yàn)是在平行的青銅結(jié)合劑金剛石砂輪上修整出成形砂輪輪廓。180目粒度的待修砂輪外徑為125 mm，砂輪寬度為10 mm，金剛石磨粒大小為65～80 μm。成形砂輪如圖2a所示，凹凸圓弧半徑的尺寸精度均為（3±0.01） mm，圓弧的輪廓精度PV值為20 μm。根據(jù)制定的電火花機(jī)械磨削粗整形方案進(jìn)行修整，理想輪廓向外偏移20 μm留出精修整余量，精修整時(shí)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行高精度修整。粗精修整試驗(yàn)結(jié)束前，監(jiān)測(cè)放電狀態(tài)在整個(gè)圓弧輪廓上基本無放電后停止加工，磨削石墨板檢測(cè)粗修整精修整后的輪廓精度。采用超景深三維光學(xué)顯微鏡（VHX-6000）檢測(cè)砂輪表面微觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)。

3.1 電火花機(jī)械磨削法粗修整

粗修整中使用的刀具輪是平行青銅基金剛石砂輪，砂輪外徑為150 mm，砂輪寬度為1 mm，金剛石磨粒平均大小為105 μm。根據(jù)上述正交試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)組合，選取粗修整參數(shù)如表3所示。

采用超景深顯微鏡觀測(cè)粗修整后砂輪的表面形貌和成形輪廓精度并提取輪廓數(shù)據(jù)，測(cè)量輪廓精度PV值。

粗修整后砂輪的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6a可看出，電火花機(jī)械磨削粗修整形成了較好的成形輪廓。如圖6b和圖6c所示，通過超景深顯微鏡擬合得到的成形輪廓的凹凸圓弧半徑分別為2867.510 μm、2919.254 μm，與理論標(biāo)準(zhǔn)輪廓3000 μm誤差分別為4.43%、2.69%，還需進(jìn)一步精修整以提高成形輪廓精度。對(duì)導(dǎo)出輪廓數(shù)據(jù)使用MATLAB編程并采用最小二乘法處理，測(cè)得輪廓精度PV值為54.34 μm。砂輪表面放大形貌如圖6d所示，較大的電參數(shù)電火花放電能量很大，電火花電腐蝕后形成的重凝層明顯且使砂輪表面結(jié)合劑粗糙不平，磨粒表面經(jīng)磨削較為平整。

3.2 電火花機(jī)械磨削法精修整

精修整中使用的刀具輪是圓弧青銅基金剛石砂輪，砂輪外徑是150 mm，刀具圓弧直徑為0.8 mm，金剛石磨粒平均大小為105 μm。根據(jù)上述正交試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)組合，選取精修整參數(shù)如表4所示。

修整后的砂輪表面形貌如圖7a和圖7b所示。檢測(cè)成形輪廓的凹凸圓弧半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，與理論標(biāo)準(zhǔn)輪廓3000 μm誤差分別為0.17%、0.053%。導(dǎo)出輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算得到砂輪輪廓精度PV值為17.28 μm（圖7c）。精修整后砂輪在超景深顯微鏡下觀測(cè)到的表面形貌結(jié)果如圖7d所示，砂輪表面結(jié)合劑及金剛石磨粒都較為平整。以上檢測(cè)結(jié)果表明，最終修整的成形砂輪滿足修整要求（凹凸圓弧半徑的尺寸精度均滿足（3±0.01） mm，圓弧輪廓精度PV值在20 μm以內(nèi)）。

精修整后砂輪表面磨粒具有一定的突出高度。為確定砂輪表面磨粒突出高度值，在超景深顯微鏡觀測(cè)的區(qū)域，旋轉(zhuǎn)砂輪隨機(jī)選取8個(gè)區(qū)域，記錄觀測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)磨粒的突出高度。對(duì)于觀測(cè)區(qū)域的單顆磨粒，從橫向和縱向分布劃線測(cè)量，每個(gè)方向檢測(cè)3次，將其最大值作為該磨粒的突出高度?？偣步y(tǒng)計(jì)了92個(gè)磨粒的突出高度，發(fā)現(xiàn)80%的磨粒突出高度在15～25 μm之間（圖8）。計(jì)算該范圍內(nèi)磨粒的平均高度為21.42" μm，這是一個(gè)較合適的磨粒突出高度。以上結(jié)果表明，精修整后的砂輪表面磨粒具有較合適的突出高度，且磨粒等高性較好，能發(fā)揮優(yōu)異磨削的性能。

4 磨削試驗(yàn)

碳化硅陶瓷材料已被廣泛應(yīng)用于高溫軸承、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設(shè)備零部件等領(lǐng)域。將精修整好的成形輪廓砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)。工件材料為碳化硅陶瓷，在表5所示的條件下進(jìn)行磨削試驗(yàn)。磨削試驗(yàn)結(jié)束后，通過觀測(cè)磨削工件的輪廓精度及表面粗糙度來評(píng)價(jià)砂輪的磨削性能。磨削后的工件檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。檢測(cè)出陶瓷的成形輪廓擬合半徑分別為3007.363 mm、2998.614 μm，誤差分別為0.24%、0.045%。精密粗糙度儀測(cè)量的工件表面粗糙度Ra=0.463 μm，基本達(dá)到精密磨削的質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）電火花機(jī)械磨削修整方法可以修整出高精度的粗粒度成形金剛石砂輪。

（2）砂輪粗修整可選擇最優(yōu)組合放電電壓150 V、放電電流16 A、脈沖寬度300 μs進(jìn)行試驗(yàn)。精修整可選擇最優(yōu)組合放電電壓90 V、放電電流8 A、脈沖寬度300 μs進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）在平行砂輪上修整出的成形輪廓的凹凸圓弧輪廓半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸誤差分別為0.17%、0.053%，輪廓誤差PV值為17.28 μm。

（4）用修整好的成形金剛石砂輪磨削碳化硅陶瓷，試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷工件的輪廓擬合半徑分別為3007.363 μm、2998.614 μm，尺寸誤差分別為0.24%、0.045%，工件表面粗糙度值Ra=0.463 μm。該修整方法修整出的高精度成形砂輪可磨削得到質(zhì)量較好工件，具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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（編輯 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

袁尚勇，男，1998年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槌材チ仙拜喰拚夹g(shù)、電火花磨削復(fù)合加工。E-mail：2325249496@qq.com。

陳根余（通信作者），男，1965年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槌材チ仙拜喰拚夹g(shù)、激光微納加工、電火花加工等。E-mail：hdgychen@163.com。