鍛造是機(jī)械制造的基礎(chǔ)工藝之一,是機(jī)械產(chǎn)品不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在電站、冶金、機(jī)械裝備、鐵道、造船、航空航天、兵器、汽車、化工等部門中都占有很重要地位。尤其在飛機(jī)上約有85%、汽車上約有58%、農(nóng)機(jī)上約有70%的零部件均采用鍛壓工藝制造。因?yàn)椴捎缅憠汗に囍圃斓牧慵粌H強(qiáng)度高、韌性好,而且節(jié)材、節(jié)能、成本低、適用于大批量生產(chǎn)。正如世界著名鍛壓權(quán)威,英國(guó)伯明翰大學(xué)T.A.Dean教授在人類進(jìn)入21世紀(jì)之際撰文指出:歐洲的鍛造者將是把歐洲帶入21世紀(jì)提供高科技零件的源泉。
目前,國(guó)內(nèi)外鍛造企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為“五化”:
1. 鍛件精密化
整個(gè)鍛造技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)是更精更省,達(dá)到不需機(jī)械加工或少許機(jī)械加工就可使用。
實(shí)現(xiàn)鍛件精密化,要在精鍛工藝上下功夫。因?yàn)榫懠山档统杀?0~90%,降低勞動(dòng)成本95%;與普通模鍛相比,精鍛件可降低成本60~70%。用精密模鍛工藝制造出價(jià)廉物美產(chǎn)品,是各汽車制造商奮力拼搏的殺手锏。如豐田汽車廠屬下有12家分廠,其中就有4家致力于精鍛件的開發(fā)和生產(chǎn)。美國(guó)伊頓公司年產(chǎn)精鍛齒輪件100多萬(wàn)件,公差±0.03~0.05mm。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)在擠壓成形、冷鍛及溫鍛、粉末鍛造等高效率、高質(zhì)量、高精度、節(jié)能、節(jié)材工藝的應(yīng)用發(fā)展很快。有代表性的鍛造新技術(shù)是凈形精密鍛造,典型零件是齒形鍛造和閉式鍛造的汽車變速器零件。在鍛造齒輪類零件方面眾多廠家都在進(jìn)行這方面的研究開發(fā)。圖1分別給出用于汽車和電器的部分精鍛產(chǎn)品。
1.1 實(shí)現(xiàn)精密化的主要途徑
1.1.1 冷溫?zé)徨懙膹?fù)合工藝
冷鍛是在室溫下成形的,鍛件精度可達(dá)IT8~11;溫鍛是高于室溫低于金屬再結(jié)晶溫度以下成形,一般在700~850℃鍛造,此時(shí),氧化皮厚度僅在10μm左右,精度可達(dá)IT11~14;熱鍛一般在金屬再結(jié)晶溫度以上成形,即在850~1250℃鍛造,精度可達(dá)IT13~16。冷溫?zé)徨懙木C合成形性能、成本、精度見表1[8]。
![]() a)
![]() b)
圖1 部分精鍛產(chǎn)品
a-用于汽車部分的精鍛產(chǎn)品 ; b-用于電子部分精鍛產(chǎn)品
表1 熱鍛、溫鍛、冷鍛性能成本比較表[5]
從表1可見,就材料的變形能力來(lái)看,熱鍛是冷鍛將近4倍。為了使一些復(fù)雜件也能凈形鍛造,就要采用冷熱結(jié)合或溫冷組合工藝(圖2)。上海保捷汽車零部件鍛壓公司的Valeo的輪轂就是采用這一工藝。原來(lái)韓國(guó)全是冷鍛,21道工序,成本之高不難想象。該司采用溫鍛+冷整形,僅用7道工序就達(dá)到韓國(guó)的要求。太平洋精鍛公司原來(lái)設(shè)計(jì)也是單一的冷鍛,近年來(lái),也轉(zhuǎn)向熱鍛或溫鍛+冷整形。
上海納鐵福傳動(dòng)軸有限公司,在2000年花近1億元引進(jìn)德國(guó)SCHULER公司16000KN Forgemaster壓力機(jī),專用于外星輪、三銷套(圖3)溫鍛后冷整形精密生產(chǎn)線。經(jīng)多工位溫鍛后得到的外星輪溫鍛件,其杯部?jī)?nèi)腔的下半部為球形面和球溝槽,而上半部則是圓柱面和直溝槽。由圖3可見,外星輪精鍛件要求杯部?jī)?nèi)腔上下部分均為球面和球溝槽。為此,需要通過(guò)冷縮徑精整,以達(dá)到外星輪精鍛件的要求。
外星輪的冷精整工藝:將外星輪溫鍛件退火、磷化-皂化處理;再用半球形整體凸模冷精整鍛件杯部?jī)?nèi)腔;接著用組合結(jié)構(gòu)球形凸模(芯部為錐形芯棒,外層分割為6瓣)頂著鍛件內(nèi)腔杯底,將其強(qiáng)制通過(guò)帶錐角的凹模。由于凹模對(duì)鍛件上半部杯壁產(chǎn)生徑向力作用,從而使杯壁金屬產(chǎn)生徑向塑性流動(dòng)緊緊包住凸模上球面。當(dāng)壓力機(jī)到達(dá)下死點(diǎn)后,向上抽出錐形芯棒,6塊分瓣球形凸模便向心收縮,于是,鍛件的內(nèi)腔脫離球形凸模的組合結(jié)構(gòu)被取出。從圖4可以看出,組合結(jié)構(gòu)的球形凸模的設(shè)計(jì)、凹模錐角的優(yōu)化以及溫鍛件杯部的幾何參數(shù),則是外星輪精密縮徑的技術(shù)關(guān)鍵。
對(duì)外星輪冷精整后的鍛件內(nèi)球面和滾道僅需一道磨削加工,磨削余量<0.3mm。2002年初投產(chǎn),25件/分,年產(chǎn)300萬(wàn)件。幾年來(lái),經(jīng)濟(jì)效益凸現(xiàn),現(xiàn)正籌劃建造第二條精鍛線。
![]() 圖2 溫鍛+冷整形的直傘齒輪
![]() 圖3 溫鍛+冷整形的外星輪等鍛件
![]() a) b)
a-外星輪鍛件放入模具;b-完成冷縮徑,組合沖頭拔出
圖4 外星輪精整模
圖5所示結(jié)合齒采用4工位熱鍛制坯+齒形精整+倒錐成形的熱冷鍛復(fù)合工藝。
![]() ![]() a) b)
a-鍛件;b-組合整形模
圖5 結(jié)合齒及其整形模
1.1.2 等溫模鍛工藝
等溫鍛造是指把模具加熱到與坯料變形的相同或相近的溫度,在較低速度變形過(guò)程中,使熱毛坯和模具溫度基本保持不變的鍛造方法。等溫模鍛是60年代末發(fā)展起來(lái)的鍛造新工藝,運(yùn)用這一新工藝可以生產(chǎn)出凈尺寸的產(chǎn)品。美伊利諾斯州理工學(xué)院研究所的有關(guān)專家認(rèn)為,等溫鍛造在鍛造技術(shù)中堪稱突破 。
在普通壓力機(jī)或錘上精化鍛件時(shí),由于模具的溫度較低,工件肋或
![]() 圖6 葉輪等溫模鍛件
角隙部位易于冷卻,再加變形速率較高,變形抗力明顯增加,這些都會(huì)阻礙金屬對(duì)模具型腔的充填。
圖6所示是上海交通大學(xué)研制的葉輪等溫模鍛件。所鍛葉輪葉片高寬比達(dá)到12:1。與同樣材質(zhì)的2A50(LD5)普通模鍛件相比,強(qiáng)度增加20%,延伸率增加76%,完全滿足40300轉(zhuǎn)/分的要求。該葉輪等溫模鍛的模具裝置示于圖7。
![]() 圖7 等溫模鍛件模具結(jié)構(gòu)
1.1.3 半固態(tài)成形
半固態(tài)金屬加工技術(shù)就是金屬在凝固過(guò)程中,通過(guò)劇烈攪拌或凝固過(guò)程的控制,得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮固相組分近球形的固液混合漿料(固相組分甚至可高達(dá)60%)。這種半固態(tài)金屬漿料具有流變和觸變特性,即半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性,易于通過(guò)普通方法成形形狀比較復(fù)雜產(chǎn)品。
基礎(chǔ)研究階段是從20世紀(jì)70年代開始,90年代后期,半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)入了商業(yè)化的應(yīng)用階段。規(guī)模較大的有法國(guó)Pechiney,美國(guó)Alumax、意大利的Stampal、瑞士的Buhler。國(guó)外這些技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,尤其是汽車工業(yè)和3C產(chǎn)業(yè)。相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)在半固態(tài)加工技術(shù)上還處于從實(shí)驗(yàn)室向試生產(chǎn)過(guò)渡階段[6]。
![]() 圖8 半固態(tài)加工成形的汽車零件
![]() 圖9 半固態(tài)加工的3C產(chǎn)品
![]() 圖10 我國(guó)生產(chǎn)的半固態(tài)零件
其它的精密成形方法還有超塑性成形、液態(tài)模鍛、擺動(dòng)碾壓等等。
2. 鍛造材料輕量化
可用于鍛造的有色金屬主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金及銅合金。近年來(lái),由于能源價(jià)格的不斷攀升,汽車制造業(yè)也提出輕量化的要求。到2010年前,轎車的平均重量由現(xiàn)在的1300KG降到1000KG。一輛轎車的重量若減輕10%,油耗可降低8~10%。近年來(lái),鎂合金在世界上的需求量年增長(zhǎng)率20%,而我國(guó)鎂儲(chǔ)藏量占世界70%[1]。鍛造鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能。但是,幾十年來(lái),鎂合金的鍛造產(chǎn)品僅用在很少的幾個(gè)方面,主要原因是鎂合金自身塑變特性決定其難于鍛造成形,制造成本較高,產(chǎn)品價(jià)格昂貴,圖11示出部分鎂合金鍛件。
![]() 圖11 部分鎂合金鍛件
鈦合金與其它結(jié)構(gòu)材料比較,其最重要的優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高;熱強(qiáng)性好,在400~500℃溫度范圍內(nèi),鈦合金的比強(qiáng)度超過(guò)了多數(shù)不銹鋼和抗氧化鋼。耐腐蝕,如江南造船廠將鈦絲吊在海水中一年,腐蝕僅0.01mm。因此,鈦合金首先在航空航天、造船工業(yè)和人造關(guān)節(jié)中得到應(yīng)用。世界上所生產(chǎn)的鈦合金的80%用于航空航天工業(yè),如,美國(guó)F22戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金的用量達(dá)到41%。由于價(jià)格等原因,民用客機(jī)波音-777中鈦合金的用量還只有結(jié)構(gòu)質(zhì)量的7%[9]。盡管鈦合金有很多優(yōu)點(diǎn),但因價(jià)格昂貴,限制了在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。到2006年,美國(guó)鍛造企業(yè)總數(shù)為371家,其中專業(yè)鍛造鋁合金28家,占總數(shù)的7.5%;專業(yè)鍛造鈦合金21家,占總數(shù)的5.7%。鍛造有色金屬工廠比例遠(yuǎn)高于我國(guó),目前,我國(guó)從事鈦合金生產(chǎn)的專業(yè)工廠僅有2家:陜西寶鈦實(shí)業(yè)公司和上海三鋼樺廈鈦業(yè)有限公司。圖12 示出鈦合金的人造關(guān)節(jié)鍛件。
![]() 圖12 鈦合金人造關(guān)節(jié)
日本對(duì)鋁合金鍛造的研發(fā)也投入了巨大人力和物力。本田汽車公司2004年10月發(fā)表戰(zhàn)略報(bào)告說(shuō),每輛轎車將使用200KG鋁合金零件,其中40KG為鍛件。鋁鍛件成本構(gòu)成:材料費(fèi)59%,其中16%是剝皮損耗。鑄坯經(jīng)變形量達(dá)到80%后,疲勞強(qiáng)度增加20%;在鑄坯中加鈣,沖擊韌性增加25%。豐田汽車公司說(shuō),新工藝使材料成本下降25%。相對(duì)鑄造而言,以前杠桿為例,重量下降43%[2]。到2008年,我國(guó)每輛汽車上用鋁合金將達(dá)到130KG[3]。摩托車上使用鋁合金鍛件也在迅猛增加。使用鍛鋁活塞,發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加10%。懸掛件用鋁件代替鑄鐵件減重35~40%,相對(duì)鋁鑄件減重25%[3]。俄羅斯等國(guó)家已初步完成用鋁合金做汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿代替40Cr材質(zhì)的連桿的科學(xué)研究,2A50(LD5)鋁合金連桿與40Cr的相比,總費(fèi)用高出10~12%,但其他的間接好處更多。并分析用新的鋁合金來(lái)制造零件的可能性:前梁、凸輪、懸掛杠桿、軸承殼體、轉(zhuǎn)向節(jié)叉、后橋套筒、車架橫梁等[4]。由此看來(lái),鋁合金的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他有色金屬,圖13示出用鋁合金制出的部分鍛件。
![]() ![]() 圖13 部分鋁合金鍛件
3.鍛模制造技術(shù)數(shù)字化
模具作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備,在汽車、能源、機(jī)械、信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)和日常生活用品的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。75%的粗加工零件、50%精加工零件都由模具成形。家電行業(yè)的80%零件、機(jī)電行業(yè)50%以上零件也都要靠模具加工。因此,模具又被稱為“百業(yè)之母”。模具生產(chǎn)的工藝水平及科技含量的高低,成為衡量一個(gè)國(guó)家科技與產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志,在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益、新產(chǎn)品的開發(fā)能力,決定著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。一般地說(shuō),模具費(fèi)用占鍛件成本的10%。因此,提高模具壽命,是降低鍛件成本,提高其競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑之一。而模具壽命和模具材料、熱加工規(guī)范、模具結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工及使用工況等諸多因素有關(guān)。
數(shù)字化制造技術(shù)已成為提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段,而塑性成形和模具技術(shù)的數(shù)字化將成為21世紀(jì)該項(xiàng)技術(shù)的核心。把計(jì)算機(jī)引入鍛壓工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域作為金屬成形領(lǐng)域第三個(gè)發(fā)展階段。2000年前,在英國(guó)鍛造業(yè)中就有17%使用了金屬流動(dòng)模擬技術(shù),27%的企業(yè)計(jì)劃使用。德國(guó)Walter Scheid公司有5條精鍛生產(chǎn)線。該公司在開發(fā)外星輪和三銷套新產(chǎn)品時(shí),使用模擬技術(shù),從以前修模3~5次降至現(xiàn)在1~2次。運(yùn)用MSC軟件模擬,每次可節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)1000~10000美元;透平葉片模擬后由3工步減少到2工步,成本節(jié)約1/3。可見該項(xiàng)新技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)的重要作用。在鍛造生產(chǎn)中,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)已在工藝過(guò)程仿真控制等方面發(fā)揮重要作用,逐步形成這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的高新技術(shù)。表4列出國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀及創(chuàng)新要點(diǎn)。
表4 國(guó)內(nèi)外模具現(xiàn)狀及創(chuàng)新要點(diǎn)
4.鍛壓裝備技術(shù)伺服化
從2005年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上可以看出金屬成形設(shè)備發(fā)展的總趨勢(shì)是向高自動(dòng)化、成套化、成線化、高度柔性、復(fù)合化、高精度、高效、高速度、環(huán)保、節(jié)能、降噪音等方向發(fā)展。
熱模鍛壓力機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家是模鍛的主要設(shè)備,占模鍛設(shè)備總量的40~64%,我國(guó)僅占14.5%。
除鍛錘外,成形設(shè)備大都采用機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng),其動(dòng)力源為交流異步電動(dòng)機(jī),速度不能調(diào)節(jié)與控制,故其工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性只能是單一的,工藝適應(yīng)性差,這是最大缺點(diǎn)。采用伺服控制,作用力、速度和位置等工藝參數(shù)的控制可達(dá)到較高的精度。
目前,日本AIDA壓力機(jī)制造商開發(fā)的伺服壓力機(jī)稱之為繼蒸汽驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)后的第三代壓力機(jī)[7],具有劃時(shí)代意義,如圖13所示。它采用計(jì)算機(jī)控制,利用數(shù)字控制技術(shù)可以對(duì)壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)自由自在控制,可以對(duì)滑塊位置重復(fù)控制精度達(dá)±0.01mm,輸出力可控精度達(dá)±1.6%;滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡也可任意控制,噪聲≤75db。從而為提高復(fù)雜零件的成形、環(huán)境保護(hù)、模具壽命的提高提供了良好的條件。
Enomoto Machine C0.,Ltd.制成了伺服螺旋壓力機(jī)。除了其它優(yōu)點(diǎn)以外,節(jié)能也是其突出優(yōu)點(diǎn)之一。以使用30kW伺服電機(jī)的螺旋壓力機(jī)為例,可以產(chǎn)生3000kN的打擊力;而選用機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)方式,使用相同功率電機(jī)情況下,螺旋壓力機(jī)最多也只能產(chǎn)生700~800kN 的打擊力。可節(jié)約30~50%電能。
![]() a) b)
a-原理圖;b-25000kN伺服壓力機(jī)
圖12 小松25000kN機(jī)械連桿伺服壓力機(jī)
應(yīng)該說(shuō),經(jīng)過(guò)多年的不懈努力,我國(guó)的金屬成形設(shè)備行業(yè)整體水平有了突飛猛進(jìn)的提高,已具備了與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。但在某些產(chǎn)品上的差距也是顯而易見的,最突出的問題是高精尖的機(jī)床不多,說(shuō)到底,還是技術(shù)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力不足。從鍛造設(shè)備數(shù)量上我國(guó)是一個(gè)大國(guó),但從生產(chǎn)能力上我們不是強(qiáng)國(guó)。
5. 鍛造企業(yè)組合全球化
自2002年以來(lái),世界各國(guó)鍛造企業(yè)重組加快,在海外投資建廠的進(jìn)程明顯加快,這正是鍛造業(yè)全球化的最明顯的標(biāo)志。主機(jī)廠生產(chǎn)基地的轉(zhuǎn)移,廠對(duì)廠之間的重組、合并不斷發(fā)生。然而,這些主機(jī)廠為了穩(wěn)定生產(chǎn)和快速占領(lǐng)市場(chǎng),往往要求其原有配套企業(yè)跟隨投資,這樣帶來(lái)的結(jié)果是,重復(fù)建設(shè)不斷加重,地域競(jìng)爭(zhēng)不斷強(qiáng)化,對(duì)本地鍛造業(yè)造成嚴(yán)重沖擊。主機(jī)廠成本的轉(zhuǎn)移,嚴(yán)重威脅到中小鍛造企業(yè)的生存。隨著全球化貿(mào)易的出現(xiàn),目前,主機(jī)廠迫于競(jìng)爭(zhēng)壓力,將成本逐漸轉(zhuǎn)移到其配套廠,致使鍛件價(jià)格不斷下降,而配套廠是無(wú)法轉(zhuǎn)移成本的,這就威脅到中小型鍛造企業(yè)的生存。為了應(yīng)對(duì),企業(yè)聯(lián)合形成大集團(tuán)的趨向也就越來(lái)越明顯。浙江萬(wàn)向集團(tuán)并購(gòu)江蘇森威冷鍛公司,建設(shè)計(jì)能力30萬(wàn)噸模鍛件生產(chǎn)廠。德國(guó)最大的鍛造公司亦在浙江平湖籌建新廠。日本豐田、本田都帶來(lái)一批零部件生產(chǎn)廠商。2005年,印度巴勒特鍛造(Bharat Forge)公司收購(gòu)了德國(guó)第二大鍛造公司肯.頓.佩定霍斯(Can Dan Peddinghaus)公司,近期又收購(gòu)了美國(guó)的聯(lián)邦鍛造公司(Federal Forge Inc),去年又與我國(guó)最大的一汽鍛造廠合資,已成全球第二大的鍛造企業(yè)。桑達(dá)朗緊固件公司(Sundaranm Ltd)收購(gòu)了英國(guó)達(dá)納公司(Dana Corp)的鍛造部分。阿梅泰克汽車公司(Ametek Auoto Ltd)收購(gòu)了GWK集團(tuán)的全部股份;EL鍛造公司(EL Forge)收購(gòu)了英國(guó)沙克斯比鍛造公司(Shakespear Forgings)的控股權(quán)。
上海周邊及國(guó)內(nèi)民營(yíng)鍛造企業(yè)也如雨后春筍一樣涌流出來(lái)。如浙江瑞安一個(gè)縣級(jí)市就有鍛造企業(yè)150多家。張家港宏寶鍛造廠已經(jīng)完成原始積累,通過(guò)上市募集資金2億多元。除了8條摩擦壓力機(jī)生產(chǎn)線外,現(xiàn)已建成8條熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線,還正在籌建6300噸熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線。由于該廠的欣欣向榮的場(chǎng)面,引得該廠所在大新鎮(zhèn)建立了150多家民營(yíng)鍛造廠。
希望這些模鍛廠點(diǎn),僅僅把握模鍛行業(yè)發(fā)展的“五化”,把企業(yè)做強(qiáng)做大,在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的大潮中,才能立于不敗之地!
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