SLM成形打印件振動輔助磁力研磨試驗

張鵬，孫玉利，王燎原，陳法宇，盛一

精密與超精密加工

SLM成形打印件振動輔助磁力研磨試驗

張鵬1，孫玉利1，王燎原1，陳法宇1，盛一2

（1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016；2.南京星合精密智能制造研究院，南京 211106）

研究使用振動輔助磁力研磨去除選區激光熔化（SLM）成形打印件表面的未熔融粉末時，各加工參數對試樣表面粗糙度降低率和表面形貌的影響。結合波導管工件，采用SLM成形打印AlSi10Mg試樣，并利用自行研制的振動輔助磁力研磨裝置進行加工間隙、磁極轉速、振動頻率、加工時間等4個因素各5個水平的單因素試驗，以表面粗糙度降低率為評價指標，探究各加工因素對試樣表面粗糙度降低率和表面形貌的影響規律。對于采用選區激光熔化成形的試樣來說，當加工間隙從3 mm增大到7 mm時，試樣的表面粗糙度降低率顯著降低，最大降低率為84.7%，最小降低率為6%。當加工間隙為3 mm時，試樣表面的未熔融粉末基本去除，表面較平整。當磁極轉速從200 r/min增大到1 000 r/min時，表面粗糙度降低率先增大后趨于穩定，在轉速為200 r/min時表面粗糙度降低率最?。?4.3%）。當轉速達到400 r/min甚至更高時，表面粗糙度降低率趨于穩定，表面粗糙度降低率保持在80%左右。表面粗糙度降低率隨著振動頻率增大的變化情況較為復雜，但是總體呈現先增大后減小的趨勢，并且在振動頻率為15 Hz時，表面粗糙度降低率最大（84.7%）。當加工時間從10 min增大到50 min時，表面粗糙度降低率呈現先增大后減小的變化趨勢，在加工時間為40 min時，表面粗糙度降低率最大（81.7%）。加工間隙、磁極轉速、振動頻率和加工時間對表面粗糙度降低率都有不同程度的影響，SLM成形的試樣經過振動輔助磁力研磨之后，表面粗糙度顯著降低，表面未熔融粉末得到有效去除。

選區激光熔化；未熔融粉末；振動輔助；磁力研磨；表面粗糙度降低率；表面形貌

增材制造技術（又稱3D打印技術）是一種以離散–堆積為基本原理，通過計算機輔助設計，將原材料自下而上逐層累積制造零件的成形技術。作為一個新興的技術，增材制造技術憑借其“近凈成形”、顯著降低原材料消耗和顯著縮短零件制造周期等優勢在航空航天、汽車船舶、醫療和食品等領域得到了廣泛應用[1-5]。美國聯合技術研究中心于1979年首次提出了金屬增材制造技術的想法[6]。從20年代90年代中期開始，金屬增材制造技術大量應用于航空航天領域，國內外的學者對此進行了大量研究[7-8]。作為金屬增材制造重要原材料之一的AlSi10Mg，它具有質量輕、靜態力學性能良好等特點[9]，被廣泛應用于金屬增材制造工藝中。由于增材制造技術存在階梯效應、粉末黏附、球化效應等缺陷[10-12]，制造出來的工件表面會殘留大量的未熔融粉末凸起，導致其表面粗糙度達到10～50 μm，很難達到使用標準，因此需要對增材制造后的零件進行后續的光整加工，使它滿足使用要求[13-14]。

目前，對金屬增材制造零件進行拋光的方法有很多種，如手工拋光、噴砂拋光、激光拋光、化學與電化學拋光、磨粒流拋光等[15]。Remos–Grez等[16]采用較低的激光能量密度對SLM成形的鐵銅零件進行激光拋光，使表面凹凸不平的部分熔化再凝固，最終得到了光滑的表面。馬寧等[17]使用氨基磺酸–甲酰胺非水溶液對激光選區熔化鈦合金TC4進行了電解拋光，研究了電流密度和加工時間對不同構建角度的鈦合金拋光后的表面粗糙度和材料去除量的影響。高航等[18]采用復合粒徑磨料介質對增材制造的鋁合金格柵進行磨粒流光整加工，研究了加工過程中零件表面形貌、材料去除率和表面粗糙度的變化情況。激光加工設備較昂貴，且難以加工具有復雜內凹槽結構的波導管。另外，化學、電化學加工廢液不經過專業處理隨意排放會對生態環境造成污染，磨粒流加工常會出現銳邊過拋問題，且通過探索性試驗發現在加工異形波導管時內凹槽容易發生磨料卡滯和堵塞現象。磁力研磨技術（Magnetic Abrasive Finishing，MAF）指在強磁場作用下，通過磁性磨料對工件表面進行擠壓和不斷在工件表面進行摩擦運動，從而對工件表面進行研磨拋光的技術。磁力研磨技術具有柔性較好、自適應性較好、可控性較好、無變質層、加工質量高、效率高和磨具無須進行磨損補償等優點，在前期使用磁力研磨對波導管內腔進行加工時取得了較好的加工效果。磁力研磨研究成果在平面、外圓面、內圓面和成形面光整加工的許多場合得到了廣泛應用[19]。葉恒宇等[20]使用SiC磨料和鑄鋼粉的混合物作為磁性磨料，利用正交試驗從研磨液類型、磨料粒度、磨料各組分比重、加工間隙和磁場強度等5個因素各4個水平進行試驗設計，并找出了最佳的工藝參數組合。Teng等[21]對SLM成形的AlSi10Mg工件先采用磨削工藝將其表面粗糙度從7 μm降至0.6 μm，再使用磁力研磨工藝降至最低值（0.155 μm）。韓冰等[22]針對普通磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管內表面加工效率低、紋理不均勻等問題，提出了一種振動輔助磁力研磨技術，采用曲柄滑塊振動機構和超聲振動機構輔助磁力研磨，并進行了對比試驗，實現了對陶瓷管內表面的高效精密加工。Yin等[23]使用垂直振動輔助磁力研磨對鎂鋁合金、黃銅和不銹鋼進行了光整加工試驗，發現該工藝可以實現鎂鋁合金的光整加工，并且其單位時間的材料去除量大于黃銅和不銹鋼的。焦安源等[24]為了提高鈦合金錐孔的研磨質量和研磨效率，提出采用超聲波振動輔助磁力研磨的復合加工方案，通過試驗與傳統磁力研磨法進行對比，并分析了研磨后試件的材料去除量、表面粗糙度和表面形貌等，驗證了超聲磁力復合研磨的效果。

學者對磁力研磨及各種輔助磁力研磨加工的工件大多停留在平面、內外圓面等簡單型面，對于具有復雜型腔、盲孔和盲槽結構工件的磁力研磨試驗的研究較少。文中結合SLM成形的具有梳齒形內槽結構的AlSi10Mg異形波導管，采用SLM工藝制備試樣，并根據波導管和試樣自行研制一套振動輔助磁力研磨裝置，通過該試驗裝置，以小鋼珠為磁性磨料，以表面粗糙度降低率為評價指標，設計單因素試驗，研究加工過程中加工間隙、磁極轉速、振動頻率、加工時間等參數對工件表面粗糙度降低率和表面形貌的影響。

1 試驗

1.1 振動輔助磁力研磨試驗裝置

為了對波導管內部及試樣進行加工，自行研制了一套振動輔助磁力研磨裝置，示意圖如圖1所示。設計的磁場發生裝置為一個旋轉磁極盤，在鋁合金磁極盤上有4個對稱分布的磁極槽，分別布置4塊方形永磁體和1塊半圓永磁體。每塊方形永磁體的尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，材料為Nd–Fe–B，牌號為N52，磁鐵充磁方向均從磁極盤的圓心沿半徑向外。為了防止磁鐵在旋轉過程中因離心力而甩出磁極盤，設計了4塊壓板，將壓板通過螺栓連接到磁極盤上，通過壓力將磁鐵壓在鋁合金磁極盤的磁極槽里。通過剛性聯軸器將磁極盤與電機的軸相連，由電機帶動磁極盤旋轉，形成旋轉磁極系統。試樣通過螺栓固定在夾具上，夾具上有類似波導管內腔結構的槽，用于放置鋼珠等磁性磨料，為防止試驗過程中磁性磨料受到磁鐵的吸引而從加工區域飛出，在夾具槽的上方設計了一塊擋板蓋住夾具槽，加工時用螺栓固定。將夾具通過螺栓連接固定在夾具底座上，構成完整的夾具系統，如圖1所示。將夾具系統安裝在音圈電機上，由音圈電機帶動進行水平方向的振動，將音圈電機安裝在底部的絲杠導軌上，絲杠導軌連接步進電機，在步進電機的控制下進行水平運動。為了保證加工的一致性，電機托板由頂部的伺服電機帶動緩慢做上下運動，并帶動磁極盤上下運動。

1.2 試驗條件與結果測量

試驗采用的AlSi10Mg試樣為SLM成形而成（如圖2），尺寸為35 mm×13 mm×2 mm，通過螺栓固定在夾具上。試樣未經任何后處理，僅保留原始表面。原始表面殘留了大量的未熔融粉末凸起（以下簡稱“凸起”），原始表面粗糙度較大，并且不同試樣的原始表面粗糙度也不一樣，因此在這里采用表面粗糙度降低率（Δ）來評價加工效果。表面粗糙度降低率Δ（%）可以由式（1）計算。

影響振動輔助磁力研磨加工效果的因素有很多，如磁場分布、磁極轉速、加工間隙、振動頻率、加工時間和磁性磨料的種類等。在文中，由于磁場發生裝置中的磁極尺寸和數量都是確定的，因此產生的磁場也是確定的?？紤]到磁場某一點處的磁感應強度會隨著與磁極的距離而變化，而文中的加工間隙指加工表面到磁鐵表面的距離，并且在加工過程中磁極是不停轉動的，因此加工間隙可以看作是磁場分布及特性的一種體現，可用加工間隙來表征磁場分布及特性。通過上述分析，結合試驗設備，選擇加工間隙、振動頻率、磁極轉速和加工時間作為加工因素。由于原始試樣表面有大量的未熔融粉末凸起，且粉末凸起與試樣表面有一定的結合力，通過試驗發現僅用磁性磨料基本沒有拋光效果，因此磁性磨料選用直徑為1 mm的鋼珠，經過探索試驗確定鋼珠裝入量為50 mg。試驗中音圈電機的振幅與小鋼珠直徑一致，設為1 mm。試驗完成后，使用超聲波清洗機清洗工件，并使用三豐SJ–210粗糙度儀測量加工區域的表面粗糙度。針對每個試樣的加工區域選擇5條線進行測量：水平方向3條，標記為1、2、3；豎直方向2條，標記為4、5。每條線測量3次，并取其平均值。試樣加工區域與波導管內腔加工區域尺寸一致，如圖2。

圖1 振動輔助磁力研磨裝置及加工示意圖

圖2 試樣與波導管工件加工區域的對應關系

2 結果與分析

2.1 加工間隙對表面粗糙度降低率和表面形貌的影響

試驗的主要目的是探究加工間隙對表面粗糙度降低率的影響。試驗中，加工間隙指加工表面到磁鐵外緣的距離。由于試樣本身具有一定的厚度（2 mm），以及受到設備的限制，因此選用3、4、5、6、7 mm作為加工間隙水平。具體試驗參數如表1所示。

表1 加工間隙單因素試驗條件

Tab.1 Single-factor experimental conditions of machining gap

加工間隙對表面粗糙度降低率的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著加工間隙的增大，表面粗糙度的降低率越來越小。在加工間隙為3 mm時，每條測量線的粗糙度降低率均達80%以上，且最大降低率達到了84.7%，使用磁場強度測量儀器測得此時的磁場強度約為200 mT。當加工間隙為4 mm時表面粗糙度降低率與加工間隙為3 mm時相比有所下降。當加工間隙達到6 mm時，此時的粗糙度降低率已經不足50%。在加工間隙為7 mm時，粗糙度降低率接近于0，基本沒有加工效果，此時的磁場強度約為15 mT。分析其原因，在非勻強磁場中，離磁鐵越近，磁感應強度越大，因此小鋼珠受到的磁場力也就越大。在加工間隙為3 mm時，小鋼珠受到的磁場力較大，對試樣表面的擠壓力也大。在擠壓和推動作用下，試樣表面的凸起很容易被去除和碾平，使得表面粗糙度降低率較大。在加工間隙過大時，小鋼珠受到的磁場力很小，對試樣表面的擠壓力也就很小，擠壓力和推動力已經不足以將表面的凸起碾平去除，表面粗糙度降低率很小。在試驗中應盡量減小加工間隙，以保證加工的效果。

圖3 加工間隙–表面粗糙度降低率變化曲線

3種典型加工間隙下的表面形貌如圖4所示。原始表面形貌布滿了未熔融粉末的凸起，如圖4a所示。在加工間隙為3 mm時，經過磁力研磨之后，表面的凸起基本被去除，表面較為平整，如圖4b所示。當加工間隙為5 mm時，表面既有凸起，也有凸起被去除后留下的凹坑，表面較為粗糙。當加工間隙為7 mm時，表面與原始表面基本沒有區別，表面未熔融粉末絕大部分未被去除。

2.2 磁極轉速對粗糙度降低率和表面形貌的影響

固定其他試驗參數，僅改變旋轉磁極的轉速。試驗條件如表2所示。

圖4 3種典型加工間隙下的表面形貌

表2 磁極轉速單因素試驗條件

Tab.2 Single-factor experimental conditions of magnetic pole rotating speed

磁極轉速對粗糙度降低率的影響如圖5所示。由圖5可以看出，當磁極轉速為200 r/min時，表面粗糙度降低率較低，最低值僅為24.3%。當轉速達到400 r/min時，粗糙度降低率與轉速為200 r/min時相比有了明顯的提高，達到了81.7%。當轉速達到600、800、1 000 r/min時，粗糙度降低率與轉速為400 r/min時相比并沒有明顯的上升或下降的趨勢，說明當達到一定轉速時，轉速對粗糙度降低率的影響較小。分析其原因可知，受磁場力的作用，小鋼珠會隨著磁極的轉動以一定的速度做上下往復運動。由于小鋼珠本身有一定的質量，所以小鋼珠本身會有一定的動量。由于，單顆小鋼珠的質量一定，所以小鋼珠的速度越大，它的動量就越大。

圖5 磁極轉速–表面粗糙度降低率變化曲線

對于試樣表面的凸起而言，假設該凸起在一段很短的時間內受到小鋼珠給予的沖量為，那么這段時間內試樣表面的凸起受到的沖量可近似等于小鋼珠的動量，也就是，即=。當時間一定時，小鋼珠的動量越大，試樣表面的凸起受到的沖量越大，凸起在單位時間內受到的力越大，越容易被去除。當轉速過小時，小鋼珠的動量也很小，試樣表面的凸起受到的沖量很小，不足以將凸起碾平去除，所以在轉速為200 r/min時，表面粗糙度降低率較低。當轉速達到一定值時，鋼珠的動量也達到可去除凸起的值，此時轉速再增大，對表面粗糙度降低率的影響也不是很大。

3種典型磁極轉速下的表面形貌如圖6所示。在轉速為200 r/min時，可以看出表面還有尚未去除的凸起。在轉速達到600 r/min時，表面凸起被完全去除，只留下凸起被去除留下的凹坑，表面較為平整。在轉速達到1 000 r/min時，凸起也完全被去除，但是可以看到因轉速過快，導致小鋼珠撞擊工件表面，使得表面出現了類似于魚鱗狀的形貌。考慮到過高的轉速對電機軸和聯軸器會產生一定的損傷，因此盡量不選擇較高的轉速。

圖6 3種典型磁極轉速下的表面形貌

2.3 振動頻率對粗糙度降低率和表面形貌的影響

固定其他試驗參數，僅改變音圈電機的振動頻率。試驗條件如表3所示。

表3 振動頻率單因素試驗條件

振動頻率對粗糙度降低率的影響如圖7所示。由圖7可以看出，當振動頻率從5 Hz增大到45 Hz時，雖然變化情況較為復雜，但是整體而言呈現先增大后減小的趨勢。當振動頻率為15 Hz時，表面粗糙度降低率是所有振動頻率中最高的，最高可達84.7%。當振動頻率繼續增大到25、35、45 Hz時，表面粗糙度降低率呈現較為復雜的變化情況，但是總體上表面粗糙度降低率比振動頻率為15 Hz時低，并且有下降的趨勢。分析其原因，添加了水平振動，小鋼珠在水平方向也有分運動。頻率越大，單位時間小鋼珠做水平運動的次數越多，因此在去除凸起后水平的分運動仍會對表面進行拋光，從而產生了過拋現象，導致振動頻率為45 Hz時表面粗糙度降低率相對較低。過大的振動頻率會對絲杠導軌和音圈電機導軌產生損害，出于安全考慮，在試驗中要將振動頻率控制在合適的范圍內。

圖7 振動頻率–表面粗糙度降低率變化曲線

3種典型振動頻率下的表面形貌如圖8所示。由圖8可以看出，在振動頻率為15 Hz時，表面未熔融粉末已經被完全去除，表面趨于平整。在振動頻率達到35 Hz和45 Hz時，表面產生了較多的凹坑。這是因為振動頻率大，水平方向加工次數過多，出現了過拋現象。由于試樣是SLM成形的，內部氣孔率較高[25]，過拋現象導致內部的氣孔逐漸顯露出來，表面粗糙度降低率變低，表面質量變差。

圖8 3種典型振動頻率下的表面形貌

2.4 加工時間對粗糙度降低率和表面形貌的影響

固定其他加工參數，僅改變加工時間。試驗條件如表4所示。

表4 加工時間單因素試驗條件

Tab.4 Single-factor experimental conditions of machining time

加工時間對粗糙度降低率的影響如圖9所示。從圖9中可以看出，在前40 min，表面粗糙度降低率都處于不斷增大的狀態。當加工時間達到50 min時，表面粗糙度降低率反而有下降的趨勢。分析其原因，在加工過程中，小鋼珠通過與試樣表面接觸，對試樣表面的凸起進行擠壓和撞擊。如果加工時間過短，小鋼珠還沒有來得及將工件表面的凸起去除，此時會有凸起殘留在工件表面。隨著加工時間的增加，工件表面的凸起漸漸被完全去除，表面粗糙度降低率逐漸達到最大。繼續加工，由于小鋼珠在試樣表面不斷地碰撞，試樣內部因上一道工藝產生的氣孔會慢慢地暴露出來，從而導致表面粗糙度增大，即表面粗糙度降低率反而會變小。為了保障加工的效果，要選擇合理的加工時間，既能保證凸起被去除，又可以防止出現因過度加工導致的表面質量變差現象。

圖9 加工時間–表面粗糙度降低率變化曲線

3種典型加工時間下的表面形貌如圖10所示。在加工時間為10 min時，因為加工時間較短，因此表面還有較多未去除的凸起，表面較粗糙。當加工時間達到40 min時，表面的凸起完全被去除，表面趨于平整。當加工時間達到50 min時，由于加工時間過長，導致內部的氣孔逐漸暴露出來，表面質量變差。

圖10 3種典型加工時間下的表面形貌

3 結論

針對選區激光熔化成形的AlSi10Mg波導管工件，結合工件結構，通過SLM成形試樣，使用自行研制的振動輔助磁力研磨裝置進行振動輔助磁力研磨的單因素試驗研究，探究了加工過程中加工間隙、磁極轉速、振動頻率和加工時間對表面粗糙度降低率的影響，并觀察了不同參數下的表面形貌，得到如下結論。

1）表面粗糙度降低率隨著加工間隙的增大呈現顯著的下降趨勢，加工間隙越大，粗糙度降低率越小，表面未熔融粉末凸起殘留越多。

2）表面粗糙度降低率隨著磁極轉速的增大呈現先增大后逐漸穩定的趨勢。過低的轉速會導致加工不完全，過高的轉速會使工件表面產生鱗片狀形貌。

3）隨著振動頻率的增大，表面粗糙度降低率的變化情況較復雜，但是總體上呈現先增大后減小的趨勢。

4）隨著加工時間的增加，表面粗糙度降低率呈現先增大后減小的趨勢。加工時間過短會導致加工不完全，加工時間過長會導致過拋現象的發生。

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Experimental on Vibration-assisted Magnetic Abrasive Finishing of Printed Workpiece Formed by SLM

1,1,1,1,2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Nanjing Xinghe Precision Intelligent Manufacturing Research Institute, Nanjing 211106, China)

The forming and inner surface polishing of workpieces with complex internal cavity structures has always been a problem that troubles the academic community. Complex parts can be formed by metal additive manufacturing technology, but unfused powder remainsand the surface is very rough, which seriously affects the workpieces' performance.In this paper, the influence of vibration-assisted magnetic abrasive and polishing parameters on the processing results during polishing is studied for the polishing of irregular waveguide internal surfaces with complex internal cavities formed by selective laser fusion coagulation.

Based on the basic theory of vibration-assisted magnetic abrasive finishing, a single-factor experiment was carried out using a self-developed experimental device for vibration-assisted magnetic abrasive finishing. To restore the machining conditions of the waveguide as much as possible, the object of the single-factor experiment is the profiled AlSi10Mg sample and the size of the polishing area is the same as the size of the inner cavity of the waveguide. A special fixture is designed for the samples, and the machining gap can be adjusted flexibly. To improve the polishing efficiency and obtain good polishing results, steel balls are used as magnetic abrasives, and surface roughness reduction rate is used as an evaluation index. The experiment explores the influence of four factors of machining gap, magnetic pole rotating speed, vibration frequency, and machining time at five levels each on the surface roughness reduction rate and surface morphology.

The results of the vibration-assisted magnetic abrasive finishing based on steel balls are as follows. For samples formed by selective laser melting, with the machining gap increasing from 3 mm to 7 mm, the surface roughness reduction rate is significantly reduced, the maximum reduction rate is 84.7%, and the minimum is 6%. When the machining gap is 3 mm, the unfused powder on the surface of the sample is almost completely removed at this machining gap, and the surface is relatively flat. When the magnetic pole rotating speed increases from 200 r/min to 1 000 r/min, the surface roughness reduction rate increases firstly and then tends to be stable. When the magnetic pole rotating speed is 200 r/min, the surface roughness reduction rate is the smallest, which is only 24.3%. When the magnetic pole rotating speed reaches 400 r/min or higher, the surface roughness reduction rate tends to be stable, and the surface roughness reduction rate remains at about 80%. When the magnetic pole rotating speed is 800 r/min, the surface roughness reduction rate reaches a maximum of 85.3%. The change of the surface roughness reduction rate with the increase of the vibration frequency is more complicated, but the overall trend is that it first increases and then decreases. When the vibration frequency is 15 Hz, the surface roughness reduction rate reaches the largest, which is 84.7%. When the machining time is increased from 10min to 50 min, the reduction rate of surface roughness showed a trend of first increasing and then decreasing. When the machining time is 40 min, the reduction rate of surface roughness is the largest, which is 81.7%, and the unfused powder is almost completely removed, and the surface roughness reduction rate will decrease due to the over-polishing of the steel balls.

The results show that the machining gap, magnetic pole rotating speed, vibration frequency, and machining time all have different degrees of influence on the reduction rate of surface roughness and surface morphology. After vibration- assisted magnetic abrasive finishing, the surface roughness of samples is significantly decreased, and unfused powder on the surface is effectively removed.

selective laser melting; unfused powder vibration-assisted; magnetic abrasive finishing; surface roughness reduction rate; surface morphology

TH161+.14

A

1001-3660(2022)07-0245-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.024

2021–08–25；

2021–11–29

2021-08-25；

2021-11-29

南京市科技計劃–國際聯合研發項目（202002047）

Nanjing Science and Technology Project - International Joint Research and Development Project (202002047)

張鵬（1997—），男，碩士，主要研究方向為磁力研磨。

ZHANG Peng (1997-), Male, Master, Research focus: magnetic abrasive finishing.

孫玉利（1970—），男，博士，教授，主要研究方向為精密超精密加工技術。

SUN Yu-li (1970-), Male, Doctor, Professor, Research focus: precision and ultra-precision machining technology.

張鵬, 孫玉利, 王燎原, 等. SLM成形打印件振動輔助磁力研磨試驗[J]. 表面技術, 2022, 51(7): 245-252.

ZHANG Peng, SUN Yu-li, WANG Liao-yuan, et al. Experimental on Vibration-assisted Magnetic Abrasive Finishing of Printed Workpiece Formed by SLM[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 245-252.

責任編輯：彭颋