注塑模具

Lego乐高注塑模具后模,右侧白色物为注塑成型的塑料产品
Lego乐高注塑模具前模

注塑模具是一種生產塑膠製品的工具;也是賦予塑膠製品完整結構和精確尺寸的工具。

分類编辑

注塑模具依成型特性區分為熱固性塑膠模具、熱塑性塑膠模具兩種;依成型工藝區分為傳塑模、吹塑模、鑄塑模、熱成型模、熱壓模(壓塑模)、射出模等,其中熱壓模以溢料方式又可分為溢式、半溢式、不溢式三種,射出模以澆注系統又可分為冷流道模、熱流道模兩種;以按裝卸方式可分為移動式、固定式兩種。

模具設計的注意事項编辑

  • 高溫(作為成型熔融金屬、鑄造陶瓷粘土,或某些類型的塑料)。
  • 冷卻模具和成型產品。
  • 高壓(大多數塑料注射成型)。
  • 生產(不需破壞模具)。
  • 模具材料的大規模生產或單獨使用。
  • 孔的數量,同時為使盡可能多的產品。
  • 塑膠零件的牆壁厚度。
  • 合模線或分模線的位置。
  • 不可有倒角或死角。

材質编辑

模具的材質直接影響冷卻效果,常用的模具材料有P20、H13鋼、P6鋼、S7鋼、鈹銅合金、420不銹鋼、414不銹鋼 [1]。其選用原則為:

  • 機械加工性良好(加工刀具不易磨損)
  • 材料組織均勻沒有缺陷(模具壽命減短或直接報廢)
  • 機械性質良好,強度、韌性、耐磨耗性良好
  • 表面加工性良好
  • 熱處理容易,變形少
  • 銲接性良好
  • 耐熱性良好,熱膨脹係數低(模具壽命減短)
  • 疲勞強度大
  • 容易取得 [2]

常用模具零件及標準零件编辑

定位環(Locate ring)编辑

射出機噴嘴,藉由定位環與中心料道對齊,以防止塑膠在注射過程中滲漏。

注道襯套(Sprue bush)编辑

這將有2°至4°,從注塑成型機的噴嘴錐形。該材料進入通過澆道套的模具中,通常是由碳鋼材料和表面硬化的。

固定板 (Clamping Plate)编辑

上固定板(Top Clamping Plate)、下固定板(Bottom Clamping Plate)

側模板编辑

母模板(固定側模板)Cavity Plate、公模板(可動側模板)Core Plate

間隔塊(Spacer Block)编辑

頂出板编辑

上、下頂出板

頂出板導銷(ejector guide pin)编辑

也稱支撐柱

頂出銷(ejector pin)编辑

頂出套筒(ejector sleeve)编辑

頂出套筒由端面全面頂出,外觀不會有頂出痕跡出現。

頂出桿(ejector rod)编辑

回位銷(Return Pin)编辑

為了確保頂出機構在下一次射出關模前必須回復原位,讓頂出機構回復的方式通常為回位彈簧或回位銷。 回位彈簧:與射出機台頂出動作同步進行,所以是最好的頂出回位方式。 回位銷:在回位彈簧無法確定動作時,利用母模將回位機構頂回,為了確頂出機構正常回位的保險裝置。

回位銷彈簧(Coil Spring)编辑

用於將頂出機構回復原位,為最常使用的回位方式。 回位彈簧最常使用零件小至鋼線彈簧大至氮氣彈簧。

承板〈Support Plate〉编辑

导向零件编辑

模具上通常还设计有导向零件,以确保动、定摸合模时准确对中。常见的导向零件是由導銷和導套组成。

導銷(Guide pin)、導銷襯套(Guide Bushings)编辑

 
導銷
 
導套

注道抓銷(sprue snatch pin)编辑

流道抓銷(runner snatch pin)编辑

停止銷(stop pin)编辑

斜角銷(angular pin)编辑

拉桿(puller pin)编辑

開閉器(parting lock set)编辑

分割模塊(或稱為滑塊)编辑

日期章(Date Code insert)编辑

加工方法编辑

模具製造使用兩種主要方法:放電加工机械加工,歷來的方法在其使用傳統形式製造模具。隨著科技的發展,CNC加工成為主要方式,使更多的複雜的模具與模具的細節,比傳統方法在較短的時間更精確製造。常見加工方法如下:

模穴(cavity)编辑

在模具內所留下與成形品一樣形狀之空間,以便容納熔融的塑膠,此空間即稱為模腔穴。

脫模錐度(Draft Angle)编辑

通常標準的脫模錐度,1 度至 2 度(1/30 至 1/60)之內。深度在 50 至 100 毫米者大約在 1.5 度左右,100 毫米者大約在 1 度左右,肋骨則是不得小於0.5 度厚度不得小於 1 毫米,以利模具製作及增加模具的壽命。

遇到有咬花(Texture)需求,建議脫模角度必須比一般情形再大一些,其所賦予的脫模角度,最好可以有 2 度以上,但是脫模角度不要大於 5 度為準。

如遇到不允許具備脫模錐度的成品,則要以倒鈎方式處理,但是價格必然昂貴,應盡量避免。 [3]

格子狀编辑

格子與格子間距至少要大於 3 毫米太小無法脫模。

強度計算编辑

成型作業中,由於模具的變形,自然導致成型品的形狀及尺寸精度有所變化,為防止模具因加壓而變形破損,必須針對模穴的承受框構造及承板的強度,來計算其射出壓力。 [4]

h=側壁的厚度(毫米) b=框型的厚度(毫米)
p=模穴內的壓力(kg/cm  E=楊氏係數(kg/mm 
a=承受壓力部的高度(毫米) d=容許翹曲量(毫米)
l=模穴一邊的長度(毫米)

⑴ 方形模穴底部無框形構造

  • 兩端有固定梁之計算方式,注意避免轉角處產生應力集中的現象。
  


⑵ 方形模穴底部為一體的框型構造

  

C值乃取決於 1/a 的常數

方形模穴的底部成為一體時的常數 C

1/a C
p=1.0 0.044
a=1.2 0.062
l=1.4 0.078
l=1.6 0.090
l=1.8 0.102
l=2.0 0.111
l=3.0 0.134
l=4.0 0.140
l=5.0 0.142
  • 無底部構造的情形,其強度較大,一般模具加工大多採用此法。

⑶ 圓形模穴的框形構造

R=外半徑(毫米)
r=內半徑(模穴半徑)(毫米)
m=蒲松氏比(Poisson,s ratio)
  

⑷ 承板

  
h=承板的厚度(毫米) E=楊氏係數(kg/mm^2)
p=成形的壓力(kg/cm  B=板寬(毫米)
b=承受壓力部的板寬(毫米) d=容許翹曲量(毫米)
l=承受壓力部的長度(毫米) L=間隔版的間隔(毫米)

為求防止毛邊的產生,最好將最大翹曲量控制在0.1 毫米以下。

防止模板厚度增加而加裝支持塊(support block)時,長度越短越好。

樣式编辑

基本樣式编辑

二板模编辑

二板模是最常用的模具類型,具有成本低、結構簡單及成型周期短的優點。 [5]

三板模编辑

三板模的流道系統位於中環板(撥料板)上,開模時撥料板頂出流道及襯套內的廢料,在三板模中流道與成品將分開頂出。 [6]

熱澆道、(热流道)模编辑

射出模具可分為「熱澆道模具」及「冷澆道模具」兩大類,熱流道保持聚合物在熔融狀態可以不斷繼續射出。

其他樣式编辑

雙色射出成型(Bi-injection)编辑

混色射出成型(Interval Injection)编辑

夾層射出成型(Sandwich Injection)编辑

清角、伏陷物、倒扣位、凹陷(抽芯机构)编辑

 
1.為成品內側 2.為成品外側

在設計任何塑膠成型品,所要考慮是如何自模具中完整脫離,成形品側面有凸出或凹入對模具內成形品的頂出方向產生干涉作用,此干涉部份稱之為清角。例如孔、文字等。[7]

当制品的侧面带有孔或凹槽(伏陷物)时,除极少数制品(伏陷物深度浅,塑料较软)可进行强制脱模外,在模具中都密考虑设置侧向分型(瓣合模)或侧向抽芯机构(可动式例型芯)。常用的抽芯机构为斜导柱分型抽芯、弹簧分型抽芯、弯销分型抽芯、齿轮齿条抽芯等;抽芯可借助于手动、机动、液动或气动等方式来实现。

型腔编辑

是构成塑料制品几何形状的部分。具体说,构成制品外形部分叫凹模(又称阴模),构成制品内部形状(加孔、槽等)称型芯或凸模(阳模)。总之,构成型腔的元件件统称为成型零件。型腔的设计首先要根据塑料的性能、制品的几何形状、尺寸公差,使用要求等来确定腔型的总体结构。其次是选择分型面、确定浇口和排气孔的位置,脱模方式等,然后按制品尺寸进行各种零件的设计及各个零件间的组合方式。另外,还应对成型零件进行正确的选材及强度、刚度的校核,同时还要考虑加工设备的操作要求。

澆道、澆口的設計编辑

適當的模具設計乃為製造成功的塑膠製品的先決條件,直接影響成本。[8]

澆道编辑

 
澆道

澆道(也称作流道)的功用是導引熔融的塑料,從射出機的射嘴射入模具型腔中,對於成品有莫大影響。澆道有分主澆道、次澆道。按照是否加热可分为热流道和冷流道。

澆道需要設置 1.5 度的斜度,斜度越大塑膠越容易脫離澆道,但斜度越大冷卻時間就越長。噴嘴須比澆道小 0.5 公厘,以方便塑膠脫離澆道。

指连接喷嘴到分流道之间的一段流道,与浇口处于轴心线上,可以直接开设在模具上,但常常加工成主流道衬套再紧配合于模板上。为便于取出流道赘物,主流道形状呈圆锥形.锥度为 2 至 6度。,其进口端直径应比喷嘴孔径大 0.5 至 1 毫米,便于对中和减小流动阻力;进口端与喷嘴头接触处开成球面;为使喷嘴头能紧密地与主流道配合,主流道进口球面的半径应咯大于喷嘴头半径。

主流道出口端设有冷料阱,为捕集喷嘴端部两次注射间产生的冷料.防止堵塞分流道及浇口;冷料阱的直径约为 8 至 10 毫米,深约 6 毫米。为了顺利地脱模,其底部常设计有脱模杆,脱模杆的顶部呈曲折钩形或设下陷沟槽,以便脱模时,能顺利地拖出主流道赘物。为减少赘物回头量,主流道长度应尽量短。

流道编辑

是主流道和浇口之间的过渡部分;为满足熔体以等速充满各型腔,分流道在模具上的排列应成对称和等距离分布;并要求其形状使熔体流动时压力损失最小,能快速充模。故常做成圆形、半圆形、梯形、矩形和椭圆形,但以半圆形和矩形、梯形较易加工。在保证制品质量和正常的工艺条件下,分流道的截面应尽量小,长度尽可能短。

流道斷面形狀编辑

  • 圓形:直徑一般為 3 至 8 毫米,流動阻力相當少,模具加工中,上下的對合不容易。
  • 梯形:模具加工容易,流動阻力相當大,僅適用於熱硬化性塑膠
  • U形:模具加工容易,流動阻力略大。
  • 半圓形:模具加工最容易,流動阻力大,僅適合用於試做型模具。
       
圓形 U形 梯形(b =1.2~1.5d) 半圓形

斷面配置编辑

當熔融的材料必須以相同的流動狀態,幾乎同時達到達多數模穴中時,其原則如下:

  • 各個模穴距離必須相同。
  • 避免急轉彎澆道。

澆口编辑

澆口雖然與成品成形性及內部應力有相對的影響,但實際上還是要依據成品形狀來決定,必須使用哪種形式的的澆口。

  • 桿狀澆道:又稱無橫澆道 [9]
  • 直接澆口:直接澆口不需橫澆道,豎澆口直接與製品連結,成形後須後加工將成品與gate剪開,直接澆口材料流動狀況佳,可使模穴有足夠的成形壓力,因此較難流動材料,採用直接進澆口則容易成形。
  • 環形澆口:又叫盤狀澆口
  • 限制型澆口
  • 熱流道式澆口:
類型 名稱 功能
直接澆口 (sin esquema) 直接進澆口不需橫澆道、豎澆口直接與製品連結,壓力損失少。
Entrada cónica   Alimentan el polímero permitiendo una ligera relajación de esfuerzos.
針狀進澆口   進澆點於開模時可以自動切斷,與製品分離取出,適於全自動成形,進澆口位置可以自由選擇,多點進澆口也易於安置。
Entrada lateral   Alimentan desde un lado del molde; comúnmente utilizadas para impresión múltiple.
Entrada anular   Se usan para moldear partes huecas ya que su flujo es previamente modificado a la forma final.
網狀澆口   又稱圓盤進澆口,這種進澆口是與豎澆口的末端相連的圓板狀橫澆道設置薄的膜狀進澆口。
Entrada de abanico   Sirven para cubrir áreas grandes o largas de manera homogénea y distributivamente correcta.
搭接型澆口   Estas compuertas minimizan el efecto de jet y ayudan a lograr un flujo de régimen laminar cuyo número de Reynolds es adecuado para la inyección.
薄片澆口   又稱模狀進澆口、扇形型澆口,進澆口寬度幾乎與製品寬度一致,厚度很薄。

冷料井(Cold Slug Well)编辑

 
冷料井的設計

又稱,冷料穴滯料部,其目的防止冷却的塑膠料即稱之為冷料渣(cold slag),進入模穴進而影響產品品質,冷料井的位置通常在主流道與次流道交接處,必須設置直徑距離大於流道直徑的冷料井(如圖所示),如此成品品質較為均勻。

頂出機構编辑

頂出機構良好設計不僅不損壞成品,節省相當人力、成本。所須考慮之因素有3種:

  • 成品之形狀及厚度,太薄的地方不適合使用頂出銷只適合用氣壓頂出。
  • 成品體積與頂出機構相對正比。
  • 與分模線之相對位置。

頂出機構共有4種:[10]

  • 頂出銷(也称:顶针):作用在於將成型件自模穴中脫出,由於在脫模時並非完全冷卻狀態,所以頂出銷於力道參數會有所不同,一般頂出銷都做在公模面 而有頂出銷之附近必須要有補強肋 以避免造成頂出壓力將成品頂成彎曲變形
  • 頂出套筒(也称:司筒):
  • 剝料板(也称:推板):可自動剝離料頭的功能,主要是幫助成品和料頭分離利用剝料板頂出,氣壓頂出可以代替。
  • 氣壓頂出:要設置壓縮空氣通路和氣閥,加工較簡單,適用於輕的、薄的軟性塑膠。杯子、水桶等深、特別薄肉的製品,脫模極為有效。

頂出梢有各種形狀,圓形的梢與梢孔加工容易,和脫料板比較的話,滑動阻力小,而且在成形品的各部的任何位置均可設置。

頂針的形狀共有4種:

  • 標準的平頭頂針:
  • 刀切型頂針(也称:扁顶针):
  • 閥形頂針(也称:伞针):
  • 或分段層次型頂針(也称:有托顶针):

脱模装置编辑

在开模过程中,为了将制品能迅速和顺利的自型腔中脱出,常在模具中设置脱模装置,主要有以机械方式和液压方式顶出脱模的两种形式。前者是通过固定在机架上的顶出杆来完成,顶出杆的长度可调;开模时,当移动控板后,顶出杆穿过移动模板上的孔口,触及模具上的脱模板而顶出制品。后者是籍助于油缸液压力实现顶出,顶出力和速度可调。二者各有优劣,可根据加工设备、制品尺寸来选用。

豎澆口固定銷、拉出機構编辑

為了確保成品與料頭能一同留在公模(也称:后模)上,使用三種常見的拉出機構: [11]

  • 倒錐型
  • 溝型
  • Z型

通氣孔、排氣孔、排气槽(Air Venting)编辑

若有正確的排氣措施,容易填充塑料,可減低塑料溫度及射出壓力,提高填充速度生產量提高,減少瑕疵品產生,選擇模具排氣點,最好的位置在塑料最後到達的地方和產品容易氣燒的地方開排氣,不過排氣孔過大容易發生毛邊,或是使用真空泵浦,強制排氣。

模穴內若殘留空氣,會造成材料充填不足,其裝置設置原則:[12]

  • 在成型材料最後充填的位置加工
  • 選擇容易精密加工的地方
  • 選擇容易去除毛邊的地方

可以通过做镶件或镶排气钢等方式在困气的位置,通过镶件的间隙或排气钢疏松的气孔将型腔内的气体引出模具进行排气。

当塑料熔体注入型腔时,在料流的尽头常积有气体(空气、蒸汽或其它气体等),如不及时排出,会使成型制品上出现气孔、表面凹痕等,甚至会引起制品局部烧焦、颜色发暗等;因此,模具中应开设诽气孔,排气孔一般设在型腔内料流的尽头,或没在模具的分型面上;亦可利用顶出杆与顶出孔的配合间隙、脱模板与型芯的配合间隙徘气。通常,排气孔的深约 0.025 ~ 0.1 毫米,宽约 1.5~6 毫米。

模溫控制编辑

 
图中圆柱形中心(黄色部分)使用了铍铜镶件改善模具冷却效果

塑料熔体注射入型腔后,根据不同塑料和制品的要求.往往要求模具具有不同温度,因为模温对制品的冷却速度影响很大,从而对制品中的内应力、结晶与取向作用带来影响;所以必须控制模温,以便控制冷却速度。

熱的傳遞方式有輻射對流傳導三種,在模具中塑料帶入模具所產生的熱量藉由傳導被模具吸收熱量佔 95 %,由輻射、對流散發到空氣中約有 5 %,在射出加工過程中,溫度的變化是最重要的影響因素,更對於成品的品質有極大影響,間接影響生產效率。

模具溫度控制方式,是在冷卻管道中流動的液體冷卻模具,由於相當廉價,所以水是作為初級冷卻劑來冷卻模具,水可以通過引導模具縮短快速冷卻時間。通常較冷模具更有效,因為這樣可以有更快的生產週期時間。但是,這不一定是正確的,因為部分材料太冷反而有反效果。

模具在不好散热的部位(如:被塑料零件四周包裹的部分)也可以通过导热性良好的铍铜材料将热量快速传递到流经其的冷却水上带走,从而达到冷却的效果。

也有熔融温度高的塑料需要模具进行加热注塑,例如使用电阻丝加热棒镶嵌在模胚板中加热模具。

模具冷卻所使用之液體,水及油2類;通常常見的為水、冰水、水加防凍劑3種。[13]

反之當需要提高模具溫度時,則是使用熱水蒸氣電熱線,來加熱模具。

冷卻媒體 θ
(℃)
ρ
(kg / m²)
Cp
(℃ / kg)
h
(kg / m.h.c)
 
( m² / 秒)
Pr
(普蘭特爾數)
0 999.8 1.007 0.4773 1.789 X 10   13.6
20 998.2 0.998 0.5142 1.006 X 10   7.03
40 992.1 0.998 0.5392 0.658 X 10   4.35
60 983 0.998 0.5599 0.478 X 10   3.01
80 972 1.002 0.5753 0.364 X 10   2.72
100 958 1.006 0.5865 0.294 X 10   1.75
乙二醇 0 1130 0.536 0.2614 4.8 X 10   400
20 1118 0.557 0.2485 19.2 X 10   173
40 1110 0.579 0.2356 8.8 X 10   86
60 1087 0.602 0.2227 4.9 X 10   52
錠子油 40 871 0.461 0.1230 7.93 X 10   92
80 832 0.502 0.1213 3.4 X 10   42.1
120 807 0.57941 0.1187 1.91 X 10   25.3

θ:溫度
ρ:冷卻媒體比重
Cp:冷卻媒體比熱
h:樹脂傳熱係數
  :冷卻媒體的運動黏性係數(動黏滯係數)
Pr:普蘭特爾數 [14]

接頭連接的位置编辑

 
图中分入水(藍色部分)與出水(紅色部分)接頭連接的位置

冷卻水接頭連接的位置(包含一切需要在模具外進行連接的孔道)應設置在不會妨礙模具固定在射出機壓板上的地方。在可能的狀況下,所有的出入口均應設在模具底部,若把冷卻水孔設計在側邊則可能妨礙工作;同樣把冷卻水孔設計在上面如發生溢漏,則有可能冷卻水進入到模具內部塑料成型位置。[15]

流量编辑

流體進入模具溫度與从模具流出來溫度溫差太大時,不利於模具的溫度分佈,流體奪走模具內塑膠的熱量而升溫,升溫過高時,代表流體進入模具不足。 [16]
温差大也说明冷却水路的设计不理想。也可以通过测水路入口与出口的压力差得到冷却水路在模具中的压力损失,判断水路设计是否合理。

管道零件编辑

模溫機编辑

模溫機由水箱、加熱或冷卻系統、動力傳輸系統、液位元控制系統、溫度感測器等零件組成。

水垢编辑

配管內的流水所含有的有機物或無機物,容易成為水垢結晶的核心 因為水垢的附著、淤積,造成流速降低容易引起配管堵塞。也會影響模具冷卻效果造成能源浪費、縮短配管壽命等,清洗配管、更換新管,都會使成本增加。

整修编辑

保養编辑

模具經試驗或生產塑膠成品後,若暫不使用,則應該完全擦除模具內塑膠成品渣滓灰塵油污等,塗上防銹油防銹劑,放到適當場所放置。[17]

保管编辑

保管場所要選擇有擱架、無塵、通風良好的場所,溼度保持在 70 % 以下否則會有急速生锈的問題。

要有模具保管紀錄,可供今後修善、新製...等,參考。[18]

塑膠模具設計常用軟體编辑

[19]

參考文獻编辑

  1. ^ 《射出成型模具製作》,白石順一郎 編著 依日光 譯,復漢出版社,1982年12月,44頁
  2. ^ 《機械製造》,孟繼洛、傅兆章、許源泉、黃聖芳、李炳寅/著,全華圖書,2005年06月30日,ISBN 9572149377
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  4. ^ 《工程塑膠射出成型》,張欽隆 編譯,機械技術出版社,1992年5月,69頁
  5. ^ 《塑膠產品設計》,葉乃台 譯,旋風出版社,1979年8月,41頁
  6. ^ 《塑膠產品設計》,葉乃台 譯,旋風出版社,1979年8月,41頁
  7. ^ 《塑膠工程學》,謝俊雄編著,文京圖書有限公司,19763月5日,230頁
  8. ^ 《射出成型用注道及澆口之設計》,吳家駒 編譯,新太出版社,1979年11月
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  10. ^ 《射出成型模具製作》,白石順一郎 編著 依日光 譯,復漢出版社,1982年12月,148頁
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  12. ^ 《工程塑膠射出成型》,張欽隆 編譯,機械技術出版社,1992年5月,78頁
  13. ^ 《塑膠射出成型用型模設計基準》,吳家駒 編譯,新太出版社,1979年3月,66頁
  14. ^ 《射出成型工廠的合理化技術》,塑膠世界雜誌社,1995年4月,20頁
  15. ^ 《塑料注射模具設計基礎》,郭傑克 譯,大孚書局,1986年2月,207頁
  16. ^ 《射出成型模具製作》,白石順一郎 編著 依日光 譯,復漢出版社,1982年12月,133頁
  17. ^ 《射出成型模具製作》,白石順一郎 編著 依日光 譯,復漢出版社,1982年12月,248頁
  18. ^ 《射出成型模具製作》,白石順一郎 編著 依日光 譯,復漢出版社,1982年12月,249頁
  19. ^ 《塑膠模具》,冉新成 編著,印刷工業出版社有限公司,2009年7月1日,ISBN:9787800008498
  • 《塑膠物性入門》,陳世春 譯,復漢出版社
  • 《實用塑膠模設計與製造》,郭振杉 張建安 熊秉傑 合著,徐氏基金會
  • 馬金駿編﹕《塑膠模具設計》(修訂版)﹐輕工業出版社﹐北京﹐1984。
  • J.B.戴姆著﹐沈金堂譯﹕《射出模具與射出成型實用手冊》﹐化學工業出版社﹐北京﹐1987。(Joseph B.Dym﹐Injection Molds and Moldding﹐A Practical Manual﹐Van Nostrand Reinhold Co.﹐New York﹐1979.)
  • 《塑膠模材料選用及熱處理、表面處理》,邱錫和編著,塑膠工業技術發展中心
  • 《塑膠模具設計學:理論、實務、製圖、設計》,張永彥編著,全華科技圖書,2009年1月7日,ISBN:9789572169339
  • 《射出成型模具設計》,張榮語編著,高立圖書,1992年,
  • 《塑膠模具結構與製造實務》,張文華編著,全華科技圖書,1996 年,103〜136頁。
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参见编辑

外部連結编辑