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汽车制造论文|实施我国汽车铸造检测技术现代化的设想
【论文摘要】根据对现代铸件质量评定的具体要求，首次提出现代化铸造检测与控制技术的详细项目并归纳分类，同时提出近期我国汽车铸造检测技术现代化的具体实施设想。
1．二十一世纪初对我国汽车铸造检测技术的挑战
从20世纪末的现代铸造观点来看，铸件质量的评定已经赋予了全新的概念。评定铸件质量要从产品质量、工艺过程质量和铸件设计质量三个方面去考虑，其主要内容如下。
（1）产品质量
铸造产品质量包括表面质量、内在质量以及使用质量。而表面质量主要有：尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、表层硬度、重量公差、内腔清洁度及表面铸造缺陷程度等。内在质量主要有：化学成分、金相组织、冶金缺陷、物理力学性能、铸件内部的可靠程度（用无损探伤查），近年来还有晶粒度（共晶团数）、共晶饱和度、致密度、纯度、连续度等。使用质量主要有：切削性能、焊接性能、 运转性能、耐磨性能、耐蚀性能、耐温性能、工作寿命及其它工作条件要求等，而且其指标也在不断提高。
（2）工艺过程质量
它是保证铸件产品质量的基础，包括从原材料、生产过程到半成品（如铁液、型砂）直到成品的铸造过程质量。
（3）铸件设计质量
近年来对铸件设计质量越来越重视，这是因为许多铸造缺陷孕育在设计过程中，即不良的铸件设计会降低生产过程质量与产品质量。
回顾建国以来的汽车铸造业同全国的铸造企业一样，与国外铸造的先进水平来比较．我国当前铸造行业最大的问题就是产品质量低、经济效益差、材料消耗高、环境公害大。为了把产品质量和经济效益搞上去，今后我国铸造行业除了急需要提高企业管理水平、深入贯彻 IS09000族标准管理、扩展与完善铸造标准、解决原材料质量差及不断提高工艺与设备水平以外，还必须不断补充、完善与提高铸造过程的质量检测与质量控制手段。因为铸造的材质、工艺与设备水平和质量管理水平的提高在很大程度上依赖于铸造全过程的检测与控制手段能否配套、能否跟上，就是说，一切要用数据说话，一切要用计量管理，一切要上质量与成本控制才行。然而，回顾建国以来汽车铸造厂的检测与控制技术发展，也同全国铸造企业一样，与国外现代铸造相比，如果说我们的铸造工艺、设备与管理水平仍然比较落后的话，那么铸造工厂的质量检测和质量控制技术就显得更加落后。造成这种状况的原因虽然有相当的客观因素，但主要还是不少企业对于铸造质量检测与控制的关键作用、巨大威力和经济效益缺乏足够的认识。
特别需要指出的是，近年来微电子技术特别是计算机自动控制技术的迅速发展给多因素、多变量的复杂铸造检测与控制难题的解决带来了空前的机遇和广阔的前景。铸造工艺过程的检测与控制设备仪器采用微电子技术已是近年来铸造设备与仪器发展的重要动向之一。从最能代表世界铸造先进水平的最近几届铸造博览会可见，将最新的铸造工艺、设备仪器与最新的微电子、计算机自动检测与控制技术相结合表现得最为突出。国外现代铸造的实践已经表明，这种先进的检测与控制技术如能尽快地、有效地应用到铸造生产中不但能明显地提高与稳定铸件的质量，而且能有效地提高劳动生产率，改善劳动条件，减少能耗、物耗，降低铸件的功能重量、功能成本及最终成本（包括节省加工费用等），从而给铸造企业带来巨大的经济效益。在以上技术方面，我国国内虽然已经开始开展这方面的工作，并已取得了一些初步的成效，但仍处在起步、低水平的缓慢发展阶段，与国外先进水平相比，更是差距很大。
综上所述，20世纪末现代铸造的发展已经对我们提出了更高的要求，如果我们汽车铸造企业再不重视并大力补充与发展铸造质量检测、控制与计量技术手段的话，不但无法适应现代铸件质量评定的标准和现代汽车铸件日益发展的需求，而且必将使我们汽车铸造的材质、工艺、设备和管理水平与国外的差距越拉越大，甚至无法摆脱靠肉眼感官经验进行“模糊铸造生产”的历史，无法扭转铸造工厂长期亏损的局面，并将成为制约汽车铸造厂今后上质量、干精品、抢市场、扩品种、降成本、增效益的瓶颈口。
2．现代铸造质量检测控制技术分类模式
为使铸造生产逐步摆脱经验与技艺的束缚走向科学化，全面提高生产中各个环节的质量控制水平，就必须不断补充、完善与提高铸造过程的质量检测与测试技术手段。先进的铸造质量检测技术与手段就是铸造生产的耳目，也是铸件质量控制的耳目。国内近年来生产优质铸件的经验和成功地引进国外先进技术的事实已经表明，没有先进的铸造检测技术，就不可能组织起现代化的铸造生产。下面笔者试图对现代国外比较先进的铸造企业一般采用的质量检测与控制技术按铸造过程给出分类的模式。
2.1 铸造用原材料的质量检测
原材料质量检测是指对进厂的各种铸造原材料包括生铁、废钢、铁合金、型砂、焦碳、粘结剂、涂料、催化剂等所进行的化学成份分析与物理性能测试等方面的检测或复验，以便严格把住原材料质量关。
2.2 炉前铁液质量的检测
(1)炉前铁液的出炉温度与浇注温度的检测；
(2)炉前原铁液与各种处理后铁液的有关元素含量的高速自动检测；（直读光谱法等）
(3)球化后铁液的快速金相法球化率检测；
(4)用热分析法对炉前铁液碳当量、碳与硅含量、孕育效果、球化率及所达铸铁牌号力学性能等的快速检测与预报；
(5)炉前铁液中含氧量、含氮量与含氢量的快速检测。
2.3 冲天炉熔化过程的质量检测
(1)冲天炉风量、风温、风压的检测与自动控制；
(2)冲天炉过桥处铁液的连续测温与自动记录；
(3)冲天炉加料口处炉气中CO与C02等含量的检测；
(4)冲天炉料位的监测与自动控制；
(5)冲天炉最优配料的计算、检测与自动控制；
(6)冲天炉底焦高度的检测；
(7)冲天炉铁液熔化率的检测；
(8)冲天炉前炉铁液量的检测；
(9)冲天炉炉渣的碱度与氧化亚铁含量的检测。
2.4 铸造合金的铸造性能检测
(l)铸造合金液体流动性的测试；
(2)铸造合金线收缩与体收缩特性的测试；
(3)铸造合金应力特性的测试；
(4)铸造合金裂纹倾向的测试；
(5)铸造合金含气量的测试。
2.5 配砂、造型与制芯过程的质量检测与控制
(1)型砂配砂过程中配料微机自动控制及对旧砂温度、型砂水份、粘结剂与紧实率等的自动检测与自动控制；
(2)芯砂配砂过程中配料微机自动控制及对树脂、硬化剂等成份的自动调节；(3)配砂过程中，对型芯砂定时的每种取样进行性能的快速检测分析；
(4)造型中砂型硬度及尺寸的检测；
(5)造型中加砂量与紧实参数的自动检测与自动控制；
(6)造型自动线采用微电子技术的程控器和微机的自动控制；
(7)制芯过程中微机程序控制及射芯、硬化、净化和环保的检测。
2.6 清理过程的质量检测与控制
(1)一次清理工位球铁的快速金相检测及其指导分件；
(2)二次清理工位的球铁球化率超声波法检测及基体硬度的涡流电磁法在线自动检测及自动分件；
(3)对球铁退火附体试块的快速金相组织检测；
(4)清理专用线抛丸清理机的微机控制；
(5)用数控机床对铸件进行浇冒口切割与去飞边毛刺操作的自动控制；
(6)采用专用量夹具对重点铸件的主要尺寸与定位点的检测；
(7)对某些关键铸件的水（气）压试验检测；
(8)一次清理工位取样对球铁件终硅量的检测。
2.7 最终成品铸件的检测
(1)铸件表面粗糙度的检测；
(2)铸件的尺寸精度周期测量与划线的检测；
(3)铸件重量偏差的周期检测；
(4)铸件内腔杂物的检查与检测；
(5)对重要复杂铸件的解剖检测；
(6)重要保安铸件的X射线内部探伤与表面裂纹磁粉探伤的检测；
(7)采用专用试验台架等设备对关键或保安铸件进行各种使用寿命（如疲劳性能）与运转性能等使用质量指标的检测；
(8)对代表铸件材质的各种铸铁炉后机械性能试棒及重点铸件本体的金相组织、机械性能及化学成份的全分析检测。
2.8 协作件、扩散件的质量检测
(1)对协作件、扩散件的铸铁试棒复验进行炉后化学成份、金相组织与机械性能的全分析检测。
(2)对协作厂、扩散厂送件的每车皮进行抽查硬度检测与铸件表面质量检测等。
从以上可见，全面而先进的铸造质量检测与质量控制是一整套现代化的复杂的多专业的综合技术与手段。
3．二十一世纪初期我国汽车铸造检测技术的主攻方向与措施
为解决我国汽车铸造行业质量检测与质量控制技术与国外相比更加落后必须奋起直追的问题，为适应21世纪的未来汽车铸件必须走向优质、精化、高牌号、多品种、薄壁、复杂、保安、“长寿”的目标以及高科技、高效率、低成本生产铸件的要求，并紧密结合我国汽车铸造行业的国情、厂情与现状实际，本课题在21世纪初的主攻方向与努力措施应从以下几个方面下手。
3.1 铸造质量检测方面
3.1.1炉前铁液成份检测
对于汽车铸件大流水生产的炉前铁液成份检测方式，国外早已普遍采用了高速自动的真空直读光谱分析法，传统落后的炉前化学法已趋淘汰。国内从80年代以后也已开始逐步推广应用到各个大中型汽车铸造厂中，其巨大的工效、质量与经济效益已毋庸置疑。中小型汽车铸造厂应该推广选择物美价廉的小型、台式光谱分析仪，也可满足要求。在大型流水性汽车铸造厂中，远离熔化车间的直读光谱仪如能配以国产的“远程高速风动送样机”及“远传成份数显终端机”将是最佳的选择。今后尚应重视开发扩展对铸铁中由大量微量元素组成的“有害微量元素群”的炉前直读光谱分析研究，以有效地解决汽车铸造中有害微量元素过量而产生“莫明其妙”的成批废品，及时严格控制铸造熔化中炉料的有害微量元素含量关。特别是直读光谱分析气体元素N、0、H的开发尚应深入进行下去，其意义十分重大。近年国内为配套直读光谱仪而研制开发成功的“液态纯氮高压罐”为解决日常大量搬运氮气钢瓶的体力劳动特别是大幅度降低光谱仪的现用氩气原料成本提供了最佳技术，值得推广。
3.1.2炉前铁液温度检测
我国的炉前快速热电偶测温技术已接近国外水平。国产的“壁挂式微机数显测温仪表”具有精确、耐用、可靠性高、故障率低的优点，对于出炉温度控制很严格的汽车铸造工厂可推广使用；其便携式的小型仪表则很适合于浇注温度的检测。为解决工厂长期以来很难监控的测温工艺纪律及温度废品考核，采用最新专利国内生产的一种带发射功能的二次测温仪表及其“无线远程测温数据自动采集系统”则是最佳的检测模式。对于非接触式的红外线测温，经多年实践证明，由于其容易受到车间炉前烟雾，尘埃、水汽及铁液表面氧化皮等干扰；有时偏差较大。稳定性较差，尚需进一步改进、提高并选择更适合应用的场合。
3.1.3铸造原材料质量检测
国外的铸造原材料供应是由具有统一严格标准保证的专门材料公司及时供货、送货的，因此铸造厂可以得到质量保证。而国内的汽车铸造厂由于原材料来源多、标准低、品种杂、质量波动大、供应渠道不规范等国情状况以及工厂投料急、少复验、缺手段的现状，多年来在质量与效益上不知吃了多少苦头。因此，必须补充与扩展高速、全面、多功能的原材料现代检测手段就显得十分重要与特别关键。比如近几年来国外推出物美价廉的最新原材料检测手段一“X荧光能谱仪”就能在5分钟之内完成作为球化剂、孕育剂的各种铁合金、脱硫剂、炉渣、耐火材料、矿物等原材料的全分析；而采用化学分析法则至少要用一天的时间；又如采用便携式的“合金分析仪”即可在料库与车间现场5分种内完成各种黑色、有色合金原材料混料分件的检测难题等等。
3.1.4金相组织与力学性能检测
目前国内的汽车铸造厂大多数仍采用六、七十年代的光学金相显微镜与万能材料试验机，仅能维持按国标的规定检测一般的金相组织与力学性能项目。不但设备仪器老化、落后，而且精度低、功能少、人为操作误差大。因此，不但对比国外水平差距远，而且已不能适应铸件升级、失效分析、新产品研制与出国铸件检测的要求更无法完成现代铸件质量评定新概念所提出的新指标检测。比如国外评定球铁铸件的“球化率”都是采用与光学显微镜匹配的“图象分析仪”作定量金相来评定其百分率；又如测试铸铁力学性能也采用现代的“电子拉力试验机”，使力学性能检测走向了“自动化”与“智能化”，还为铸铁材料的全面综合力学性能研究（配有自动X一Y函数记录仪）开创了方便的条件。
3.1.5型芯砂性能检测
我国制造的型芯砂仪器水平一直比国外落后很多，不但设计与加工粗糙、质量差，品种不齐全，还缺少自检量具的校正手段。而目前不少汽车铸造厂所用的型芯砂仪器仍陈旧老化的居多，又不重视更新与换代，因此对于现生产的指导意义就更小了，甚至可能出现误导。这是一个必须重视与纠正的问题。考虑到今后型芯砂仪器的发展方向其一是由实验室检测向生产现场控制发展，其二是由单项测试向综合测试、智能化及机电一体化发展，因此更应该注意更新、换代与补充新型仪器，并适当引进必要的国外型芯砂仪器。比如，瑞士 GF公司生产的 PVT型气动一电子型砂性能试验仪；又如英国的De1eret公司由电子计算机控制的“408试验中枢”等。
3.1.6铸件划线检测
我国汽车铸造厂的铸件划线检测水平与国外相比也一直处于相当落后的水平。不少工厂目前仍还使用六十年代的高度尺、卡尺等老式量具进行铸件划线，不仅费力，而且精度差、工效低、速度慢。为提高尺寸划线精度等级并成倍提高铸件划线工效，为今后适应现代高级铸件的质量升级要求，一方面要重视不断更新、补充现代新型的各种量具比如数显的电子量具等；另一方面应考虑采用精度在0.05或 0.10mm的三维坐标铸件测量划线仪。
3.1.7铸件无损检测
铸件的无损检测一直是我国汽车铸造企业检测技术与手段的最薄弱环节，与国外相比则更是起步晚、差距很大。目前普遍不能适应开发国际市场的出国铸件、现代汽车铸件特别是高级轿车铸件的高质量、高可靠性、高安全性的技术条件要求。特别是有些关键铸件还要求 100%地进行无损的磁粉探伤、射线探伤、超声探伤或球化率检测、硬度与基体检测、壁厚检测、水（气〕压试验等等。对于一个现代汽车铸造厂，以上这些检测手段都要逐步建立与扩展；有些至少要有抽查检测的手段与能力；对特别关键且需 100％无损检测的铸件应上“在线自动检测”与“在线自动分选”的成套设备手段。（如法国雪铁龙汽车公司的克里西铸造厂就具有这些在线检测手段）笔者必须指出的是，由于铸铁毛坯件其表面光洁度较差、材质较疏松、晶粒较粗大以及其内部石墨的存在等因素的影响，因此必须注意探伤方法的选择、仪器的选型、器材的配套、操作的技术与人员的经验等工作。
3.1.8铸件表面质量检查
铸件表面缺陷的检查一般靠目视观察，包括使用小于十倍的放大镜方法、使用现代工业内窥镜方法等。为提高分辨率，还可采用荧光探伤、着色探伤、磁粉探伤等方法来发现表面上或靠近表面的缺陷。在大流水性汽车铸造生产线的检查中，对某些大型、复杂、特殊的重要铸件还应研制专用的在线自动量夹具进行主要尺寸检查与研制专用的铸件（毛坯）水压机进行自动渗漏检验等。
3.1.9铸造性能检测及工艺研究
铸造性能检测及其研究，是制定正确的铸造工艺，获得高产、优质、低废品率铸件的重要基础条件；也是指导铸造工艺改进、新产品试制及开发现代高技术含量铸件的有效手段。这方面在我国起步较晚，仪器的研制也比国外落后。直到目前，我国的汽车铸造工厂既还没有重视也没有建立与完善这些检测技术手段。这些性能包括流动性、线收缩、体收缩、热裂倾、、铸造应力、铸造膨胀力、合金凝固点、吸气性、含气量以及与铸型作用活泼性等。对此，汽车铸造行业应该逐步开展检测研，很有必要。还有，铸件凝固过程的模拟试验研究、用微机进行CAD铸造工装设计以及开展现代铸件质量指标的评定等工作都应重视起来。
3.1.10炉气分析检测
炉气分析是一项十分重要的工作。对冲天炉炉气中的CO与CO2含量分析可以掌握燃烧工况和冶金反应情况，据此能正确判断炉况，控制熔化操作，改进熔化工艺；并据此来计算焦炭的发热效率与炉子的热效率，从而指导提高铁焦比、降成本。这也是我国汽车铸造行业今后走向高产、优质、低耗、增加经济效益的一项重要工作，应重视开展。这种检测手段，国内早已经具备。如气相色谱仪、红外线气体分析仪等。特别是气相色谱仪，不仅能作炉气分析，还能分析铸铁中的N、O、H含量等。
3.1.11炉渣分析检测
铁液中的气体主要是氧、氮、氢，按重量计，仅小于0．05％，但对铸铁组织和力学性能有相当大的影响。由于铁液中测试氧、氮。氢还有一定困难，作为炉前控制还难以定出指标。因此，国外为获得优质铁液，增加了炉渣中Feo的含量为控制项目。检测冲天炉炉渣中Feo的含量即可判断炉料中si、Mn烧损的（多少）程度。这种检测不难，仅采用化学分析即可。对于国内的汽车铸造工厂都应开展。
3.1.12炉前热分析法检测
国内汽车铸造行业应继续进行“热分析法”的研究与开发。它很可能是未来铸铁炉前质量检测手段的最佳选择。因为它不仅能快速予报球化率，而且能同时检测C、Si含量及铸铁的孕育效果、基体组织及力学性能等。然而，由于目前国内热电偶材料精度等多因素的影响，热分析法在测试精确度方面还不很令人满意。
3.2 铸造质量控制方面
现代铸造的高水平就在于．决不仅仅是实现高水平的铸件成品检测，还要实现全铸造过程的中间质量检测与中间质量控制；不但要实现铸造中间过程的“前测”、“即测”与“后测”的闭环控制，还要实现其中间过程闭环控制的自动化、微机化。在提高并稳定铸件质量方面，应用微电子技术控制熔炼过程及型砂质量，特别对批量较大的铸造厂是很重要的。对多品种、小批量生产采用微机可方便地进行记数、模板更换、选择浇注、冷却程序变换等，具有柔性制造单元特殊的优点。高效造型机已不可能人工控制，微电子技术可适应多种需要的变化。 从国内汽车铸造行业现状来看，砂处理与熔化两个过程不但一直比国外铸造落后较多，同时这两个工序也正是现今国内铸造工厂提高质量与成本经济效益的最大潜力所在。
3.2.1砂处理质量控制
美国早已将微机用于型砂性能的管理。对于一个砂处理系统，仅仅控制水份、温度及恒定的配比是不够的。美国Dietert公司为此建立了15种型砂质量诊断分析用程序，为各铸造厂服务并用于型砂的质量自动控制。联邦德国Eirich公司已经研制的微型计算机控制的砂处理工部，混砂机先加砂与辅料，干混后再加水湿混，计算机就不断对混合料的水份、温度以及紧密率实行控制．有的还可根据造型工部的要求，及时自动改变配比和其他性能参数。这些就是我们汽车铸造行业21世纪初工厂改造的努力方向之一。
3.2.2熔化过程质量控制
目前，国外在冲天炉自动检测控制技术方面也已达到了高级的水平。炉后采用电子计算机进行程序控制。根据铁液牌号、炉料成份和价格，以线性规划法进行最优化配料，既满足熔化质量需要，又保证成本最低。炉前主要是搞自动化记录与控制调整。既能实现熔炼过程中对铁液温度、熔化速度、风量和焦耗等主要变量的检测，又能根据铁液成份、温度等工艺参数的变化综合调整熔化速度、送风强度、铁水温度、焦耗等，按自动调节原理使输出量对输入量实行反馈调节，并使冲天炉稳定在最优工作状态（实现风量、焦耗等最优化工作点的自动寻找和定值控制）。无论是冲天炉熔炼还是工频炉熔炼的计算机自动调节控制，特别是对铁液成份与铁液温度的自动调节控制方面，我国的差距都很大。这方面也是我们汽车铸造行业21世纪初应该努力提高的方向。
国外其他方面的微机控制还很多。比如新一代的造型线产品都采用了微机控制，造型机采用了快换模板装置；微机控制制芯设备的射芯、硬化、净化和环保；清理专用线采用微机控制抛丸清理机，用数控机床进行浇冒口切割和去飞边毛刺；有的公司采用模拟随动机械手进行落砂、扒炉渣和浇注的操作等。由于篇幅所限，不再详述。
3.3 铸造计量检测与环保检测
计量检测是铸造企业上质量、降成本、增效益及准确计算投入产出的最基础、最重要、最关键工作，更是铸造过程进行质量检测控制的前提。但目前一般的汽车铸造厂对计量手段的配备率、完好率及其更新发展还重视不够。比如：进厂火车皮炉料的准确计量（用“火车皮地中衡”等）、各车间“接口”之间的投入产出与物流的准确计数或计量，特别是熔化车间的加料自动称量工作等都缺少手段或手段水平低、不可靠。这是今后急需要解决的问题，还应尽量采用智能化且能连续给料计量的电子称重仪表并向“远程监控”及计算机管理发展。环保检测是21世纪铸造行业的必然之路。在国外铸造早已重视并绳之以法。而我国的铸造行业厂内外环境污染严重超标已成一大公害。21世纪之初必须要兼上环保检测及其监控自检的工作。环保检测仪器方面我国十分落后，应该引进部分基本与必要的仪器。
3.4 铸造检测与控制技术管理
汽车铸造工厂应特别重视铸造质量检测与质量控制手段的完善与发展，要舍得投入这项质量成本，因为一个有效的检测手段其产生的经济效益不知要比它本身的价值投入大多少倍。既要抓铸造全过程的“两头”，又要带“中间”；既要抓手段，又要抓管理。目前，我国的许多汽车铸造工厂在检测与控制技术管理上的“通病”是：或者计量检测与质量检测手段不全；或者仅有检测但无反馈控制；或者虽有工艺参数检测而无参数考核；或者虽有检测控制手段但对其周期保养、计量检定、计划予修与备件供应跟不上去等等。这些问题都是我国汽车铸造企业必须急待解决的问题。
3.5 铸造质量管理技术加“五个技术结合”
建国以来，我国的汽车铸造企业和全国其他行业一样，先后曾开展了多年的“质量月”活动，又经过全面质量管理的全员大培训，虽然都收到了一定的成效，但并没有真正走上铸造质量管理的标准规范之路。笔者认为，现代铸造企业只有认真学习并认真贯彻落实ISO9000族标准的管理才能真正走上铸造质量管理的规范轨道。因为只有落实“贯标”，才能真正落实质量检测、质量控制、质量改进、质量预测、质量预防和各项质量管理技术；才能使质检部门从现在整天忙于对现生产不断发生质量问题的被动把关与紧急“救火”中解放出来；才能从“被动把关救火的低水平阶段”上升到“以主动预防为主的高级阶段”，从而实现从“必然王国”向“自由王国”的转化。还需要指出的是，多年的实践表明：为了充分发挥铸造质量检测与质量控制的威力与作用，还必须作到“五个技术结合”才成。即检测技术（包括计量检定技术）、控制技术（包括自动调节技术）、考核技术、维修技术（包括维护保养）、计量技术（包括配料、连续供料与投入产出的计量等）相结合。笔者深信，ISO9000族标准贯标技术加上“五个技术结合”，必将能在我国汽车铸造企业产生巨大的物质力量！汽车铸造工程技术人员，不仅需要研究铸造工艺与检测控制技术，还要研究“全面质量管理”技术，也要研究“全面成本管理”技术。
同机械制造业一样，中国铸造业今后必须以质量检测、质量控制与成本计量技术的现代化为龙头，以推进企业生产全过程的信息现代化与企业管理现代化，才能全面带动铸造工业的现代化!
参考文献
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