CN112517727A - 一种铝合金深腔构件超低温成形装置及成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金深腔构件超低温成形装置及成形方法,属于铝合金深腔构件成形技术领域,所述铝合金深腔构件超低温成形装置,包括上模和下模,上模底端的轮廓形状与深腔腔体的形状相匹配;设置于下模内的低温冷却室和设置于上模或下模内的低温增压室,低温冷却室和低温增压室用于填充低温介质;成形槽,设置于上模或下模内,形状与特征腔体的形状相匹配,且成形槽的位置与低温增压室的位置相对应;冷源,分别与低温冷却室和低温增压室相连接。本发明实现了冷却和增压的功能复合,能成形出大尺寸铝合金深腔复杂构件,避免了直接采用冷却剂加压成形大尺寸构件需要大量高压冷却剂的难题,同时冷却效果好、冷却均匀、高压冷却剂使用量小。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金深腔构件成形技术领域,具体而言,涉及一种大尺寸的铝合金深腔构件超低温成形装置及成形方法。
背景技术
铝合金作为一种轻量化、高强比材料被广泛用于航空、航天等飞行器主体结构的制造,例如空客A380飞机机身结构60%为铝合金制造。其中,铝合金深腔薄壁构件具有深腔曲面,同时有凸台或凹槽等局部几何特征,成形难度极大。
现有技术中,一方面由于室温下铝合金成形极限低,因此现有室温拉深成形难于一次获得深腔曲面;另一方面,热态下铝合金成形极限虽有所提高,但硬化性能低、软化现象突出,成形凸台或凹槽等局部特征时,材料软化导致局部材料减薄十分严重,甚至开裂;此外,热成形导致材料内部孔洞缺陷,晶粒长大、组织性能下降等问题。现有技术中通常采用超低温铝合金成形方法,但在超低温成形过程中,需要使用冷却剂先冷却模具,再通过模具传热冷却板坯,存在冷却效果差、温度不均的问题,且当成形大尺寸构件时,需要大量的高压冷却剂,而大量冷却剂增压时汽化十分严重,因此,导致压力控制难度极大。
发明内容
本发明解决的问题是现有超低温铝合金成形方法中,需要使用冷却剂先冷却模具,再通过模具传热冷却板坯,存在冷却效果差、温度不均的问题,且当成形大尺寸构件时,需要大量的高压冷却剂,汽化严重,压力较难控制中的至少一个方面。
为解决上述问题,本发明提供一种铝合金深腔构件超低温成形装置,用于铝合金深腔构件成形,所述铝合金深腔构件包括深腔腔体和与所述深腔腔体一体连接的特征腔体,所述铝合金深腔构件超低温成形装置包括:
相互匹配的上模和下模,所述上模底端的轮廓形状与所述深腔腔体的形状相匹配;
设置于所述下模内的低温冷却室和设置于所述上模或所述下模内的低温增压室,所述低温冷却室和所述低温增压室用于填充低温介质;
成形槽,设置于所述上模或所述下模内,所述成形槽的形状与所述特征腔体的形状相匹配,且所述成形槽的位置与所述低温增压室的位置相对应;
冷源,所述冷源分别与所述低温冷却室和所述低温增压室相连接。
较佳地,所述低温增压室的封端处设有用于与待成形铝合金板坯配合的密封件。
较佳地,所述低温介质包括液氮或液氦。
较佳地,所述铝合金深腔构件超低温成形装置还包括介质回收槽,所述介质回收槽与所述低温冷却室通过第一管路相连接。
较佳地,所述冷源包括低温罐,所述低温罐与所述低温增压室通过第二管路相连接,所述低温罐与所述低温冷却室通过第三管路相连接。
较佳地,所述第二管路和所述第三管路上分别设置截止阀。
较佳地,所述第二管路上设置低温增压器。
较佳地,所述成形槽内设置位移传感器,所述位移传感器用于检测所述铝合金构件与所述成形槽的槽壁的距离。
较佳地,所述铝合金深腔构件超低温成形装置还包括设置于所述下模上方的压边结构,所述压边结构对所述待成形铝合金板坯进行定位。
与现有技术比较,本发明所述的铝合金深腔构件超低温成形装置包括与冷源连接的低温冷却室和低温增压室,在低温冷却室内采用低温介质侵入式冷却方式,整体拉伸深腔腔体形状,并在低温增压室内对低温介质增压,实现局部特征腔体的形状,实现了冷却和增压的功能复合,能成形出带有局部特征的大尺寸铝合金深腔复杂构件,避免了直接采用冷却剂加压成形大尺寸构件需要大量高压冷却剂的难题,同时冷却效果好、冷却均匀、高压冷却剂使用量小。
为解决上述技术问题,本发明还提供了一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,包括如下步骤:
步骤S1:上模和下模处于分离状态,向低温冷却室内注入温度不大于-150℃的低温介质至饱满;
步骤S2:将预先切好的待成形铝合金板坯放置于所述下模的顶部,推动所述上模下行,使所述待成形铝合金板坯进入所述低温冷却室至所述待成形铝合金板坯形成深腔腔体;
步骤S3:向所述低温增压室内注入低温介质,并对所述低温介质逐渐增压,使所述待成形铝合金板坯在所述低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤S4:停止对所述低温增压室内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
较佳地,在所述步骤S1之前,对所述待成形铝合金板坯进行热处理。
较佳地,步骤S2中,所述待成形铝合金板坯进入所述低温冷却室的同时,所述低温冷却室内的低温介质排出至介质回收槽。
本发明所述的一种铝合金深腔构件超低温成形方法与所述铝合金深腔构件超低温成形装置相对于现有技术的其他优势相同,在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于下模)的工作状态示意图一;
图2为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于下模)的工作状态示意图二;
图3为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于下模)的工作状态示意图三;
图4为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于下模)的工作状态示意图四;
图5为本发明实施例中制得的铝合金深腔构件的剖视图(低温增压室设置于下模);
图6为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于上模)的工作状态示意图一;
图7为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置上模)的工作状态示意图二;
图8为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于上模)的工作状态示意图三;
图9为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置(低温增压室设置于上模)的工作状态示意图四;
图10为本发明实施例中制得的铝合金深腔构件的剖视图(低温增压室设置于上模);
图11为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形方法的流程图一;
图12为本发明实施例中铝合金深腔构件超低温成形方法的流程图二。
附图标记说明:
1-上模,2-压边结构,3-下模,4-待成形铝合金板坯,5-第三管路,6-第一管路,7-成形槽,8-密封件,9-第二管路,10-低温罐,11-低温增压器,12-介质回收槽、13-低温冷却室、14-低温增压室。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,附图中“X”的正向代表右方,“X”的反向代表左方,“Y”的正向代表上方,“Y”的反向代表下方,且术语“X”和“Y”指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1-10所示,本发明实施例提供一种铝合金深腔构件超低温成形装置,用于铝合金深腔构件成形,铝合金深腔构件包括深腔腔体和与深腔腔体一体连接的特征腔体,铝合金深腔构件超低温成形装置包括:
相互匹配的上模1和下模3,上模1底端的轮廓形状与深腔腔体的形状相匹配,适于将待成形铝合金板坯4成形出深腔腔体;
设置于下模3内的低温冷却室13和设置于上模1或下模3内的低温增压室14,低温冷却室13和低温增压室14用于填充低温介质;
成形槽7,设置于上模1或下模3内,成形槽7的形状与特征腔体的形状相匹配,适于将待成形铝合金板坯4成形出特征腔体,且成形槽7的位置与低温增压室14的位置相对应;
冷源,冷源分别与低温冷却室13和低温增压室14相连接,用于向低温冷却室13和低温增压室14内充入低温介质。
需要说明的是,本实施例中深腔腔体的体积要远大于特征腔体的体积,使得特征腔体仅作为深腔腔体局部的一小部分,本实施例中对于特征腔体的形状不做限制,可以为凸台或凹槽。
本实施例中,上模1和下模3相互匹配是指,上模1能够在外界的压力下进入下模3的内部,并能向靠近或远离下模3的方向移动。
本实施例中成形槽7的位置与低温增压室14的位置相对应是指,当成形槽7设置于上模1时,低温增压室14设置于下模3,且成形槽7与低温增压室14相对设置;当成形槽7设置于下模3时,低温增压室14设置于上模1,且成形槽7与低温增压室14相对设置,由此,容易通过低温增压室14内的高压低温介质将待成形铝合金板坯4压入成形槽7内。
需要说明的是,本实施例中对于低温冷却室13的形状不做限制,只要能容纳低温介质且适于上模1进出即可,本实施例中对于低温增压室14的形状也不做限制,只要能够容纳低温介质即可。
在一些优选的实施例中,低温增压室14的封端处设有用于与待成形铝合金板坯4配合的密封件8,本实施例中对于密封件8的形状和大小不做限制,只要能够使得当低温增压室14与待成形铝合金板坯4接触进行特征腔体成形之前,能够通过密封件8与外界隔绝即可,能够有效保证后续对低温增压室14内的低温介质增压。
在一些优选的实施例中,低温介质包括液氮或液氦,提供冷却介质,原料来源广泛。
在一些优选的实施例中,铝合金深腔构件超低温成形装置还包括介质回收槽12,介质回收槽12与低温冷却室13通过第一管路6相连接,形成介质回收通路。
在一些具体的实施例中,介质回收通路上设置溢流阀,用于控制介质回收通路的通断。
较佳地,冷源包括低温罐10,低温罐10与低温增压室14通过第二管路9相连接,低温介质通过第二管路9流入低温增压室14,低温罐10与低温冷却室13通过第三管路5相连接,低温介质通过第三管路5流入低温冷却室13。
在一些优选的实施例中,第二管路9上设置低温增压器11,低温增压器11用于对低温介质进行增压,低温罐10、低温增压器11与低温增压室14依次连通,形成第一低温通路;低温罐10还与低温冷却室13相连通,形成第二低温通路。
在一些具体的实施例中,第二管路9和第三管路5上分别设置截止阀。用于控制第一低温通路和第二低温通路的通断。
在一些优选的实施例中,成形槽7内设置位移传感器,位移传感器用于检测特征腔体与成形槽7的槽壁的距离。具体地,位移传感器用于检测特征腔体的外壁与成形槽7的槽壁的距离。在一些具体的实施例中位移传感器包括主体和与主体可连接的可伸缩探头,当特征腔体的外壁与成形槽7逐渐接近时,可伸缩探头逐渐退回至主体内,直至特征腔体的外壁与成形槽7的内壁贴合,因此,可通过位移传感器检测特征腔体的外壁与成形槽7的槽壁的距离,以考察特征腔体的外壁与成形槽7的贴合程度。
较佳地,铝合金深腔构件超低温成形装置还包括设置于下模3上方的压边结构2,压边结构2用于压制待成形铝合金板坯4的边缘,对待成形铝合金板坯4进行定位。
本实施例的铝合金深腔构件超低温成形装置的工作原理在于:当需要将铝合金板坯成形出带有局部特征的深腔构件时,先将上模1和下模3分离,并向低温冷却室13内注入低温介质至饱满;将预先切好的待成形铝合金板坯4放置于下模3的顶部并通过压边结构2进行定位,推动上模1下行,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13,同时低温冷却室13内的低温介质排出至介质回收槽12,直至待成形铝合金板坯4形成深腔腔体,此时低温增压室14的密封件8与待成形铝合金板坯4形成密封环境;向低温增压室14内注入低温介质,并对低温介质逐渐增压,待成形铝合金板坯4在低温增压室14内的低温介质的压力作用下形成特征腔体;停止对低温增压室14内的低温介质增压,开模,即可制得成形的铝合金深腔构件。
现有技术中,在铝合金构件超低温成形过程中,一般冷却与增压在同一个腔室内,为了保证后续实现增压,因此在冷却的过程中整个腔室必须是密封的,使得铝合金板坯在成形过程中材料流动性较小,基本依靠材料本身的减薄,实现铝合金构件的深腔结构,而本实施例的铝合金深腔构件超低温成形装置包括与冷源连接的低温冷却室13和低温增压室14,使得深腔腔体在成形过程中不需要密封环境,待成形铝合金板坯4的流动较大,在上模1下行的过程中,待成形铝合金板坯4的两端可进入模具,因此,深腔腔体的成形不仅仅依靠材料减薄,更多的是依靠两端待成形铝合金板坯4的流入补充,容易形成深腔结构,且不易开裂。
因此,本实施例的铝合金深腔构件超低温成形装置包括与冷源连接的低温冷却室13和低温增压室14,在低温冷却室13内采用低温介质侵入式冷却方式,整体拉深深腔腔体形状,并在在低温增压室14内对低温介质增压,实现局部特征腔体的形状,实现了冷却和增压的功能复合,能成形出大尺寸铝合金深腔复杂构件,且不易开裂,避免了直接采用冷却剂加压成形大尺寸构件需要大量高压冷却剂的难题,同时冷却效果好、冷却均匀、高压冷却剂使用量小。
如图11所示,本实施例还提供了一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于如上所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,包括如下步骤:
步骤S1:上模1和下模3处于分离状态,向低温冷却室13内注入温度不大于-150℃的低温介质至饱满;
步骤S2:将预先切好的待成形铝合金板坯4放置于下模3的顶部,推动上模1下行,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13至待成形铝合金板坯4形成深腔腔体;
步骤S3:向低温增压室14内注入低温介质,并对低温介质逐渐增压,待成形铝合金板坯4在低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤S4:停止对低温增压室14内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
如图12所示,在一些优选的实施例中,在步骤S1之前,还包括:
步骤S0:对待成形铝合金板坯4进行热处理。在一些具体的实施例中,热处理工艺包括,将切好的退火态的待成形铝合金板坯4做固溶淬火处理,固溶温度为480-540℃,保温时间为30-120分钟,淬火介质为水或油,温度小于20℃,转移时间小于5s。
本实施例步骤S2中,上模1的下行速度为0.5-5mm/s,在一些优选的实施例中,上模1的下行速度为2mm/s,能够保证深腔腔体的顺利拉伸成形,且拉伸均匀。
本实施例步骤S3中,对低温介质逐渐增压,即低温介质压力从0至100MPa逐渐增加,使得特征腔体逐渐形成。当待成形铝合金板坯4在低温介质的压力作用下形成特征腔体后,保压10-60s,在一些具体的实施例中,保压30s,保证铝合金深腔构件成形后的稳定性。
本实施例中,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13的同时,低温冷却室13内的低温介质排出至介质回收槽12,对低温介质进行回收。
本发明的一种铝合金深腔构件超低温成形方法与铝合金深腔构件超低温成形装置相对于现有技术的其他优势相同,在此不再赘述。
实施例1
如图1-5所示,图1至图4为本实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置将待成形铝合金板坯加工至铝合金深腔构件的全过程示意图。图5为本实施例中制得的铝合金深腔构件的剖视图。
本实施例提供了一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于的铝合金深腔构件超低温成形装置,其中,成形槽7设置于上模1,低温增压室14设置于下模3,具体包括如下步骤:
步骤1.0:对待成形铝合金板坯4进行热处理。将切好的退火态的待成形铝合金板坯4做固溶淬火处理,固溶温度为480℃,保温时间为50分钟,淬火介质为水,温度为15℃,并在3s内转移;
步骤1.1:上模1和下模3处于分离状态,向下模3内的低温冷却室13内注入温度为-175℃的液氮至饱满;
步骤1.2:将预先切好的待成形铝合金板坯4放置于下模3的顶部,上模1以1mm/s的速度下行,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13至待成形铝合金板坯4形成深腔腔体;
步骤1.3:向低温增压室14内注入低温介质,并对低温介质逐渐增压,使得低温介质压力从0至100MPa逐渐增加,待成形铝合金板坯4在低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤1.4:停止对低温增压室14内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
本实施例中,待成形铝合金板坯4可以是牌号是2219、2195、7075、6063、6014或6016中的任意一种铝合金材料。
实施例2
如图6-10所示,图6至图9为本实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置将待成形铝合金板坯加工至铝合金深腔构件的全过程示意图。图10为本实施例中制得的铝合金深腔构件的剖视图。
本实施例提供了一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于的铝合金深腔构件超低温成形装置,其中,成形槽7设置于下模3,低温增压室14设置于上模1,具体包括如下步骤:
步骤2.0:对待成形铝合金板坯4进行热处理。将切好的退火态的待成形铝合金板坯4做固溶淬火处理,固溶温度为540℃,保温时间为120分钟,淬火介质为油,温度为10℃,并在4s内转移;
步骤2.1:上模1和下模3处于分离状态,向下模3内的低温冷却室13内注入温度为-165℃的液氦至饱满;
步骤2.2:将预先切好的待成形铝合金板坯4放置于下模3的顶部,上模1以5mm/s的速度下行,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13至待成形铝合金板坯4形成深腔腔体;
步骤2.3:向低温增压室14内注入低温介质,并对低温介质逐渐增压,使得低温介质压力从0至100MPa逐渐增加,待成形铝合金板坯4在低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤2.4:停止对低温增压室14内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
本实施例中,待成形铝合金板坯4可以是牌号是2219、2195、7075、6063、6014或6016中的任意一种铝合金材料。
实施例3
如图6-10所示,图6至图9为本实施例中铝合金深腔构件超低温成形装置将待成形铝合金板坯加工至铝合金深腔构件的全过程示意图。图10为本实施例中制得的铝合金深腔构件的剖视图。
本实施例提供了一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于的铝合金深腔构件超低温成形装置,其中,成形槽7设置于下模3,低温增压室14设置于上模1,具体包括如下步骤:
步骤2.1:上模1和下模3处于分离状态,向下模3内的低温冷却室13内注入温度为-170℃的液氦至饱满;
步骤2.2:将预先切好的待成形铝合金板坯4放置于下模3的顶部,上模1以3mm/s的速度下行,待成形铝合金板坯4进入低温冷却室13至待成形铝合金板坯4形成深腔腔体;
步骤2.3:向低温增压室14内注入低温介质,并对低温介质逐渐增压,使得低温介质压力从0至100MPa逐渐增加,待成形铝合金板坯4在低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤2.4:停止对低温增压室14内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
本实施例中,待成形铝合金板坯4可以是牌号是5182、5083或5A06中的任意一种铝合金材料。
虽然本发明公开披露如上,但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种铝合金深腔构件超低温成形装置,用于铝合金深腔构件成形,所述铝合金深腔构件包括深腔腔体和与所述深腔腔体一体连接的特征腔体,其特征在于,所述铝合金深腔构件超低温成形装置包括:
相互匹配的上模(1)和下模(3),所述上模(1)底端的轮廓形状与所述深腔腔体的形状相匹配;
设置于所述下模(3)内的低温冷却室(13)和设置于所述上模(1)或所述下模(3)内的低温增压室(14),所述低温冷却室(13)和所述低温增压室(14)用于填充低温介质;
成形槽(7),设置于所述上模(1)或所述下模(3)内,所述成形槽(7)的形状与所述特征腔体的形状相匹配,且所述成形槽(7)的位置与所述低温增压室(14)的位置相对应;
冷源,所述冷源分别与所述低温冷却室(13)和所述低温增压室(14)相连接。
2.根据权利要求1所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述低温增压室(14)的封端处设有用于与待成形铝合金板坯(4)配合的密封件(8)。
3.根据权利要求1所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述低温介质包括液氮或液氦。
4.根据权利要求1所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,还包括介质回收槽(12),所述介质回收槽(12)与所述低温冷却室(13)通过第一管路(6)相连接。
5.根据权利要求1所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述冷源包括低温罐(10),所述低温罐(10)与所述低温增压室(14)通过第二管路(9)相连接,所述低温罐(10)与所述低温冷却室(13)通过第三管路(5)相连接。
6.根据权利要求5所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述第二管路(9)和所述第三管路(5)上分别设置截止阀。
7.根据权利要求5所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述第二管路(9)上设置低温增压器(11)。
8.根据权利要求7所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,所述成形槽(7)内设置位移传感器,所述位移传感器用于检测所述铝合金构件与所述成形槽(7)的槽壁的距离。
9.根据权利要求1所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,还包括设置于所述下模(3)上方的压边结构(2),所述压边结构(2)用于对所述待成形铝合金板坯(4)进行定位。
10.一种铝合金深腔构件超低温成形方法,基于权利要求1-9任一项所述的铝合金深腔构件超低温成形装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:上模(1)和下模(3)处于分离状态,向低温冷却室(13)内注入温度不大于-150℃的低温介质至饱满;
步骤S2:将预先切好的待成形铝合金板坯(4)放置于所述下模(3)的顶部,推动所述上模(1)下行,使所述待成形铝合金板坯(4)进入所述低温冷却室(13)至所述待成形铝合金板坯(4)形成深腔腔体;
步骤S3:向所述低温增压室(14)内注入低温介质,并对所述低温介质逐渐增压,使所述待成形铝合金板坯(4)在所述低温介质的压力作用下形成特征腔体;
步骤S4:停止对所述低温增压室(14)内的低温介质增压,开模,取出成形的铝合金深腔构件。
11.根据权利要求10所述的铝合金构件超低温成形方法,其特征在于,在所述步骤S1之前,对所述待成形铝合金板坯(4)进行热处理。
12.根据权利要求10所述的铝合金构件超低温成形方法,其特征在于,步骤S2中,所述待成形铝合金板坯(4)进入所述低温冷却室(13)的同时,所述低温冷却室(13)内的低温介质排出至介质回收槽(12)。
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