激光技術(shù)在汽車工業(yè)中的應用講解

1、激光技術(shù)在汽車工業(yè)中的應用郎旭元,張元鐘(南華大學 機械工程學院,湖南 衡陽 421001激光技術(shù)是涉及到光、 機、 電、 材料及檢 測等 多學 科 的一門綜合技術(shù),因具有單色性、 相干性、 高能量和平行 性等特點,激光適用于材料加工,而且激光的空間控制性 和時間控制性很好,對加工對象的材質(zhì)、 形狀、 尺寸和加 工環(huán)境的自由度很大, 特別適用于自動化加工, 40多年 來,激光技術(shù)與應用發(fā)展迅猛,已與多個學科相結(jié)合形成 多個應用技術(shù)領(lǐng)域。 尤其是近年來,汽車工業(yè)已成為激光 技術(shù)應用最多的領(lǐng)域之一。下表列出了采用激光加工方法生產(chǎn)的部分汽車零部件。1激光切割激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度的激光束照

2、射工件,在超過閾值功率密度的前提下,光束能量及活性氣 體輔助切割過程附加的化學反應熱能被材料吸收, 引起 照射點工件材料的溫度急劇上升。達到沸點后材料開始 汽化并形成孔洞。 隨著光束與工件的相對移動,使材料形 成切縫。 激光切割的特點:速度快,切口光滑平整,一般無 需后續(xù)加工;切割熱影響區(qū)小、 板材變形小、 切縫窄 (0. 10. 3m m ;切口沒有機械 應力,無剪切毛刺 ;加工 精度 高,重復性好,不損傷材料表面;數(shù)控編程,可以對幅面很大 的整板切割,無需開模具,經(jīng)濟省時。目前在許多國外汽車制造公司中, 激光切割技術(shù)的 應用非常普遍。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計, 歐美等工業(yè)發(fā)達國家50%70%的汽車零

3、部件都是采用激光加工來完成的。用三軸、 五軸激光切割機切割汽車車身、 汽車頂殼和內(nèi)裝飾 板等。 在樣車研制和小批量生產(chǎn)中,使用三維以上的激光 切割加工系統(tǒng),切割各種板件。在生產(chǎn)線上,采用激光切 割機器人對已經(jīng)沖壓成型的部件進行在線立體切割。高 效激光切割系統(tǒng)的應用, 大幅度縮短了新車的研制時間 和汽車的生產(chǎn)準備周期,使生產(chǎn)實現(xiàn)了自動化和柔性化, 而且生產(chǎn)效率也得到了大幅度的提高。美國福特汽車公 司 工 模 具 廠 用 激光 切 割 模 具 , 生 產(chǎn) 周 期 縮 短 為 原 來 的1/5,滿足了汽車快速改型的需要 1。 2激光焊接由于激光焊接功率密度高、焊接速度快和熱影響區(qū)小,加上不需搭邊和焊

4、縫成形好,不僅生產(chǎn)效率高,而且 焊接質(zhì)量好,焊縫強度等于或超過母材。 激光焊接與只能摘 要:通過國外汽車公司的一些實例,介紹了汽車工業(yè)應用的激光技術(shù),對激光切割、激光焊接、 激光表面處理、 激光 檢測等技術(shù)的原理、 特點、 應用范圍作了較為詳細的分析,同時對激光技術(shù)在國內(nèi)汽車工業(yè)的應用也進行了闡述。指出 激光技術(shù)能夠保證汽車的加工質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,降低制造成本,適合于在汽車工業(yè)推廣使用。最后,對激光技術(shù)的研 究趨勢進行了討論。關(guān)鍵詞:汽車工業(yè); 激光切割; 激光焊接; 激光表面處理; 激光檢測 中圖分類號:TG 456. 7;TG 485;U 463文獻標識碼:A文章編號:1002-2333

5、(2006 06-0020-04A ppl i cat i on of L aser T echnol ogy t o A ut om obi l e Indust ryL A N G X u-yuan , Z H A N G Y uan-zhong(SchoolofM echani calEngi neer i ng,N anhua U ni ver s i t y,H engyang 421001, Chi na A bst ract :The l aser t echnol ogy t o aut om obi l e i ndust r y i s i nt r oduced wi t

6、 h som e i nst ances of f or ei gn aut om obi l e wor ks andt he pr i nci pl es,t he char act er i st i cs and t he appl i cat i on ar eas of l aser cut t i ng,l aser wel di ng,l aser sur f ace t r eat m ent and l aser det ect i ng ar e anal yzed i n det ai l . The appl i cat i on of t he l aser t e

7、chnol ogy t o dom est i c aut om obi l e i ndust r y i s al so el abor at ed and i t i s expr essed t hat wi t h t he advant ages of assur i ng pr ocessi ng qual i t y, i ncr easi ng pr oduct i on ef f i ci ency and r educi ng m anuf act ur e cost t he l aser t echnol ogy i s f i t f or spr eadi ng

8、i n aut om obi l e i ndust r y. A t l ast , som et hi ng t hat shoul d be st udi ed nextaboutt he l aser t echnol ogy i s expl or ed.K ey w ords :autom obi l e i ndust r y;l aser cut t i ng;l aser wel di ng;l aser sur f ace t r eat m ent ;l aser det ect i ng 序號 12345加工方法切割焊接拼焊 表面處理 打標加工部件名稱 車身覆蓋件、 動

9、力操縱組件車身、 離合器、變速箱拼焊板 凸輪軸、 齒輪、 曲軸 內(nèi)部組件備 注材料邊緣密封焊,多層切割同時 進行,切割質(zhì)量保持一致。無切 割毛刺,變形小,熱影響區(qū)小。 對 車 頂 和 立 柱 等 所 有 部 件 均 能 進行焊接,速度快、 強度高、 變形 小,焊接相容性好,材料消耗少, 焊接質(zhì)量好。滿足汽車對不同鋼種、厚度、 耐腐蝕性能和強度性能的要求,并 且在焊接以后進行成形。局部熱處理,變形小,無需矯正。 20機械工程師 2006年第 6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c汽車工業(yè)中采用激光技術(shù)加工的部分零件表進行單調(diào)焊接的點焊相比幾乎是無所不

10、能, 實際上激光 可以在計算機控制下沿任意軌跡進行焊接。所以被廣泛 應用于汽車門板、 擋板、 儀表板、 動力傳動齒輪等零部件 的制造,也被用于車頂和側(cè)圍、 發(fā)動機架、 散熱器架等部 件的裝配。梅賽德斯 -奔馳公司用激光焊接車頂和邊窗, 每小時可完成 45件?？ǖ侠斯驹谏a(chǎn) 豪華 車中 用 2. 4kW 連續(xù) N d Y A G 激光焊車體鍍鋅部件, 焊接的聚焦 機構(gòu)和壓輪組合在一起,焊接時壓輪壓在工件上,使車頂 與夾具緊密吻合, 可以達到完美加工, 完全能滿足生產(chǎn) 率、 經(jīng)濟性、 防腐能力和強度的要求 2。用激光焊接代替 電子束焊進行齒輪及傳動部件的焊接,減少了變形,且提 高了生產(chǎn)率。另外

11、, 激光拼焊技術(shù)在汽車工業(yè)中也具有很大的應 用前景 3。拼焊板 (國外稱之為 Tai l or W el ded B l anks 是 汽車車身設計中出現(xiàn)的一個嶄新的概念, 可將經(jīng)不同表 面處理、 不同鋼種、 不同厚度的鋼板采用激光焊的方法 , 使之成為一個組件。 這種板材的自由組合具有以下優(yōu)點:減少零件數(shù)量;減輕構(gòu)件重量;提高構(gòu)件結(jié)構(gòu)質(zhì)量和可靠 性;為生產(chǎn)寬體車提供可能;可提高鋼材利用率和降低生 產(chǎn)成本等。拼焊板的這些優(yōu)點在生產(chǎn)中體現(xiàn)為產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn) 效率高, 且生產(chǎn)成本低, 因此受到汽車工業(yè)界的極大關(guān) 注。德國梯森公司的 N ot hel f er 公司從 1985年開始生產(chǎn) 拼 焊 板

12、, 1986年 首 次 將 拼 焊 的 汽 車 底 板 應 用 于 A udi , 1987年將其 推 入 美 國 市 場 。目 前 該 公 司 向 歐 洲 各 汽 車 廠,包括大眾、 奔馳、 菲亞特等提供各種規(guī)格的拼焊鋼板, 占有歐洲 50%的市場份額。我國一汽 A udi 100所采用的 底板均系該公司產(chǎn)品。日本豐田汽車公司生產(chǎn)雷克薩斯 和可羅娜轎車采用 5種不同厚度和 3種不同表面鍍層的 拼焊側(cè)框件,將模具數(shù)量由 29副減少到 4副 ,材 料 利用 率由 40%增加到 65%。 過去內(nèi)門板用 0. 8m m 的鋼板沖壓 而成,為了鉸接和安裝反光鏡的需要,必須焊上加強件。 現(xiàn)采用 2m m

13、 坯板和 0. 8m m 的坯板激光焊在一起, 然后 一次沖壓成型,每扇門重可減少 1. 35kg 。 圖 1為轎車中采 用激光拼焊板的部件。 3激光表面處理3. 1激光相變硬化激光相變硬化是利用激光將材料表面加熱到相變點 以上,隨材料自身冷卻,奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,從而硬化材 料表面。其特點是以激光為熱源,局部加熱,一旦停止照 射,加熱區(qū)的熱量就迅速傳出,急冷并硬化。 福特、 豐田、 三 菱等汽車公司均采用激光相變硬化技術(shù)對汽車零部件進 行處理,取得良好效果,并已成功地用于齒輪箱、 氣缸、 活 塞環(huán)槽、 氣門座圈、 氣門導管等零件的表面硬化處理。 3. 2激光熔覆與合金化激光熔覆與合金化都是利

14、用高能密度的激光所產(chǎn)生 的快速熔凝過程,在基體表面形成與基體互相熔合的、 且 具有完全不同成分與性能的合金覆層。 兩者差異僅在于:激光熔覆中覆層材料完全熔化,而基材熔化層極薄,因而 對覆層的成分影響極小; 而激光合金化則是在基材的表 面熔融層內(nèi)加入合金元素, 從而形成以基材為基礎(chǔ)的新 的合金層。激光熔覆適用于局部易磨損、易磨蝕和受沖擊的零 件。 熔覆時通常選用硬度高、 耐磨、 抗疲勞、 耐蝕等材料放 在工件表面,然后用大功率激光來掃描,將熔覆材料熔化 到基體表面, 形成母材成分不同的組織而母材表面只有 微量熔融,二者不發(fā)生合金化過程。 熔化的添加材料在基 體表面上形成牢固結(jié)合的熔覆層, 可以極

15、大提高零件表 面的硬度、 耐磨、 耐腐蝕、 耐疲勞等機械性能。激光表面合金化是把成分不同于母材的添加材料加 到母材表面上而形成的混合成分, 其性能及組織不同于 母材。激光表面合金化的處理過程具有效率高、 耗能少、 變形小等特點,可對汽車工業(yè)中的汽缸、 襯套、 活塞環(huán)、 凸 輪、心軸、閥和閥座、傳動機件等進行改性處理。美國 A V C O 汽車公司在 A I SI 4815鋼制 零件表面涂上 C 和 C r 細粉 后用 10kW 的 C O 2激光以 48m m /s 的速度 掃描,可 獲得 1. 3m m 厚的合金化層。其含鉻量高達 20%, 且分布 均 勻 , 其 表 面 硬 度 可 提 高

16、 到 H R C 55, 而基 材 硬 度 只 有 H R C 33,并且內(nèi)部能保持相當好的韌性 4。4激光檢測在當今汽車工業(yè)中, 對零部件和車身的要求越來越 高,各種設備也不斷朝著精密化、 自動化方向發(fā)展,傳統(tǒng) 的方法已不能完全滿足檢測工作的要求。而激光檢測具 有精度高、 適用性強、 可靠性高等優(yōu)點,得以迅速發(fā)展。 激 光技術(shù)在汽車工業(yè)檢測中的應用,項目繁多。 激光可以用 來測量尺寸,用激光對汽車的曲軸、 凸輪軸、 閥座等零 件 的直線度、 長度、 垂直度、 密度等測量,所有尺寸的分辨率 可達 1m ,重復精度 0. 2m 。激光也可用來檢查零件,美 國通用汽車公司已在全自動的發(fā)動機生產(chǎn)線上

17、采用激光 裝置檢查汽車零件產(chǎn)品質(zhì)量,公差為 ±0. 001英寸。另外, 用激光還可以檢測零件的密封性能 5。 圖 2為激光檢測系 統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。將被測物中等壓等容導入測試氣體并密封處理后放 入檢測單元, C O 2激光器發(fā)出的激光光束進入檢測單元。21機械工程師 2006年第 6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c當 被 測 物 有 泄 漏 產(chǎn) 生 時 , 檢 測 單 元 內(nèi) 檢 測 氣 體 的 濃 度 將 逐 漸 升 高 。 在 激 光 入 射 方 向 以 外 ,散 射 光 的 強 度 、 頻移及其角度依賴性都與檢測氣體的濃度有關(guān)。借助

18、檢 測散射光強度、 頻移及散射角度等表征參數(shù),將其轉(zhuǎn)換成 電信號并在微型控制器內(nèi)進行計算, 即可確定檢測單元 內(nèi)泄漏氣體的濃度, 從而計算出泄漏率并確定密封性能 合格與否。 激光檢測還可以用來測量振動、 測量發(fā)動機性 能、 測量尾氣、 檢測輪胎 6等。5其它激光技術(shù)5. 1激光打標激光打標是激光領(lǐng)域中最廣泛的技術(shù)之一。高速激 光打標機利用高能量密度的激光束和高速掃描振鏡 ,把 激光束聚焦到工件表面,使材料迅速汽化,形成凹坑。利 用專用軟件設計待掃描圖案, 控制掃描時間和掃描深度 等,可廣泛用于金屬及多種非金屬材料的汽車配件。 5. 2激光快速成型激 光 快 速 成 型 技 術(shù) 是 在 1990

19、年 代 隨 著 計 算 機 、 激 光、 高分子材料、 C A D /C A M 、 精密機械等技術(shù)迅速發(fā)展下 應運而生的,并在汽車工業(yè)中很快得到應用,激光快速成 型技術(shù)用于樣車模型制作和模具開發(fā), 可大大縮短新產(chǎn) 品的試制周期,降低試制成本,提高新產(chǎn)品的市場競爭能 力。 而且還可在零件級和部件級水平上,用于加工工藝性 能、 裝配性能、 有關(guān)工裝模具的校驗與分析,以及運動 特 性測試、 風洞試驗、 有限元分析結(jié)果的實體表達等 7。 6激光技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應用我國 “ 六五” 、“ 七五” 、“ 八五” 期間,國 家 都 把 激光技 術(shù)列為攻關(guān)項目。 1980年代,由中國科學院發(fā)展局和中

20、汽投資公司共同在上海組織了來自研究院、所和大專院 校,含一汽、 二汽、 大眾在內(nèi)的主要汽車廠的專家對激 光 技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應用進行了探討, 并達成了一 些合作項目和意向。1990年代 初 , 南 昌 齒 輪 廠 建 成 齒 輪 激 光 焊 接生 產(chǎn) 線;柳州微型車廠引進大型激光切割機床;國內(nèi)較先進的 兩條激光處理生產(chǎn)線(西安內(nèi)燃機配件廠缸套激光處理 生 產(chǎn) 線 和 北 京 吉 普 汽 車 公 司 發(fā) 動 機 缸 體 激 光 處 理 生 產(chǎn) 線 也相繼建成。同時,該技術(shù)迅速被國內(nèi)汽車修理行業(yè) 所接受。 使得激光加工應用領(lǐng)域逐步擴展。 20世紀末,以 一汽大眾 A udi A 6和上海大眾

21、帕薩特 B 5轎車頂蓋激光 焊接線為代表, 激光技術(shù)在國內(nèi)汽車工業(yè)中占據(jù)了不可 替代的地位,并作為先進制造技術(shù)被業(yè)內(nèi)人士接受。 以一 汽集團公司為例,除承擔國家重點科技攻關(guān)項目 “ 發(fā)動機 缸體 激光 熱 處 理 研究” 項 目 外 ,還 先 后 開 展 了 C A 488發(fā) 動 機 曲 軸 和 凸 輪 軸 、 C A 141傳 動 器 滑 動 叉 及 剎 車 蹄 片 、 C A 6102搖 臂 及 搖 臂 軸 等 的 激 光 淬 火 和 熔 凝 強 化 處 理 、 C A 6102進排氣門和模具的激光熔覆、 C A 6102發(fā) 動 機 鋁 活塞一道環(huán)槽的激光合金化、 變速器齒輪激光焊接、 捷

22、達 轎車水泵帶輪激光焊接、車身鋼板及輕型車儀表板的激 光切割等汽車零部件激光加工技術(shù)的研究開發(fā)工作。同 時,也對刀具、 鑄造模具等進行了系列強化試驗,為一 汽 創(chuàng)造了近百萬元的經(jīng)濟效益 8。目前,一汽集團已有近 10臺激光加工機從事生產(chǎn)和 研發(fā)工作,其中有 4項激光技術(shù)實現(xiàn)了在線生產(chǎn)。 北內(nèi)集 團、 北京吉普車有限公司、 大連機車車輛廠、 首都汽車公 司等都相繼建立了激光熱處理生產(chǎn)線, 以提高發(fā)動機性 能。 南昌齒輪廠與中國大恒公司、 上海光機所等單位合作 建立的汽車多聯(lián)齒輪激光焊接生產(chǎn)線, 產(chǎn)品成功地應用 于依維柯汽車、 五十鈴卡車等 9。寶山鋼鐵聯(lián)手歐洲鋼鐵 巨頭阿賽洛 (A r cel

23、or 在上海 建成的合資公司 (上海 寶鋼 阿賽洛激光拼焊有限公司 專業(yè)生產(chǎn)激光拼焊板,填補了 國內(nèi)空白, 也改變了國內(nèi)汽車公司只能從國外進口激光 拼焊板的狀況。雖然我國的激光技術(shù)取得了長足的發(fā)展, 但由于我 國汽車生產(chǎn)與國外尚存在較大差距, 汽車生產(chǎn)設備及工 藝還較落后, 給激光這一高新技術(shù)應用推廣帶來了很大 困難,造成了激光產(chǎn)業(yè)化水平很低。因此,擴大與提高激 光技術(shù)的工業(yè)應用及產(chǎn)業(yè)化水平, 仍然是一項十分艱巨 的任務。 隨著國家的重點扶持與汽車制造部門、 研究機構(gòu) 及相關(guān)單位的努力,激光技術(shù)必將獲得普遍的應用,這對 促進我國汽車工業(yè)的技術(shù)進步和長遠發(fā)展具有重要的戰(zhàn) 略意義。7激光技術(shù)的研究

24、趨勢當前, 仍存在一些問題阻礙了激光技術(shù)在汽車工業(yè) 的大規(guī)模推廣使用, 為了解決這些問題可從下列幾個方 面入手:(1 由于激光加工是激光束與材料相互作用的科學, 為了達到工業(yè)上的廣泛應用, 首先必須開展大量研究工 作,進一步研究和完善激光加工機理和工藝方法,建立較 符合實際的理論加工模型, 以便用計算機來分析處理和 預測加工效果。 此外要進行大量的試驗研究,獲得應用于 實際加工的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫,根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù),利用神經(jīng) 網(wǎng)絡理論把影響激光加工的主要因素和衡量指標作為網(wǎng) 絡的輸入、 輸出特征,更好地認識其變化規(guī)律性,從而確 定激光加工的最佳工藝參數(shù),降低生產(chǎn)成本。(2 研究激光加工過程中的 快速

25、無損檢 測手 段 和控 制手段, 開發(fā)出可在生產(chǎn)線上同時監(jiān)測激光器的工作情 況和零件加工質(zhì)量的實時非破壞性監(jiān)測系統(tǒng), 保證獲得 高質(zhì)量的激光加工零件。(3 汽車界比較關(guān)心的問題 就是激光加 工設 備 一次 性投入較大,單位時間加工成本高,導致了設備投入回收 期比較長。因此,要積極進行激光加工設備、 激光加工系 統(tǒng)及激光加工方法的研制和開發(fā),使激光技術(shù)向著快捷、 高效、 高質(zhì)量和高度柔性方向發(fā)展,最終使激光加工過程 簡化、 費用低,設備操作和維修方便 1011。8結(jié) 語激光是一種清潔的綠色能源,生產(chǎn)效率高,加工質(zhì)量CO 2激光器 檢測單元微型控制器圖 2激光檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖22機械工程師 20

26、06年第 6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟效益和社會效益好。 激光技術(shù)所帶來的優(yōu)越性正在被越來越多的人所認識。當前汽車工業(yè)正在步 入按用戶要求進行柔性加工的精益生產(chǎn)階段, 汽車工業(yè) 界出現(xiàn)了柔性模塊式生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)的加工工藝已不能 滿足新生產(chǎn)方式的要求, 這給激光技術(shù)的發(fā)展提供了機 遇, 汽車工業(yè)將比其它工業(yè)更大地推動激光技術(shù)的完善 和發(fā)展,激光技術(shù)的應用前景也將越來越廣闊。參考文獻1榮烈潤 . 激光在汽車工業(yè)中的應用 J . 機電一體化, 2004(5 :6-9.2彭毅,鄭大春 . 激光加工在汽車工業(yè)生產(chǎn)中的應用J . 新技術(shù)

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29、7-,男,博士學位,副教授,碩士生導師。收稿日期:2005-12-20! 基金項目:973國家重大基礎(chǔ)研究計劃項目 (2003CB716204!三維微細電火花加工運動平臺的誤差模型建立楊國哲,王立平,郁鼎文,崔巍(清華大學 精密儀器與機械學系,北京 1000841前 言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展, 人類在制造領(lǐng)域中采用的尺 度已由微米邁向納米。精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展和 推廣, 提高了整個機械制造業(yè)的加工精度和技術(shù)水平以 及機械產(chǎn)品的質(zhì)量、 性能和競爭力。 超精密加工已達到了 納米級,甚至是亞納米級 (原子級 。過去, 精密制造主要通過提高機床零部件的加工精 度、 改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置以減少誤差源,

30、達到提高機床加工精度的目的。由于加工環(huán)境的非線性、時變性和復雜 性,機床幾何誤差、 機床運動誤差、 熱變形和切削力變形 這一類誤差的存在, 成為制約機床加工精度進一步提高 的瓶頸。純粹靠提高組件的精度來保證機床的總精度即使在 技術(shù)上是可能的,在經(jīng)濟上也要付出巨大的代價。 隨著計 算機軟、 硬件技術(shù)的發(fā)展,誤差補償技術(shù)以其性價比高、 可靠性好等優(yōu)點日益受到重視。誤差補償技術(shù)可通過分 析、 檢測和建模,獲得機床的誤差估算,然后利用不 同的23機械工程師 2006年第 6期摘 要:隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展,誤差補償技術(shù)其性價比高、 可靠性好等優(yōu)點日益受到重視,通過合理的補償, 可使被加工零件的精

31、度得到甚至超過數(shù)控加工機床本身的精度。文中介紹在國內(nèi)外機床誤差建模研究的基礎(chǔ)上,根據(jù) 三維大行程運動平臺的幾何特性,運用齊次矩陣變換,提出了基于 “切點” 誤差的運動學綜合空間誤差數(shù)學模型,并在此 基礎(chǔ)上完成了三維微細電火花加工運動平臺的誤差補償理論分析。關(guān)鍵詞:超精密; 運動平臺; 運動控制; 微細電火花 中圖分類號:TP391. 7, TH 122文獻標識碼:A文章編號:1002-2333(2006 06-0023-03R esearch on t he E rror M odelof 3D M i nut eness E l ect ri c Spark Form i ng St ageY A N G G uo-zhe , W A N G L i -pi ng , Y U D i