KR101448408B1 - 색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은, 세라믹 재료를 포함하는 웨이퍼(20)를 제공하는 단계로서, 상기 웨이퍼(20)가 침탄 탄화물 기판에 의해서 실질적으로 지지되지 않고 최대 2㎜의 평균 두께를 가지는, 상기 웨이퍼 제공 단계와, 주변 측부(36)에 의해서 연결된 주요 기단부(33) 및 주요 말단부(34)를 가지는 인서트 베이스(30)를 제공하는 단계로서, 상기 인서트 베이스(30)의 기단부(33)는 상기 주변 측부(36)의 접합부에 의해서 규정된 적어도 2개의 코너부(35)를 가지도록 구성되는, 상기 인서트 베이스 제공 단계를 포함하며, 상기 웨이퍼(20)가 상기 인서트 베이스(30)의 기단부(33)의 2개의 코너부(35)에 대응하는 적어도 2개의 코너부(25)를 가지도록 구성되며, 상기 방법은 본드 재료에 의해서 상기 기단부(33)에 웨이퍼(20)를 본딩하는 단계를 포함하고, 상기 웨이퍼(20)의 코너부(25)는 상기 기단부(33)의 대응하는 코너부(35)에 인접하여 배치되어 상기 구성체를 제공한다.

Description

색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법{INDEXABLE CUTTER INSERT, CONSTRUCTION FOR SAME AND METHOD FOR MAKING SAME}
본원 발명은 일반적으로 기계 공구를 위한 색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체, 커터 인서트의 조립체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제 7,857,557 호에는 2개의 층을 포함하는 코팅 구조물을 구비하는 색인가능한 인서트가 개시되어 있고; 외측 층은 탄화물을 포함하는 내측 층에 결합되는 cBN 또는 다이아몬드와 같은 커팅 재료를 포함한다. 층 구조물은 브레이징(brazing)에 의해서 인서트 베이스 본체 상으로 부착될 수 있을 것이고, 그러한 도포 이전에 층 구조물이 소결 압밀체(compact)로서 제조된다.
사용시에 높은 생산성을 제공할 수 있는 기계 공구용의 색인가능한 커터 인서트(indexable cutter insert), 및 그러한 것을 제조하기 위한 효과적인 방법이 요구되고 있다.
제 1 양태에 비추어 볼 때, 색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체를 제조하는 방법이 제공될 수 있으며, 그러한 방법은 세라믹 재료를 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 상기 웨이퍼가 기판에 의해서 실질적으로 지지되지 않고 그리고 최대 약 2㎜ 또는 최대 약 1㎜의 평균 두께를 가지는, 웨이퍼 제공 단계; (코너 접합부(junction)에서 만나는) 주변 측부에 의해서 연결된 주요 기단부 및 주요 말단부를 가지는 인서트 베이스(본원에서 또한 기판이라고도 지칭될 수 있다)를 제공하는 단계로서, 상기 인서트 베이스의 기단부는 상기 주변 측부 사이의 접합부에 의해서 규정된 적어도 2개의 코너부(또는 정상부(apexes) 또는 정점(vertices))를 가지도록 구성될 수 있는, 인서트 베이스 제공 단계를 포함하고; 상기 웨이퍼가 상기 인서트 베이스의 기단부의 2개의 코너부에 대응하는 (커팅 에지를 제공하기 위한) 적어도 2개의 코너부를 가지도록 구성되며; 상기 방법은 본드 재료(예를 들어, 브레이즈 합금 재료)에 의해서 인서트 베이스의 기단부에 웨이퍼를 본딩하는 단계를 포함하고, 상기 웨이퍼의 코너부는 상기 기단부의 대응하는 코너부에 인접하여 (실질적으로 그 위쪽에) 배치된다. 적어도 코너부에 인접한 기단부의 영역에 대해서 실질적으로 평행한 평면에서 코너부가 둥글게 처리될 수 있을 것이고 또는 다르게 원호형으로 처리될 수 있을 것이며; 또는 코너부가 상기 평면 내에서 실질적으로 날카로울 수 있고 또는 뾰족할 수 있을 것이다. 기단부는 웨이퍼를 수용하기 위한 포켓을 포함할 수 있고, 그러한 포켓은 기단부의 2개의 코너부, 및/또는 웨이퍼의 배치를 위한 보스(boss)와 같은 안내 수단을 포함할 수 있을 것이다. 일부의 예시적인 구성들에서, 인서트 베이스의 기단부가 주변 측부의 접합부에 의해서 형성된 적어도 3개의 또는 적어도 4개의 코너부를 가질 수 있을 것이고, 그리고 웨이퍼가 인서트 베이스의 기단부의 코너부에 대응하는 적어도 3개 또는 적어도 4개의 코너부를 가지도록 구성될 수 있을 것이다.
제 2 양태에 비추어 볼 때, (색인가능한 커터 인서트를 위한) 개시된 구성체를 위한 웨이퍼를 제조하는 방법이 제공될 수 있고, 그러한 방법은 세라믹 재료를 포함하고 그리고 한쌍의 대향하는 주요 단부 표면 사이의 제 1 두께를 가지는 전구체(precursor) 본체를 제공하는 단계; 상기 전구체 본체를 복수의 하위-구조물로 커팅하여 대향하는 주요 하위-구조물 표면 사이의 제 2 두께를 가지는 적어도 하나의 하위-구조물을 제공하기 위한, 커팅 단계로서, 상기 제 2 두께가 상기 제 1 두께보다 얇은, 커팅 단계; 그리고 웨이퍼를 제공하기 위해서 (예를 들어, 희망하는 치수 또는 공차를 달성하기 위한 추가적인 커팅, 그라인딩, 또는 폴리싱에 의해서) 상기 하위-구조물을 처리하는 단계를 포함한다.
여러 가지 세라믹 재료가 본원 발명에 의해서 예상될 수 있을 것이다. 예를 들어, 세라믹 재료는 PCBN 재료, PCD 재료, 열적으로 안정한 PCD 재료 또는 SiC-본딩형 다이아몬드 재료와 같은 초경질 재료 또는 진보된 세라믹 재료일 수 있을 것이다. 세라믹 재료는 방전 수단에 의해서 커팅될 수 있을 것이다(재료가 전기적으로 전도될 수 있다). 예를 들어, 세라믹 재료는 티타늄 탄질화물 재료를 포함하는 매트릭스 내에 분산된 cBN 입자를 포함할 수 있을 것이고, 그리고 세라믹 재료는 적어도 약 35 부피%, 또는 적어도 약 50 부피%의 cBN, 및/또는 최대 약 93 부피%, 최대 약 80 부피% 또는 최대 약 70 부피%의 cBN를 포함할 수 있을 것이다. 특별한 예에서, cBN 입자의 함량은 초경질 재료의 적어도 약 70 부피% 일 수 있을 것이다.
본 명세서에 의해서, 전구체 본체 및 하위-구조물에 대한 여러 가지 구성 및 조합이 예상된다. 예를 들어, 전구체 본체의 대향하는 주요 표면이 실질적으로 평면(planar)일 수 있고, 및/또는 하위-구조물의 대향하는 주요 표면이 실질적으로 평면일 수 있을 것이다. 전구체 본체는 2개 내지 10개의 하위-구조물로 커팅될 수 있을 것이며, 각각의 하위-구조물은 실질적으로 전구체 본체의 부피의 50% 내지 10%의 부피를 각각 가진다. 일부 예시적인 구성에서, 주요 하위-구조물 표면이 전구체 본체의 주요 표면에 대응하도록 커팅될 수 있을 것이고, 상기 주요 하위-구조물 표면은 전구체 본체의 주요 표면 중 적어도 하나에 대해서 실질적으로 평면이고 또는 최대 약 45°의 각도로 경사지며; 또는 상기 주요 하위-구조물 표면이 전구체 본체의 주요 표면 중 적어도 하나에 대해서 적어도 약 45°의 각도로 경사지거나 그에 실질적으로 수직할 수 있을 것이다. 일부 예에서, 제 1 두께가 전구체 본체의 한쌍의 대향하는 주요 표면 사이에서 측정될 수 있을 것이고 그리고 제 2 두께가 하위-구조물의 대응하는 표면 사이에서 측정된다. 하나의 예시적인 구성에서, 전구체 본체의 적어도 하나의 주요 표면이 실질적으로 평면일 수 있을 것이다. 전구체 본체는 측부 표면에 의해서 연결된 한쌍의 실질적으로 평면인 주요 단부 표면을 가질 수 있을 것이고, 그리고 상기 방법은 적어도 2개의 다각형의 또는 라운딩된 디스크를 제공하기 위해서 적어도 하나의 주요 단부 표면에 대해서 대체로 평행하게 전구체 본체를 커팅하는 단계를 포함한다. 예시적인 방법은 적어도 2개, 적어도 4개 또는 적어도 5개의 시트-형 하위-구조물을 제공하기 위해서, 주요 단부 중 적어도 하나에 대해서 대체로 평행하게 전구체 본체를 커팅하는 단계를 포함할 수 있을 것이다.
전구체 본체에 대한 여러 가지 예시적인 구성 및 조합이 예상된다. 전구체 본체는 디스크 또는 중실형(solid) 원통 형상일 수 있을 것이고, 또는 대체로 입방체(cuboid) 또는 사방 육면체(rhombohedral) 형상일 수 있으며, 그리고 적어도 약 2㎝, 적어도 약 3㎝ 또는 적어도 약 5㎝의 에지 길이 또는 지름, 그리고 적어도 약 0.5㎝ 또는 적어도 약 1㎝의 두께를 가질 수 있을 것이다. 전구체 본체는 적어도 약 10㎤의 부피를 가질 수 있을 것이다. 전구체 본체는 대체로 원통 형상일 수 있고 그리고 적어도 약 5㎝의 지름을 가질 수 있을 것이다. 전구체 본체는 측부 표면에 의해서 연결된 한쌍의 실질적으로 평면인 대향하는 주요 단부를 가질 수 있을 것이고, 및/또는 전구체 본체가 실질적으로 독립형(free-standing)일 수 있고, 자가-지지형(self-supporting)일 수 있으며 그리고 침탄 탄화물(cemented carbide) 기판을 포함하지 않을 수 있다.
하위-구조물에 대한 여러 가지 예시적인 구성 및 조합이 예상된다. 예를 들어, 하위-구조물은 최대 약 4㎜, 최대 약 2㎜, 최대 약 1.6㎜, 최대 약 1㎜ 또는 최대 약 0.5㎜의 평균 두께를 가질 수 있을 것이다. 하위-구조물은, 주요 표면의 위에서부터 볼 때, 일반적으로 원형 또는 둥근 디스크, 다각형 디스크, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 삼각형 디스크의 형태를 가질 수 있을 것이며, 또는 폐쇄형 또는 개방형 링의 형태를 가질 수 있을 것이고, 또는 대체로 U-형상의, V-형상의 또는 반-원형 형상을 가질 수 있을 것이다. 하위-구조물이 평면에서 볼 때 대체로 정사각형 또는 삼각형 링과 같은 다각형 링과 유사하도록, 상기 관통 구멍이 비교적 넓은 면적을 가지질 수 있는 관통 구멍을 하위-구조물이 구비할 수 있을 것이다.
일부 예시적인 구성들에서, 인서트 베이스는 주요 단부의 에지 내로 형성된 테이퍼(taper)를 가질 수 있고, 상기 테이퍼는 주요 단부 표면에 의해서 형성된 평면으로부터 약 7°, 약 11° 또는 약 15°, 또는 적어도 7° 및 최대 약 15°이다(다시 말해서, 인서트 베이스의 주요 단부가 단부에 따라 다른 테이퍼형 에지를 가질 수 있을 것이다).
일부 예시적인 구성들에서, 인서트 베이스의 적어도 하나의 주변 에지가 기단부에 대해서 적어도 20° 및 최대 80°의 내각으로 경사지며, 상기 주변 에지는 기단부와 주변 측부 사이의 접합부에 형성된다.
웨이퍼는 주변 측부 표면에 의해서 연결된 대향하는 주요 표면의 상을 가질 수 있고, 상기 인서트 베이스는 주요 표면을 가지고; 그리고 상기 방법은 웨이퍼의 주요 표면이 인서트 베이스의 주요 표면의 면적의 적어도 약 50%, 적어도 약 70%, 적어도 약 90% 또는 실질적으로 100%를 가지도록 웨이퍼를 구성하는 단계를 포함할 수 있을 것이다.
상기 방법들에 대한 접근 방식들의 이러한 여러 가지 구성 및 조합이 예상된다. 예를 들어, 상기 방법은 기단부와 말단부 사이에 관통 구멍을 가지는 인서트 베이스를 제공하는 단계, 웨이퍼 내에 관통 구멍을 형성하는 단계, 개별적인 관통 구멍이 실질적으로 동축이 되도록 상기 웨이퍼와 인서트 베이스를 정렬시키는 단계, 그리고 본드 재료를 이용하여 상기 웨이퍼를 기판에 본딩하는 단계를 포함한다. 그러한 방법은 웨이퍼를 제공하기 위해서 전구체 본체를 처리하기에 앞서서 하위-구조물 내로 관통 구멍을 형성하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 웨이퍼는, 예를 들어, 확산 본딩, 접착 재료에 의해서, 또는 브레이즈 합금 재료를 이용한 브레이징에 의해서 인서트 베이스에 본딩될 수 있을 것이다.
제 3 양태에 비추어 볼 때, 기계 공구에 장착하기에 적합한 색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체가 제공될 수 있으며, 상기 구성체는 적어도 2개의 코너부를 포함하고, 각각의 코너부는 상기 구성체의 개별적인 주변 에지의 접합부에 형성되고, 상기 코너부는 본드 재료를 포함하는 본드 층에 의해서 인서트 베이스에 결합되는 동일한 연속적인 세라믹 웨이퍼에 의해서 연결된다. 일부 예시적인 구성들에서, 세라믹 웨이퍼는 최대 약 4㎜, 최대 약 2㎜, 최대 약 1.6㎜, 최대 약 1㎜ 또는 최대 약 0.5㎜의 평균 두께를 가질 수 있을 것이다.
제 4 양태에 비추어 볼 때, 구성체를 위한 조립체가 제공되며, 상기 조립체는 세라믹 웨이퍼 및 상기 세라믹 웨이퍼를 지지하기 위한 인서트 베이스를 포함하고, 상기 인서트 및 세라믹 웨이퍼 각각은 개별적인 관통 구멍을 구비하고 그리고, 개별적인 관통 구멍이 실질적으로 동축인 상태로 상기 세라믹 웨이퍼가 상기 인서트 베이스에 대해서 배치될 수 있도록 구성된다.
기술된 구성체에 대한 여러 가지 예시적인 구성 및 조합이 예상된다. 일부 예시적인 구성들에서, 적어도 하나의 주변 에지가 구성체의 측부 표면과 주요 표면 사이의 접합부에 형성될 수 있을 것이며, 주요 표면과 측부 표면 사이의 내각이 최대 약 80° 또는 최대 약 70°이다. 주요 표면과 측부 표면 사이의 내각이 적어도 약 20° 또는 적어도 약 30°일 수 있을 것이다. 주요 표면과 측부 표면 사이의 내각은 양의 레이크각(positive rake angle)으로 주변 에지 상에 형성된 커팅 에지를 이용하도록 작동가능한 예각일 수 있을 것이다. 구성체는 클램핑 나사와 같은 홀더 수단을 수용하기 위한 관통 구멍을 포함할 수 있을 것이고, 상기 관통 구멍은 기판 및 세라믹 웨이퍼를 통과한다. 인서트 베이스 및/또는 세라믹 웨이퍼의 관통 구멍이 실질적으로 원형인 단면을 가질 수 있을 것이다. 세라믹 웨이퍼의 관통 구멍의 지름은 인서트 베이스의 관통 구멍의 지름보다 클 수 있을 것이다. 하나의 예시적인 구성에서, 인서트 베이스는 세라믹 웨이퍼가 인서트 베이스에 대해서 배치될 때 세라믹 웨이퍼를 위치시키기 위한 안내 수단을 포함할 수 있을 것이다. 안내 수단은 인서트 베이스의 주요 표면으로부터의 돌기부를 포함할 수 있을 것이고, 그리고 상기 돌기부는 상기 인서트 베이스의 관통 구멍의 둘레에 인접할 수 있을 것이다. 상기 안내 수단은, 상기 인서트 베이스 관통 구멍을 적어도 부분적으로 둘러싸는, 상기 인서트 베이스로부터의 대체로 원형 또는 반-원형인 돌출부(projection)를 포함할 수 있을 것이다.
다른 양태에 비추어 볼 때, 기계 공구 상에 장착하기 위한 색인가능한 커터 인서트가 제공될 수 있고, 그러한 커터 인서트는 본원에 개시된 바와 같은 구성체를 포함하고 그리고 적어도 2개의 일차 커팅 에지를 구비하고, 상기 커팅 에지의 각각은 개별적인 코너부에 인접하고 그리고 상기 양 커팅 에지는 본드 재료를 포함하는 본드 층에 의해서 인서트 베이스에 접합된 동일한 연속적인 세라믹 웨이퍼에 의해서 형성된다. 예시적인 구성들에서, 색인가능한 커터 인서트가 3개 또는 4개의 커팅 에지를 포함할 수 있을 것이고, 각각의 커팅 에지는 개별적인 코너부에 인접하고 그리고 양 커팅 에지는 본드 층에 의해서 침탄 탄화물 기판에 접합된 동일한 연속적인 세라믹 웨이퍼에 의해서 형성된다. 하나의 실시예에서, 색인가능한 커터 인서트는 금속을 포함하는 공작물을 가공하기 위한 선반(lathe)과 같은 기계 툴에 대한 것일 수 있을 것이다.
다른 양태에 비추어 볼 때, 색인가능한 커터 인서트를 제조하는 방법이 제공될 수 있고, 그러한 방법은 2개의 대향 표면 사이에 관통 구멍을 가지는 침탄 탄화물 인서트 베이스를 제공하는 단계; PCBN 재료를 포함하는 본체를 제공하는 단계로서, 본체의 일부를 절단 제거하여 PCBN 웨이퍼를 제공하는, 본체 제공 단계; PCBN 웨이퍼 내로 관통 구멍을 형성하는 단계; 개별적인 관통 구멍이 동축이 되도록, PCBN 웨이퍼와 기판을 정렬시키는 단계; 기판의 표면과 PCBN 웨이퍼 사이에 브레이즈 합금 재료의 층을 배치하는 단계; 그리고 PCBN 웨이퍼를 기판에 대해서 브레이징하는 단계를 포함한다. 그러한 방법은 본체의 일부를 절단하기 위해서 EDM 장치를 이용하는 단계를 포함할 수 있을 것이고, 그리고 PCBN 웨이퍼는 최대 약 1.6㎜ 또는 최대 1㎜의 평균 두께를 가질 수 있을 것이다. 특별한 예에서, 인서트 베이스가 주요 단부의 에지 내로 형성된 테이퍼를 구비할 수 있을 것이고, 상기 테이퍼각은 주요 단부에 의해서 형성된 평면으로부터 약 7°, 약 11° 또는 약 15°이다.
또 다른 양태에 비추어 볼 때, 색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체를 제조하기 위한 방법이 제공될 수 있고, 그러한 방법은 2개의 대향하는 주요 표면 사이에 관통 구멍을 가지는 인서트 베이스를 제공하는 단계; 침탄 탄화물 기판(실질적으로 자가-지지형의, 독립형(free-standing)의 웨이퍼)과 같은 지지 본체에 의해서 실질적으로 지지되지 않는 또는 후면 지지가 되지 않는 세라믹 웨이퍼를 제공하는 단계; 웨이퍼 내로 관통 구멍을 형성하는 단계; 개별적인 관통 구멍이 실질적으로 동축이 되도록 세라믹 웨이퍼 및 기판을 정렬시키는 단계; 그리고 본드 재료에 의해서 세라믹 웨이퍼를 기판에 본딩하는 단계를 포함한다.
개시된 예시적인 방법들은 재료 소모량(wastage) 감소 및 세라믹 재료 소결 장비의 활용 개선에 의해서 개선된 제조 효율을 제공할 수 있을 것이다. 일부 예시적인 방법들은 관통 구멍을 제공하는 비용을 감소시킬 수 있고 그리고 개시된 일부 개시된 예시적인 구성체는 개선된 내파단성(fracture resistance)의 양태를 가질 수 있을 것이다. 특별한 이론으로 제한되는 것을 원하지 않지만, 이러한 효과는, 고온에서 웨이퍼를 기판 상에 일체로 결합하고 냉각하는 대신에, 선택된 수단에 의해서 웨이퍼를 인서트 베이스에 대해서 결합함으로써, 커터 인서트 내의 잔류 응력이 감소될 수 있기 때문에 발생하는 것일 것이다. 일부 예시적인 구성은, 웨이퍼가 기계 공구에 장착될 때 클램핑 나사에 의해서 나쁜 영향을 받는 것으로부터 보호될 수 있다는 추가적인 양태를 가질 수 있을 것이다. 결과적으로, 일부 예시적인 인서트는 취급 및 사용 중에 균열에 대해서 개선된 견고성(robustness)을 가질 수 있을 것이다.
이하에서는, 첨부 도면들을 참조하여 비제한적인 예시적 구성들을 설명할 것이다.
도 1a 및 도 2a는 조립되지 않은 상태에서 예시적인 구성체에 대한 조립체를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 1b 및 도 2b는 조립된 상태에서 각각의 예시적인 구성체를 도시한 대응하는 사시도,
도 3 및 도 4는 예시적인 전구체 본체 및 하위-구조물이 커팅될 수 있는 곳의 표시를 도시한 개략적인 사시도,
도 5 및 도 6은 예시적인 구성체의 개략적인 사시도,
도 7은 핀홀이 내부에 형성된 예시적인 프로파일을 도시한, 예시적인 인서트 베이스를 통한 개략적인 단면도,
도 8은 공작물 커팅에 이용될 때의 예시적인 색인가능한 커터 인서트의 개략적인 평면도.
도 1a, 도 1b, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, 구성체를 제조하는 예시적인 방법은 PCBN 재료를 포함하는 웨이퍼(20)를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 웨이퍼(20)는 침탄 탄화물 기판에 의해서 지지되지 않고 그리고 최대 2㎜의 평균 두께(t)를 가진다. 4개의 주변 측부(36)(각 도면에서 2개만이 도시되어 있다)에 의해서 연결된 한쌍의 실질적으로 대향되는 주요 단부(33, 34)를 가지는 인서트 베이스(30)가 제공되고, 상기 인서트 베이스(30)의 적어도 하나의 주요 단부(33)가 각각의 주변 측부(36)의 접합부에 의해서 형성된 4개의 라운딩형 코너부(35)를 가지도록 구성된다. 대응하는 관통 구멍(22, 32)이 웨이퍼(20)와 인서트 베이스(30) 내에 각각 제공된다. 웨이퍼(20)는 인서트 베이스(30)의 주요 단부(33)의 4개의 코너부(35)에 대응하고, 또한 라운딩된, 4개의 코너부(25)를 가지도록 구성된다. 웨이퍼(20)는 브레이즈 재료로 이루어진 층(40)에 의해서 인서트 베이스(30)의 주요 단부(33) 상으로 본딩되고, 웨이퍼(20)의 코너부(25)가 주요 단부(33)의 대응하는 코너부(35)에 인접 배치되어 구성체를 제공한다. 이러한 예에서, 웨이퍼(20)의 주요 표면(23)은 인서트 베이스(30)의 주요 단부(33)의 면적의 적어도 약 90%의 면적을 가진다. 웨이퍼(20)와 인서트 베이스(30)를 함께 본딩하여 개별적인 구성체(10)를 제공하기에 앞서서, 개별적인 관통 구멍(22, 32)이 실질적으로 동축이 되도록 웨이퍼(20) 및 인서트 베이스(30)가 정렬되어, 조립되고 그리고 구성체 인서트(10)를 기계 공구(도시하지 않음)에 고정하기 위한 핀(도시하지 않음)을 수용하기 위한 핀홀(12)을 제공한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 특별한 예시적인 구성에서, 인서트 베이스(30)는 웨이퍼(20)가 인서트 베이스(30)에 대해서 배치될 때 그러한 웨이퍼(20)를 위치시키기 위한 안내 수단(37)을 포함한다. 안내 수단(37)은 인서트 베이스(30)의 관통 구멍(32)에 인접하여 둘러싸는 인서트 베이스(30)로부터의 환형 돌출부의 형태를 가진다. PCBN 웨이퍼(20)가 인서트 베이스 표면(33)을 향해서 이동될 때, 안내 수단(37)은 PCBN 웨이퍼(20)의 관통 구멍(22) 내로 삽입될 수 있을 것이다.
도 3을 참조하면, 예시적인 방법은 PCBN 재료를 포함하고 그리고 대향하는 실질적으로 평면인 주요 표면(53, 54) 사이의 제 1 두께(T1)를 가지는 원통형 전구체 본체(50)를 제공하는 단계; 상기 전구체 본체를 7개의 하위-구조물 디스크(55)로 커팅하는 단계로서, 상기 하위-구조물 디스크(55)는 한쌍의 대향하는 실질적으로 평면인 주요 하위-구조물 표면 사이에 제 2 두께(T2)를 가지는, 커팅 단계(점선은 주요 평면 표면(53, 54)에 대해서 실질적으로 평행하게 전구체 본체(50)를 커팅함으로써 제공될 수 있는 것을 나타낸다)를 포함하고; 상기 제 2 두께(T2)는 제 1 두께(T1)보다 얇다. 특별한 예시적인 구성에서, T1이 약 14㎜일 수 있고 그리고 T2가 약 1.6㎜ 내지 2㎜일 수 있을 것이다. 전구체 본체(50)는, 예를 들어, 방전 가공(EDM)에 의해서 커팅될 수 있을 것이다. 이어서, 디스크(55)를 추가적으로 커팅하여 웨이퍼(도시하지 않음)를 제공하도록 디스크(55)가 처리될 수 있을 것이다. 예를 들어, 디스크(55)는 (주요 표면의 위쪽으로부터 볼 때) 4개의 코너부를 가지는 직사각형 또는 정사각형 웨이퍼로 커팅될 수 있을 것이다.
도 4를 참조하면, 전구체 본체(50)가 폐쇄형 다각형 벽(이러한 특별한 예에서, 삼각형 벽)의 형태이고 그리고 벽의 상부 단부와 하부 단부인 한쌍의 대향하는 실질적으로 평면인 주요 표면(53, 54) 사이에 두께(T1)를 가진다. 달리 설명하면, 전구체 본체(50)는 주요 표면(53, 54)을 연결하는 삼각형 관통 구멍(52)을 가진다. 예시적인 방법에서, 전구체 본체(50)는 관통 구멍(52)과 관련하여 (점선으로 표시된 바와 같이) 길이방향으로 커팅되어, 두께(T1)보다 얇은 두께(T2)를 각각 가지는 적어도 4개의 삼각형 PCBN 웨이퍼(20)를 제공한다.
전구체 본체 그리고 그러한 전구체 본체로부터의 결과적으로 하위-구조물 및 웨이퍼는 방전 가공(EDM)에 의해서 커팅될 수 있는 PCBN 재료의 등급을 포함할 수 있을 것이다. 초경질 구조물을 커팅하기 위한 다른 방법들에는, 레이저 커팅 수단, 다이아몬드 와이어 커팅, 마모제-보조형 워터-제트 커팅 및 워터-제트 보조 레이저 커팅의 이용이 포함될 수 있을 것이다. 하나의 특별한 예에서, 방법은 시트를 형성하기 위해서 EDM 수단에 의해서 PCBN 전구체 본체를 커팅하는 단계, 그리고 맞춰서 성형된 기판에 접합하기 위한 웨이퍼를 형성하기 위해서 레이저 수단에 의해서 시트를 커팅하는 단계를 포함할 수 있을 것이다.
전구체 본체는 국제 출원 제 WO2007049140 호에 기재된 바와 같은 PCBN 재료를 포함할 수 있을 것이고 그리고 PCBN 의 제조에 적합한 분말 조성물을 제공하는 단계 및 상기 분말 조성물을 마멸(attrition) 밀링시키는 단계를 포함하는 방법에 의해서 제조될 수 있을 것이며, 상기 분말은 적어도 80 부피%의 cBN 입자 및 분말화된 결합제 재료를 포함한다. 소정물은 하나의 평균 입자 크기보다 많은 cBN 입자를 포함할 수 있을 것이다. 하나의 예에서, cBN 입자의 평균 크기가 최대 약 12 미크론 또는 최대 약 2 미크론일 수 있을 것이다. 결합제 재료는 알루미늄, 실리콘, 코발트, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀, 니켈, 티타늄, 크롬, 텅스텐, 이트륨, 탄소 및 철을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 상(phase)(들)을 포함할 수 있을 것이다. 결합제 재료는 알루미늄, 실리콘, 코발트, 니켈, 티타늄, 크롬, 텅스텐, 이트륨, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 탄소 및 철 중 하나 또는 둘 이상의 균일한 고용체를 가지는 분말을 포함할 수 있을 것이다. 이어서, 분말을 높은 온도 및 압력에서 압밀함으로써 밀링된 분말 조성물이 소결전 본체로 형성될 수 있을 것이고, 그리고 소결전 본체가 분말 조성물을 소결하기 위한 약 5GPa의 초고압 및 적어도 약 1,200℃ 의 온도에 노출되고 그리고 PCBN 본체를 생성할 수 있을 것이다.
도 5를 참조하면, 예시적인 구성체(10)가 브레이즈 합금 재료의 층(40)에 의해서 인서트 베이스(30)에 접합된 PCBN 재료를 포함하는 웨이퍼(20)를 포함하며, 상기 웨이퍼(20)는 최대 2㎜의 평균 두께를 가진다. 일반적으로, 인서트 베이스(30)는 정사각 능면체(square rhombohedron)이고 그리고 웨이퍼(20)는 그에 따른 정사각형이다. 인서트 베이스(30)는 4개의 주변 측부(36)에 의해서 연결된 한쌍의 대향 주요 단부를 가지며, 상기 주요 단부 중 하나는 주변 측부(36)의 각각의 접합부에 의해서 형성된 4개의 코너부(35)를 가지도록 구성된다. 웨이퍼(20)는 또한 인서트 베이스(30)의 주요 단부의 4개의 코너부(35)에 대응하는 4개의 코너부(25)를 가지도록 구성되고 그리고 웨이퍼(20)의 코너부(25)가 주요 단부의 대응하는 코너부(35)에 인접하여 배치되어 구성체(10)를 제공한다. 구성체(10)는 핀(도시하지 않음)을 수용하기 위한 핀홀(12)을 가진다. 도 6에 도시된 예시적인 구성체는 2개의 웨이퍼(20)를 포함하고, 하나의 웨이퍼가 인서트 베이스(30)의 각각의 주요 단부에 본딩된다.
도 7을 참조하면, 색인가능한 커터 인서트를 위한 예시적인 인서트 베이스(30)가 측부 표면(36)에 의해서 연결된 대향하는 주요 단부 표면(33, 34) 사이의 중앙 관통 구멍(52)을 가질 수 있을 것이다. 관통 구멍(32)의 개구부의 지름이 하나의 단부(33)에서 다른 단부(34)보다 크고, 보다 큰 지름은 d1이 되며, 그리고 보다 작은 지름이 d가 된다. 이러한 특별한 예에서, 관통 구멍(32)은 적어도 보다 큰 지름(d2)을 가지는 개구부에 근접하여 대체로 테이퍼링된 벽(39)을 포함하고, 그리고 보다 큰 개구부의 입구에서 베벨형(bevelled) 또는 모따기형(chamfered) 에지를 가진다. 기계 공구에 대해서 커터 인서트를 체결하기 위해서 핀(도시하지 않음)을 수용하도록 관통 구멍(52)의 형상이 구성되어, 핀의 헤드 부분이 대체로 테이퍼링된 내측 벽(39)에 의해서 형성된 보다 넓은 부분내로 끼워맞춰진다.
예시적인 인서트 베이스가 적어도 약 1,200 HV의 비커스 경도 및 약 6.5 X 10-6/℃ 미만의 열팽창 계수를 가지는 재료를 포함할 수 있고 그리고 침탄 탄화물 또는 침탄 서멋(cermet) 재료를 포함할 수 있을 것이다.
도 8을 참조하면, 예시적인 색인가능한 커터 인서트(10)는 PCBN 웨이퍼에 의해서 형성된 주요 레이크 표면(23), 일차 커팅 에지(24), 및 이차 커팅 에지(27), 그리고 상기 일차 및 이차 커팅 에지(24, 27)의 접합부에서의 라운딩형 코너부(25)를 포함한다. 사용 중에, 도면에 의해서 개략적으로 도시된 바와 같이, 커터 인서트(10)가 벡터(72)로 표시된 방향을 따라서(즉, 지면의 외측으로) 공작물(60)에 대해서 상대적으로 이동되어, 커터 인서트(10)의 경로에 인접하여 공작물(60)의 부분(63)을 제거할 수 있을 것이다.
예시적인 구성이 이하의 예를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.
코발트 침탄형 텅스텐 탄화물을 포함하는 인서트 베이스가 제공되고, 대체로 직사각형인 디스크 형태의 기판은 주변 표면에 의해서 연결된 2개의 대향 주요 단부를 가진다. 관통 구멍이 기판을 통해서 제공되었고, 각각의 주요 단부의 중심 사이에서 연장된다. 주요 단부의 측부의 길이는 약 12㎜였고, 인서트 베이스의 두께는 약 5㎜이고 그리고 관통 구멍의 지름은 약 6㎜였다. 공구 홀더 상에 장착하기에 앞서서 최종 치수로 연마할 수 있도록, 측부의 길이가 최종 제품 내에서의 길이보다 약간 크다.
방전 가공(EDM)에 의해서, 인서트 베이스의 주요 표면의 치수에 상응하는 대체로 정사각형인 주요 표면을 가지는 PCBN 웨이퍼를 PCBN 전구체 본체로 커팅하였다. PCBN 전구체 본체는, 티타늄 탄화물을 포함하는 결합제 재료에 의해서 함께 본딩된, 평균 입자 크기가 약 1.5 미크론이고 그리고 약 50 부피% cBN 입자를 포함하였다. PCBN 전구체 본체는, 당업계에 공지된 바와 같이, cBN 입자 및 결합제 재료를 위한 전구체 성분의 혼합물을 적어도 약 5GPa의 압력 및 적어도 약 1,200℃의 온도에서 소결함으로써 생산되었다.
관통 구멍은 레이저 커팅에 의해서 PCBN 웨이퍼를 통해서 형성되었다. 관통 구멍은 인서트 베이스의 관통 구멍에 상응하여 웨이퍼의 중앙에 위치되었으며, 그리고 웨이퍼 관통 구멍의 지름이 6㎜였고, 이는 인서트 베이스 관통 구멍의 지름보다 약간 큰 것이다.
티타늄, 구리 및 은의 합금을 포함하는 브레이즈 합금 재료의 층이 인서트 베이스의 주요 단부 중 하나의 상부에 배치되어 (관통 구멍으로부터 이격되어) 전체 단부를 커버하였고, 그리고 웨이퍼 관통 구멍과 인서트 베이스 관통 구멍이 실질적으로 동축이 되도록 그리고 웨이퍼의 측부가 인서트 베이스의 측부와 정렬되도록 배치된, 브레이즈 합금 재료의 층 상에 웨이퍼가 배치되었다. 튜브 퍼니스(furnace)에 의해서 브레이즈 합금 재료를 용융시키기 위해서 이러한 조립체를 분당 2도씩 단계적으로 약 450℃의 온도까지 가열하였고, 후속하여 분당 4℃씩 단계적으로 약 950℃의 온도까지 가열하였다. 이어서, 인서트 베이스를 퍼니스 내에서 냉각시켰고, 그에 따라 PCBN 웨이퍼를 인서트 베이스에 고정적으로 접합하여 커터 인서트를 위한 구성체를 형성하였다.
구성체를 최종 치수와 마감 재원(specifcation)으로 처리하여 최종적인 PCBN 커터 인서트를 생산하였다.
본원에서 사용된 바와 같은 특정 용어 및 개념을 이하에서 간단하게 설명한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "색인가능한 커터 인서트"는 2개 이상의 커팅 에지를 포함하고 그리고 공작물을 커팅하기 위해서 개별적인 커팅 에지 중 각각의 커팅 에지를 이용하기에 적합한 2개 이상의 다른 배향으로 공구 본체 상에 장착가능하게 구성된 커터 인서트이다. 커팅 에지가 과도하게 마모되면, 다른 에지가 추가적인 커팅을 위해서 사용될 수 있도록 다른 배향으로(즉, 색인된) 공구 본체가 장착될 수 있을 것이다.
세라믹 재료가 금속 원소를 특히 화합물 형태로 포함할 수 있지만, 세라믹 재료는 비-금속 특성을 가지는 무기질 고체를 지칭한다. 세라믹 재료의 비-배타적인 예들은 다결정질 입방체 붕소 질화물(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN), 알루미나, 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 티타늄 탄화물, 탄탈륨 탄화물이다. 본원에서 사용된 바와 같이, PCBN(polycrystalline cubic boron nitride) 재료는 금속 또는 세라믹을 포함하는 매트릭스 내에 분산된 입방체 붕소 질화물(cBN)의 입자를 포함하는 초경질 재료의 타입을 지칭한다. 진보된 세라믹 재료는 침탄된 텅스텐 탄화물의 경도보다 큰 경도를 가지는 세라믹 재료이다. PCBN 및 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 재료는 적어도 약 28GPa의 비커스 경도를 가지는 세라믹 재료인 초경질 재료의 예이다. 다결정질 다이아몬드(PCD) 재료는 다량의 다이아몬드 입자를 포함하고, 그들 중 상당 부분은 서로 직접적으로 상호-본딩(inter-bond)되고 그리고 여기에서 다이아몬드의 함량은 재료의 적어도 약 80 부피%이다. PCD 재료의 일 실시예에서, 다이아몬드 입자 사이의 틈새(interstices)는 다이아몬드에 대한 촉매를 포함하는 결합제 재료로 적어도 부분적으로 충진될 수 있을 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "틈새" 또는 "틈새 영역"은 PCD 재료의 다이아몬드 입자 사이의 영역이다. PCD 재료의 실시예에서, 틈새 또는 틈새 영역은 실질적으로 또는 부분적으로 다이아몬드 이외의 재료로 충진될 수 있을 것이고, 또는 실질적으로 빈 상태가 될 수 있을 것이다. PCD 재료의 실시예는, 틈새로부터 촉매 재료가 제거된 영역을 적어도 포함할 수 있을 것이고, 그에 따라 다이아몬드 입자 사이에 틈새 보이드(interstitial void)를 남길 수 있을 것이고, 이는 PCD 재료의 열적 안정성을 높일 수 있을 것이다. 열적으로 안정한 PCD는, 약 400℃ 초과의 온도에 대한 노출 후에도 경도 또는 내마모성의 상당한 구조적 저하 또는 열화를 나타내지 않는 부분 또는 부피를 적어도 포함한다.
기계 공구는 동력공급식 기계적 장치(powered mechanical device)이고, 그러한 장치는, 공작물이라고 지칭되는 본체로부터 재료를 선택적으로 제거하는 가공에 의해서, 금속, 복합 재료, 목재 또는 폴리머와 같은 재료를 포함하는 구성요소를 제조하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 커터 인서트의 레이스 면(face)은, 본체로부터 재료를 제거하기 위해서 공구가 이용될 때, 칩(chip)이 타고 넘는 표면 또는 표면들이며, 상기 레이크 면은 새롭게 형성된 칩의 유동을 지향시킨다. 칩은 사용되는 기계 공구에 의해서 본체의 작업 표면으로부터 제거되는 본체의 피스이다. 커터 인서트의 프랭크(flank)는 기계 공구에 의해서 본체 상에서 생성되는 가공된 표면을 지나는 기계 공구의 표면 또는 표면들이다. 프랭크는 본체로부터의 간극(clearance)을 제공할 수 있고, 그리고 2개 이상의 프랭크 면을 포함할 수 있을 것이다. 커팅 에지는 본체의 커팅을 수행하기에 적합한 레이스 면의 에지이고, 그리고 레이크와 간극 면의 교차에 의해서 형성되는 에지일 수 있을 것이다. 커터 또는 커터를 위한 구성체의 주변 에지가 커터 또는 커터를 위한 구성체의 표면의 외측 에지이며, 이는 커팅 에지가 될 수 있고 또는 커팅 에지로 형성될 수 있을 것이다. 커팅 공구의 코너부 또는 노우즈(nose)는 공구의 커팅 에지의 선단부이고, 적어도 이차 커팅 에지 및 일차 커팅 에지의 일부 부분을 포함하는 공구의 영역이다. 코너부는 직선형일 수 있고, 라운딩형일 수 있으며 또는 일차 및 이차 커팅 에지의 실제 교차부일 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 색인가능한 커터 인서트를 위한 구성체를 제조하는 방법에 있어서,
    주변 측부에 의해서 연결된 주요 기단부 및 주요 말단부를 가지는 인서트 베이스를 제공하는 단계로서, 상기 인서트 베이스의 기단부는 상기 주변 측부의 접합부에 의해서 규정된 적어도 2개의 코너부를 가지도록 구성되는, 상기 인서트 베이스를 제공하는 단계와,
    방전 가공에 의해서 커팅될 수 있는 PCBN 재료의 등급을 포함하고 한쌍의 대향하는 주요 단부 표면 사이의 제 1 두께를 가지는 전구체 본체를 제공하는 단계와,
    상기 전구체 본체를 2개 내지 10개의 하위-구조물로 커팅하는 단계로서, 각각의 하위-구조물은 상기 전구체 본체의 부피의 50% 내지 10%의 부피를 가지며, 상기 하위-구조물은 상기 PCBN 재료의 등급을 포함하고 한쌍의 대향하는 주요 하위-구조물 표면 사이의 제 2 두께를 갖고, 상기 제 2 두께는 상기 제 1 두께보다 얇으며, 상기 주요 하위-구조물 표면은 상기 전구체 본체의 주요 표면에 대응하도록 커팅되고, 또한 상기 주요 하위-구조물 표면은 상기 전구체 본체의 주요 표면 중 적어도 하나에 대해 평행하거나 또는 최대 45°의 각도로 경사지는, 상기 전구체 본체를 커팅하는 단계와,
    상기 하위-구조물 중 적어도 하나를 커팅하여, 상기 PCBN 재료의 등급을 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 상기 웨이퍼는 침탄 탄화물 기판에 의해서 지지되지 않고, 최대 2㎜의 평균 두께를 가지며, 또한 상기 웨이퍼는 상기 인서트 베이스의 기단부의 2개의 코너부에 대응하는 적어도 2개의 코너부를 가지도록 구성되는, 상기 웨이퍼를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 구성체 제조 방법은 본드 재료에 의해서 상기 인서트 베이스의 기단부에 웨이퍼를 본딩하는 단계를 더 포함하며, 상기 웨이퍼의 코너부는 상기 인서트 베이스의 기단부의 대응하는 코너부에 인접하여 배치되어 상기 구성체를 제공하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트 베이스의 주요 기단부는 웨이퍼를 수용하기 위한 포켓을 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트 베이스의 기단부는 주변 측부의 접합부에 의해서 규정된 적어도 3개의 코너부를 구비하며, 상기 웨이퍼는 상기 인서트 베이스의 기단부의 코너부에 대응하는 적어도 3개의 코너부를 구비하도록 구성되는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 주요 표면은 상기 인서트 베이스의 기단부의 면적의 적어도 50%의 면적을 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 상기 인서트 베이스에 본딩하기 이전에, 상기 웨이퍼 내로 관통 구멍을 형성하는 단계를 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    기단부와 말단부 사이에 관통 구멍을 가지는 인서트 베이스를 제공하는 단계와,
    개별적인 관통 구멍이 동축이 되도록 상기 웨이퍼와 상기 인서트 베이스를 배열하는 단계와,
    본드 재료에 의해서 상기 웨이퍼를 상기 인서트 베이스에 본딩하는 단계를 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 최대 1.6㎜의 평균 두께를 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 본체의 대향하는 주요 단부 표면은 평면인
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하위-구조물의 대향하는 주요 표면은 평면인
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 본체는 원통형이고, 적어도 2㎝의 지름을 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 본체는 적어도 0.5㎝의 평균 두께를 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 본체는 적어도 10㎤의 부피를 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 디스크를 제공하기 위해서 상기 주요 단부 표면 중 적어도 하나에 대해 평행하게 상기 전구체 본체를 커팅하는 단계를 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하위-구조물은 최대 2㎜의 평균 두께를 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 대향 표면 사이에 관통 구멍을 가지는 침탄 탄화물 인서트 베이스를 제공하는 단계와,
    PCBN 재료를 포함하는 본체를 제공하고, 상기 본체의 일부를 절단하여 PCBN 웨이퍼를 제공하는 단계와,
    상기 PCBN 웨이퍼 내로 관통 구멍을 형성하는 단계와,
    개별적인 관통 구멍이 동축이 되도록, 상기 PCBN 웨이퍼 및 상기 기판을 배열하는 단계와,
    상기 기판의 표면과 상기 PCBN 웨이퍼 사이에 브레이즈 합금 재료의 층을 배치하는 단계와,
    상기 PCBN 웨이퍼를 상기 기판에 브레이징하는 단계를 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 본체의 일부를 절단하기 위해서 방전 가공(EDM) 장치를 이용하는 단계를 포함하는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 PCBN 웨이퍼는 1㎜ 미만의 평균 두께를 가지는
    색인가능한 커터 인서트용 구성체 제조 방법.
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