CN102300663A - 耐磨件元件及构造方法 - Google Patents

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Abstract

一种构造用于表面硬化耐磨面的碳化钨/TSP插入物的方法，包括在模具里形成碳化钨本体(12)的步骤。模制步骤后，槽形截面槽(24)或凹部(24′)在本体基本硬化前于本体内形成。本体随后被热处理以硬化。TSP本体(32)被装配在槽/凹部(24/24′)内，以使它在槽的侧面(18)之间的紧密滑动配合，并且与槽的深度相同。TSP(优选地)钎焊至槽内。插入物在其边缘(18)上具有凸点(30)以便在最终的钎焊步骤前便于焊接至基片。

Description

耐磨件元件及构造方法
本发明涉及一种耐磨件元件及其构造方法，尤其用于向下钻进钻孔设备，特别是用以包住(face)稳定器的表面。耐磨面同样存在于捕鱼工具和钻头上以及其他部件上。耐磨面就是工具的被设计成抵靠基片(substrate)且会磨损的表面。相应地，耐磨面一般都需要能耐磨损且因此相应是坚硬的。
背景技术
众所周知，稳定器被用于使钻柱位于孔的中央，且稳定器随后可调节以允许钻柱方向的改变。稳定器包含抵靠被钻的孔的表面的表面，该表面通常部分是圆柱形，或者直的或者螺旋形的。这种表面当然是坚硬的和不平整的，且导致抵靠在其上的部分的实质性磨损。已知的，用多个碳化钨瓦片包住抵压表面(bearing surface)。例如，参见WO-A-99/05391。同样已知的，可以使用坚硬的材料，例如金刚石，并且WO-A-99/05391建议了，在稳定器的饰面边缘(facing edge)中的插入物包含碳化钨、多晶金刚石以及立方氮化硼。
多晶金刚石或者任何硬饰面元件的问题在于将它们附接至工具表面。工具本身一般都是由钢制成的，这种钢具有针对工具旨在使用的应用场合的合适的强度和韧性。然而，即使这样做是节省成本的，一个工具永远也不可能全部由足够坚硬以在钻孔操作过程中经受抵靠在钻孔表面上的严峻条件的材料制成。然而，附接一层足够坚固的材料是困难的，尤其是附接在沿着与表面平行的方向运动的表面上，撞击到该表面上的物体易于将附接于该表面上的元件撞掉。
碳化钨能够容易地钎焊至钢而且足够牢固，尤其是当整个表面都被覆盖的时候。然而，WO-A-95/27588致力于在元件被钎焊时保持其静止的问题，因为，一旦钎焊材料熔化，它实质性地降低了元件与基片之间的摩擦力，而且降低了弯曲表面(如稳定器)上的摩擦力，则元件便趋于掉落。WO-A-95/27588建议的解决方案是先将元件点焊，以使后续的钎焊步骤不会移动元件并使它们能被准确的定位。
然而，碳化钨不是可获得的最硬的材料，多晶金刚石(PCD)和其构成物，以及热稳定多晶金刚石(TSP)是所知的在这些应用里更硬且更坚韧的材料。然而，大部分钎焊材料不会轻易的润湿热TSP，所以可靠地连接它们也是困难的。PCD并不总是适用于任何情况。PCD一般包括促进将金刚石结晶结合在一起的催化剂。因为这些趋向于拥有不同的热特性，所以PCD经常不考虑高温应用，因为催化剂的差胀能使PCD破碎。而且，PCD趋向于发生化学反应，尤其是与钢接触时，且可以将金刚石还原成石墨、一氧化碳和二氧化碳。
WO-A-99/05391建议将TSP嵌入边缘处的凹部(pocket)里，且当冲击方向是到达凹部内时，这样操作的效果相当好。事实上，PCD和TSP经常在精确应用这种冲击方向的钻头上使用。然而，如上所述，在稳定器上，冲击的方向趋于横向，而且在任意情况下，没有其中定位TSP/PCD元件的凹部，因为这些元件将要覆盖稳定器表面的很大一部分。
如已知的，用不太硬的材料覆盖TSP和PCD，以使按照这种方法形成的元件能够连接至基片，但是制造包括TSP或者PCD芯以及不太硬的材料的覆盖层的组合元件是昂贵的过程。EP-A-1212511和EP-A-1036913两者都建议将TSP嵌入碳化钨的较大本体内。这产生了令人满意的产品，但是将TSP元件保持在碳化钨件将在其中烧结的模具内却是个问题。EP-A-1212511建议在PCD上设置导电材料的涂层，以使它们可以被点焊，然后被钎焊在位。
GB-A-2323112公布了使用钻头从突破带壳井筒的方法，其首先切透钢壳然后第二步切出地质组成。披露的组合切割插入物包括碳化钨(或者Al2O3、TiC、TiCN、TiN或其他类似材料，适用于铣削钢且与其不产生反应)环形本体，其设置有碎屑(chip-breaking)边缘和超硬材料(如多晶金刚石)的圆柱形本体。然而，没有披露它们之间的连接方法。
GB-A-2431948披露了无催化剂的多晶超硬本体(TSP)，它被钎焊至用于钻头上的两个单独的后支撑元件和侧撑元件(碳化钨)。使用这两个支撑元件以便其更好地支撑TSP本体，以便其在部件钎焊在一起时相对彼此运动，以除去空隙和不必要的应力集中。
本发明的一个目的就是提供结合了坚硬材料(如TSP)的耐磨表面的一种简单构造。
发明内容
根据本发明提供了一种构造表面硬化耐磨面的碳化钨/超硬插入物的方法，所述方法包括如下步骤：
形成具有槽或凹部的碳化钨本体；
将超硬本体装配在所述槽或者凹部内；以及
将超硬本体固定在所述槽或凹部内。
这里说到的“超硬本体”指本体的材料比碳化钨更坚硬，并且与多晶金刚石(PCD)、热稳定多晶金刚石(TSP)或者类似材料(如，立方氮化硼)相当。优选地，所述的超硬本体为TSP。
所述碳化钨本体可以被压入没有烧结的实心本体内，所述槽接着在本体内切割出来，且所述本体然后被烧结。所述切割可以使用合适的(如金刚石)磨削轮来进行，所述磨削轮采用单次行进来形成槽。
这样布置的优点在于，形成实质上实心的碳化钨块，而在其形成的挤压阶段期间，不需要将碳化钨粉末均匀压紧到狭窄的嵌条(fillet)内。然而，在本体最终烧结之前，使用合适的磨削轮采用单次行进切割出槽是相对容易的。
对于“固定”是指“至少暂时保持”或者比如通过钎焊来实现的更长久的固定。
该槽或者凹部优选地位于插入物的适于安置在基片上的底部面内，其中，将该插入物固定在基片上通过钎焊步骤实现。所述底部面上的槽或者凹部的边缘可以适于焊接至基片来对所述插入物进行中间固定。焊接可以采用点焊，其通过放电和电阻加热进行。
优选地，穿过碳化钨本体形成两条脊，使得所述槽切过这些脊并留下四个凸点(pip)，槽的每个边缘上各有两个凸点，由此，所述焊接步骤借助于通过包括了与基片的主要接触的所述凸点来集中放电而变得容易。
在所述钎焊步骤中(将插入物钎焊至基片)，钎焊材料可以在所述超硬本体与基片表面之间流动，并且在碳化钨本体的槽或者凹部的边缘与基片表面之间流动，以及在相邻的插入物之间流动。所述钎焊优选地通过火焰喷射实现。
然而，将所述超硬本体钎焊到所述槽里的步骤优选地是独立于并先于将所述插入物钎焊至基片的步骤的步骤。事实上，优选地，在炉内使用第一钎焊材料执行将所述超硬本体钎焊到所述槽中的步骤。
这种布置的优点是加倍的。首先，钎焊能够在炉里在受控环境下施行，由此，钎焊能在TSP与碳化钨之间的成功钎焊接合能被轻易的实现和控制的条件下施行。第二，钎焊材料的特性能够为了预期的结合而被优化。第三，尽管和第一点有关，但可采用纯热能在精准的正确温度下实现钎焊，而TSP的表面不会被火焰冲蚀(wash)，这会导致过热以及破坏TSP本体的化学稳定性。
然而，如上面所提到的，超硬本体在槽或凹部内仅仅临时地固定，这是在插入物随后通过钎焊固定至基片时所需要。这样的临时固定可以通过粘合实现。替换地，碳化钨本体的边缘能够被卷曲以保持超硬本体。这个的优点在于不需要单独的和先行的钎焊步骤。
根据本发明的一个不同的方面，提供了用于表面硬化耐磨面的碳化钨/超硬插入物，所述插入物包括：
碳化钨本体，
在本体内的槽形截面(channel section)槽或者凹部；以及
固定在所述槽或者凹部里的超硬本体。
优选地，凸点被布置在槽形截面槽或者凹部边缘上，以辅助将插入物点焊到基片上。众所周知，点焊采用通过放电电阻加热来进行。
所述凸点可以是在形成所述槽形截面槽之前，穿过插入物底部的一对脊的残余部分。
根据本发明的第三个方面，提供了表面硬化的基片，包括基片以及焊到基片的面上的多个硬饰面插入物，其中，这些插入物包括如上限定的一插入物或者通过如上限定的方法制作，并且其中，超硬本体的横穿其长度的截面是矩形，且碳化钨本体在所述截面的至少三个侧上围绕超硬本体，第四个侧放置在基片的所述面上，由此在用来将插入物钎焊至基片的火焰喷射钎焊方法中，超硬本体被保护起来而免于被火焰直接冲蚀。
优选地，基片的尺寸在将插入物钎焊到基片的面后被调整，所述调整通过磨削存在于插入物的暴露面上的钎料以及所述暴露面来实现，但并不磨削超硬本体。事实上，基片的所述面的水平高度可以被设置成使得，一旦插入物已经被焊接以及钎焊至适当位置内，就将有必要去除槽或者凹部的底部深度的至少一部分，以达到基片的所需尺寸。
在本发明的一个实施方式中，基片是稳定器，且将被表面硬化的耐磨面是稳定器的旨在抵靠井筒的钻孔的部分圆柱形表面。稳定器将有指定的直径，且优选地，在插入物钎焊至耐磨面后，对表面的磨削去除了插入物的一些，以使它们暴露并向使用者显示稳定器已经被表面硬化。碳化钨本体可以设计成是基本矩形的且具有圆端，且这个可以被选作指示插入物包括超硬本体以及碳化钨壳，超硬本体利用碳化钨壳来安置于基片上。
附图说明
本发明的实施方式将在下文中通过实例并参照附图继续进行描述，附图中：
图1是碳化钨本体的透视图；
图2是其内形成有槽且其上方有TSP本体的碳化钨本体的透视图；
图3是TSP本体被接收在碳化钨本体中以形成根据本发明的插入物的透视图；
图4a和图4b是根据本发明的表面硬化基片的透视图和侧视图；
图5是根据本发明的插入物的又一实施方式；以及
图6是又一实施方式，是图2、图3和图5布置的变体。
具体实施方式
在图1中，碳化钨本体12由普通压制工艺形成，在其中，碳化钨颗粒被钴或者镍形式的粘合剂混合，并在合适形状的模具里压制在一起以形成如图1中所示的本体。这个形状基本上是长方体，带有圆端14和平顶16、以及底部18(其也是平的，除了两个脊20)。本体预烧结的温度并不会导致粘合剂完全熔化，并且相应地，产生的本体12也不会在这一阶段达到它的完全硬度。因此，在这之后直接地使圆形金刚石磨削轮沿着本体12的长度行进以生成纵向槽24，其具有平底26以及侧壁28。槽24的切割将脊20分成了四个凸点30。
碳化钨本体12被最后烧结以完成碳化钨的粘结以及优化本体的硬度。
使用已知技术形成TSP本体32。它的宽度W略小于壁槽24的宽度W1。另外，其高度H与槽24的深度H1一样。
相应地，当TSP本体32被插入到槽24内时，表面硬化插入物100(见图3)便形成了。然而，在这个阶段，TSP本体并没有保持在槽24内。为了这个目的，本体32以第一钎焊材料涂覆。合适的钎焊材料是镍或者铜基合金，比如镍铬硼。这种组装插入物100接着在炉里被加热到1100摄氏度(deg C)。钎焊材料熔化并将TSP连结至碳化钨本体12，通常通过TSP上的中间涂层(比如钛、钨、镍和铜、及其他材料)。
当插入物100已经被组装时，其便可通过WO-A-95/27588所描述的技术施加至基片，比如稳定器耐磨面。凸点30形成了与基片的接触点，且当电焊电极被施加至插入物100的顶部16时，可实现由插入物100与基片之间的接触点处的电阻加热而引起的初始焊接。另外，凸点30被布置成使得带槽本体12的边缘18与基片之间的剩余缝隙是这样的：使得在接下来的钎焊步骤中的熔化钎料能够通过毛细作用在边缘18与基片之间穿过。此外，假如本体32的高度H和槽24的深度H1一样，那么TSP元件的底面32a与边缘18齐平。
相应地，当在接下来的步骤中实现第二钎料的火焰喷射时，火焰喷射的钎料熔化并渗透表面18、32a与基片之间以及插入物100与其相邻的插入物之间的空隙。
第二钎料的熔化温度优选地比第一钎料的熔化温度要低，而且火焰喷射是受控的，以使基片和插入物的温度不会升高到高于第一钎料的熔化温度。这个保证了不可能破坏TSP与碳化钨本体之间的连接。
然而，即使采用的是相同的钎焊材料，或者第二钎料的熔化温度高于第一钎料，不过，这个不大可能损坏TSP与碳化钨之间的连接，且TSP无论在任何情况下都完全装入槽24内，也因此而免受火焰喷射的不利影响。
穿透包括进入限定在槽24的任意一端处的凹部24a，由于TSP本体32的长度没有延伸达到碳化钨本体12的全部长度而得到所述凹部。然而凹部24a不是必须的。它们的存在只是因为如图2所示形状的TSP本体32是目前容易获得的，且如图1中所示形状的碳化钨本体12也是这样。如果用于两个本体12、32的模具的构造成是根据第一原理来设计的，则TSP32可以具有相同的形状，但是本体12有可能会是与本体32长度相似的矩形。这仍将在组合插入物100的每一端留下两个角凹部(未显示)，但是这将更好的使碳化钨本体100能够保护本体32免受火焰喷射过程的影响。
一旦插入物100的附接完成，表面硬化的基片便被磨削至设计的表面尺寸，优选地，足够的钎焊材料被除去以暴露出每个插入物100的顶部16，以便它们能被看到，并向使用者指明上述的表面已经被表面硬化。事实上，插入物14的矩圆形状可以被用来显示硬化饰面是TSP组合体。
转到图4a和图4b，基片S(例如，稳定器的部分圆柱形表面)具有与之连接的多个插入物100。便利地，这些插入物可以作为垫子提供，其顶表面16粘结至穿孔纸，每个插入物一个穿孔。当插入物安置到基片S上时，将点焊枪的电极应用在顶表面16上(通过纸背衬中的穿孔，未显示)并给所述电极通电。电流流过凸点30导致它们熔化，进而插入物临时地附接至基片。接下来，在火焰喷射过程期间，纸燃烧掉且钎料穿渗透在插入物之间的规则缝隙G进而填充孔穴，所述孔穴包括端部空间24a以及底部边缘18、与TSP本体32的底部表面32a、以及与基片S之间的缝隙。最后，多余的钎料E在最后的尺寸磨削操作中被除掉。
事实上，倘若在组件的顶部T上提供1或者2毫米的碳化钨，则允许很容易地将工具磨削至其最终的尺寸；那么TSP 32将在初始磨损阶段后暴露出来，其后可以提供加强的耐磨金刚石。
转到图5，示出了根据本发明一替换实施方式的插入物100′。这里，代替槽，凹部24′在碳化钨本体12′中形成。圆柱形TSP本体32′在凹部24′内的紧密滑动配合，且能按照上面参照图1至图3所述的实施方式被钎焊在所述凹部中。这里，插入物100′不是被设计用来作为稳定器的饰面瓦片(facing tile)的，而是用在钓鱼工具、或更特别地用在突破工具上的齿形式的耐磨元件。在任何情况下，由于本体12′的壁28a、28b的高度不同，因此插入物使工具能具有倾斜角度。
本体12′的边缘18′设置有4个凸点30′，以便在通过火焰喷射钎焊之前，插入物100′被点焊在位。如前面所描述的，将TSP本体32′钎焊至凹部24′内的步骤优选地在炉的可控环境里进行。TSP本体可以预涂覆以帮助其被钎焊材料润湿。涂层可以是钛、钨、镍和铜、及其他材料。碳化钨本体12′的壁28a、28b以及端部29a、29b完全包围TSP本体32′。甚至比前一实施方式更是如此，由此，当插入物100′放置在其将要安装于其上的基片上(凸点30′抵接基片)时，这些壁28/29，a/b、以及基片(未显示)几乎完全地将TSP保护起来而免受钎焊火炬火焰的不利影响。由此，当TSP因其周围的碳化钨磨损而被暴露出来时，TSP处于良好的条件下，以提供其加强的耐磨性。
最后，图6示出了根据本发明的插入物100″，这是上述实施方式的组合和变化。这里，本体12″最像是图5中的本体12′，但是代替凹部24′，在碳化钨本体12″内形成了槽24″。立方体形的TSP本体32″在槽24″内紧密滑动配合，以使其端部32a、32b与碳化钨的端面28″a、28″b相邻接，且本体32″完全填充槽24″。依照上述实施方式那样，插入物能被钎焊进去。这里，插入物100″既适于作为饰面瓦片用于稳定器也适于作为齿形式的耐磨元件用于钓鱼工具或者突破工具。
如图5那样，本体12″的边缘18″设置有4个凸点30’，以用于在通过火焰喷射钎焊之前，将插入物100″点焊在位。尽管碳化钨本体12″没有完全包围TSP本体32′，当插入物100”贴附到将安装于其上的基片上(凸点30′抵接基片)时，插入物的暴露面有效地保护TSP使其几乎完全免于钎焊火炬火焰的不利影响。由此，当TSP因其周围的碳化钨磨损而被暴露出来时，TSP处于良好的条件下，以提供其加强的耐磨性。
如上所述，坚硬本体32、32′、32″可以被简单地粘合到槽24、24″或者凹部24′内的适当位置，可使用环氧树脂、氰基丙烯酸酯粘合剂或者其他合适的粘合剂。可替换地，碳化钨本体的边缘18、18′、18″可以被卷曲以在槽或者凹部内给本体提供干扰性保持，以便在插入物12如上所述的固定至基片之前、在后续的运输和操作期间保持住本体。
贯穿说明书和权利要求，词语“包含”和“包括“以及这些词的变形，例如“含有”和“具有”，意指“包括但不局限于”，且不旨在(且不是)排出其他部分、添加、部件、组成部分或者步骤。
贯穿说明书和权利要求，单数包括复数，除非上下文有其他要求。尤其地，当使用不确定的物品时，说明书将被理解为构想了复数和单数，除非上下文有其他要求。
与本发明的特定方面、实施方式或者实例结合描述的特征、组成部分、特性、组合物、化学部分或者组，将被理解成可应用于这里描述的其他方面、实施方式或者实例，除非与之不相容。
读者应注意所有的文章和资料，这些文章和资料与同关于本申请的说明书同时或在其之前提交，并且这些文章和资料与本说明书一起向公众公开，且所有这些文章和资料的内容以引证方式结合于此。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中披露的所有特征，和/或这样披露的任何方法或者过程的所有步骤，可以被组合成任意组合，除了这些特性和/或步骤中的至少一些是互斥的组合以外。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)里披露的每一个特征，可以被用于相同、等同或者相似的目的的替换特征所取代，除非另外清楚地指出。所以，除非另外清楚地指出，每一个披露的特征都仅仅是一类系列的等同或相似特征的一个实例。
本发明不局限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所述权利要求、摘要以及附图)里所披露的特征中的任一个新颖特征、或者这些特征的任何新颖组合，或者扩展至所披露的任何方法或者过程的步骤中的任一个新颖步骤、或者这些步骤的任何新颖组合。

Claims (24)

1.一种构造用于表面硬化耐磨面的碳化钨/超硬插入物的方法，所述方法包括以下步骤：
形成具有槽或凹部的碳化钨本体；
将超硬本体装配在所述槽或凹部内；以及
将所述超硬本体固定在所述槽或凹部内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳化钨被压成实心本体，并被预烧结，然后在所述本体内切割出所述槽，随后所述本体被烧结。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述切割通过使用金刚石磨削轮来实现以形成所述槽。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述超硬本体是TSP。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述槽或凹部处于所述插入物的适于安置在基片上的底部面内，并且其中，将所述插入物固定在所述基片上通过钎焊步骤实现。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述底部面上的槽或凹部的边缘适于焊接至所述基片以对所述插入物进行中间固定。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在所述钎焊步骤期间，钎焊材料在所述超硬本体与基片表面之间、在所述碳化钨本体的槽或凹部的边缘与所述基片表面之间、以及在相邻的插入物之间流动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述固定是通过将所述超硬本体钎焊至所述碳化钨本体的槽或凹部内来实现。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述超硬本体钎焊至所述槽或凹部内的步骤是独立于且先于将所述插入物钎焊至基片的步骤的步骤。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述超硬本体钎焊至所示槽或凹部内的步骤是使用第一钎焊材料在炉内进行的。
11.根据当从属于权利要求5时的权利要求10所述的方法，其中，所述后续的将插入物钎焊至基片通过使用不同的第二钎焊材料或者所述的第一钎焊材料来实现。
12.根据权利要求4、或者根据当从属于权利要求4时的权利要求5至11中任一项所述的方法，其中，用促进钎焊材料粘结的材料涂覆所述TSP本体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，涂层从包括钛、钨、镍和铜的组中选择。
14.根据权利要求3和6、或者根据当从属于权利要求3和6时的权利要求7至13中任一项所述的方法，其中，两条脊横跨所述碳化钨本体形成，从而使得所述槽切割所述脊并留下四个凸点，所述槽的每个边缘上各有两个凸点，由此，通过包括与所述基片的主要接触的所述凸点集中放电来促进所述焊接步骤。
15.一种用于表面硬化耐磨面的碳化钨/超硬插入物，所述插入物包括：碳化钨本体，
在所述本体内的槽形截面槽或凹部；以及
固定在所述槽或凹部内的超硬本体。
16.根据权利要求15所述的碳化钨/超硬插入物，其中，凸点被设置在所述槽形截面槽或凹部的边缘上以促进将所述插入物点焊至基片上。
17.根据权利要求16所述的碳化钨/超硬插入物，其中，所述凸点是所述槽形截面槽形成之前横跨在所述插入物的底部上的一对脊的剩余部分。
18.根据权利要求15、16或17所述的碳化钨/超硬插入物，其中，所述超硬本体是TSP。
19.一种经表面硬化的基片，包括所述基片和钎焊至所述基片的面上的多个表面硬化插入物，其中，所述插入物包括根据权利要求15至18中任一项所述的插入物或者按照权利要求1至14中任一项所述的方法制造的插入物，且其中，所述超硬本体的横跨其长度的截面为长方形，并且所述碳化钨本体在所述截面的至少三个侧上包围所述超硬本体，第四侧靠着所述基片的所述面，由此，所述超硬本体被保护起来而免受在用来将所述插入物钎焊至所述基片上的火焰喷射钎焊中被火焰直接冲蚀。
20.根据权利要求19所述的经表面硬化的基片，其中，所述基片的尺寸在所述插入物钎焊至所述基片的面后被调整，所述调整通过磨削位于所述插入物的暴露面上的钎料以及所述暴露面、但是并不磨削所述超硬本体来实现。
21.根据权利要求19或20所述的经表面硬化的基片，其中，所述超硬本体是TSP。
22.根据权利要求21所述的经表面硬化的基片，其中，所述TSP本体被从包括钛、钨、镍和铜的组中选择的涂层涂覆。
23.一种构造用于表面硬化耐磨面的碳化钨/TSP插入物的方法，基本上根据上文参照附图所述的那样。
24.一种用于表面硬化耐磨面的碳化钨/TSP插入物，基本上根据上文参照附图所述的那样。
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