KR100777649B1 - Laser apparatus for forming pattern on inside of workpiece - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 엔진의 실린더 블록과 그 내부에 삽입되는 피스톤을 도시한 도면이다. 1 is a view illustrating a cylinder block of a general engine and a piston inserted therein.
도 2는 호닝 가공된 실린더 블록 보어 표면과 피스톤 링의 마찰을 도시한 도면이다. Figure 2 shows the friction of the piston block bore surface with the honed cylinder block bore.
도 3은 실린더 블록 보어 표면의 거칠기 곡선과 부하 곡선을 도시한 도면이다. 3 shows the roughness curve and the load curve of the cylinder block bore surface.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치의 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus for forming a fine pattern on the inner surface of the object to be processed according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치의 회전 이동을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining the rotational movement of the laser processing apparatus for forming a fine pattern on the inner surface of the object to be processed according to the first embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치의 상하 이동을 도시한 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating vertical movement of a laser processing apparatus for forming a fine pattern on an inner surface of a workpiece according to a first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치를 도시한 도면이다.7 is a view showing a dual laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 빔 익스팬더의 상세한 구조를 도시한 도면이다. 8 is a diagram illustrating a detailed structure of a beam expander according to a second embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치를 도시한 도면이다. 9 is a view showing a dual laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
도 10은 실린더 블록 보어 표면에 레이저 호닝 패턴을 생성하는 프로세스를 도시한 도면이다. 10 shows a process for generating a laser honing pattern on a cylinder block bore surface.
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공 대상물의내면에 미세 패턴 가공을 수행하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly, to a laser processing apparatus for performing a fine pattern processing on the inner surface of the object to be processed.
도 1은 일반적인 엔진의 실린더 블록(11)과 그 내부에 삽입되는 피스톤(13)을 도시한 도면이다. 1 is a view illustrating a
도 1의 엔진(10)은 실린더 블록(11), 가공 대상물(12)인 실린더 블록 보어 표면, 피스톤(13), 피스톤 링(14)을 포함한다. The
실린더 블록(11)은 실린더 블록 내부를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤(13)이 배치되는 복수의 실린더로 이루어진다. The
피스톤(13)은 고온, 고압의 가스 압력을 받아 실린더 블록 내부에서 왕복 운동을 하여 가공 대상물(12)인 실린더 블록 보어 표면과 마찰하게 된다. The
피스톤 링(14)은 피스톤 상부에 배치된 링으로서 가공 대상물(12)인 실린더 블록 보어 표면에 있는 오일이 연소실에 들어가지 못하게 하는 오일링(Oil Ring)과 연소가스가 새어 나가지 못하게 하는 압축링(Compressing Ring)이 있다. 압축링은 압축과 팽창시의 기밀을 유지하고 피스톤이 받은 높은 열을 실린더 블록으로 전달하며, 오일이 연소실로 들어가지 못하도록 최소한의 유막을 남겨 놓고 긁어 내리는 역할을 한다. 오일링은 가공 대상물(12)인 실린더 블록 보어 표면에 윤활유가 균일하게 묻을 수 있도록 하고 여분의 오일을 긁어 내리는 역할을 한다. The
도 2는 호닝 가공된 실린더 블록 보어 표면과 피스톤 링(14)의 마찰 운동을 도시한 도면이다. 2 shows the frictional movement of the honed cylinder block bore surface and the
피스톤 링(14)이 왕복 운동을 하면서 가공 대상물(12)인 실린더 보어 표면과 마찰할 때, 실린더 보어 표면에는 적절한 교각(angle of intersection)을 지닌 그물망 형태의 메쉬(mesh)가 있어야 피스톤(13)이 부드럽게 움직일 수 있다. 이 메쉬(mesh)가 없으면 지나치게 면이 매끄러워져 윤활유 막이 형성되지 않아 피스톤의 스트립 현상이 발생하기 쉽다. 즉, 적절한 교각을 지닌 그물망 형태의 메쉬를 호닝 패턴(15)이라 하고, 이는 기름 받이의 기능을 수행하는 기름 홈의 역할을 한다.When the piston ring 14 rubs against the cylinder bore surface, which is the object to be machined 12 during reciprocating motion, the cylinder bore surface must have a mesh in the form of a mesh with an appropriate angle of intersection. This can move smoothly. Without this mesh, the surface becomes excessively smooth, so that a lubricant film is not formed, which is likely to cause a piston stripping phenomenon. That is, the mesh in the form of a mesh having a suitable pier is called the honing pattern (15), which serves as an oil groove to perform the function of the sump.
현재 주류를 이루고 있는 리시프로 엔진(Recipro Engine)의 보어 표면은 피스톤(13)/피스톤 링(14)과의 왕복 습동을 고려할 때, 트라이볼러지(Tribology) 성능 중 특히 마찰 성능, 내시저(Proof seizure) 성능이 중요하다. 이 같은 표면 기능을 고려하여, 일반적인 실린더 블록 보어 표면에는 호닝 가공의 방법으로 기름 받이의 기능을 수행하는 기름 홈을 형성한다.The bore surface of today's mainstream Recipro Engine, especially considering tribological performance, especially frictional performance, Proof of Tribology, considering reciprocating sliding with
호닝 가공은 원통 내면을 가공하는 정밀 다듬질의 일종으로서, 자세하게는 숫돌(abrasive stick)을 원통 주위에 끼워 넣은 혼(hone)이라는 공구를 원통 내면에서 회전과 동시에 축방향으로 왕복시켜 피가공물의 내면에 가볍게 접촉 운동시킴으로써 정밀 가공하는 방법이다. 호닝 패턴(15)은 피스톤(13)과 가공 대상물(12)인 엔진 실린더 보어 표면과의 마찰 성능 및 내시저 성능에 관련되므로, 엔진 성능에 중요한 영향을 미친다. Honing is a kind of precision finishing that processes the inner surface of a cylinder. In detail, a honing tool is a tool called a horn, in which an abrasive stick is inserted around the cylinder. It is a method of precision machining by lightly contacting movement. The
도 3은 실린더 블록 보어 표면의 거칠기 곡선과 부하 곡선을 도시한 도면이다. 3 shows the roughness curve and the load curve of the cylinder block bore surface.
표면 거칠기(surface roughness)는 금속 표면을 다듬질 가공할 때에 표면에 생기는 미세한 요철의 정도를 말한다. 어떠한 방법의 생산 공정을 채택해도 기하학적으로 이상적인 완벽한 표면을 가공한다는 것은 현실적으로 불가능하다. 가공된 표면을 확대한 사진을 보면 가공된 표면이 마치 많은 정상(peak)과 계곡(valley)이 있는 산과 같은 모습을 하고 있다. 거칠기의 정도를 나타내는데 있어서, 표면을 측정물과 직각인 평면으로 절단하고 그 단면을 보면 어떤 곡선을 이루는데, 이런 거칠기의 정도를 나타내는 통계적인 값을 거칠기 파라미터(roughness parameter)라 한다.Surface roughness refers to the degree of minute unevenness occurring on the surface when the metal surface is finished. No matter what method of production is adopted, it is practically impossible to machine geometrically ideal perfect surfaces. Magnified photographs show that the machined surface looks like a mountain with many peaks and valleys. In indicating the degree of roughness, the surface is cut into a plane perpendicular to the workpiece and the cross section shows a curve. A statistical value representing the degree of roughness is called a roughness parameter.
도 3에 도시된 거칠기 곡선은 피크(peak) Rpk, 중심부 표면 Rk, 밸리(valley) Rvk 의 거칠기 파라미터(roughness parameter)로 실린더 보어 표면의 단면을 구분할 수 있다.The roughness curve shown in FIG. 3 may distinguish the cross section of the cylinder bore surface by the roughness parameters of peak R pk , central surface R k , and valley R vk .
도 3의 부하 곡선의 Mr1은 피크(peak)가 전체 실린더 보어 표면에서 차지하는 비율을 의미하고, Mr2는 밸리(Valley)가 전체 실린더 보어 표면에서 차지하는 비율을 의미한다.M r1 of the load curve of FIG. 3 means the ratio of peak to the entire cylinder bore surface, and M r2 means the ratio of Valley to the entire cylinder bore surface.
Rpk는 거칠기의 피크(peak)로서, 실린더 보어 표면 거칠기의 가장 높은 지점을 의미한다. 따라서 Rpk 는 피스톤(13)/피스톤링(14)이 왕복 습동할 때 가장 마모되기 쉬운 부분이다. Rk는 실린더 보어 표면 거칠기의 중심부로서, 전체 구간의 거칠기 평균값으로 볼 수 있다. Rvk 는 밸리(valley)의 깊이로서, 윤활유가 유지되는 기름 홈에 대한 지표가 된다. R pk is the peak of roughness, meaning the highest point of cylinder bore surface roughness. Therefore R pk Is the most prone to wear when the
따라서, Rpk 또는 Rvk 가 과도하면 피스톤과 엔진 실린더 보어 표면과의 마찰 운동에 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 실린더 보어 표면을 가공하는 호닝 가공 기술의 중요성을 알 수 있다.Therefore, excessive R pk or R vk may adversely affect the frictional motion of the piston and the engine cylinder bore surface, it can be seen the importance of the honing processing technology for processing the cylinder bore surface.
종래의 호닝 가공 방식은 숫돌을 이용하여 내경 가공을 행하기 때문에 절삭 및 연삭 시 숫돌이 마모됨으로 인해 일정한 양질의 가공 패턴을 형성하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 숫돌을 자주 교체해 주어야 하기 때문에 유지 보수 비용이 증가하는 문제점이 있었다. Conventional honing processing method has a problem that it is difficult to form a certain quality machining pattern due to the wear of the grindstone during cutting and grinding because the inner diameter machining using a grindstone. In addition, there is a problem that the maintenance cost increases because the grinding wheel must be replaced frequently.
한편, 미국특허 제5,441,439호는 레이저를 이용하여 가공물 표면을 호닝 가공하는 방법을 개시하고 있다. 미국특허 제5,441,439호는 호닝 가공의 첫 번째 단계로서 가공물 표면에 최소한의 거칠기를 형성하고, 두 번째 단계로서 최소한의 거 칠기가 형성된 가공물 표면 위에 레이저를 이용하여 일정한 간격의 홈을 형성하는 호닝 가공 과정을 개시하고 있다. U.S. Patent No. 5,441,439 discloses a method of honing a workpiece surface using a laser. U.S. Patent No. 5,441,439 describes a honing process in which a first step of honing is performed to form a minimum roughness on a workpiece surface, and a second step is to form grooves at regular intervals using a laser on a surface of a workpiece on which a minimum roughness is formed. Is starting.
하지만, 미국특허 제5,441,439호는 레이저를 이용하여 호닝 가공을 수행하는 프로세스를 소개하고 있을 뿐, 이러한 호닝 가공을 효율적으로 수행할 수 있는 레이저 장치의 구체적인 구성에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.However, U. S. Patent No. 5,441, 439 only introduces a process for performing honing processing using a laser, and does not disclose any specific configuration of a laser apparatus capable of efficiently performing such honing processing.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물의 내면에 일정한 양질의 가공 패턴을 형성할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a technical object of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of forming a certain high quality processing pattern on the inner surface of a processing object using a laser beam.
본 발명의 다른 목적은 생산 비용을 절감하고, 패턴 형성 작업 시간을 단축시킬 수 있는 이중 레이저 가공 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a dual laser processing apparatus that can reduce production costs and shorten the pattern forming work time.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따르면, 이중 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 장치는 레이저 광원부, 빔 스플리터, 제 1 반사 미러, 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈를 포함하고, 상기 레이저 광원부는 레이저 빔을 생성하고, 상기 빔 스플리터는 상기 생성된 레이저 빔을 제 1 레이저 빔과 제 2 레이저 빔으로 분리시키고, 상기 제 1 레이저 빔은 상기 제 1 렌즈로 진행하고 상기 제 2 레이저 빔은 상기 반사 미러로 진행하며, 상기 제 1 반사 미러는 상 기 제 2 레이저 빔을 상기 제 2 렌즈로 반사시키고, 상기 제 1 렌즈와 상기 제 2 렌즈는 상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔을 각각 가공 대상물의 내부 표면에 입사시켜 패턴 가공을 수행하는 이중 레이저 가공 장치가 제공된다.As a technical means for achieving the above object, according to the first aspect of the present invention, in a dual laser processing apparatus, the apparatus includes a laser light source unit, a beam splitter, a first reflective mirror, a first lens and a second lens. The laser light source unit generates a laser beam, and the beam splitter separates the generated laser beam into a first laser beam and a second laser beam, and the first laser beam travels to the first lens, and The second laser beam is directed to the reflective mirror, the first reflective mirror reflects the second laser beam to the second lens, and the first lens and the second lens are the first laser beam and the first lens. Provided is a dual laser processing apparatus for performing pattern processing by injecting two laser beams into the inner surface of a workpiece, respectively.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 이중 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 장치는 레이저 광원부, 빔 스플리터, 제 1 반사 미러, 제 2 반사 미러, 제 3 반사 미러, 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈를 포함하고, 상기 레이저 광원부는 레이저 빔을 생성하고, 상기 빔 스플리터는 상기 생성된 레이저 빔을 제 1 레이저 빔과 제 2 레이저 빔으로 분리시키고, 상기 제 1 레이저 빔은 상기 제 1 반사 미러로 진행하고 상기 제 2 레이저 빔은 상기 제 3 반사 미러로 진행하며, 상기 제 1 반사 미러는 상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 2 반사 미러로 반사시키고, 상기 제 2 반사 미러는 상기 제 1 반사 미러에 의해 반사된 상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 1 렌즈로 반사시키고, 상기 제 3 반사 미러는 상기 제 2 레이저 빔을 상기 제 2 렌즈로 반사시키고, 상기 제 1 렌즈와 상기 제 2 렌즈는 상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔을 각각 가공 대상물의 내부 표면에 입사시켜 패턴 가공을 수행하는 이중 레이저 가공 장치가 제공된다.According to a second aspect of the present invention, in a dual laser processing apparatus, the apparatus includes a laser light source unit, a beam splitter, a first reflecting mirror, a second reflecting mirror, a third reflecting mirror, a first lens, and a second lens. The laser light source unit generates a laser beam, and the beam splitter separates the generated laser beam into a first laser beam and a second laser beam, and the first laser beam proceeds to the first reflection mirror, The second laser beam proceeds to the third reflecting mirror, the first reflecting mirror reflects the first laser beam to the second reflecting mirror, and the second reflecting mirror is reflected by the first reflecting mirror Reflects a first laser beam to the first lens, the third reflecting mirror reflects the second laser beam to the second lens, and the first lens and the second lens are the first lens Provided is a dual laser processing apparatus for performing pattern processing by injecting a laser beam and the second laser beam into the inner surface of a workpiece, respectively.
본 발명의 제 3 측면에 따르면, 원통 형상의 가공물의 내부 표면을 호닝 가공하는 방법에 있어서, 거친 호닝 가공을 실시하는 제 1 단계와, 중간 다듬질 호닝 가공을 실시하는 제 2 단계와, 이중 레이저 가공 장치를 이용하여 레이저 미세 홈 가공을 실시하는 제 3 단계 및 최종 다듬질 호닝 가공을 실시하는 제 4 단계를 포함하는 호닝 가공 방법이 제공된다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of honing an inner surface of a cylindrical workpiece, comprising: a first step of performing a rough honing process, a second step of performing an intermediate finish honing process, and dual laser processing A honing machining method is provided, comprising a third step of performing laser microgrooves using an apparatus and a fourth step of performing a final finishing honing process.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 원통 형상을 갖는 가공 대상물의 내면을 가공하기 위해 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 원통 이외의 형상을 갖는 가공 대상물의 내면을 가공하는 데도 사용될 수 있다.Laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention is preferably used for processing the inner surface of the object having a cylindrical shape, but is not necessarily limited to this, if necessary, the inner surface of the object having a shape other than the cylindrical. It can also be used for processing.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치(100)의 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram showing the configuration of the
본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는, 레이저 광원부(110), 제 1 반사 미러(120), 포커싱 렌즈(130), 제 2 반사 미러(140)를 포함한다. The
레이저 광원부(110)는 레이저 빔을 생성하여 공급하는 기능을 수행한다. 예를 들면, Nd:YAG형 또는 Nd:YVO4형 레이저 소스로서 파장(λ)이 1064nm인 CW파(continuous wave) 레이저 빔을 생성하도록 구비되며, 여기에 Q스위치 소자를 더 구비함으로써 펄스파(pulse wave) 레이저 빔을 생성하도록 할 수도 있다. 레이저 광원부(110)에 의해 생성된 레이저 빔은 제 1 반사 미러(120)로 입사한다. The laser
제 1 반사 미러(120)는 레이저 빔의 진행 방향을 변경하는 위치에 설치되어 진행 방향 변경 각도를 제어할 수 있다. 제 1 반사 미러(120)는 레이저 광원부(110)로부터 공급된 레이저 빔의 진행 방향을 포커싱 렌즈(130)로 변경시킨다. The
포커싱 렌즈(130)는 레이저 빔이 가공 대상물에 주사되기까지의 경로 길이(X+Y)를 제어할 수 있도록 설치된다. 이때, 모터(Motor) 제어를 통한 오토 포커싱(Auto focusing)기능으로 레이저 빔이 포커싱 렌즈(130)로부터 가공 대상물에 주사되기까지의 경로 길이(X+Y)를 조절할 수 있다. 레이저 빔은 포커싱 렌즈(130)를 통과하여 제 2 반사 미러(140)에 입사한다. The focusing
제 2 반사 미러(140)는 포커싱 렌즈(130)를 통과한 레이저 빔이 가공 대상물 표면에 주사되도록 설치된다. 제 2 반사 미러(140)로 입사한 레이저 빔은, 원통 내면에 주사되어 미세 패턴 가공을 수행한다. The
원통 내면 전체에 일정한 패턴 가공을 수행하기 위하여, 가공 대상물인 원통 자체를 상하 및 회전 이동시킬 수 있으며, 또는 포커싱 렌즈(130)와 제 2 반사 미러(140)를 포함하는 이동부(R)가 상하 및 회전 이동할 수도 있다. 만약, 상기의 이동의 범위가 크지 않아 주사되는 레이저 빔의 경로 길이 오차가 허용될 수 있는 수 준이면, 이동부(R)는 제 2 반사 미러(140)만을 포함하는 것도 가능하다. 또는, 원통 내면과 상기 이동부(R)가 상하 이동 또는 회전 이동 중 하나를 선택하여 각각 수행할 수 있다. In order to perform a predetermined pattern processing on the entire inner surface of the cylinder, the cylinder itself, which is the object to be processed, may be moved up and down, or the moving part R including the focusing
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치(100)의 회전 이동을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining the rotational movement of the
레이저 가공 장치(100)의 이동부(R)가 원통 내에서 축을 기준으로 360°회전하면, 제 2 반사 미러(140)에 의해 진행 방향이 변경된 레이저 빔(111)이 이동부(R)의 회전으로 인해 축을 중심으로 360° 회전하면서 가공 대상물(12)의 내면에 주사되기 때문에 일정 높이의 원통 내면의 둘레 전체에 미세 패턴을 형성할 수 있다. When the moving part R of the
또한, 전술한 바와 같이 이동부(R)는 고정시키고, 가공 대상물(12)을 360° 회전시킴으로써 동일한 효과를 얻을 수도 있다. In addition, the same effect can also be acquired by fixing the moving part R and rotating the
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가공 대상물의 내면에 미세 패턴을 형성하는 레이저 가공 장치(100)의 상하 이동을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a vertical movement of the
도 6에서 이동부(R)는 제 2 반사 미러(140)만을 포함하도록 도시되어 있으나 전술한 바와 같이 포커싱 렌즈(130)를 포함할 수도 있다. In FIG. 6, the moving part R is illustrated to include only the second
이동부(R)는 원통 내에서 상하 이동을 함으로써, 레이저 빔(111)의 스팟(SP)의 높이를 미세 패턴 가공을 수행할 원통 내면의 일정한 높이에 맞춘다. 이동부(R)가 상하 이동을 함으로 인해 주사될 레이저 빔(111)도 상하 이동을 하기 때문에, 원통 내면의 높이 전체에 레이저 빔(111)을 이용한 패턴 가공을 수행할 수 있다. The moving part R moves up and down in the cylinder to adjust the height of the spot SP of the
이동부(R)는 원통 내면 내에서 축을 기준으로 일정 높이의 둘레 전체를 360 °회전하면서, 미세 패턴 가공을 수행한 다음, 상기의 일정 높이 보다 상위 또는 하위 높이로 상하 이동을 한다. 다시 말해, 레이저 빔(111)이 원통 내면의 일정 높이의 미가공된 둘레 전체에 미세 패턴 가공을 수행한 후, 단계적으로 상기의 일정 높이 보다 상위 또는 하위의 미가공된 높이로 상하 이동한다. The moving unit R performs a fine pattern processing while rotating the entire circumference of a
이러한 이동부(R)의 회전 이동 및 상하 이동의 단계적인 반복 작업을 통하여 레이저 가공 장치(100)가 가공 대상물(12)의 내면 전체에 미세 패턴 가공을 수행할 수 있다. The
또한, 원통이 전술한 회전 이동 및 상하 이동을 조합적으로 수행함으로써, 원통 내면 전체에 미세 패턴 가공을 수행할 수도 있다. In addition, by performing the combination of the above-described rotational movement and vertical movement of the cylinder, fine pattern processing may be performed on the entire inner surface of the cylinder.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(200)를 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating a dual
본 발명의 제 2 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(200)는 레이저 광원부(210), 제 2 반사 미러(220), 빔 익스팬더(230), 빔 스플리터(240), 제 1 렌즈(250), 제 1 반사 미러(260), 제 2 렌즈(270)를 포함한다.The dual
이중 레이저 가공 장치(200)의 이동부(R1)는 빔 스플리터(240), 제 1 렌즈(250), 제 1 반사 미러(260), 제 2 렌즈(270)를 포함할 수 있다. The moving part R1 of the dual
또한, 이중 레이저 가공 장치(200)는 상기 이동부(R1)를 회전 운동시키는 구동부(도시 생략)와 상하 이동시키는 구동부(도시 생략)를 포함할 수 있다.In addition, the dual
레이저 광원부(210)는 레이저 가공을 위한 레이저 빔을 공급하는 기능을 수행한다. 예를 들면, Nd:YAG형 또는 Nd:YVO4형 레이저 소스로서 파장(λ)이 1064nm인 CW파(continuous wave) 레이저 빔을 생성하도록 구비되며, 여기에 Q스위치 소자 를 더 구비함으로써 펄스파(pulse wave) 레이저 빔을 생성하도록 할 수도 있다. 레이저 광원부(210)로부터 발생된 레이저 빔은 제 2 반사 미러(220)로 입사한다. The laser
제 2 반사 미러(220)는 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 레이저 빔의 진행 방향을 변경할 위치에 설치되어 레이저 빔의 진행 방향 변경 각도를 제어한다. 제 2 반사 미러(220)는 레이저 광원부(210)로부터 생성된 레이저 빔의 진행 방향을 빔 익스팬더(230)로 변경시킨다. The
빔 익스팬더(230)는 레이저 빔의 직경을 제어함으로써 최종적으로 가공 대상물에 입사되는 레이저 빔의 스팟 사이즈를 제어할 수 있다. 빔 익스팬더(230)는 제 2 반사 미러(220)로부터 입사된 레이저 빔의 직경을 적절한 크기로 조절하여, 이를 빔 스플리터(240)로 입사시킨다. The
빔 스플리터(240)는 입사된 레이저 빔의 일부를 반사시키고, 나머지 일부를 투과시킴으로써, 입사된 레이저 빔을 분리시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서는 빔 스플리터(240)로서 반사율과 투과율이 각각 50%인 부재를 사용하여, 상기 레이저 빔을 정확히 50:50의 비율로 분리하는 것이 바람직하다. 빔 익스팬더(230)에 의해 직경이 확대된 레이저 빔은, 빔 스플리터(240)에서 일부는 반사되어 제 1 레이저 빔(LS1)으로서 진행하고, 나머지 일부 레이저 빔은 빔 스플리터(240)를 투과하여 제 2 레이저 빔(LS2)으로서 진행한다. 제 1 레이저 빔(LS1)은 제 1 렌즈(250)를 향한 방향으로 진행되고, 제 2 레이저 빔(LS2)은 제 1 반사 미러(260)의 방향으로 진행된다. The
제 1 렌즈(250)는 포커싱 렌즈로서, 빔 스플리터(240)로부터 입사된 제 1 레 이저 빔(LS1)을 가공 대상물의 패턴 형성 부위에 모아주는 기능을 수행한다. 이와 같이, 포커싱 렌즈에 의해 모아진 레이저 빔이 가공 대상물에 맺히는 부분을 스팟(Spot)이라 부른다. The
제 1 렌즈(250)에 의해 제 1 스팟(SP1)에 모인 제 1 레이저 빔(LS1)을 이용하여 가공 대상물(12)의 내면에 미세 패턴 가공을 수행한다. Fine pattern processing is performed on the inner surface of the
제 1 반사 미러(260)는 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 빔 스플리터(240)를 투과한 제 2 레이저 빔(LS2)의 진행 방향을 제 2 렌즈(270)를 향한 방향으로 변경시킨다. Preferably, the
제 2 렌즈(270)는 포커싱 렌즈로서, 빔 스플리터(240)를 투과한 제 2 레이저 빔(LS2)을 가공 대상물의 패턴 형성 부위에 모아주는 기능을 수행한다. 제 2 렌즈(270)에 의해 제 2 스팟(SP2)에 모인 제 2 레이저 빔(LS2)을 이용하여 가공 대상물(12)의 내면에 미세 패턴 가공을 수행한다. The
구동부(도시 생략)는 이동부(R1)를 가공 대상물(12) 내에서 가공 대상물(12)의 중심축을 기준으로 360°회전시킨다. 이에 따라, 제 1 레이저 빔(LS1)과 제 2 레이저 빔(LS2)도 가공 대상물(12) 내의 일정 높이에서 360° 회전하게 된다. The drive part (not shown) rotates the moving
가공 대상물(12)의 일정 높이의 둘레 전체에 레이저 미세 패턴이 형성된 후, 구동부(도시 생략)는 가공 대상물(12)의 일정 높이 보다 상위 또는 하위 높이의 둘레에 미세 패턴을 형성하기 위하여 이동부(R1)를 상하 방향으로 이동시킨다. 이동부(R1)가 상하 방향으로 이동함으로 인해, 제 1 레이저 빔(LS1)과 제 2 레이저 빔(LS2)이 상하 방향으로 이동하게 되고, 그 후, 이동부(R1)를 다시 360° 회전시 킴으로 인해 가공 대상물(12)의 미가공된 둘레에 미세 패턴 가공을 수행할 수 있다. After the laser fine pattern is formed in the entire circumference of the predetermined height of the
이중 레이저 장치(200)는 상기한 바와 같이 회전 및 상하 이동을 단계적으로 반복하면서 가공 대상물(12)의 내면 전체에 미세 정밀 패턴 가공을 수행한다.The
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 레이저 빔(LS1)의 제 1 스팟(SP1)과 제 2 레이저 빔(LS2)의 제 2 스팟(SP2)은 가공 대상물(12) 내에서 서로 다른 높이에 형성된다. 제 1 레이저 빔(LS1)과 제 2 레이저 빔(LS2)이 미세 패턴 가공을 수행하는 제 1 스팟(SP1)과 제 2 스팟(SP2)의 높이 차(h)는 제 1 렌즈(250)와 제 2 렌즈(270)의 높이 차(h)와 동일하다. 따라서, 가공 대상물(12)의 전체 높이에 걸쳐 미세 패턴 가공을 수행하기 위해서는 가공 대상물(12)의 높이가 2*n*h (n은 자연수)인 것이 바람직하다. Meanwhile, as shown in FIG. 7, the first spot SP1 of the first laser beam LS1 and the second spot SP2 of the second laser beam LS2 have different heights in the
제 2 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(200)는 가공 대상물(12) 내에서 높이가 서로 다른 둘레를 동시에 가공하는 것이 가능하므로, 가공 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. Since the dual
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 빔 익스팬더(230)의 상세한 구조를 도시한 도면이다. 8 is a diagram illustrating a detailed structure of the
빔 익스팬더(230)는 제 1 익스팬더용 렌즈(231), 제 2 익스팬더용 렌즈(232), 제 3 익스팬더용 렌즈(233)를 포함한다.The
제 2 반사 미러(220)에서 반사된 레이저 빔은 부(-)의 굴절율을 가지는 제 1 익스팬더용 렌즈(231), 정(+)의 굴절율을 가지는 제 2 익스팬더용 렌즈(232) 및 부(-)의 굴절율을 가지는 제 3 익스팬더용 렌즈(233)를 통과하여 빔 스플리터(240)로 입사된다. 빔 익스팬더(230)는 제 1 익스팬더용 렌즈(231), 제 2 익스팬더용 렌즈(232), 제 3 익스팬더용 렌즈(233)를 각각 상하 이동시켜 빔 익스팬더용 렌즈(231, 232, 233) 간의 거리를 제어함으로써, 빔 익스팬더(231)에 입사한 레이저 빔의 직경을 제어한다. The laser beam reflected by the
지금까지는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 가공 장치(200)가 제 2 반사 미러(220)와 빔 익스팬더(230)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 이는 예시일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제 2 실시예에서 제 2 반사 미러(220)와 빔 익스팬더(230)는 생략 가능하며, 다른 구성 요소로 대체될 수도 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 것이다.Up to now, the
또한, 구동부(도시 생략)가 이동부(R1)를 가공 대상물(12) 내에서 회전 및 상하 이동 시키는 것으로만 설명하였지만, 이는 예시일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 구동부(도시 생략)가 가공 대상물(12)을 직접 회전 및 상하 이동시키는 방식도 가능하다.In addition, although the driving unit (not shown) has been described as only rotating and moving the moving unit R1 within the
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(300)를 도시한 도면이다. 9 is a diagram illustrating a dual
도 9의 이중 레이저 가공 장치(300)는 레이저 광원부(310), 제 4 반사 미러(320), 빔 익스팬더(330), 빔 스플리터(340), 제 1 반사 미러(350), 제 2 반사 미러(360), 제 1 렌즈(370), 제 3 반사 미러(380), 제 2 렌즈(390)를 포함한다.The dual
이중 레이저 가공 장치(300)의 이동부(R2)는 빔 스플리터(340), 제 1 반사 미러(350), 제 2 반사 미러(360), 제 1 렌즈(370), 제 3 반사 미러(380), 제 2 렌즈(390)를 포함할 수 있다. The moving part R2 of the dual
또한, 이중 레이저 가공 장치(300)는 상기 이동부(R2)를 회전 이동시키는 구동부(도시 생략)와 상하 이동시키는 구동부(도시 생략)를 포함할 수 있다.In addition, the dual
레이저 광원부(310)는 레이저 빔을 생성하여 공급하는 기능을 수행한다. 예를 들면, Nd:YAG형 또는 Nd:YVO4형 레이저 소스로서 파장(λ)이 1064nm인 CW파(Continuous wave) 레이저 빔을 생성하도록 구비되며, 여기에 Q스위치 소자를 더 구비함으로써 펄스파(Pulse wave) 레이저 빔을 생성하도록 할 수도 있다. 레이저 광원부(310)로부터 발생된 레이저 빔은 제 4 반사 미러(320)로 입사한다. The laser
제 4 반사 미러(320)는 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 레이저 빔의 진행 방향을 변경할 위치에 설치되어 레이저 빔의 진행 방향 변경 각도를 제어한다. 따라서, 레이저 광원부(310)로부터 생성된 레이저 빔의 진행 방향을 빔 익스팬더(330)로 변경시킨다. The
빔 익스팬더(330)는 레이저 빔의 직경을 제어함으로써 최종적으로 가공 대상물에 입사되는 레이저 빔의 스팟 사이즈를 제어할 수 있다. 상기 빔 익스팬더(330)는 제 4 반사 미러(320)로부터 입사된 레이저 빔의 직경을 적절한 크기로 조절하여, 이를 빔 스플리터(340)로 입사시킨다. The
빔 스플리터(340)는 입사된 레이저 빔의 일부를 반사시키고, 나머지 일부를 투과시킴으로써, 입사된 레이저 빔을 분리시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서는 빔 스플리터(340)로서 반사율과 투과율이 각각 50%인 부재를 사용하여, 상기 레 이저 빔을 정확히 50:50의 비율로 분리하는 것이 바람직하다. 빔 익스팬더(330)에 의해 직경이 확대된 레이저 빔은, 빔 스플리터(340)에서 일부는 반사되어 제 1 레이저 빔(LS11)으로서 진행하고, 나머지 일부 레이저 빔은 빔 스플리터(340)를 투과하여 제 2 레이저 빔(LS12)으로서 진행한다. 제 1 레이저 빔(LS11)은 제 1 반사 미러(350)를 향한 방향으로 진행된다. The
제 1 반사 미러(350)는 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 제 1 레이저 빔(LS11)의 진행 방향을 제 2 반사 미러(360)로 향하게 한다. The
제 2 반사 미러(360) 역시 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 제 1 반사 미러(350)로부터 반사된 제 1 레이저 빔(LS11)의 진행 방향을 제 1 렌즈(370)로 향하게 한다. Preferably, the
제 1 렌즈(370)는 포커싱 렌즈로서, 제 2 반사 미러(360)로부터 입사된 제 1 레이저 빔(LS11)을 가공 대상물의 패턴 형성 부위에 모아주는 역할을 수행한다.The
제 1 렌즈(370)에 의해 제 1 스팟(SP11)에 모인 제 1 레이저 빔(LS11)을 이용하여 가공 대상물(12)의 내면에 미세 패턴 가공을 수행한다. Fine pattern processing is performed on the inner surface of the object to be processed 12 using the first laser beam LS11 collected at the first spot SP11 by the
한편, 제 3 반사 미러(380)는 반사율이 100%인 미러를 사용하는 것이 바람직하며, 빔 스플리터(340)를 투과한 제 2 레이저 빔(LS12)의 진행 방향을 제 2 렌즈(390)로 향하게 한다. On the other hand, the third reflecting
제 2 렌즈(390)는 포커싱 렌즈로서, 제 3 반사 미러(380)로부터 입사된 제 2 레이저 빔(LS12)을 가공 대상물의 패턴 형성 부위에 모아주는 역할을 수행한다. The
제 2 렌즈(390)에 의해 제 2 스팟(SP11)에 모인 제 2 레이저 빔(LS12)을 이 용하여 가공 대상물(12)의 내면에 미세 패턴 가공을 수행한다. Fine pattern processing is performed on the inner surface of the
구동부(도시 생략)는 이동부(R2)를 가공 대상물(12) 내에서 가공 대상물(12)의 중심축을 기준으로 회전시킨다. 이에 따라, 제 1 레이저 빔(LS11)과 제 2 레이저 빔(LS12)도 가공 대상물(12) 내의 일정 높이에서 회전하게 된다. The driving unit (not shown) rotates the moving unit R2 in the
가공 대상물(12)의 일정 높이의 둘레 전체에 레이저 미세 패턴이 형성된 후, 구동부(도시 생략)는 가공 대상물(12)의 일정 높이 보다 상위 또는 하위 높이의 둘레에 미세 패턴을 형성하기 위하여 이동부(R2)를 상하 방향으로 이동시킨다. 이동부(R2)가 상하 방향으로 이동함으로 인해, 제 1 레이저 빔(LS11)과 제 2 레이저 빔(LS12)이 상하 방향으로 이동하게 되고, 그 후, 이동부(R2)를 다시 회전시킴으로써 가공 대상물(12)의 미가공된 둘레에 미세 패턴 가공을 수행할 수 있다. After the laser fine pattern is formed in the entire circumference of the predetermined height of the
이중 레이저 가공 장치(300)는 상기한 바와 같이 회전 및 상하 이동을 단계적으로 반복하면서 가공 대상물(12)의 내면 전체에 정밀 미세 패턴 가공을 수행한다.The dual
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에 따른 제 1 레이저 빔(LS11)의 제 1 스팟(SP11)과 제 2 레이저 빔(LS12)의 제 2 스팟(SP12)은 제 2 실시예에서와 달리 가공 대상물(12) 내에서 실질적으로 동일한 높이에 형성된다. 따라서, 제 2 실시예와 달리 이동부(R2)가 360° 회전할 필요가 없고, 180° 회전 하는 것으로 충분하다. Meanwhile, as shown in FIG. 9, the first spot SP11 of the first laser beam LS11 and the second spot SP12 of the second laser beam LS12 according to the third embodiment are the second embodiment. Unlike in, it is formed at substantially the same height within the
제 3 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(300)는 가공 대상물(12) 내에서 동일한 높이를 동시에 가공하는 것이 가능하므로, 가공 대상물(12)의 높이에 구애 받지 않음은 물론 가공 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.Since the dual
지금까지는, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이중 레이저 가공 장치(300)가 제 4 반사 미러(320)와 빔 익스팬더(330)를 포함하는 것으로 설명하였지만, 이는 예시일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제 3 실시예에서 제 4 반사 미러(320)와 빔 익스팬더(330)는 생략 가능하며, 다른 구성 요소로 대체될 수도 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 것이다.Up to now, the dual
또한, 구동부(도시 생략)가 이동부(R2)를 가공 대상물(12) 내에서 회전 및 상하 이동 시키는 것으로만 설명하였지만, 이는 예시일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 구동부(도시 생략)가 가공 대상물(12)을 직접 회전 및 상하 이동시키는 방식도 가능하다.In addition, although the driving unit (not shown) has been described as only rotating and moving the moving unit R2 within the
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 실린더 블록 보어 표면에 레이저 호닝 패턴을 생성하는 프로세스를 도시한 도면이다. FIG. 10 illustrates a process for generating a laser honing pattern on a cylinder block bore surface in accordance with one embodiment of the present invention.
실린더 블록 보어 표면의 거칠기를 표시하는 파라미터(Parameter)로 Rz를 사용하였다. Rz는 예를 들어, 거칠기 곡선의 제일 높은 피크(peak)에서부터 세 번째의 피크(peak)와 가장 낮은 쪽에서 순번대로 세 번째의 밸리(valley)를 지나고 중심선에 평행한 두 선간의 거리로 나타낼 수 있다.R z was used as a parameter indicating the roughness of the cylinder block bore surface. R z can be expressed, for example, as the distance between two lines parallel to the centerline, passing from the highest peak of the roughness curve to the third peak and from the lowest to the third valley. have.
단계(S10)에서는, 1차적으로 숫돌 등을 이용한 거친 호닝 가공을 수행한다. 제 1 공정을 거친 후의 실린더 블록 보어 표면의 Rz는, 예를 들어, 8~12㎛이다. In step S10, rough honing processing using a grindstone or the like is primarily performed. R z of the surface of the cylinder block bore after passing through the first step is, for example, 8 to 12 μm.
단계(S20)에서는, 2차적으로 중간 다듬질 호닝 가공을 수행한다. 제 2 공정 을 거친 후의 실린더 블록 보어 표면의 Rz는, 예를 들어, 2~15㎛로 표면이 좀 더 다듬어진 것을 알 수 있다. In step S20, the intermediate finishing honing process is performed secondarily. It can be seen that R z of the surface of the cylinder block bore after passing through the second step is further refined to, for example, 2 to 15 µm.
단계(S30)에서는, 제 1 실시예 내지 제 3 실시예 중 하나의 실시예에 의한 레이저 장치를 사용하여 가공 대상물(12)인 실리콘 블록 보어 표면에 미세 패턴 가공을 수행한다. 레이저 가공 장치가 가공 대상물(12)인 실린더 블록 보어 표면에 미세한 기름 홈을 가공하여, 일정한 기름 홈 패턴을 형성할 수 있다. 기름 홈의 폭은, 예를 들어, 40~80㎛, 깊이는 5~25㎛ 정도인 것이 바람직하다.In step S30, fine pattern processing is performed on the surface of the silicon block bore, which is the object to be processed 12, using the laser device according to one of the first to third embodiments. The laser processing apparatus can process fine oil grooves on the surface of the cylinder block bore, which is the object to be processed 12, to form a constant oil groove pattern. It is preferable that the width | variety of an oil groove is 40-80 micrometers, and the depth is about 5-25 micrometers, for example.
단계(S40)에서는, 최종 다듬질 호닝 가공을 수행한다. 제 4 공정을 거친 후의 실린더 블록 보어 표면의 Rz는, 예를 들어, 1~2㎛이다. In step S40, the final finishing honing process is performed. R z of the surface of the cylinder block bore after passing through the fourth step is, for example, 1 to 2 μm.
이와 같이 호닝 가공을 단계적으로 수행함으로써 실리콘 블록 보어 표면의 거칠기가 최적화되고, 레이저 가공 장치를 이용하여 실리콘 블록 보어 표면에 기름 홈을 형성함으로써, 일정한 형상의 기름 받이를 제공할 수 있다. Thus, the roughness of the silicon block bore surface is optimized by performing the honing process step by step, and by forming an oil groove on the silicon block bore surface using a laser processing apparatus, it is possible to provide an oil dish having a predetermined shape.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and the equivalent concept are included in the scope of the present invention. Should be interpreted.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치에 의하면, 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물의 내면에 일정한 양질의 가공 패턴을 형성함으로써, 정밀 미세 패턴 가공 및 호닝 가공을 용이하게 할 수 있도록 함은 물론 생산 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the laser processing apparatus according to the present invention, by forming a high-quality processing pattern on the inner surface of the object to be processed using a laser beam, it is possible to facilitate precision fine pattern processing and honing processing Of course, there is an effect that can reduce the production cost.
또한, 레이저 빔을 이중으로 사용하여 패턴 형성 작업 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, there is an effect that the pattern forming operation time can be shortened by using the laser beam in duplicate.
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