螺纹配合件的设计与加工文仁杰..doc

西安机电信息学院

毕 业 设 计（论 文）

2013 级 机电系数控加工与维护 专业

题 目： 组合件数控车工艺与编程
毕业时间：
学生姓名： 文仁杰
指导教师： 赵老师
班 级： 高数一班

2013年 9月20日

摘要
随着改革开放的进一步深入，中国的制造行业得到了迅速发展，特别是数控加工的应用呈突飞猛进之势，自从我国进入WTO后，社会上对数控加工技术的要求也更高了。我所设计和加工的螺纹配合零件时一种集合各种工艺设计在内的综合型零件。它能够有效地把我们二年所学的各类知识综合在一起运用。
我从数控加工工艺分析，设备的选择，螺纹配合精度，刀具，夹具的选择，切削用量的选择，工艺卡片的制作，都经过了慎重考虑。为使零件经过数控加工得到最佳的精度和工艺设计要求，我还查阅了辅导设计与辅助制造（CAD/CAM）、《数控加工工艺》、数控刀具等书籍。确定了该零件的合理的数控加工工艺方案，最终才完成的零件的加工。

关键词 工艺分析 螺纹配合精度 刀具选择 数控加工目录
摘要 5
引言 7
一 数控机床概述 8
1.1 数控机床的组成 8
1.2 数控机床的分类 8
1.2.1按工艺用途分类 8
1.2.2 按数控机床的运动轨迹分类 8
1.2.3按伺服系统的控制方式分类 8
1.2.4 数控装置的简介 9
二 数控加工工艺分析 10
2.1 加工方法和加工方案的选择 10
2.2 加工顺序的安排 10
三 螺纹配合 11
3.1 零件工艺分析 11
3.2 确定加工方案 11
3.3 确定工序顺序、进给路线和所用刀具 11
3.3.1粗车外表面 12
3.3.2精车外表面 12
3.3.3 切槽 12
3.3.4 切螺纹 12
3.3.5切断 13
3.4确定切削用量 13
3.5填写工艺文件 13
四 程序编制 13
4.1 螺纹配合零件程序编程 14
4.2 进刀的方法分析 ...........................................................................................14
4.2 零件工艺分析 ………………………………………………………………..15
4.3确定装夹方案 ..................................................................................................15
4.4确定工步顺序、进给路线和所用刀具………………………………………16
4.6填写工艺卡文件 ……………………………………………………………17
五 结果分析 .......................................... .........18
5.1零件的精度与尺寸检验 19
5.2产生误差的主要因素 20
结论 22
参考文献 23
致谢 24
引言
今年来，数控加工技术的应用呈突飞猛进之势，包括以组合机床为主的大量生产方式都向以数控设备为主的生产方式转变，社会上对掌握数控技术的人才需求量越来越大，特别是对数控加工技术的人才需求量更大，而数控设备的高精度，高效率决定数控设备是当前我国机械制造业的基础，也是未来工厂自动化的基础。
本课题主要是螺纹配合的设计与加工，是根据仔细查阅相关资料文献及网上查阅资料进行设计。利用手工编织零件程序，在CJK6132A数控机床进行零件车削加工。对零件尺寸和形状进行设计时，考虑到是一组配合件，要求精巧，配合精度高，形状美观，尺寸设计较大，选择钢件作为加工材料，要求对零件图形进行工艺分析，选择机床，刀具，确定加工方案，涉及到内螺纹与外螺纹轴的配合，尺寸设计较大，加工起来在进给量，转速，背吃刀量等有一定的难度，所以要合理选择，虽然两个零件选择的是数控机床炯性加工，但是切削用量的选择原则与通用机床加工相似。螺纹配合轴零件加工的切削用量的选择是按零件材料和刀具材料以及加工经验等确定的。还得分析进给速度的选择，应与主轴转速和背吃刀量相适应。

一 数控机床概述
1.1 数控机床的组成
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。图1-1所示为开环控制的数控机床框图

图1-1 数控机床的组成
1.2 数控机床的分类
1.2.1按工艺用途分类
1一般数控机床
2 数控加工中心数控机床
3特种数控机床
1.2.2 按数控机床的运动轨迹分类
1 点位控制数控机床
2点位直线控制数控机床
3 轮廓控制数控机床
1.2.3按伺服系统的控制方式分类
1 开环控制数控机床
2闭环控制数控系统
3半闭环控制数控机床
1.2.4 数控装置的简介
数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。 数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。
数控装置（习惯称为数控系统）对机床进行控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收数字化了的零件图样和工艺要求等信息，按照一定的数学模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控制，完成零件的加工。 　
随着科学技术的进步，特别是微电子技术和计算机技术的发展，使数控系统不断得到最新硬软件资源而飞速发展。各著名的数控系统生产厂家，平均每三年就有一种新型号数控系统产品诞生。数控机床的应用也从解决疑难零件加工、批量零件自动化生产，到进入家庭作坊，越来越广泛地应用到各种场合，同时也不断对数控系统的硬软件提出新的要求。集中地表现在要求有开放式结构的数控系统、适应技术发展和用户自己开发的功能。目前一些发达家和地区，如欧洲、美国、日本等，都相继进行开放式结构数控系统的研究和开发，开放式数控系统的基本结构有硬件平台、软件平台、一个用户可扩展的硬软件空间和应用开发环境。
1. 硬件平台：由数控系统生产厂提供，或是选择通用的标准模块，但其配置可由用户在较大范围内选择，如控制轴数、控制方式、各种外部设备等。 　
2.软件平台：由数控系统生产厂提供，或CNC软件开发商提供，它是系统的核心软件，即CNC、PLC的基本软件，同时提供好的用户开发应用软件的环境。 　　
3.应用软件：用户在数控系统生产厂提供的硬软件平台基础上，开发专用软件、硬件，实现用户要求的控制功能。 　　
计算机（PersonalComputer--PC）的高速发展和广泛应用，为我们开发以PC为基础（PCBased）、开放式结构的数控系统提供了一种有效的途径。PC从80年代初作为办公用的计算机，发展到今天，已成为进入各领域的主流计算机，被广泛用于过程控制和自动化领域。PC的主频已达到450MHz，可以满足各种CNC高速实时控制系统的要求，丰富的软件资源，如DOS、Windows、C语言等开发工具，大量可利用的外部设备，如CRT、平板显示器、光盘驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器、键盘等硬件支持。PC的芯片集成度越来越高，PC的产量逐年增加，都为以PC为基础的CNC系统缩小体积、有高的性能价格比提供了条件，由于以PC为基础的CNC系统充分利用PC的硬软件资源，就可以跟随PC的发展而不断采用新的技术。
早期使用Intel80286、80386，现在是PentiumⅢ，操作系统也从DOS发展到Windows等，所以以PC为基础的CNC系统得到越来越快的发展和应用。
二 数控加工工艺分析
2.1 加工方法和加工方案的选择
在选择加工表面的加工方法和加工方案时，应考虑一下因素：
（1）加工表面的技术要求
（2）工件材料的性质
（3）工件的形状和尺寸
（4）生产类型
（5）具体生产条件
2.2 加工顺序的安排
零件表面的加工方法和加工方案确定后，就要安排加工工序。
当零件的加工质量要求比较高时，往往不可能在一道工序中完成全部加工的内容，而必须分几个阶段来进行加工。
（1）加工阶段
（2）划分加工阶段的原因

图4-1形状图
该零件图3-1所示，零件是86mm×Φ60mm 所以，经过考虑，最终选择的零件毛坯为160mm×Φ62mm的45钢。它是由圆弧、圆柱面、螺纹、退刀槽、锥面、圆弧、端面相连组成，结构形状复杂，加工部位多，对槽的右端外螺纹尺寸精度、位置精度和形状精度要求高，表面粗糙度Ra1.6。这类零件有一定的加工难度，非常适合数控车床加工。
三 螺纹配合
3.1 零件工艺分析

图3.1 的形状图
该零件图3.1所示，零件时86mm×ψ60mm，所以，经过考虑，最终选择的零件毛坯为160mm×ψ62mm的45钢，它是由圆弧、圆柱面、螺纹、退刀槽、锥面、端面连接而成，结构形状复杂，加工部位多，对槽的右端外螺纹尺寸精度，位置精度和形状精度要求高，表面粗糙度Ra1.6.这类零件有一定的加工难度，非常适合数控车床加工。
3.2 确定加工方案
这个零件从图纸上可以看出，对于加工装夹上还是比较好装夹的，为了使工序基准与定位基准重合，便于加工所有的需加工部位，将毛坯的任意端用三爪卡盘装夹固定就可以，利用这样一种简单的装夹方法，可以限制供件的四个自由度，可以有效保证零件在加工中的定位，达到加工效果。
3.3 确定工序顺序、进给路线和所用刀具
在这个零件加工过程中，所需要的工序很少，对加工刀具形状的要求不是很高，只是在加工中注意到几个处圆弧，锥面相互夹角的处理就可以，所以选用一把刀尖角为30度的硬质合金尖刀和一把硬质合金的5mm切断刀，就可以解决零件的加工，但因加工的材料是钢件，同时也得注意刃磨刀具。根据工步顺序和切削加工进给路线的确定原则，本工序具体的工步顺序，进给路线及所用刀具具体确定如下：
3.3.1粗车外表面
选用刀尖角为30度的硬质合金尖刀对外表面进行粗车，走刀路线及加工部位如图3-2所示。

由于粗车的外表面是通过递增且具有圆弧，加工零件的材料又是钢件。可以采用这把刀尖角为30度的硬质合金尖刀直接将工件车削成型，在编制加工程序的时候采用的是FANUC系统的G71外圆循环加工指令，所以在进行这段加工的时候，走刀路线和一般的加工不同。
加工步骤： 切断面---切圆弧---切外圆---切圆弧---切外圆---退刀---回到起点
3.3.2精车外表面
选用刀尖角为30度的硬质合金尖刀对零件进行精加工，其加工步骤及走刀路线如图3-3所示：

图3-3 走刀路线图
3.3.3 切槽
选用刀尖宽度为5mm的切槽刀，加工部位及走到路线如图3-4所示：

图3-4 切槽部位走刀路线图
3.3.4 切螺纹
选用刀尖角度为60度的硬质合金材料的螺纹刀，在编制螺纹加工程序时，为了能使与内螺纹完全配合的得当，加工时应使外螺纹小于图纸尺寸的0.1mm—0.2mm，其加工部位及走刀路线如图3-5所示：

图3-5 切螺纹走刀路线
3.3.5切断
在精车削完毕后，将进行零件的切断，选用5mm切断刀，其走刀路线如图3-6所示：

图3-6 切断走刀路线
3.4确定切削用量
数控加工的切削用量包括：背吃刀量，主轴转速、进给速度。切削用量的选择原则与普通机床加工相似，具体数值应根据数控机床使用说明书和金属切削原理中规定的方法及原则，结合实际加工经验来确定。在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。光车时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。在程序设计时，必须确定每道工序的切削用量，选择切削用量时一定要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削条件，合理的确定切削用量，可以有效地提高机械加工的质量和效率。
根据加工要求确定切削用量，具体确定如下：
（1） 粗车外表面
车削端面时主轴转1000r/min，圆弧、直外圆面、锥面S=800r/min，圆弧f=0.18-0.2mm/r直外圆面、锥面f=0.2-0.25mm/r。
（2） 精车外表面
车削端面时主轴转速1500r/min，圆弧、直外圆面、端部倒角S=1500r/min位圆弧，直外圆面、锥面f=0.1mm/r
（3） 切断
主轴转速S=300r/min，进给量f=0.12mm/r.
(4)数学计算
M30×2螺纹计算：
牙深（直径）：t=1.3p×2=2.6
螺纹大径：D大+=D公称-0.1P=30-0.1×2=29.8
螺纹小径：D小=D公称-1.3P=30-1.3×2=27.4
根据牙深，螺纹分为五刀加工，第一刀：0.9mm，第二刀：0.6mm，第三刀：0.6mm，第四刀：0.4mm，第五刀：0.1mm。
3.5填写工艺文件
（1）将选定的各工部所用刀具的刀具型号、刀片型号及刀剑圆弧半径等填入3—1数控加工刀具卡片中。

产品名称代号
零件名称
螺纹配合（件一）
零件图号
01
程序编号
0001
工步号
刀具号
刀具名称
刀具型号
刀片型号
刀片牌号
刀具半径/mm
备注
01
T01
机夹可转位车刀
PCGCL2525-09Q
CCMT097308
GC435
0.4

02
T02
机夹可转位车刀
PCGCL2525-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

03
T03
切槽刀（宽5mm）
PCGCL225-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

04
T04
车螺纹
PCGCL2
525-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

(2)按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及 用量等填入表3—2数控加工工序卡片中。

四 程序编制
4.1 螺纹配合零件程序编程

续上表

4.2 进刀方法分析
控车床中，螺纹切削一般有三种加工方法：G32直进式切削方法、G92直进式切削方法和G76斜进式切削方法，由于切削方法的不同，编程方法不同，造成加工误差也不同。我们在操作使用上要仔细分析。
（1）G32直进式切削方法，由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排削困难，因此在切削时，两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差；但是其加工的牙形精度较高，因此一般多用于小螺距螺纹加工。由于其刀具移动切削均靠编程来完成，所以加工程序较长；由于刀刃容易磨损，因此加工中要做到勤测量。
（2）G92直进式切削方法简化了编程，较G32指令提高了效率。
（3） G76斜进式切削方法，由于为单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。 但由于其为单侧刃工作，刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式。因此，此加工方法一般适用于大螺距螺纹加工。由于此加工方法排屑容易，刀刃加工工况较好，在螺纹精度要求不高的情况下，此加工方法更为方便。在加工较高精度螺纹时，可采用两刀加工完成，既先用G76加工方法进行粗车，然后用G32加工方法精车。但要注意刀具起始点要准确，不然容易乱扣，造成零件报废。
（4）螺纹加工完成后可以通过观察螺纹牙型判断螺纹质量及时采取措施，当螺纹牙顶未尖时，增加刀的切入量反而会使螺纹大径增大，增大量视材料塑性而定，当牙顶已被削尖时增加刀的切入量则大径成比例减小，根据这一特点要正确对待螺纹的切入量，防止报废。
在机械制造业中采用数控车削的方法加工螺纹是目前常用的方法。与普通车削相比，螺纹车削的进给速度要高出10倍，螺纹刀片刀尖处的作用力要高 100～1000倍，切削速度较快，切削力较大和作用力聚集范围较窄导致螺纹的加工难度高。笔者通过大量的实验，认为要从刀具的几何参数、切屑液和程序的编辑3个方面来提高数控车削螺纹的精度。
4.3 零件工艺分析

图4-1形状图
该零件图3-1所示，零件是86mm×Φ60mm 所以，经过考虑，最终选择的零件毛坯为160mm×Φ62mm的45钢。它是由圆弧、圆柱面、螺纹、退刀槽、锥面、圆弧、端面相连组成，结构形状复杂，加工部位多，对槽的右端外螺纹尺寸精度、位置精度和形状精度要求高，表面粗糙度Ra1.6。这类零件有一定的加工难度，非常适合数控车床加工。
4.4确定装夹方案
这个零件从图纸上可以看出，对于加工装夹上还是比较好进行装夹的，为了使工序基准与定位基准重合，便于加工所有的需加工部位，将毛坯的任意端用三爪卡盘装夹固定就可以，利用这样一种相对简单的装夹方法，可以限定工件的四个自由度，可以有效保证零件在加工中的定位，达到加工效果。
4.5确定工步顺序、进给路线和所用刀具
在这个零件的加工中，所需要的工序很少，对加工刀具形状的要求不是很高，只是在加工中注意到几个处圆弧、锥面相互夹角的处理就可以，所以选用一把刀尖角为30度的硬质合金尖刀和一把硬质合金的5mm切断刀，就可以解决零件的加工，但因加工的材料是钢件，同时也要注意刃磨刀具。根据工步顺序和切削加工进给路线的确定原则，本工序具体的工步顺序、进给路线及所用刀具确定如下：
4.5.1粗车外表面
选用刀尖角为30度的硬质合金尖刀对外表面进行粗车，走刀路线及加工部位如图3-2所示。

图4-2路线图
由于粗车的外表面是递增且有圆弧,加工零件的材料又是钢件，可以采用这把刀尖角为30度的硬质合金尖刀直接将工件车削成形。在编制加工程序的时候采用的是FANUC系统的G71外圆循环加工指令，所以在进行这加工的时候，走刀路线和一般的加工不同。
加工步骤：切端面---切圆弧---切外圆---切堆面---切圆弧---切外圆---退刀---回起到点。
4.5.2 精车外表面
选用刀尖角为30度的硬质合金尖刀对零件进行精加工，其加工步骤及走刀路线如
图4-3所示

图4-3走刀路线图
4.5.3 切槽
选用刀尖宽度为5mm的切槽刀，加工部位及走刀路线如图4-4所示

图4-4切槽部分走刀路线
4.5.4 切螺纹
选用刀尖角度为60度的硬质合金材料的螺纹刀，在编制螺纹加工的程序时，为了能使与内螺纹完整配合得当，加工时应使外螺纹小于图纸标注尺寸的0.1mm—0.2mm,其加工部位及走刀路线如图4-5所示：

图4-5切螺纹走刀路线
4.5.5 切断
在精车削完毕后，将进行零件的切断。选用5mm切槽刀，其走刀路线如图4-6所示：

图4-6切断走刀路线图
4.6确定切削用量
数控加工的切削用量包括：被吃刀量、主轴转速或切削速度、进给速度或进给量。切削用量的选择原则与普通机床加工相似，具体数值应根据数控机床使用说明书和金属切削原理中规定的方法及原则，结合实际加工经验来确定。在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的被吃刀量，以减少进给次数。光车时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。在程序设计时，必须确定每道工序的切削用量。选择切削用量时一定要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削条件，合理的确定切削用量，可以有效的提高机械加工的质量和效率。
根据加工要求确定切削用量，具体确定如下：
（1）粗车外表面
车削端面时主轴转1000r/min，圆弧、直外圆面、锥面S=800r/min,圆弧f=0.18－0.2mm/r直外圆面、锥面f=0.2－0.25mm/r。
（2）精车外表面
车削端面时主轴转速1500r/min,圆弧、直外圆面、直外圆面、端部倒角S=1500r/min位圆弧、直外圆面、锥面f=0.1mm/r。
（3）切断
主轴转速S=300r/min,进给量f=0.12mm/r。
（4）数学计算
M30×2螺纹计算：
牙深（直径）：t=1.3P=1.3×2=2.6
螺纹大径: D大=D公称-0.1P=30-0.1×2=29.8
螺纹小径：D小= D公称-1.3P=30-1.3×2=27.4
段根据牙深,螺纹分五刀加工,第一刀:0.9mm, 第二刀:0.6mm,第三刀:0.6mm,第四刀:0.4mm,第五刀:0.1mm.
4.7填写工艺卡文件
（1）将选定的各工步所用刀具的刀具型号、刀片型号、刀片牌号及刀尖圆弧半径等填入表4-1数控加工刀具卡片中。
表4-1数控加工刀具卡片
产品名称代号
零件名称
螺纹配合（件一）
零件图号
01
程序编号
0001
工步号
刀具号
刀具名称
刀具型号
刀片型号
刀片牌号
刀具半径/mm
备注
01
T01
机夹可转位车刀
PCGCL2525-09Q
CCMT097308
GC435
0.4

02
T02
机夹可转位车刀
PCGCL2525-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

03
T03
切槽刀（宽5mm）
PCGCL225-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

04
T04
车螺纹
PCGCL2
525-09Q
CCMT097308
GC435
0.2

（2）按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及切削用量等填入表3－2数控加工工序卡片中。

表4-2数控加工工序卡片
零件名称
数控加工工艺卡片
产品名称
零件名称
材料
零件图号
螺纹配合
螺纹配合（件一）
45钢
01
工序号
程序编号
夹具编号
使用设备
车间
1
O0001
001（三爪卡盘）
CJK6032A
学院数控车削加工中心
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格/mm
主轴转速（r/mm）
进给速度（mm/min）
背吃刀量/mm
备注
01
粗车外表面
T01
0
800
0.18-0.2　0.2-0.25　
1.5

02
精车削表面
T02
0
1500
0.1
0.1

03
切槽
T03
0
200-300
0.1-0.15

04
螺纹刀
T04
3
200-400
0.05-0.1
1.0

05
切断
T03
0
200-300
0.1

五 结果分析
5.1零件的精度与尺寸检验
零件的加工质量对其工作性能和使用寿命有着较大的影响，现对加工后零件质量分析；
零件的尺寸精度基本得到保证，零件的上下表面粗糙度值偏大。原因是其加工精度与机床，夹具，刀具本身误差和使用中的调速误差及工件的装夹定位误差以及自己的操作技能水平等多方面因素有关，这些原始误差反映到工件质量上，形成零件的加工误差。
5.2产生误差的主要因素
从零件加工质量分析得出；
（1） 零件出现误差或粗糙度值偏大与刀具，夹具的误差及工件的定位误差有关，机床主轴或因为刀具的装夹不当引起的径向或端面的圆跳动等因素，都会使工件产生误差。
（2） 夹紧力对加工精度也有影响，工件在加紧时，由于工件的刚度较低加紧的作用力或方向不当，均可造成定位端面不垂直。
（3） 切削用量对加工精度的影响，从零件的表面质量分析，这与合理选择切削用量很有关系，选择较大的切削速度V适量减小进给量f。
通过对零件的系统分析得知，零件表面粗糙度值，尺寸精度基本得到保证。之所以出现这些问题与安排加工的工艺过程，刀具的质量，机床的定位，零件的装夹、定位基准的选择以及自己的操作技术水平也有关系。可以通过合理的选择刀具的几何参数，合理的选择切削用量，从而提高零件的加工精度。

结论
通过这次毕业设计，我学会很多东西，也真正体会到了设计和加工的乐趣，同时也培养了我的自主学习，独立思考问题的能力，也重新巩固了以前的各科专业知识。我相信，我在这次毕业设计中所学到的知识和技能对我以后的帮助肯定很大。在这之中我也体会到团队合作，团队精神的重要性，在我今后的工作中也会起到很大的作用。

参考文献
（1） 王纪安，工程材料与材料形成工艺，北京，高等教育出版社，2003
（2） 林其骏，数控加工与应用，北京，机械工业出版社，1992
（3） 王明耀，刘光虎，数控编程基础，宜宾职业技术学院出版，2007
（4） 周虹，数控原理与编程实训，北京，人民邮电出版社，2005
（5） 网络获取相关资料
致谢
本课题在选题及研究过程中得到赵老师的悉心指导。赵老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。窦老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对赵老师的感激之情是无法用言语表达的。
感谢赵承继老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。

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