BR112012011516B1 - dispositivo de usinagem axial e método de realizar a usinagem axial em uma peça de trabalho - Google Patents

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Abstract

DISPOSITIVO DE USINAGEM AXIAL E MÉTODO DE REALIZAR A USINAGEM AXIAL EM UMA PEÇA DE TRABALHO.A presente invenção fornece um dispositivo de usinagem axial (1) compreendendo um fuso transportador de ferramenta (3) rotacionável em um invólucro (2), o invólucro abrigando um sistema de transmissão (5) fazendo com que o fuso avance automaticamente em relação ao invólucro (2) sob o efeito do fuso transportador de ferramenta ser acionado em rotação, o sistema de transmissão (5) incluindo uma roda dentada de avanço (15) aparafusada no fuso (3), o dispositivo sendo caracterizado pelo fato de que inclui um membro de retorno elástico (40) impulsionando a roda dentada de avanço (15) em uma primeira direção axial oposta para a direção de avanço (A) do fuso (3), e pelo fato de que inclui um primeiro mancal de rolamento (50) tendo membros de rolamento (51) rolando em uma pista de ondulção tendo um componente axial, impulsionando assim periodicamente a roda dentada de avanço (15) para mover em uma segunda direção oposta à primeira, tal que a rotação do fuso (3) é acompanhada pelo movimento vibratório axial.

Description

A presente invenção refere-se aos dispositivos para usinagem axial, como perfuração, furos, e moagem, e mais particularmente refere-se aos 5 dispositivos compactos que incorporam meios para transmitir avanço e movimento de alimentação para a ferramenta, ex., uma broca de perfuração.
O pedido de patente FR 2 881 366 em nome da SETI TEC descreve um dispositivo de perfuração incluindo uma roda dentada de acionamento 10 para acionar um fuso transportador de broca em rotação e uma roda dentada de avanço conectada ao fuso transportador de broca através de uma conexão rosqueada.
Um dispositivo similar é mostrado na Figura 1. Nesta figura as referências numéricas são as mesmas que as usadas abaixo para 15 referência aos componentes que são idênticos ou semelhantes.
Dispositivos de perfuração vibratórios também são conhecidos a partir das publicações a seguir: WO 2008/000935 A1, DE 10 2005 002 462 B4, US 7 510 024 B2, FR 2 907 695, e US 2007/209813.
A assistência vibratória serve para quebrar limalhas e aumentar a 20 qualidade dos furos perfurados, eliminando o risco de entupimento, para aumentar a vida útil das ferramentas e para tornar o método mais confiável.
Nas publicações FR 2 907 695, US 7 510 024, e US 2007/209813, as oscilações são geradas por carnes sem membros de rolamento. Que dá 25 origem ao atrito nos carnes, gerando calor e ruído. Além disso, a freqüência vibratória ideal para boa fragmentação das limalhas não é sempre obtida porque a freqüência é um número inteiro múltiplo da velocidade de rotação diferencial entre a roda dentada de avanço e o fuso ou o invólucro, esse diferencial está diretamente relacionado ao número 30 de oscilações do carne.
Na patente DE 10 2005/002462, uma mola exerce uma força de retorno em um mancai de rolamento que inclui uma pista que é ondulada na direção de avanço da broca de perfuração para fins de produção da vibração axial. No caso de alta pressão axial sobre a broca de perfuração, 35 os membros de rolamento podem parar de rolar sobre a pista de ondulação e a broca pode parar de oscilar. Para evitar esse inconveniente, a mola deve ser muito dura, o que pode levar o rolamento a ser super- dimensionado. Que dá origem ao aumento de tamanho e dos custos.
Além disso, o dispositivo é montado na extremidade do fuso, sob o sistema de avanço, adicionando assim ao tamanho geral e levando a maior complexidade.
Existe uma necessidade de melhorar ainda mais os dispositivos de perfuração, nomeadamente aqueles para usinagem de peças de trabalho da aviação de grandes dimensões, como por exemplo, peças de fuselagem ou da asa.
A invenção fornece ainda um dispositivo de usinagem axial compreendendo um fuso transportador de ferramenta rotacionável em um invólucro, o invólucro abrigando um sistema de transmissão para fazer com que o fuso avance automaticamente em relação ao invólucro sob o efeito do fuso transportador de ferramenta ser acionado em rotação, o sistema de transmissão incluindo uma roda dentada de avanço aparafusada no fuso.
O dispositivo compreende um membro de retorno elástico impulsionando a roda dentada de avanço em uma primeira direção axial de preferência oposta à direção de avanço do fuso (i.e. sua direção de movimento durante a usinagem). O dispositivo inclui um primeiro mancai de rolamento tendo membros de rolamento rolando em uma pista de ondulação tendo um componente axial de ondulação, impulsionando assim periodicamente uma roda dentada de avanço para mover em uma segunda direção oposta à primeira, tal que a rotação do fuso seja acompanhada pelo movimento vibratório axial.
O dispositivo da invenção é compacto porque os meios para a criação do movimento vibratório estão integrados dentro do invólucro. O atrito também é bastante reduzido por causa dos membros de rolamento.
Além disso, a invenção torna possível gerar vibração axial em uma frequência que está associada com a velocidade de rotação da roda dentada giratória, permitindo assim que o número de oscilações por revolução se mantenha constante independentemente das definições de avanço. Uma variante da invenção, em que o primeiro rolamento suporta diretamente contra a roda dentada de avanço e no qual a freqüência de vibração axial é então diretamente associada com a velocidade de rotação da roda dentada giratória e não com a velocidade de rotação do fuso transportador de ferramenta, esta vantagem é perdida, mas outras vantagens permanecem.
É vantajoso para o membro de retorno impulsionar a roda dentada de avanço em uma direção oposta à direção de avanço do fuso. Isto torna possível usar o primeiro mancai de rolamento para exercer uma força axial na direção de avanço do fuso. Assim, mesmo se a broca de perfuração for sobrecarregada axialmente, ela continua a ser submetida ao movimento vibratório. Além disso, nem o membro de retorno nem o primeiro mancai de rolamento precisa ser super-dimensionado. O dispositivo permanece assim fácil de integrar em um invólucro contendo a transmissão de fuso e sistema de avanço.
O primeiro mancai de rolamento vantajosamente tem rolos, uma vez que os rolos são capazes de suportar forças maiores do que as esferas.
A pista de ondulação co-opera com os membros de rolamento como a engrenagem epicíclica atuando como engrenagem de redução e diminuindo o número de oscilações por revolução. O primeiro rolamento, portanto, serve para reduzir o atrito e reduzir o movimento vibratório pela engrenagem epicíclica.
A pista de ondulação pode ser configurada para produzir um número de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador de ferramenta que não é um número inteiro, ou que é ainda um número irracional. O número de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador de ferramenta pode, por exemplo, estar entre 1 e 3 (excluindo os valores finais) e pode em particular ser igual a cerca de 1,5 ou 2,5. A pista de ondulação pode ter um número ímpar de ondulações, ex., ondulações sinuosas por revolução. Por exemplo três ondulações na pista de ondulação podem gerar cerca de 1 % oscilações por revolução do fuso, dada a rotação dos membros de rolamento. Um número não inteiro torna possível evitar o corte de bordas após caminhos paralelos durante perfuração, e, assim, aumenta a eficácia com que a limalha é fragmentada.
A pista de ondulação de preferência produz um número não inteiro e irracional de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador de ferramenta.
O primeiro mancai de rolamento pode ter um anel plano e um anel de ondulação com os membros de rolamento girando entre eles, estes anéis sendo estacionários ou móveis dentro do dispositivo. O anel de ondulação define a pista de ondulação.
O número de membros de rolamento entre o anel plano e o anel de ondulação é igual ao número de ondulações no anel de onduleção.
Porque um dos anéis é de ondulação, o caminho seguido pelos membros de rolamento do anel não é um círculo bidimensional (2D), mas sim uma onda sinusoidal tridimensional (3D). Assim, os comprimentos dos caminhos sobre um plano de anel e um anel de ondulação são diferentes, mesmo se os diâmetros dos anéis são iguais.
A fórmula de Willis pode ser aplicada à invenção. Assim, pode ser escrito como o caminho do ponto atual sobre o anel de ondulação: onde R1 é o raio do caminho no anel, □ é o ângulo formado pelo ponto atual, N é o número de ondulações, e A é sua amplitude.
Na diferenciação desta equação, a seguinte equação é obtida:
O valor absoluto ou norma desta equação serve para obter a derivada do eixo de abcissa curvilínea, ou seja, o comprimento do caminho s1 do anel de ondulação:
A integração da equação acima serve para calcular a abscissa curvilínea s1: onde a integral acima é a integral elíptica incompleta do segundo tipo.
No anel plano, o comprimento do caminho s2 pode ser escrito meramente como o perímetro de um círculo: onde R2 é o raio do anel.
As taxas de redução r1 e r2 de engrenagem epicíclica em relação respectivamente ao anel móvel ou ao anel estacionário pode ser escrita da seguinte forma:
Este cálculo envolve numerosos parâmetros e pela sua natureza dá origem a um número de oscilações por revolução que é irracional, tal como explicado ncs exemplos a seguir.
Tomando os raios iguais para os anéis planos e de ondulação, i.e. R1 = R2 = 20 milímetros (mm), N = 3 para o número de ondulações, e A = 0.5 mm para suas amplitudes, as taxas de redução da engrenagem epicíclica são aproximadamente iguais ao r1 = 0,500351 e r2 = 0,499649, dando assim 1,50105 períodos vibratórios por revolução do fuso se o anel de ondulação é estacionário e 1,49895 períodos vibratórios por revolução do fuso se o anel plano é estacionário.
Usando raios de valores diferentes, i.e. R1 = 22 mm e R2 = 20 mm, e A = 0,1 mm com o mesmo número de ondulações, as taxas de redução da engrenagem epicíclica são aproximadamente iguais ao r1 = 0,523821 e r2 = 0,476179, dando 1,57146 períodos vibratórios por revolução do fuso para um anel de ondulação estacionário e 1,42854 períodos vibratórios por revolução do fuso para um anel plano estacionário.
Um número irracional de oscilações por revolução do fuso torna possível para evitar qualquer risco de vibração de auto-sustentação ou trepidação.
É particularmente vantajoso ter um número não inteiro e irracional de oscilações por revolução, em particular no uso do dispositivo para realizar operações de escareação e de usinagem de diâmetro interno. Um número irracional de oscilações por revolução torna possível evitar um defeito de formato no final da operação, em particular quando há um intervalo de fim de golpe após alguns segundos, durante as quais não há nenhum avanço. Se o avanço é interrompido no final do golpe para um número definido de revoluções, em seguida, quando usando um número não inteiro e irracional de oscilações por revolução, a superfície resultante, que pode ser cônica ou plana, por exemplo, não está sujeita a qualquer oscilação localizada de forma permanente em qualquer local, então uma forma de defeito, se houver, é aceitável. O pico de cada oscilação angular é compensado um pouco em relação a oscilação do anterior.
O sistema de transmissão pode incluir uma roda dentada giratória servindo para acionar o fuso transportador de ferramenta em rotação e arranjado no invólucro com a possibilidade de se mover axialmente em relação ao invólucro. O primeiro mancai de rolamento pode suportar diretamente contra a roda dentada giratória.
A roda dentada giratória pode ser situada entre a roda dentada de avanço e o primeiro mancai de rolamento, no entanto, em uma variante, a roda dentada de avanço pode ser situada entre a roda dentada giratória e o primeiro mancai de rolamento.
O dispositivo pode ter um segundo mancai de rolamento interposto entre a roda dentada de avanço e a roda dentada giratória.
A roda dentada de avanço pode girar dentro de um terceiro mancai de rolamento, em particular um rolamento de agulhas. Um rolamento de agulhas torna mais fácil acomodar o movimento axial da roda dentada de avanço do que o rolamento de esfera.
O membro de retorno elástico pode compreender uma arruela de pressão com o fuso transportador de ferramenta passando através da mesma. A arruela de pressão pode repousar contra um anel interno radialmente de um quarto mancai de rolamento através do qual o fuso transportador de ferramenta passa, ex. um mancai de rolamento tendo duas filas de esferas, permitindo assim que a precisão da orientação seja aumentada.
A invenção também fornece um método de usinagem axial na qual o uso é feito de um dispositivo como definido acima.
A invenção pode ser melhor entendida ao ler a seguinte descrição detalhada não limitante das modalidades da invenção e analisar os desenhos de acompanhamento, em que:
Figura 1 é uma vista de seção longitudinal de um exemplo de um dispositivo da técnica anterior;
Figura 2 é uma vista similar à Figura 1 mostrando um exemplo de um dispositivo de perfuração feito de acordo com a invenção;
Figura 3 é uma vista similar à Figura 2 mostrando uma modalidade variante;
Figura 4 é uma vista em perspectiva mostrando um exemplo de uma pista de ondulação;
Figura 5 é um diagrama cinemático ou de esqueleto de um dispositivo de exemplo feito de acordo com a invenção; e
Figuras 6 e 7 são diagramas cinemáticos para várias modalidades dos dispositivos da invenção.
O dispositivo de usinagem de acordo com a invenção que é mostrado na Figura 2, em especial, um dispositivo de perfuração, compreende um invólucro 2 que abriga parte de um fuso transportador de ferramenta 3, e um sistema 5 para acionar e avançar automaticamente o fuso 3. O sistema 5 é acoplado a um motor de acionamento 112 mostrado nas Figuras 5 a 7, tal motor pode ser um motor pneumático, por exemplo. O fuso 3 aciona uma broca de perfuração ou um cortador (não mostrado), a fim de executar a usinagem axial, por exemplo, perfuração.
A título de exemplo, o sistema 5 é semelhante ao descrito no pedido de patente FR 2 881 366 e ele dispõe de uma roda dentada giratória 10 que gira com o furo 3 ao mesmo tempo, permitindo o movimento axial relativo, a conexão entre a roda dentada giratória 10 e o fuso 3, sendo uma conexão deslizante, por exemplo, o fuso 3 possivelmente tendo estrias nas quais ranhuras correspondentes da roda dentada giratória 10 são acopladas.
A roda dentada giratória 10 é acionada em rotação em torno do eixo X por uma roda de acionamento 11 acoplada ao motor.
O sistema 5 também tem uma roda dentada de avanço 15 que é móvel axialmente dentro do invólucro 2 ao longo do eixo X e que inclui uma rosca 16 rosqueada sobre uma porção rosqueada do fuso 3, tal que o giro da roda dentada de avanço 15 em relação ao fuso 3 faz com que o fuso se mova axialmente. Por meio de exemplo, o fuso pode avançar por aproximadamente 0,1 mm aproximadamente por uma revolução do fuso. A velocidade de rotação do fuso pode, por exemplo, estar na faixa de 300 revoluções por minuto (rpm) a 5000 rpm.
A roda dentada de avanço 15 pode girar em relação à roda dentada de rotação 10, um mancai de rolamento 17 tendo membros de rolamento como esferas sendo interpostas axialmente entre eles, como mostrado.
A roda dentada de avanço 15 pode girar dentro de um mancai de rolamento guia de fundo 18 que serve para guiá-lo na rotação enquanto permite que a roda dentada de avanço 15 tenha um determinado golpe axial ascendente em relação ao invólucro 2.
Um membro de retorno elástico 40, como uma arruela de pressão, é interposto entre a roda dentada de avanço 15 e o rolamento 18. A arruela de pressão 40 se sustenta axialmente contra o anel interno do rolamento 18.
A roda dentada giratória 10 é móvel dentro do invólucro 2 ao longo do eixo X, e é impulsionado para se mover ascendentemente pela arruela de pressão 40 através da roda dentada de avanço 15 e o rolamento 17.
Um mancai de rolamento 50 é interposto axialmente entre o invólucro 2 e a roda dentada giratória 10, remotamente a partir da roda dentada de avanço 15. Assim, a roda dentada giratória 10 é impulsionada a se sustentar contra o rolamento 50 pela arruela de pressão 40.
O rolamento 50 apresenta membros de rolamento 51 que, no exemplo mostrado, são rolos inseridos em uma caixa 54 e que giram entre um anel de rolamento de topo liso 52 repousando contra um mancai de rolamento de topo 55 para guiar a roda dentada giratória 10, e um anel de fundo de ondulação 53 definindo uma pista de ondulação, repousando sobre um ombro 88 da roda dentada giratória 10. Um exemplo de uma pista de ondulação 100 com um componente axial é mostrado na Figura 4. Esta Figura mostra o raio R1 do anel e o ângulo □ usado no cálculo do número de períodos vibratórios por revolução do fuso, como descrito acima.
O eixo de rotação de cada membro de rolamento 51 pode ser perpendicular ao eixo X, como mostrado.
Por meio de exemplo, o rolamento de topo 55 é um rolamento de esfera, mas poderia ser algum outro tipo de rolamento.
A pista de ondulação faz com que os rolos 51 se movam axialmente durante sua rotação. A amplitude extrema deste movimento axial pode, por exemplo, estar na faixa de 0,2 mm a 0,4 mm. Tal movimento axial é transmitido através da roda dentada giratória 10 para a roda dentada de avanço 15, e assim para o fuso transportador de ferramenta 3.
A pista de ondulação de preferência tem um número ímpar de ondulações por revolução, de modo a obter uma frequência vibratória que é um múltiplo não inteiro, em particular um múltiplo irracional, da frequência de rotação.
O sistema 5 inclui uma roda de acionamento 60 para acionar a roda dentada de avanço 15, tal roda de acionamento é acoplada à roda 11 por uma embreagem de garras e pode ser automaticamente desacoplada da roda de acionamento 11 no final do curso descendente do fuso 3 de modo a permitir que o fuso seja elevado.
A roda 60 aciona a roda dentada de avanço 15 a uma velocidade de rotação que é levemente diferente da velocidade de rotação da roda dentada giratória 10, de modo a gerar o movimento de avanço desejado para o fuso 3 na direção de avanço A, de maneira conhecida.
No final do movimento de avanço do fuso 3, um encosto 90 carregado pelo fuso 3 vem para sustentar contra a superfície de borda final da roda dentada giratória 10 e faz com que a roda de acionamento 60 se mova para longe da roda de acionamento 11.
A roda de acionamento 60 carrega descendentemente um pistão 70 que carrega um anel de vedação 92. Quando a roda de acionamento 60 é acoplada à roda de acionamento 11, o anel de vedação isola a câmara 72 situada acima do pistão de uma entrada de ar comprimido 94. Quando o pistão 70 é movido para baixo, o anel de vedação 92 deixa de ostentar de modo estanque e a pressão que existe acima da câmara 72 aciona o pistão 70 para baixo. As rodas de acionamento 11 e 60 são então completamente desacopladas e o fuso pode realizar um movimento ascendente. Uma válvula 96 é acionada pelo furo 3 no final de seu movimento ascendente, trazendo assim a câmara 72 para a pressão atmosférica e permitindo que o pistão 70 suba sob o efeito de uma mola de retorno 73. As rodas de acionamento 11 e 60 podem se acoplar juntas mais uma vez.
O sistema de transmissão pode ser similar àquele descrito no pedido de patente FR 2 881 366.
A modalidade variante mostrada na Figura 3 difere daquela na Figura 2 em especial pelo fato de que o rolamento de fundo 18 é substituído por um rolamento de agulhas 98 que acomoda o movimento axial entre as pistas mais facilmente. O fuso 3 é guiado na sua extremidade de fundo por um rolamento 99 tendo duas filas de esferas.
Um rolamento de agulhas 100 também é usado para substituir o rolamento de topo 55 para a rotação de guia da roda dentada giratória 10.
O topo do fuso 3 é guiado em rotação por um rolamento de esfera 101. A arruela de pressão 40 repousa contra o anel de fundo do rolamento 99 tendo duas filas de esferas.
A Figura 5 é um diagrama cinemático de um exemplo de um dispositivo feito de acordo com a invenção.
Este diagrama mostra as conexões entre os elementos principais do dispositivo acima descrito. O motor 112 para que o sistema de transmissão 5 é acoplado pela roda de acionamento 11 também pode ser visto.
Nas variantes de Figuras 6 e 7, o sistema 5 é integrado em uma 5 configuração em que as rodas dentadas de avanço e de transmissão são intercambiáveis. A localização dos meios retorno 40 difere entre as modalidades das Figuras 6 e 7.
Naturalmente, a invenção não é limitada aos exemplos mostrados. Em particular é possível fazer o sistema de transmissão e de avanço 5 de 10 outras maneiras.
O termo “compreendendo um” deve ser entendido como sendo sinônimo a “compreendendo pelo menos um”.

Claims (15)

1. Dispositivo de usinagem axial (1), compreendendo um fuso transportador de ferramenta (3) rotacionável em um invólucro (2), o invólucro (2) abrigando um sistema de transmissão (5) fazendo com que o fuso (3) avance automaticamente em relação ao invólucro (2) sob o efeito do fuso transportador de ferramenta (3) ser acionado em rotação, o sistema de transmissão (5) incluindo uma roda dentada de avanço (15) aparafusada no fuso (3), o dispositivo incluindo um membro de retorno elástico (40) impulsionando a roda dentada de avanço (15) em uma primeira direção axial oposta à direção de avanço (A) do fuso (3), o dispositivo sendo caracterizado pelo fato de que inclui um primeiro mancai de rolamento (50) tendo membros de rolamento (51) rolando em uma pista de ondulação tendo um componente axial, impulsionando, desse modo, periodicamente a roda dentada de avanço (15) para se mover em uma segunda direção oposta à primeira, tal que a rotação do fuso (3) é acompanhada pelo movimento vibratório axial.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro mancai de rolamento (50) tem rolos (51).
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a pista de ondulação apresenta um número não inteiro de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador de ferramenta (3).
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a pista de ondulação produz um número irracional de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador (3).
5. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de transmissão (5) inclui uma roda dentada giratória (10) servindo para acionar o fuso transportador de ferramenta (3) em rotação e arranjado no invólucro (2) com a possibilidade de mover-se axialmente em relação ao mesmo.
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a roda dentada giratória (10) está situada entre a roda dentada de avanço (15) e o primeiro mancai de rolamento (50).
7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o dispositivo inclui um segundo mancai de rolamento (17) interposto entre a roda dentada de avanço (15) e a roda dentada giratória (10).
8. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a roda dentada de avanço (15) gira dentro de um terceiro mancai de rolamento, em particular um rolamento de agulhas (98).
9. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o membro de retorno elástico (40) compreende uma arruela de pressão tendo o fuso transportador de ferramenta (3) passando através desta.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato que a arruela de pressão repousa contra um anel radialmente interno de um quarto mancai de rolamento através do qual o fuso transportador de ferramenta (3) passa, em particular um rolamento (99) tendo duas filas de esferas.
11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a pista de ondulação tem um número ímpar de ondulações.
12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro mancai de rolamento (50) tem um anel plano (52) e um anel de ondulação (53) com os membros de rolamento (51) girando entre eles, o anel de ondulação (53) definindo a pista de ondulação, o anel plano (52) ou o anel de ondulação (53) sendo estacionários dentro do dispositivo.
13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o número de períodos vibratórios por revolução do fuso transportador de ferramenta (3) está entre 1 e 3.
14. Método de realizar a usinagem axial em uma peça de trabalho, caracterizado pelo fato de que faz uso de um dispositivo (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o método é aplicado a operações de escareação ou de usinagem de diâmetro interno.
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