CN106270839A - 多材质电火花加工电极及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多材质电火花加工电极及其加工方法，包括电极基体和设置于电极基体底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同电极基体之间的耐电蚀程度不同；当电极基体和工件分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，利用电火花成形方法加工微细复杂曲面，避免了传统分层铣削加工方法加工效率低下，频繁更换电极及需采用繁琐的刀具轨迹规划策略等问题；能够实现复杂结构的一次成形，避免了更换电极所造成的二次装夹误差，更精准地实现微细复杂曲面的高效成形加工。
Description
技术领域
本发明涉及微细、特种加工技术领域，应用于微细复杂曲面电火花加工行业的一种多材质电火花加工电极及其加工方法。
背景技术
微型化、精密化、复杂化是当今机电产品的重要发展方向。在航空航天、光电通讯、生物医疗、模具制造等诸多技术领域中，许多关键零件常具有微细复杂曲面特征，甚至涉及自由曲面(如微型飞行器的复杂壳体、微型精密光学器件、微型传感器的复杂敏感元件、微小仿生机构的运动高副等)，这些关键零件因应用条件与工作环境的特殊要求常采用高性能金属合金及功能材料等难加工材料。
目前微细复杂曲面加工多采用电火花铣削加工方法，它运用简单电极(如棒状、空心管状电极等)在数控系统的控制下按照特定轨迹做成形运动，通过简单电极与工件之间在不同相对位置的放电作用实现所需工件形状的加工。用该方法加工微细复杂结构时，工具电极应制造得尽量细长，以保证微小特征加工精度并抵抗严重的电极损耗。在通常情况下，单根电极也很难完成整个加工过程，更换电极将产生二次装夹误差，若采用在线方法重新制作电极，将降低加工效率。由于严重的电极损耗，加工过程中工具在长度方向上快速缩短，电极形状也发生变化，现有的电极损耗补偿策略很难实时发挥效用，降低了加工精度，加之分层策略和工具轨迹规划策略的在曲面加工效率和精度方面难以兼顾。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种多材质电火花加工电极及其加工方法，用于解决现有的传统分层铣削加工方法，具有加工效率低下，需频繁更换电极，及需采用繁琐的刀具轨迹规划策略的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种多材质电火花加工电极，包括电极基体和设置于电极基体底部的组分 电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同电极基体之间的耐电蚀程度不同；当电极基体和工件分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
作为优选当组分电蚀材料包括第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ，具有不同耐电蚀程度的第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ在电极基体底部并排设置。
作为优选当组分电蚀材料为单独的第二电蚀材料，电极基体和第二电蚀材料为圆柱体，第二电蚀材料顶部表面的直径小于电极基体底部表面的直径。
作为优选当组分电蚀材料包括第三电蚀材料Ⅰ和第三电蚀材料Ⅱ，第三电蚀材料Ⅰ包括六棱柱部和设置于六棱柱部一面侧壁的长方体部，第三电蚀材料Ⅱ为圆柱体，设置于六棱柱部和长方体部之间的侧壁。
作为优选当组分电蚀材料包括第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ依次设置于电极基体底部，并且第四电蚀材料Ⅰ为长方体，第四电蚀材料Ⅱ为圆柱体，第四电蚀材料Ⅲ为六棱柱，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ的底部表面积依次减少。
作为优选组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和电极基体之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
一种多材质电火花加工电极的加工方法，包括以下步骤：
S1、根据所需加工的成型工件微细复杂曲面进行分析，并反推获得不同材质组分的损耗体电蚀材料的加工电极；
S2、选定分析后的获得的不同材质组分的加工电极的设计方案，准备组成组分电蚀材料；
S3、准备加工电极及工件分别接脉冲电源的正极、负极；
S4、加工过程中，加工电极前端的组成组分电蚀材料经过放电损耗形成微细复杂曲面，得到所需微细复杂曲面的成形工件。
作为优选S1中所述的分析为根据微细电火花加工电极损耗规律，在微细复 杂曲面多谷部位的相应电极区域，增添不同材质组分的损耗体，利用材料耐电蚀特性的不同及电极组分体积的不同，综合实现在同步进给情况下电极均匀损耗阶段工件不同部位加工去除量的差异，并反拷获得所需不同材质组分的损耗体电蚀材料设计。
作为优选当加工电极特征尺度在几微米到几十微米之间，此时镀层厚度与特征尺寸相近，用局部电沉积的方法将电极基体外的其它电极材料镀覆到设计方案相应的位置，实现多材质电极加工；
当加工电极特征尺度在百微米以上的，采用局部电沉积方法将电蚀材料组分连接起来，或采用导电胶连接和导电膜溅射两种方法进行连接。
作为优选通电加工时，所述的加工电极和工件两极均浸入有一定绝缘性质的工作液中；所述加工电极的末端设置有用于控制垂直方向进给运动自动进给调节装置。
与现有技术相比较，本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，具有以下优点：
1、本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，当电极基体和工件分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。利用电火花成形方法加工微细复杂曲面，避免了传统分层铣削加工方法加工效率低下，频繁更换电极及需采用繁琐的刀具轨迹规划策略等问题；能够实现复杂结构的一次成形，避免了更换电极所造成的二次装夹误差，更精准地实现微细复杂曲面的高效成形加工。
2、本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，利用电极均匀损耗后的曲面加工微细复杂曲面特征，曲面的表面质量比传统分层铣削加工方法有较大的提高。
3、本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，所需设备简单，加工中电极只作Z向进给就能够实现三维复杂曲面的加工，避免三维电火花机床加工对各轴伺服进给功能的要求，提高了工件的加工效率和加工精度，实现微细复杂曲面的高效精确成形。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1-1是本发明实施例1加工前多材质电火花加工电极组成及加工简图。
图1-2是本发明实施例1加工过程中多材质电火花加工电极组成及加工简图。
图1-3是本发明实施例1加工完成后多材质电火花加工电极组成及加工简图。
图2-1是本发明实施例2加工前多材质电火花加工电极组成及加工简图。
图2-2是本发明实施例2加工前多材质电火花加工电极组成仰视图。
图2-3是本发明实施例2加工完成后多材质电火花加工电极组成及加工简图。
图3-1是本发明实施例3加工前多材质电火花加工电极组成示意图。
图3-2是本发明实施例3加工前多材质电火花加工电极组成仰视图。
图3-3是本发明实施例3加工完成后多材质电火花加工电极组成仰视图。
图3-4是本发明实施例3加工完成后工件俯视图。
图4-1是本发明实施例4加工前多材质电火花加工电极组成仰视图。
图4-2是本发明实施例4加工前多材质电火花加工电极组成主视图。
图4-3是本发明实施例4加工完成后多材质电火花加工电极组成主视图。
图4-4是本发明实施例4加工完成后工件剖视图。
其中：11、第一电极基体，12、第一电蚀材料Ⅰ，13、第一电蚀材料Ⅱ，14、第一电蚀材料Ⅲ，15、第一工件，
21、第二电极基体，22、第二电蚀材料，25、第二工件，
31、第三电极基体，32、第三电蚀材料Ⅰ，33、第三电蚀材料Ⅱ，35、第三工件，321、六棱柱部，322、长方体部，
41、第四电极基体，42、第四电蚀材料Ⅰ，43、第四电蚀材料Ⅱ，44、第四电蚀材料Ⅲ，45、第四工件。
具体实施方式
一种多材质电火花加工电极，包括电极基体和设置于电极基体底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同电极基体之间的耐电蚀程度不同；当电极基体和工件分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
当组分电蚀材料包括第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ，具有不同耐电蚀程度的第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ在电极基体底部并排设置。
当组分电蚀材料为单独的第二电蚀材料，电极基体和第二电蚀材料为圆柱体，第二电蚀材料顶部表面的直径小于电极基体底部表面的直径。
当组分电蚀材料包括第三电蚀材料Ⅰ和第三电蚀材料Ⅱ，第三电蚀材料Ⅰ包括六棱柱部和设置于六棱柱部一面侧壁的长方体部，第三电蚀材料Ⅱ为圆柱体，设置于六棱柱部和长方体部之间的侧壁。
当组分电蚀材料包括第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ依次设置于电极基体底部，并且第四电蚀材料Ⅰ为长方体，第四电蚀材料Ⅱ为圆柱体，第四电蚀材料Ⅲ为六棱柱，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ的底部表面积依次减少。
组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和电极基体之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
一种多材质电火花加工电极的加工方法，包括以下步骤：
S1、根据所需加工的成型工件微细复杂曲面进行分析，并反推获得不同材质组分的损耗体电蚀材料的加工电极；所述的分析为根据微细电火花加工电极损耗规律，在微细复杂曲面多谷部位的相应电极区域，增添不同材质组分的损耗体，利用材料耐电蚀特性的不同及电极组分体积的不同，综合实现在同步进给情况下电极均匀损耗阶段工件不同部位加工去除量的差异，并反拷获得所需不同材质组分的损耗体电蚀材料设计。
S2、利用不同材料、体积的电极组分损耗后得到的工件形状不同，模块化设计整个加工电极。
对于给出的多个加工电极的设计方案，结合电极组分的材料、结构特性，以电极的加工效率为优选判定条件，得出加工电极的最佳结构方案。选定分析后的获得的设计方案，准备组成组分电蚀材料。
S3、准备加工电极及工件分别接脉冲电源的正极、负极。
S4、加工过程中，加工电极前端的组成组分电蚀材料经过放电损耗形成微 细复杂曲面，得到所需微细复杂曲面的成形工件。
当加工电极特征尺度在几微米到几十微米之间，此时镀层厚度与特征尺寸相近，用局部电沉积的方法将电极基体外的其它电极材料镀覆到设计方案相应的位置，实现多材质电极加工。
当加工电极特征尺度在百微米以上的，采用局部电沉积方法将电蚀材料组分连接起来，或采用导电胶连接和导电膜溅射两种方法进行连接。
通电加工时，所述的加工电极和工件两极均浸入有一定绝缘性质的工作液中；所述加工电极的末端设置有用于控制垂直方向进给运动自动进给调节装置，以垂直于加工表面方向向工件进给，以保证加工电极前端和工件在加工时维持很小的加工间隙。
加工过程中，微细电火花加工中工具电极和工件材料的损耗较大，随着加工的进行电极的多材质组分按照设计发生损耗和形状变化，由于复合电极各电极组分的材料耐电蚀特性和形状各不相同，加工过程中各电极组分的损耗速度和形状变化也各不形同，就形成了加工表面的微细复杂曲面特征，当所有电极组分按照设计要求损耗完毕，单一材质的电极基体材料参与加工，此时电极进入均匀损耗阶段，所形成的工件微细复杂曲面特征由均匀损耗阶段的微细电极形状反拷而成。
通过加工出的多材质电火花加工电极经过放电损耗形成的平滑表面，直接反拷获得工件高质量的平滑曲面，曲面特征之间的拼接区域，则由电极损耗后形成的电极平滑过渡表面反拷而成。
步骤S1中所述的分析是以微细电火花加工中，不同材料、形状的电极在不同的加工参数下电极损耗的形状变化规律为基础的。
微细电火花加工中，电极损耗较为剧烈，不同材料、形状的电极在不同的加工参数下加工，能获得不同的电极加工形状。
影响电极形状变化的基本原理是电火花加工极间介质的击穿规律，即放电击穿通常发生在两极间电场强度最大的位置。
在极间伺服系统的控制下，经过一段时间的放电加工后，电极与工件进入均匀损耗阶段，该阶段随着加工的进行，电极与工件加工表面形状基本不发生变化，形成的均匀损耗电极形状基本类似于极间电场的等势曲面。
因此均匀损耗电极形状与电极初始形状密切相关，但是不同的电极材料由于熔沸点、导电导热性、比热容等物理性质的不同，在不同的放电参数下会具 有不同的耐电蚀特性，因此相同形状不同材料的电极组分在电极均匀损耗阶段的形状也是不同的。
通常情况下，耐电蚀特性强的电极材料，加工中电极相对损耗较小，工件材料去除较多，能够形成大而深的曲面特征，反之耐电蚀特性弱的电极材料，多形成小而浅的曲面特征。
此外，电极均匀损耗形状还与伺服系统灵敏度、进给速度、冲液条件有关。
S1中所述的电极形状变化规律能够根据电极初始形状、材质及放电参数以理论分析及计算机仿真的方法获得，或根据大量实验数据总结得出。
本发明所述的多材质电火花加工电极及其加工方法，采用在线加工，能够实现复杂结构的一次成形，避免了更换电极，二次装夹的误差，是一种直接、高效而又精确地加工微细复杂曲面的方法。
微细电火花加工技术是将常规电火花加工工艺微细化，用于实现微细尺度零件特征加工的特种加工技术。由于具有非接触加工、加工过程几乎无切削力，不受材料的强度、硬度限制等特点，微细电火花加工技术特别适合于高精度、无变形的微小零件特征的加工以及硬脆难加工材料的微细加工。微细电火花加工技术特殊的加工原理将其加工区域限制在工具电极周边的极小范围内，这决定了它是最适合微细曲面特征加工的微细加工方法。
实施例1，如图1-1到图1-3所示，一种多材质电火花加工电极，包括第一电极基体11和设置于第一电极基体11底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同第一电极基体11之间的耐电蚀程度不同。
所述的组分电蚀材料包括第一电蚀材料Ⅰ 12、第一电蚀材料Ⅱ 13和第一电蚀材料Ⅲ 14，具有不同耐电蚀程度的第一电蚀材料Ⅰ 12、第一电蚀材料Ⅱ 13和第一电蚀材料Ⅲ 14在第一电极基体11底部并排设置。
所述的第一电蚀材料Ⅰ 12为易电蚀材料，所述的第一电蚀材料Ⅲ 14为难电蚀材料，所述的第一电蚀材料Ⅱ 13的耐电蚀程度介于第一电蚀材料Ⅰ 12和第一电蚀材料Ⅲ 14之间。
组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和第一电极基体之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
当第一电极基体11和第一工件15分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
实施例2，如图2-1到图2-3所示，一种多材质电火花加工电极，包括第二电极基体21和设置于第二电极基体21底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同第二电极基体21之间的耐电蚀程度不同。
当组分电蚀材料为单独的第二电蚀材料22，第二电极基体21和第二电蚀材料22为圆柱体，第二电蚀材料22顶部表面的直径小于第二电极基体21底部表面的直径。
组分电蚀材料和第二电极基体21之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
当第二电极基体21和第二工件25分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
实施例3，如图3-1到图3-4所示，一种多材质电火花加工电极，包括第三电极基体31和设置于第三电极基体31底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同第三电极基体31之间的耐电蚀程度不同。
当组分电蚀材料包括第三电蚀材料Ⅰ 32和第三电蚀材料Ⅱ 33，第三电蚀材料Ⅰ32包括六棱柱部321和设置于六棱柱部321一面侧壁的长方体部322，第三电蚀材料Ⅱ 33为圆柱体，设置于六棱柱部321和长方体部322之间的侧壁。
组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和第三电极基体31之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
当第三电极基体31和第三工件35分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
实施例4，如图4-1到图4-4所示，一种多材质电火花加工电极，包括第四电极基体41和设置于第四电极基体41底部的组分电蚀材料；组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀 材料同第四电极基体41之间的耐电蚀程度不同。
当组分电蚀材料包括第四电蚀材料Ⅰ 42、第四电蚀材料Ⅱ 43和第四电蚀材料Ⅲ44，第四电蚀材料Ⅰ 42、第四电蚀材料Ⅱ 43和第四电蚀材料Ⅲ 44依次设置于第四电极基体41底部，并且第四电蚀材料Ⅰ 42为长方体，第四电蚀材料Ⅱ 43为圆柱体，第四电蚀材料44Ⅲ为六棱柱，第四电蚀材料Ⅰ 42、第四电蚀材料Ⅱ 43和第四电蚀材料Ⅲ44的底部表面积依次减少。
所述的第四电蚀材料Ⅰ 42侧壁为倾斜面，第四电蚀材料Ⅰ 42的侧壁同第四电极基体41底面角度大于90°。
组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和第四电极基体41之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
当第四电极基体41和第四工件45分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多材质电火花加工电极，其特征在于包括电极基体和设置于电极基体底部的组分电蚀材料；
组成组分电蚀材料的电蚀材料具有一种以上，并且多种电蚀材料之间的耐电蚀程度不同，电蚀材料同电极基体之间的耐电蚀程度不同；
当电极基体和工件分别接脉冲电源的正极、负极，组分电蚀材料底部表面形成微细复杂曲面。
2.根据权利要求1所述的多材质电火花加工电极，其特征在于：
当组分电蚀材料包括第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ，具有不同耐电蚀程度的第一电蚀材料Ⅰ、第一电蚀材料Ⅱ和第一电蚀材料Ⅲ在电极基体底部并排设置。
3.根据权利要求1所述的多材质电火花加工电极，其特征在于：
当组分电蚀材料为单独的第二电蚀材料，电极基体和第二电蚀材料为圆柱体，第二电蚀材料顶部表面的直径小于电极基体底部表面的直径。
4.根据权利要求1所述的多材质电火花加工电极，其特征在于：
当组分电蚀材料包括第三电蚀材料Ⅰ和第三电蚀材料Ⅱ，第三电蚀材料Ⅰ包括六棱柱部和设置于六棱柱部一面侧壁的长方体部，第三电蚀材料Ⅱ为圆柱体，设置于六棱柱部和长方体部之间的侧壁。
5.根据权利要求1所述的多材质电火花加工电极，其特征在于：
当组分电蚀材料包括第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ依次设置于电极基体底部，并且第四电蚀材料Ⅰ为长方体，第四电蚀材料Ⅱ为圆柱体，第四电蚀材料Ⅲ为六棱柱，第四电蚀材料Ⅰ、第四电蚀材料Ⅱ和第四电蚀材料Ⅲ的底部表面积依次减少。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的多材质电火花加工电极，其特征在于：
组成组分电蚀材料的电蚀材料之间，以及组分电蚀材料和电极基体之间，通过电化学沉积、导电胶粘接、外薄膜封接或金属材料焊接方式，其中的一种或几种连接在一起。
7.一种多材质电火花加工电极的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、根据所需加工的成型工件微细复杂曲面进行分析，并反推获得不同材质组分的损耗体电蚀材料的加工电极；
S2、选定分析后的获得的不同材质组分的加工电极的设计方案，准备组成组分电蚀材料；
S3、准备加工电极及工件分别接脉冲电源的正极、负极；
S4、加工过程中，加工电极前端的组成组分电蚀材料经过放电损耗形成微细复杂曲面，得到所需微细复杂曲面的成形工件。
8.根据权利要求7所述的多材质电火花加工电极的加工方法，其特征在于：
S1中所述的分析为根据微细电火花加工电极损耗规律，在微细复杂曲面多谷部位的相应电极区域，增添不同材质组分的损耗体，利用材料耐电蚀特性的不同及电极组分体积的不同，综合实现在同步进给情况下电极均匀损耗阶段工件不同部位加工去除量的差异，并反拷获得所需不同材质组分的损耗体电蚀材料设计。
9.根据权利要求7所述的多材质电火花加工电极的加工方法，其特征在于：
当加工电极特征尺度在几微米到几十微米之间，此时镀层厚度与特征尺寸相近，用局部电沉积的方法将电极基体外的其它电极材料镀覆到设计方案相应的位置，实现多材质电极加工；
当加工电极特征尺度在百微米以上的，采用局部电沉积方法将电蚀材料组分连接起来，或采用导电胶连接和导电膜溅射两种方法进行连接。
10.根据权利要求7所述的多材质电火花加工电极的加工方法，其特征在于：
通电加工时，所述的加工电极和工件两极均浸入有一定绝缘性质的工作液中；
所述加工电极的末端设置有用于控制垂直方向进给运动自动进给调节装置。
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