CN106825786B - 大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床 - Google Patents

大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床 Download PDF

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Abstract

一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，基于极坐标加工理论和数控包络原理，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓两侧端面复合倒角、齿向两侧同时倒角，并可对齿根、棱角的毛刺进行抛光。所述复合倒角机床主要包括床身(1)、立柱(2)、横梁(3)、回转工作台(14)、X1轴径向进给系统(4)、X2轴径向进给系统(11)、Z1轴向进给系统(6)、Z2轴向进给系统(8)、C轴传动蜗轮副(G5)、抛光轮(SP4)、Z3轴在线测头系统(18)和倒角主轴系统。本发明的复合机床的突出优点在于：工件一次装夹，能够完成齿廓和齿向所有倒角，倒角大小和形状可调、倒角尺寸一致、齿槽自动对中、自动化程度高、提高了齿轮的倒角效率。

Description

大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床
技术领域
本发明涉及一种齿轮倒角机床，尤其是一种基于数控原理的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，属于《数控技术与数字制造》和《切削加工工艺与设备》学科、先进制造技术领域。
技术背景
齿轮倒角是齿轮淬火热处理和精加工之前的重要工序，可去除轮齿边缘的毛刺、尖角，有效降低淬火裂痕，减小应力集中，降低齿轮的啮合噪音，提高了齿轮的啮合质量和使用寿命。
多年来，国内齿轮行业中一直采用人工手动倒角方式进行齿廓和齿向的倒角；但是随着齿轮热处理和外观要求的不断提升，风电、工程机械、齿轮箱等众多行业已经逐步采用机床代替人工倒角。目前，国产倒角机床主要为仿形法，利用仿形头与齿面直接接触进而控制倒角刀具沿着齿廓进行倒角，这种方法原理简单，但仿形头容易磨损影响加工精度，且容易刮伤已加工齿面，此外对齿轮的压力角和齿根圆角有一定要求，且无法满足齿向倒角。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现在在技术中存在的不足和问题，提供一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，能够对内/外、直/斜齿轮的齿廓/齿向进行复合倒角，同时对齿根、棱角的毛刺进行抛光，属国内首创。
本发明的技术方案如下：
一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，基于极坐标加工理论和数控包络原理，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓两侧端面复合倒角、齿向两侧同时倒角，并可对齿根、棱角的毛刺进行抛光；所述复合倒角机床主要包括床身、立柱、横梁、回转工作台、X1轴径向进给系统、X2轴径向进给系统、Z1轴向进给系统、Z2轴向进给系统、C轴传动蜗轮副、抛光轮、Z3轴在线测头系统和倒角主轴系统，倒角主轴系统包括：SP1轴上端面齿廓倒角主轴、SP2轴下端面齿廓倒角主轴和SP3轴齿向倒角主轴，床身、回转工作台、立柱与横梁刚性联接；X1轴径向进给系统安装在横梁上，X1轴径向进给拖板由X1轴进给滚珠丝杠副驱动，沿着横梁上的线轨作X1轴向进给；X2轴径向进给系统安装在横梁上，由X2轴进给滚珠丝杠副驱动，沿着横梁上的线轨作X2轴向进给；Z1轴刀架和Z2轴刀架分别安装在X1轴径向进给拖板和X2轴径向进给拖板上，分别由Z1轴进给滚珠丝杠副和Z2轴进给滚珠丝杠副驱动并沿着水平进给拖板的垂直线轨作Z1轴向和Z2轴向进给；倒角主轴系统的SP1轴上端面齿廓倒角主轴和SP3轴齿向倒角主轴安装在Z1轴刀架上，分别用于齿轮上端面和齿向的倒角；倒角主轴系统的SP2轴下端面齿廓倒角主轴和抛光轮安装在Z2轴刀架上，分别用于齿轮下端面倒角及棱角的抛光。
Z1轴向进给系统包括由Z1轴进给滚珠丝杠副驱动的Z1轴刀架；Z2轴向进给系统包括由Z2轴进给滚珠丝杠副的Z2轴径向进给拖板，Z2轴刀架安装在Z2轴径向进给拖板上，内/外齿圆柱齿轮旋转采用数控回转分度台驱动，通过大传动比蜗轮副驱动工作台实现C轴连续回转分度插补，满足倒角过程中极坐标展成运动。Z3轴在线测头系统安装在Z2轴刀架上，用于齿轮齿槽对中定位和基准面位置的测量。
再进一步的技术方案是所述的齿廓、齿向倒角由数控系统进行控制，X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴和C轴五根伺服轴中的部分轴联动插补：平面齿廓倒角时，机床采用X1轴、X2轴与C轴联动沿齿廓线作平面内曲线轮廓插补；齿圈端面与轴线方向出现夹角及齿顶部位出现端面倒角时，通过空间三轴联动插补；工件一次装夹实现两个端面的复合加工：X1轴、Z1轴、C轴倒上端面，X2轴、Z2轴、C轴倒下端面；齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1轴、C轴联动插补；所有的插补程序通过专用软件生成。
再进一步的技术方案是所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴、SP2轴下端面齿廓倒角主轴和SP3轴齿向倒角主轴为交流变频电主轴直驱，转速为800-9000rpm，刀具线速度可达到120～180m/min，倒角过程中可满足恒线速度进给；抛光轮为交流变频电机经同步带驱动，回转速度800～1000rpm。
再进一步的技术方案是所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴、SP2轴下端面齿廓倒角主轴和SP3轴齿向倒角主轴的电主轴利用可变径ER夹头夹持硬质合金倒角铣刀进行倒角加工，倒角的形式由刀具形式决定，可实现30°—45°倒角。倒角的大小可由机床任意设定，机床通过Z1/Z2(或X1/X2)轴的进刀深度控制倒角大小。
再进一步的技术方案是所述的倒角工件硬度HB240-360，一刀可加工3×45°倒角，表面粗糙度Ra6.3。
再进一步的技术方案是所述的X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴、C轴各伺服轴最大进给速度达到3000mm/min，可根据不同的刀具直径、不同的切削部位实时调整切削线速度，保证切削进给速度恒定及倒角效率；对于齿廓倒角，当采用4刃硬质合金铣刀时，每齿进给量0.08mm，刀具直径φ12mm，刀具转速约1500rpm，沿齿廓走刀最快进给速度达到500mm/min；对于齿向倒角，当采用8刃硬质合金铣刀时，沿齿向走刀最快进给速度达到1000mm/min。
再进一步的技术方案是所述的自动测量和对中方法，通过对齿轮上端面、齿根圆、齿顶圆、左齿面和右齿面的测量，确定工件坐标系，并自动对中。对于齿轮周节误差Fp超差的零件，还可用测头进行齿轮周节误差的原位测量，根据检测误差进行倒角补偿，避免齿轮加工误差对倒角误差的影响。
再进一步的技术方案是所述的棱角去毛刺方案，钢丝刷由交流变频电机驱动，可用于工件齿根和棱角的抛光。
本发明的有益效果是：
本发明的复合机床的突出优点在于：工件一次装夹，能够完成齿廓和齿向所有倒角，倒角大小和形状可调、倒角尺寸一致、齿槽自动对中、自动化程度高、提高了齿轮的倒角效率。
本发明的一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于：采用极坐标数控插补的设计理念。以回转工作台中心为极点建立工件极坐标系，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓/齿向复合倒角功能，两侧端面及齿向的两侧可分别同时进行倒角，倒角大小和倒角形状可调、齿槽自动对中。此外，机床可以对齿根进行抛光、并去除毛刺。
与现有技术相比较，本发明采用了数控插补和极坐标的设计理念，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓/齿向复合倒角功能，两侧端面及齿向的两侧可分别同时进行倒角，避免了工件的翻身和二次装夹。本发明综合考虑了内外齿、直斜齿、齿廓及齿向、倒角形状和规格的工艺复合特点，合理设计了机床双刀架结构，X1/X2/Z1/Z2/C五根伺服轴根据具体要求进行部分轴的联动插补：平面齿廓倒角时，机床采用X1/X2轴与C轴联动沿齿廓线作平面内曲线轮廓插补；齿圈端面与轴线方向出现夹角及齿顶部位出现端面倒角时，通过空间三轴联动插补；工件一次装夹实现两个端面的复合加工：X1/Z1/C轴倒上端面，X2/Z2/C轴倒下端面；齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1/C轴联动插补；所有的插补程序通过专用软件生成。
本发明的数控倒角机床具有倒角大小和倒角形状可调、倒角尺寸一致、齿槽自动对中、自动化程度高、倒角效率高等特点，一机多用，降低了制造成本。此外，机床可以对齿根进行抛光、并去除毛刺，有效降低淬火裂痕，减小齿轮边缘接触效应，降低齿轮的啮合噪音，提高齿轮的啮合质量和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的传动系统结构示意图；
图3a为本发明的内齿齿廓倒角示意图；
图3b为本发明的外齿齿廓倒角示意图；
图4为本发明的空间齿廓倒角示意图；
图5为本发明的齿向倒角示意图；
图6为本发明的自动测量和对中示意图；
图7为本发明的棱角去毛刺示意图。
图中部件说明：1为床身，2为立柱，3为横梁，4为X1轴径向进给系统，5为X1轴径向进给拖板，6为Z1轴向进给系统，7为Z1轴刀架，8为Z2轴向进给系统，9为Z2轴径向进给拖板，10为Z2轴刀架，11为X2轴径向进给系统，12为工件(内齿圆柱齿轮)，13为工装夹具，14为回转工作台，15为SP3轴齿向倒角主轴，16为SP1轴上端面齿廓倒角主轴，17为SP2轴下端面齿廓倒角主轴，18为Z3轴在线测头系统；G1为X1轴进给滚珠丝杠副，G2为X2轴进给滚珠丝杠副，G3为Z1轴进给滚珠丝杠副，G4为Z2轴进给滚珠丝杠副，G5为C轴传动蜗轮副。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术内容作说明：
一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于其基于极坐标加工理论和数控包络原理，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓两侧端面复合倒角、齿向两侧同时倒角，并可对齿根、棱角的毛刺进行抛光；所述复合倒角机床包括床身1、立柱2、横梁3、回转工作台14、X1轴径向进给系统4、X2轴径向进给系统11、Z1轴向进给系统6、Z2轴向进给系统8、C轴传动蜗轮副G5、抛光轮SP4、Z3轴在线测头系统18和倒角主轴系统，倒角主轴系统包括SP1轴上端面齿廓倒角主轴16、SP2轴下端面齿廓倒角主轴17和SP3轴齿向倒角主轴15，床身1、回转工作台14、立柱2与横梁3刚性联接；X1轴径向进给系统4安装在横梁上，X1轴径向进给拖板5由X1轴进给滚珠丝杠副G1驱动，沿着横梁上的线轨作X1轴向进给；X2轴径向进给系统11安装在横梁上，由X2轴进给滚珠丝杠副G2驱动，沿着横梁上的线轨作X2轴向进给；Z1轴刀架7和Z2轴刀架10分别安装在X1轴径向进给拖板5和X2轴径向进给拖板9上，分别由Z1轴进给滚珠丝杠副G3和Z2轴进给滚珠丝杠副G4驱动并沿着水平进给拖板的垂直线轨作Z1轴向和Z2轴向进给；倒角主轴系统的SP1轴上端面齿廓倒角主轴16和SP3轴齿向倒角主轴15安装在Z1轴刀架7上，分别用于齿轮上端面和齿向的倒角；倒角主轴系统的SP2轴下端面齿廓倒角主轴17和抛光轮SP4安装在Z2轴刀架10上，分别用于齿轮下端面倒角及棱角的抛光。
所述Z1轴向进给系统6包括由Z1轴进给滚珠丝杠副G3驱动的Z1轴刀架7；Z2轴向进给系统8包括由Z2轴进给滚珠丝杠副G4的Z2轴径向进给拖板9，Z2轴刀架10安装在Z2轴径向进给拖板9上，内/外齿圆柱齿轮12旋转采用数控回转分度台驱动，通过大传动比蜗轮副驱动工作台实现C轴连续回转分度插补，满足倒角过程中极坐标展成运动。Z3轴在线测头系统18安装在Z2轴刀架10上，用于齿轮齿槽对中定位和基准面位置的测量。机床通过三维测头进行自动测量和齿槽找正，对于齿轮周节误差Fp超差的零件，还可用测头进行齿轮周节误差的原位测量，根据检测误差进行倒角补偿，避免齿轮加工误差对倒角误差的影响。
所述的齿廓、齿向倒角由数控系统进行控制，X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴和C轴五根伺服轴中的部分轴联动插补：平面齿廓倒角时，机床采用X1轴、X2轴与C轴联动沿齿廓线作平面内曲线轮廓插补；齿圈端面与轴线方向出现夹角及齿顶部位出现端面倒角时，通过空间三轴联动插补；工件一次装夹实现两个端面的复合加工：X1轴、Z1轴、C轴倒上端面，X2轴、Z2轴、C轴倒下端面；齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1轴、C轴联动插补；所有的插补程序通过专用软件生成。
所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴16、SP2轴下端面齿廓倒角主轴17和SP3轴齿向倒角主轴15为交流变频电主轴直驱，转速为800-9000rpm，刀具线速度可达到120～180m/min，倒角过程中可满足恒线速度进给；抛光轮SP4为交流变频电机经同步带驱动，回转速度800～1000rpm。可实时调整并保证恒定切削线速度，确保切削效率。
所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴16、SP2轴下端面齿廓倒角主轴17和SP3轴齿向倒角主轴15的电主轴利用可变径ER夹头夹持硬质合金倒角铣刀进行倒角加工，倒角的形式由刀具形式决定，可实现30°—45°倒角。倒角的大小可由机床任意设定，机床通过Z1/Z2或X1/X2轴的进刀深度控制倒角大小。
所述的倒角工件硬度HB240-360，一刀可加工3×45°倒角，表面粗糙度Ra6.3。
所述的X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴、C轴各伺服轴最大进给速度达到3000mm/min，可根据不同的刀具直径、不同的切削部位实时调整切削线速度，保证切削进给速度恒定及倒角效率；对于齿廓倒角，当采用4刃硬质合金铣刀时，每齿进给量0.08mm，刀具直径φ12mm，刀具转速约1500rpm，沿齿廓走刀最快进给速度达到500mm/min；对于齿向倒角，当采用8刃硬质合金铣刀时，沿齿向走刀最快进给速度达到1000mm/min。
1.图1是大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床的整体结构示意图。
2.图2是大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床的传动系统图。床身、回转工作台、立柱与横梁刚性联接；工件安装在回转工作台上，由精密双导程蜗轮蜗杆G5实现C轴向分度，其回转中心与转台轴线同轴；水平进给拖板安装在横梁上，由X1轴进给滚珠丝杠副G1、X2轴进给滚珠丝杠副G2驱动，沿着横梁上的线轨作X1/X2径向进给；垂直刀架安装在水平进给拖板上，由精密滚珠丝杠副G3/G4驱动并沿着水平进给拖板的垂直线轨作Z1/Z2轴向进给；倒角主轴系统SP1和SP3安装在Z1轴刀架上；倒角主轴系统SP2、抛光轮SP4、在线测量系统Z3轴安装在Z2轴刀架上。
3.大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床的各进给运动轴由数控系统控制，基于极坐标加工理论和数控包络原理，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓两侧端面复合倒角、齿向两侧同时倒角；SP1轴上端面齿廓倒角主轴16、SP2轴下端面齿廓倒角主轴17、SP3轴齿向倒角主轴15三根直驱电主轴由变频器控制，刀具线速度达到120～180m/min，并可根据不同的刀具直径、不同的切削部位实时调整切削线速度，保证最大的切削效率；采用4刃硬质合金铣刀，每齿进给量0.08mm，刀具直径φ12mm，刀具转速约1500rpm，沿齿廓走刀最快进给速度达到500mm/min。
4.图3a和图3b是端面倒角示意图，平面齿廓倒角时，机床采用X1/X2轴与C轴联动沿齿廓线作平面内曲线轮廓插补，内外齿都可以两个端面同时倒角；图4是空间齿廓倒角示意图，齿圈端面与轴线方向出现夹角及齿顶部位出现端面倒角时，通过空间三轴联动插补；工件一次装夹实现两个端面的复合加工：X1/Z1/C/SP1轴倒上端面，X2/Z2/C/SP2轴倒下端面；齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1/C轴联动插补；所有的插补程序通过专用软件生成。
5.图5是齿向倒角示意图，齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1和C联动插补；为了提高倒角效率，齿槽两侧的齿向棱角同时倒角，SP3轴用于工件的齿向倒角，最快进给速度达到1000mm/min。
6.图6是自动测量和对中示意图，通过对齿轮上端面、齿根圆、齿顶圆、左齿面和右齿面的测量，确定工件坐标系，并自动对中。对于齿轮周节误差Fp超差的零件，还可用测头进行齿轮周节误差的原位测量，根据检测误差进行倒角补偿，避免齿轮加工误差对倒角误差的影响。测头测量时，由气缸驱动Z3轴伸出，测量结束后，同样由气缸将其缩回Z2轴刀架，避免倒角干涉。
7.图7是棱角去毛刺示意图，SP4轴钢丝刷由交流变频电机通过同步带进行驱动，用于工件齿根和棱角的抛光，直径φ300的钢丝刷轮回转速度800～1000rpm。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于其基于极坐标加工理论和数控包络原理，利用高速旋转的硬质合金铣刀实现内/外直/斜齿轮的齿廓两侧端面复合倒角、齿向两侧同时倒角，并可对齿根、棱角的毛刺进行抛光；所述复合倒角机床包括床身(1)、立柱(2)、横梁(3)、回转工作台(14)、X1轴径向进给系统(4)、X2轴径向进给系统(11)、Z1轴向进给系统(6)、Z2轴向进给系统(8)、C轴传动蜗轮副(G5)、抛光轮(SP4)、Z3轴在线测头系统(18)和倒角主轴系统，倒角主轴系统包括SP1轴上端面齿廓倒角主轴(16)、SP2轴下端面齿廓倒角主轴(17)和SP3轴齿向倒角主轴(15)，床身(1)、回转工作台(14)、立柱(2)与横梁(3)刚性联接；X1轴径向进给系统(4)安装在横梁上，X1轴径向进给拖板(5)由X1轴进给滚珠丝杠副(G1)驱动，沿着横梁上的线轨作X1轴向进给；X2轴径向进给系统(11)安装在横梁上，由X2轴进给滚珠丝杠副(G2)驱动，沿着横梁上的线轨作X2轴向进给；Z1轴刀架(7)和Z2轴刀架(10)分别安装在X1轴径向进给拖板(5)和X2轴径向进给拖板(9)上，分别由Z1轴进给滚珠丝杠副(G3)和Z2轴进给滚珠丝杠副(G4)驱动并沿着水平进给拖板的垂直线轨作Z1轴向和Z2轴向进给；倒角主轴系统的SP1轴上端面齿廓倒角主轴(16)和SP3轴齿向倒角主轴(15)安装在Z1轴刀架(7)上，分别用于齿轮上端面和齿向的倒角；倒角主轴系统的SP2轴下端面齿廓倒角主轴(17)和抛光轮(SP4)安装在Z2轴刀架(10)上，分别用于齿轮下端面倒角及棱角的抛光。
2.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于Z1轴向进给系统(6)包括由Z1轴进给滚珠丝杠副(G3)驱动的Z1轴刀架(7)；Z2轴向进给系统(8)包括由Z2轴进给滚珠丝杠副(G4)的Z2轴径向进给拖板(9)，Z2轴刀架(10)安装在Z2轴径向进给拖板(9)上，内/外齿圆柱齿轮(12)旋转采用数控回转分度台驱动，通过大传动比蜗轮副驱动工作台实现C轴连续回转分度插补，满足倒角过程中极坐标展成运动；Z3轴在线测头系统(18)安装在Z2轴刀架(10)上，用于齿轮齿槽对中定位和基准面位置的测量。
3.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于所述的齿廓、齿向倒角由数控系统进行控制，X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴和C轴五根伺服轴中的部分轴联动插补：平面齿廓倒角时，机床采用X1轴、X2轴与C轴联动沿齿廓线作平面内曲线轮廓插补；齿圈端面与轴线方向出现夹角及齿顶部位出现端面倒角时，通过空间三轴联动插补；工件一次装夹实现两个端面的复合加工：X1轴、Z1轴、C轴倒上端面，X2轴、Z2轴、C轴倒下端面；齿向倒角为螺旋线插补方式，Z1轴、C轴联动插补。
4.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴(16)、SP2轴下端面齿廓倒角主轴(17)和SP3轴齿向倒角主轴(15)为交流变频电主轴直驱，转速为800-9000rpm，刀具线速度可达到120～180m/min，倒角过程中可满足恒线速度进给；抛光轮(SP4)为交流变频电机经同步带驱动，回转速度800～1000rpm。
5.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于所述的SP1轴上端面齿廓倒角主轴(16)、SP2轴下端面齿廓倒角主轴(17)和SP3轴齿向倒角主轴(15)的电主轴利用可变径ER夹头夹持硬质合金倒角铣刀进行倒角加工，倒角的形式由刀具形式决定，可实现30°—45°倒角；倒角的大小可由机床任意设定，机床通过Z1/Z2或X1/X2轴的进刀深度控制倒角大小。
6.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于所述的倒角工件硬度HB240-360，一刀可加工3×45°倒角，表面粗糙度Ra6.3。
7.根据权利要求1所述的大型龙门极坐标数控齿轮复合倒角机床，其特征在于所述的X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴、C轴各伺服轴最大进给速度达到3000mm/min，可根据不同的刀具直径、不同的切削部位实时调整切削线速度，保证切削进给速度恒定及倒角效率；对于齿廓倒角，当采用4刃硬质合金铣刀时，每齿进给量0.08mm，刀具直径φ12mm，刀具转速1500rpm，沿齿廓走刀最快进给速度达到500mm/min；对于齿向倒角，当采用8刃硬质合金铣刀时，沿齿向走刀最快进给速度达到1000mm/min。
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