CN109531300B - 用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法及专用机床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法及专用机床，其中复合加工方法包括磨削淬火步骤及精密磨削步骤，专用机床包括：机床床身、工作台、单动力源螺旋进给机构、砂轮架进给机构及尾架调整机构；所述的机床床身包括有前床身和后床身；所述的工作台置于前床身上方；所述的螺旋进给机构置于工作台左上方；所述的砂轮架进给机构置于后床身上方；所述的尾架调整机构置于工作台的右上方。本发明可以实现粗磨、精磨与表面淬火的工序集成，简化机床结构，提高加工精度和生产效率，降低制造成本，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工工艺和机床领域，特别是涉及一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法及专用机床。
背景技术
目前，在有耐磨要求的圆柱类零件的常规机械制造工艺流程中，表面淬火工序通常安排在零件半精加工之后和精密加工之前，并在热处理车间进行，机械加工与表面热处理难以实现工序集中，影响和制约了加工自动化程度的提高；而且常规的表面淬火工艺增加了专用热处理设备及人员的投入、资源与能源的消耗以及热处理排放物对生态环境的污染。在机床方面，因磨削淬火需要大量的磨削热而采用无冷却剂的干磨削方式，精密磨削又需用大量的冷却剂来消除磨削热对加工表面的热损伤；由于精密磨削砂轮内存有冷却剂，极大地减少了传入工件的热量而无法获得所需的磨削淬火质量，因此磨削淬火用砂轮和精密磨削用砂轮无法共用。现有的外圆磨床或只安装一个砂轮架，磨削淬火后工件的精密磨削加工需要在另一台磨床上进行，由于工件二次装夹和对刀，增大了加工误差，延长了加工时间，增加了设备与人员的投入；或采用双立柱、双磨头结构和头架、工作台双动力源驱动方式，增加了机床生产和使用成本。加之磨床尾架调整或采用手动方式，劳动强度大；或采用液压驱动或电机+丝杆螺母驱动，尾架长行程的调整运动极大地提高了液压缸或丝杠螺母机构的制造和安装精度；或采用直线电机驱动，如公开号为CN205600510U，名称为《一种万能外圆磨床》的中国专利，其提到的尾架没有采用锁紧装置，但因直线电机本身不能自锁，从而无法保证尾架在加工过程中定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法及专用机床，可以实现粗磨、精磨与表面淬火的工序集成，简化机床结构，提高加工精度和生产效率，降低制造成本，节能环保。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法，包括磨削淬火步骤及精密磨削步骤:
磨削淬火步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用步骤S1进行加工，若的工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用S2进行加工；
步骤S1为“四段式”磨削方式：首先采用砂轮沿工件径向切入与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点；接着工作台开始纵向直线运动，结合工件的旋转运动，完成螺旋进给运动；当磨削至工件规定淬硬长度时，工作台停止纵向直线运动，工件继续旋转360°后停止转动，砂轮架退出完成长圆柱面的磨削淬火；
步骤S2为“二段式”磨削方式：首先采用砂轮径向切入工件与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点位置，砂轮架退出完成短圆柱面的磨削淬火；
精密磨削步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用常规的纵磨法进行加工；若工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用常规的横磨法进行加工。
本发明还可采用以下的技术方案实现：
一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其包括机床床身、工作台、单动力源螺旋进给机构、砂轮架进给机构及尾架调整机构；所述的机床床身包括由前床身和后床身；所述的工作台置于前床身上方；所述的螺旋进给机构置于工作台左上方；所述的砂轮架进给机构置于后床身上方；所述的尾架调整机构置于工作台的右上方。
进一步，所述单动力源螺旋进给机构包括螺旋进给伺服电机、同步齿形带传动机构、电磁齿式离合器、滚珠丝杠螺母机构、减速齿轮机构及头架主轴箱，所述螺旋进给伺服电机置于所述头架主轴箱上方；所述同步齿形带传动机构具有主动轮及被动轮，所述电磁齿式离合器包括内齿轮、外齿轮及离合齿轮，所述滚珠丝杠螺母机构包括传动轴和螺母，所述减速齿轮机构包括主动轮、中间齿轮及被动齿轮；所述螺旋进给伺服电机的输出轴连接同步齿形带传动机构的主动轮；外齿轮和所述减速齿轮机构的主动轮啮合传动，所述电磁齿式离合器的离合齿轮；所述的减速齿轮机构的主动轮和中间齿轮啮合传动，中间齿轮和被动轮啮合传动，通过调整主动轮、中间齿轮、被动齿轮的齿数配对，调整主轴和丝杆轴的转速比，完成不同导程的螺旋进给运动；所述减速齿轮机构的被动轮安装在一过渡轴的末端，过渡轴通过第二同步带机构与在所述头架主轴箱的主轴相连，所述头架主轴箱安装有圆光栅。
进一步，所述滚珠丝杠螺母机构的传动轴安装在所述工作台内部，螺母固定于所述前床身内部，所述滚珠丝杠螺母机构的传动轴包括光轴、花键轴和丝杆轴，所述同步齿形带传动机构的被动轮和所述电磁齿式离合器的内齿轮和外齿轮做成一体并空套于光轴上，所述电磁齿式离合器的离合齿轮安装在花键轴上。
进一步，所述砂轮架进给机构包括磨削淬火砂轮架、精磨砂轮架和砂轮架驱动机构；所述磨削淬火砂轮架、精磨砂轮架安装在所述后床身上，沿水平纵向并排布置；所述磨削淬火砂轮架包括砂轮主轴、头架压力传感器、导轨及直线光栅，砂轮主轴上设有磨削淬火砂轮，所述磨削淬火砂轮架的砂轮主轴安装有头架压力传感器，导轨安装有直线光栅。
进一步，所述砂轮架驱动机构包括砂轮架伺服电机、同步齿形带传动机构、右旋丝杠螺母副和左旋丝杠螺母副；所述砂轮架伺服电机和所述同步齿形带传动机构安装于所述后床身后方；所述右旋丝杠螺母副包括右旋丝杠和右旋螺母；所述左旋丝杠螺母副包括左旋丝杠和左旋螺母；所述右旋丝杠和左旋丝杠安装于所述后床身两侧；所述右旋螺母和左旋螺母分别固定于所述磨削淬火用砂轮架和所述精磨用砂轮架下方。
进一步，所述尾架调整机构包括尾架、直线电机和导轨钳制器；所述尾架包括尾架体、顶尖、套筒、尾架压力传感器、螺旋弹簧和导轨；所述尾架体包括内孔和内孔导轨；所述套筒安装于所述尾架体的内孔，并可在所述内孔导轨轴向移动；所述尾架压力传感器和螺旋弹簧安装于所述套筒后端，所述导轨钳制器安装于所述尾架体上。
进一步，所述直线电机包括初级电机和次级电机，所述初级电机固定于所述工作台右侧上部，所述次级电机安装于所述尾架体下部。
采用上述方案后，本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明采用大磨深、小进给量(磨削深度大，工件圆周进给速度和工作台进给速度小)磨削过程中产生的热量直接对圆柱表面进行淬火处理的加工方法和专用机床，可实现零件机械加工与表面淬火的集成制造，缩短制造工艺流程。
(2)本发明采用“四段式”磨削淬火方式，可以弥补砂轮切入、切出阶段磨削热量小，工件表层温度达不到淬火相变温度的缺陷，提高工件的磨削淬硬均匀性。
(3)本发明采用单动力源螺旋进给机构，由一台电机同时驱动头架和工作台做螺旋进给运动，完成长圆柱表面的磨削淬火加工和精密磨削加工，并可实现工作台的调整，减少了驱动电机数量。
(4)本发明的头架主轴箱安装压力传感器和圆光栅，磨削淬火砂轮架安装直线光栅，可用于长圆柱表面的磨削淬火加工，又可用于短圆柱表面磨削淬火加工时的周向定位，避免因周向超程磨削而影响磨削淬硬质量；同时减少了直线光栅数量，降低了机床制造和使用成本。
(5)本发明的双砂轮架并排安装于同一后床身上，砂轮“面对面”布置，并由单个伺服电机驱动左右旋滚珠丝杆螺母机构实现双砂轮架工作位置的前后转换，简化了床身结构，减少了驱动电机数量；同时避免单砂轮架转位误差对圆柱表面形状精度的影响，以及磨头与头架尾架之间、非工作磨头与工件之间的干涉。
(6)本发明的尾架调整机构采用直线电机驱动并辅以导轨钳制器实现尾架的快速移动和锁紧，结构紧凑，定位精度高，且可以缩短调整时间，降低劳动强度。
附图说明
图1为本发明用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床正视图。
图2为本发明用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床俯视图。
图3为本发明用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床左视图。
图4为图1的局部放大图。
图5为图4的动作示意图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明揭示了一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的复合加工方法，包括磨削淬火步骤及精密磨削步骤:
磨削淬火步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用步骤S1进行加工，若的工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用S2进行加工；
步骤S1为“四段式”磨削方式：首先采用砂轮沿工件径向切入与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点；接着工作台开始纵向直线运动，结合工件的旋转运动，完成螺旋进给运动；当磨削至工件规定淬硬长度时，工作台停止纵向直线运动，工件继续旋转360°后停止转动，砂轮架退出完成长圆柱面的磨削淬火；对于需要大量磨削热的磨削淬火而言，“四段式”磨削方式可以弥补砂轮切入、切出阶段磨削热量小，工件表层温度达不到淬火相变温度的缺陷，提高工件的磨削淬硬均匀性。
步骤S2为“二段式”磨削方式：首先采用砂轮径向切入工件与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点位置，砂轮架退出完成短圆柱面的磨削淬火；
精密磨削步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用常规的纵磨法进行加工；若工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用常规的横磨法进行加工。
如图1至图5所示，本发明还揭示了一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其包括机床床身1、工作台2、单动力源螺旋进给机构3、砂轮架进给机构4及尾架调整机构5。
所述的机床床身1包括由前床身11和后床身12；所述的工作台2置于前床身11上方；所述的螺旋进给机构3置于工作台2左上方；所述的砂轮架进给机构4置于后床身上方12；所述的尾架调整机构5置于工作台2右上方。
所述单动力源螺旋进给机构3包括螺旋进给伺服电机31、同步齿形带传动机构32、电磁齿式离合器33、滚珠丝杠螺母机构34、减速齿轮机构35及头架主轴箱36。所述螺旋进给伺服电机31置于所述头架主轴箱36上方；所述同步齿形带传动机构32具有主动轮321及被动轮322，所述电磁齿式离合器33包括内齿轮331、外齿轮332及离合齿轮333，所述滚珠丝杠螺母机构34包括传动轴341和螺母342，所述减速齿轮机构35包括主动轮351、中间齿轮352及被动齿轮353。所述滚珠丝杠螺母机构34的传动轴341安装在所述工作台2内部，螺母342固定于所述前床身11内部，所述滚珠丝杠螺母机构34的传动轴341包括光轴3411、花键轴3412和丝杆轴3413；所述螺旋进给伺服电机31的输出轴连接同步齿形带传动机构32的主动轮321，所述同步齿形带传动机构32的被动轮322和所述电磁齿式离合器33的内齿轮331和外齿轮332做成一体并空套于光轴3411上；外齿轮332和所述减速齿轮机构35的主动轮351啮合传动，所述电磁齿式离合器33的离合齿轮333安装在花键轴3412上；所述的减速齿轮机构35的主动轮351和中间齿轮352啮合传动，中间齿轮352和被动轮353啮合传动，通过调整主动轮351、中间齿轮352、被动齿轮353的齿数配对，可调整主轴336和丝杆轴3413的转速比，完成不同导程的螺旋进给运动；所述减速齿轮机构35的被动轮353安装在一过渡轴37的末端，过渡轴37通过第二同步带机构38与在所述头架主轴箱36的主轴336相连，所述头架主轴箱36安装有圆光栅39。
当工件做螺旋进给运动或工作台2做调整运动时，所述电磁齿式离合器33的离合齿轮333向左滑移，所述电磁齿式离合器33的内齿轮331与离合齿轮333啮合，所述螺旋进给伺服电机31经过所述同步齿形带传动机构32和所述滚珠丝杠螺母机构34直接驱动工作台2做运动，如图4所示。当工件做旋转运动时，所述电磁齿式离合器33的离合齿轮333向右滑移，所述电磁齿式离合器33的内齿轮331与离合齿轮333脱离，所述滚珠丝杠螺母机构34不动，工作台2处于停止状态，如图5所示。
所述砂轮架进给机构4包括磨削淬火砂轮架41、精磨砂轮架42和砂轮架驱动机构43；所述磨削淬火砂轮架41、精磨砂轮架42安装在所述后床身12上，沿y向并排布置；所述磨削淬火砂轮架41包括砂轮主轴411、头架压力传感器412、导轨413及直线光栅414，砂轮主轴411上设有磨削淬火砂轮4111，所述磨削淬火砂轮架41的砂轮主轴411安装有头架压力传感器412，导轨413安装有直线光栅414。
所述砂轮架驱动机构43包括砂轮架伺服电机431、同步齿形带传动机构432、右旋丝杠螺母副433和左旋丝杠螺母副434；所述砂轮架伺服电机431和所述同步齿形带传动机构432安装于所述后床身12后方；所述右旋丝杠螺母副433包括右旋丝杠4331和右旋螺母4332；所述左旋丝杠螺母副434包括左旋丝杠4341和左旋螺母4342；所述右旋丝杠4331和左旋丝杠4341安装于所述后床身12两侧；所述右旋螺母4332和左旋螺母4342分别固定于所述磨削淬火用砂轮架41和所述精磨用砂轮架42下方。磨削淬火时，所述砂轮架伺服电机431通过所述同步齿形带传动机构432和所述右旋丝杠螺母副433、左旋丝杠螺母副434分别驱动所述磨削淬火用砂轮架41和所述精磨用砂轮架42沿x向前进和后退。精密磨削时，所述砂轮架伺服电机431通过所述同步齿形带传动机构432和所述右旋丝杠螺母副433、左旋丝杠螺母副434分别驱动所述磨削淬火用砂轮架41和所述精磨用砂轮架42沿x向后退和前进。
在长圆柱面磨削淬火时，根据前述步骤S1的加工方法，工件转动、磨削淬火砂轮4111转动、磨削淬火砂轮架41移动靠近工件，到磨削淬火砂轮4111触碰到工件时，头架压力传感器412发出信号，并设置为圆光栅39的第一原点和直线光栅414原点；当磨削淬火砂轮4111切入深度达到设定磨削深度时，直线光栅414发出信号通过数控系统使所述磨削淬火砂轮架41停止径向进给运动；当工件旋转360°时，圆光栅39发出信号通过数控系统使工作台2移动，并完成螺旋进给运动；当工作台2移动行程达到设定的长度(通过圆光栅39旋转圈数和导程计算获得，工作台不采用直线光栅，减少检测元件)时，工作台2停止，并设置为圆光栅39的第二原点；当工件继续旋转360°时，圆光栅39发出信号通过数控系统使所述砂轮架驱动机构43的砂轮架伺服电机431反向旋转，驱动所述磨削淬火砂轮架41离开工件。
在短圆柱面磨削淬火时，根据前述步骤S2加工方法，工件转动、磨削淬火砂轮4111转动、磨削淬火砂轮架41移动靠近工件，到磨削淬火砂轮4111触碰到工件时，头架压力传感器412发出信号，并设置为圆光栅39的第一原点和直线光栅414原点；当磨削淬火砂轮4111切入深度达到设定磨削深度时，直线光栅414发出信号通过数控系统使所述磨削淬火砂轮架41停止径向进给运动；当工件旋转360°时，圆光栅39发出信号通过数控系统使所述砂轮架驱动机构43的砂轮架伺服电机431反向旋转，驱动所述磨削淬火砂轮架41离开工件。
所述尾架调整机构5包括尾架51、直线电机52和导轨钳制器53；所述尾架51包括尾架体511、顶尖512、套筒513、尾架压力传感器514、螺旋弹簧515和导轨516；所述尾架体511包括内孔5111和内孔导轨5112；所述套筒513安装于所述尾架体511的内孔5111，并可在所述内孔导轨5112轴向移动；所述尾架压力传感器514和螺旋弹簧515安装于所述套筒513后端；所述直线电机52包括初级电机521和次级电机522，所述初级电机521固定于所述工作台2右侧上部，所述次级电机522安装于所述尾架体511下部；所述导轨钳制器53安装于所述尾架体511上。装夹工件时，所述直线电机52驱动所述尾架51沿y向向左移动，当所述顶尖512碰到工件并达到设定夹紧力后，所述尾架压力传感器514发出信号经数控系统使所述直线电机52断电，所述尾架51停止运动，同时所述导轨钳制器53锁紧所述尾架51。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (5)
1.一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其特征在于，包括：机床床身、工作台、单动力源螺旋进给机构、砂轮架进给机构及尾架调整机构；所述的机床床身包括有前床身和后床身；所述的工作台置于前床身上方；所述的螺旋进给机构置于工作台左上方；所述的砂轮架进给机构置于后床身上方；所述的尾架调整机构置于工作台的右上方；所述单动力源螺旋进给机构包括螺旋进给伺服电机、同步齿形带传动机构、电磁齿式离合器、滚珠丝杠螺母机构、减速齿轮机构及头架主轴箱，所述螺旋进给伺服电机置于所述头架主轴箱上方；所述同步齿形带传动机构具有主动轮及被动轮，所述电磁齿式离合器包括内齿轮、外齿轮及离合齿轮，所述滚珠丝杠螺母机构包括传动轴和螺母，所述减速齿轮机构包括主动齿轮、中间齿轮及被动齿轮；所述螺旋进给伺服电机的输出轴连接同步齿形带传动机构的主动轮；外齿轮和所述减速齿轮机构的主动轮啮合传动，所述减速齿轮机构的主动轮和中间齿轮啮合传动，中间齿轮和被动轮啮合传动，通过调整主动齿轮、中间齿轮、被动齿轮的齿数，调整主轴和丝杆轴的转速比，完成不同导程的螺旋进给运动；所述减速齿轮机构的被动轮安装在一过渡轴的末端，过渡轴通过第二同步带机构与在所述头架主轴箱的主轴相连，所述头架主轴箱安装有圆光栅；
所述滚珠丝杠螺母机构的传动轴安装在所述工作台内部，螺母固定于所述前床身内部，所述滚珠丝杠螺母机构的传动轴包括光轴、花键轴和丝杆轴，所述同步齿形带传动机构的被动轮和所述电磁齿式离合器的内齿轮和外齿轮做成一体并空套于光轴上，所述电磁齿式离合器的离合齿轮安装在花键轴上；
所述砂轮架进给机构包括磨削淬火砂轮架、精磨砂轮架和砂轮架驱动机构；所述磨削淬火砂轮架、精磨砂轮架安装在所述后床身上，沿水平纵向并排布置；所述磨削淬火砂轮架包括砂轮主轴、头架压力传感器、导轨及直线光栅，砂轮主轴上设有磨削淬火砂轮，所述磨削淬火砂轮架的砂轮主轴安装有头架压力传感器，导轨安装有直线光栅。
2.如权利要求1所述的一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其特征在于：所述砂轮架驱动机构包括砂轮架伺服电机、同步齿形带传动机构、右旋滚珠丝杠螺母副和左旋滚珠丝杠螺母副；所述砂轮架伺服电机和所述同步齿形带传动机构安装于所述后床身后方；所述右旋滚珠丝杠螺母副包括右旋丝杠和右旋螺母；所述左旋滚珠丝杠螺母副包括左旋丝杠和左旋螺母；所述右旋丝杠和左旋丝杠安装于所述后床身两侧；所述右旋螺母和左旋螺母分别固定于所述磨削淬火用砂轮架和所述精磨用砂轮架下方。
3.如权利要求1所述的一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其特征在于：所述尾架调整机构包括尾架、直线电机和导轨钳制器；所述尾架包括尾架体、顶尖、套筒、尾架压力传感器、螺旋弹簧和导轨；所述尾架体包括内孔和内孔导轨；所述套筒安装于所述尾架体的内孔，并可在所述内孔导轨轴向移动；所述尾架压力传感器和螺旋弹簧安装于所述套筒后端，所述导轨钳制器安装于所述尾架体上。
4.如权利要求3所述的一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床，其特征在于：所述直线电机包括初级电机和次级电机，所述初级电机固定于所述工作台右侧上部，所述次级电机安装于所述尾架体下部。
5.一种采用上述权利要求1至4任一项所述的一种用于圆柱表面淬火和精密磨削的专用机床的复合加工方法，其特征在于：该加工方法包括磨削淬火步骤及精密磨削步骤:
磨削淬火步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用步骤S1进行加工，若工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用S2进行加工；
步骤S1为“四段式”磨削方式：首先采用砂轮沿工件径向切入与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点；接着工作台开始纵向直线运动，结合工件的旋转运动，完成螺旋进给运动；当磨削至工件规定淬硬长度时，工作台停止纵向直线运动，工件继续旋转360°后停止转动，砂轮架退出完成长圆柱面的磨削淬火；
步骤S2为“二段式”磨削方式：首先采用砂轮径向切入工件与工件旋转同步的阿基米德螺线进给方式，直至砂轮径向切入量达到规定磨削深度；然后砂轮停止径向切入运动，而工件继续旋转至起始切入点位置，砂轮架退出完成短圆柱面的磨削淬火；
精密磨削步骤中，若工件的圆柱表面长度大于砂轮宽度，则采用纵磨法进行加工；若工件的圆柱表面长度小于砂轮宽度，则采用横磨法进行加工。
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