CN110125615B - 用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴及制造工艺，该芯轴由镜片复制段和其两端面的夹头段组成，芯轴上设有盲孔，该盲孔沿芯轴轴线贯穿小端夹头段和镜片复制段，所述芯轴一端夹头段沿芯轴轴线平行的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口，另一端夹头段沿与芯轴轴线垂直的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口。制造工艺包括：根据芯轴双夹头接口及内部结构进行芯轴的粗加工，然后进行高低温处理，其后精密车削，然后超精密车削，然后在芯轴表面镀镍磷合金，然后再次进行超精密车削，然后进行磁流变修形抛光以及手动保形抛光，完成掠入射亚纳米级芯轴的加工。本发明保证了芯轴的亚纳米级表面精度并可提高后续反射镜片脱模的成功率。

Description

用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴及制造工艺

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，特别是一种用于复制制造掠入射反射镜片的超光滑亚纳米级芯轴的制造工艺。

背景技术

近年来，X射线天文观测和X射线脉冲星导航逐步得到各国重视，目前广泛采用抛物面-双曲面两次反射(Wolter-I)和抛物面单次反射的掠入射光学系统收集X射线。以两次反射为例，其原理为光学镜头每层镜片由同轴共焦点的抛物面主镜片和双曲面次镜片组成，平行光轴入射的X射线光子先后经主镜和次镜的掠入射反射后，被汇聚到面积仅有几十mm²的焦平面上，通过多层镜片嵌套增大有效探测面积，从而实现X射线的大面积收集，并得到高角分辨率。

目前，研制掠入射反射镜片的加工方法中，电铸镍复制成型的反射镜片可多层嵌套实现大面积收集，且角分辨率较高，是应用最广泛的加工方法。其加工路线为：采用铝棒精密加工掠入射芯轴，然后在芯轴表面化学镀镍磷合金，并经过单点金刚石超精密车削以及超精密抛光后得到符合要求的芯轴，然后在芯轴表面镀金层并电铸出镜壳，然后将反射镜从芯轴脱开获得超精密反射镜片。在该工艺方法中，超精密芯轴的质量至关重要，芯轴的表面质量直接决定了反射镜片的质量，要实现大面积X射线的收集，需要芯轴的表面粗糙度均达到亚纳米级，且表面无气孔缺陷。

哈尔滨工业大学公开号CN107570967A专利公开了一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺，该发明对复制用光学芯轴的制造采用工具中心沿着待加工轨迹等距线运动的方法，在XZ两轴数控机床中完成光学芯轴的车削和抛光工艺，实施例中芯轴表面粗糙度达到RMS1.56nm。但该方法所加工的芯轴粗糙度为纳米级，与亚纳米级水平还有一定的差距，X射线反射效率较低，难以满足X射线的大面积收集。

掠入射精密芯轴表面是由高陡度抛物面和双曲面组合而成或者抛物面单独构成，加工制造困难，化学镀镍磷合金后表面极易出现气孔缺陷，且此类型面的镍磷合金表面粗糙度要达到亚纳米级非常困难，芯轴的粗糙度越优则反射镜片收集X射线效果越好，角分辨率越高，而且芯轴的结构直接影响到芯轴的表面精度及后续反射镜片的脱离，上述问题均为该工艺路线的加工难点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴及制造工艺，降低现有工艺方法中辅助工装的装配和加工难度，保证芯轴的表面精度并提高后续反射镜片脱模的成功率。

本发明的技术解决方案是：

用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴，所述芯轴由镜片复制段和其两端面的夹头段组成，芯轴上设有盲孔，该盲孔沿芯轴轴线贯穿小端夹头段和镜片复制段，所述芯轴一端夹头段沿芯轴轴线平行的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口，另一端夹头段沿与芯轴轴线垂直的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口。

所述芯轴盲孔直径d/芯轴最大直径D_max≥0.55，盲孔直径d/芯轴最小直径D_min≤0.75，盲孔深度h/芯轴总长L的取值范围为[0.8，0.95]，镜片复制段的外表面的型面尺寸为待复制制造的掠入射光学镜片的内表面的型面尺寸，待复制制造的掠入射光学镜片为抛物面-双曲面两次反射或者抛物面单次反射的掠入射光学镜片。

所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于包括如下步骤：

(1)、根据芯轴的型面结构设计，对铝棒进行粗加工，使得芯轴镜片复制段和夹头段留有余量，盲孔达到尺寸要求；

(2)、对粗加工后的芯轴进行稳定性处理，消除芯轴内部的应力，稳定芯轴的结构尺寸；

(3)、根据待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸，对完成稳定性处理后的芯轴进行精密加工，保证芯轴外部型面同轴度在0.05以内，芯轴的镜片复制段粗糙度优于Ra1.6，型面尺寸同设计要求尺寸一致；

(4)、对芯轴进行单点金刚石超精密加工，芯轴的镜片复制段各处直径比待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸小0.03-0.05mm，同时保证该段各处形位公差在0.002以内，表面粗糙度优于Ra0.1；

(5)、将超精密加工后的芯轴置于镀镍溶液中进行镀镍处理，在超精车后的芯轴表面镀上一层镍磷合金，镍磷合金层厚度为70μm～100um；

(6)、对镀镍后的芯轴镜片复制段再次进行单点金刚石超精密车削，保证芯轴表面粗糙度优于10nm；

(7)、通过磁流变抛光方法对掠入射芯轴镜片复制段的外表面进行精密修形抛光，抛光后的掠入射芯轴镜片复制段的面形精度达到微米级，表面粗糙度优于RMS0.8nm；

(8)、对掠入射芯轴进行手动化学机械保形光顺抛光，改善高频误差，使超光滑掠入射芯轴镜片复制段表面粗糙度达到亚纳米级。

所述步骤(5)的镀镍处理过程中，控制芯轴沿重力方向按照预设速度V1上下摆动，同时控制镀镍溶液流动，减少化学镀镍过程中产生的气孔。

所述镀镍溶液沉积速度控制在2-4μm/h内，镀镍溶液的体积与镀件面积的比值大于6。

所述步骤(6)超精密车削前需对零件进行精确找正，保证外圆全跳动在0.002mm以内，通过掠入射芯轴的大端夹头进行装夹定位，在掠入射芯轴盲孔内靠近小端夹头的位置塞入铅棒，在超精密车削加工刀杆处固定铅块进行吸振。

所述步骤(7)磁流变抛光的工艺参数为：磁场强度0.1～0.15T，工件转速150～200r/min，抛光轮转速100～120r/min，间隙1.5～1.8mm，磁流变液包括磁性颗粒、基液、抛光粉，抛光粉浓度为10％～15％。

所述步骤(8)中手动化学机械保形光顺抛光的具体方法为：

(8.1)、装夹掠入射芯轴的大端面；

(8.2)、找正掠入射芯轴；

(8.3)、制作与芯轴型面贴合的沥青盘；

(8.4)、将沥青盘与掠入射芯轴贴合，旋转掠入射芯轴，并同时不同规格的两种Al₂O₃颗粒抛光液进行保形光顺，Al₂O₃颗粒抛光液规格分别为：100nm和50nm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明确定了掠入射(包括两次反射和单次反射)精密芯轴的内部结构，给出了盲孔直径和孔深的参数范围，采用该结构既可保证芯轴刚度以提高芯轴面型精度又可以提高后续反射镜片脱离的成功率，对于多层掠入射光学系统，该参数适用于最大直径小于400mm的所有尺寸的掠入射芯轴。

(2)、本发明根据各工序设计了在芯轴两端与芯轴轴线平行和垂直两个方向设有通用的标准装夹接口，满足了各工序对装卡接口、基准及加工精度的要求，实现了各工序间工艺基准的合理传递，与现有技术相比，大幅降低了现有工艺方法中辅助工装的装配和加工难度，在保证精度的基础上提升了效率，降低了加工成本。

(3)、本发明给出了掠入射芯轴大厚度大面积镀镍磷合金的条件及工艺参数，设计了摇摆机构并配合镀液的流动，保证了掠入射芯轴大厚度大面积镀镍的表面质量，芯轴表面无气孔缺陷。

(4)、本发明首次采用磁流变精密修形抛光和手动精密保形光顺抛光结合的工艺方法对表面为镍磷合金的掠入射型面芯轴进行抛光，得到了面形精度达到亚微米级，表面粗糙度达到亚纳米级的掠入射芯轴。

附图说明

图1是本发明掠入射亚纳米级芯轴精密加工的工艺流程图；

图2(a)是本发明实施例两次反射掠入射芯轴接口及内部结构示意图；

图2(b)是本发明实施例单次反射掠入射芯轴接口及内部结构示意图；

图3是本发明实施例掠入射芯轴化学镀镍过程示意图；

图4是本发明实施例磁流变精密修形抛光过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴，该芯轴由镜片复制段和其两端面的夹头段组成，芯轴上设有盲孔，该盲孔沿芯轴轴线贯穿小端夹头段和镜片复制段，所述芯轴一端夹头段沿芯轴轴线平行的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口，另一端夹头段沿与芯轴轴线垂直的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口，满足了各步骤对装卡接口、基准及加工精度的要求，实现了各工序间工艺基准的合理传递。

如附图2所示，图2(a)是两次反射掠入射芯轴的结构设计图，其中A面和B面分别是设计的大端和小端夹头段，D面是抛物面，E面是双曲面；图2(b)是单次反射掠入射芯轴的结构设计图，其中A面和B面也是设计的大端和小端夹头段，D面是抛物面。双夹头的设计便于多工序之间精密找正，同时有利于转运，避免触碰到芯轴表面。如图所示，小端夹头段端部沿芯轴轴线平行的方向设有螺纹孔，大端夹头段端部沿与芯轴轴线垂直的方向设有螺纹孔，反过来也可以。

为了保证芯轴加工过程中表面不变形，也可提高后续脱模的成功率，本发明设计了芯轴的内部结构，确定芯轴壁厚及孔深参数如下：

所述盲孔直径d/芯轴最大直径D_max≥0.55，盲孔直径d/芯轴最小直径D_min≤0.75。

所述盲孔深度h/芯轴总长L的取值范围为[0.8，0.95]。

所述镜片复制段的外表面的型面尺寸为待复制制造的掠入射光学镜片的内表面的型面尺寸。

所述待复制制造的掠入射光学镜片为抛物面-双曲面两次反射或者抛物面单次反射的掠入射光学镜片。

基于上述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴，本发明提出了该亚纳米级芯轴相应的制造工艺，主要包括：根据芯轴双夹头接口及内部结构进行芯轴的粗加工，然后进行高低温处理，其后精密车削，然后超精密车削，然后在芯轴表面镀镍磷合金，然后再次进行超精密车削，然后进行磁流变修形抛光以及手动保形抛光，完成掠入射亚纳米级芯轴的加工。本发明的重点在于掠入射芯轴精密加工的整个工艺流程，芯轴统一接口及内部结构的设计，大厚度大面积化学镀镍的工艺方法及摇摆机构，磁流变修形及手动保形抛光工艺方法。

如图1所示，本发明的掠入射亚纳米级芯轴的制造工艺具体步骤如下：

(1)、根据芯轴的型面结构设计，对铝棒进行粗加工，使得芯轴镜片复制段和夹头段留有余量，盲孔达到尺寸要求；其中加工时的加工参数为：主轴转速700～800r/min，进给速度8～10mm/min，并加工统一装夹接口。

(2)、对粗加工后的芯轴进行稳定性处理，消除芯轴内部的应力，稳定芯轴的结构尺寸；

所述稳定性处理一般为高低温处理，高低温处理参数以及具体过程为：

(2.1)、将芯轴置于160℃～180℃的高温环境中保持2h～3h；

(2.2)、将芯轴置于-180℃～-196℃的低温环境中保持2h～3h；

(2.3)、重复步骤(2.1)～(2.3)；

(2.4)、将芯轴置于160℃～180℃高温环境中保持4h～5h；

(2.5)、将芯轴置于空气中冷却至常温。

(3)、根据待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸，对完成稳定性处理后的芯轴进行精密加工，保证芯轴外部型面同轴度在0.05以内，芯轴的镜片复制段粗糙度优于Ra1.6，型面尺寸同设计要求尺寸一致；其中加工时的加工参数为：主轴转速700～800r/min，进给速度8～10mm/min。

(4)、对芯轴进行单点金刚石超精密加工，芯轴的镜片复制段各处直径比待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸小0.03-0.05mm，同时保证该段各处形位公差在0.002以内，表面粗糙度优于Ra0.1；此工序的目的是为了进一步改善化镀镍的表面质量。加工时采用的车削参数为：切削深度0.8～1um，进给速度4～5mm/min，主轴转速500～550r/min。

(5)、将超精密加工后的芯轴置于镀镍溶液中进行镀镍处理，在超精车后的芯轴表面形成镀上一层镍磷合金，镍磷合金层厚度为70μm～100um；

镀镍处理之前，需要去除零件表面的油污及氧化膜，随后进行浸锌+二次浸锌处理。

一般来说化学镀镍溶液一般不超过25μm，本工序中需要镀层厚度大于等于70μm，对于大厚度大面积镀镍会产生大量的气孔，直接影响到芯轴的表面质量，后续抛光也难以去除。因此，在镀镍过程中采用摇摆机构，以一定的速度使芯轴进行摇摆，并配合镀镍溶液的流动，使其表面的气体从基体上脱离，如附图3所示，图中1是镀镍池，2是镀镍溶液，镀镍溶液以速度V₂流动，流动速度为10～20r/min，3是掠入射芯轴，4是摇摆机构，摇摆机构与掠入射芯轴C面上的螺纹孔连接，带动掠入射芯轴以V₁的速度上下移动，移动速度为0.05～0.2m/s，其中芯轴越大移动速度越小。同时控制化学镀镍溶液浓度，保证镀镍溶液的体积(L)与镀件面积(dm²)的比值大于6，沉积速度控制在2-4μm/h，可以大幅减少化学镀镍过程中产生的气孔，保证化镀镍厚度为0.07～0.1mm。

(6)、对镀镍后的芯轴镜片复制段再次进行单点金刚石超精密车削，保证芯轴表面粗糙度优于10nm；

由于化镀镍层厚度较薄，单边在0.07～0.1mm以内，为了保证超精车后镍层均匀，超精加工前需对零件进行精确找正，保证外圆全跳动在0.002mm以内。对于两次反射的芯轴，总长度较长，在装夹的远端容易发生振动，因此需对芯轴和刀具采取相应防振措施，超精密车削过程中，通过掠入射芯轴的大端夹头进行装夹定位，掠入射芯轴盲孔内靠近小端夹头的位置(如图2所示的掠入射芯轴内腔Φd处)塞入铅棒，在超精密车削加工刀杆处固定铅块进行吸振，即可有效减少加工过程中因为振动而带来的精度误差。加工中选择的车削参数为：切削深度0.5～0.6um，进给速度3～4mm/min，主轴转速400r/min，保证芯轴表面粗糙度优于10nm。

(7)、通过磁流变抛光方法对掠入射芯轴镜片复制段的外表面进行精密修形抛光，抛光后的掠入射芯轴镜片复制段的面形精度达到微米级，表面粗糙度优于RMS0.8nm。

磁流变抛光是一种可以准确控制去除量的确定性抛光方法，磁流变抛光原理如附图4所示，图中5为磁场发生装置，6为抛光轮，7为磁流变液，8为工作间隙，9为磁流变液循环装置。在抛光区域，通过磁场发生装置产生的外磁场对磁流变液的硬度和形状实时控制，从而对加工表面进行定量修整。在本道工序中，通过磁流变抛光对掠入射芯轴外形进行精密修形抛光。精密抛光时在磁流变设备上通过掠入射芯轴的接口A端面精密装夹定位，找正外圆跳动在0.005mm以内，采用一定浓度的磁流变液进行精密修形抛光，同时在线检测芯轴型面轮廓度误差，通过设定停留时间与去除量的函数关系，对掠入射芯轴的型面进行修形，保证面形精度要求，抛光的具体工艺参数如下：磁场强度0.1～0.15T，工件转速150～200r/min，抛光轮转速100～120r/min，间隙1.5～1.8mm。抛光后的掠入射芯轴的面形精度达到微米级，表面粗糙度优于RMS0.8nm。所述的磁流变液由磁性颗粒(例如，铁粉)、基液(例如，去离子水)、抛光粉(例如，Al₂O₃)组成，抛光粉浓度为10％～15％。

(8)、对掠入射芯轴进行手动化学机械保形光顺抛光，改善高频误差，使超光滑掠入射芯轴镜片复制段表面粗糙度达到亚纳米级，表面粗糙度提升到优于RMS0.6nm。

所述手动化学机械保形光顺抛光的具体方法为：

(8.1)、装夹掠入射芯轴的大端面；

(8.2)、找正掠入射芯轴；

(8.3)、制作与芯轴型面贴合的沥青盘；

(8.4)、将沥青盘与掠入射芯轴贴合，旋转掠入射芯轴，并同时不同规格的两种Al₂O₃颗粒抛光液进行保形光顺。所述Al₂O₃颗粒抛光液规格分别为：100nm和50nm。加工参数：主轴转速200～400r/min。

实施例：

采用该制造工艺方法加工某尺寸的两次反射掠入射精密芯轴，如附图2b)图所示，其中芯轴最大直径D_max＝114mm，最小直径D_min＝100.524mm，芯轴总长L＝330mm，盲孔直径d＝65mm，盲孔深度h＝300mm。经过芯轴粗加工、稳定性处理、精密加工、超精密车削，然后化学镀镍80-90μm厚，再超精密车削到表面粗糙度达到9nm，再进行磁流变修形抛光，表面粗糙度达到0.75-0.9nm，最后进行手动保形光顺抛光。

实施效果：加工完成后的掠入射芯轴经检测面型精度可达1μm，白光干涉仪检测表面粗糙度可达RMS 0.4nm，同时已经利用该芯轴作为模具复制加工出超精密掠入射反射镜片。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，所述亚纳米级芯轴，由镜片复制段和其两端面的夹头段组成，芯轴上设有盲孔，该盲孔沿芯轴轴线贯穿小端夹头段和镜片复制段，所述芯轴一端夹头段沿芯轴轴线平行的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口，另一端夹头段沿与芯轴轴线垂直的方向设有制造工艺各步骤通用的统一装夹接口；其特征在于包括如下步骤：

(1)、根据芯轴的型面结构设计，对铝棒进行粗加工，使得芯轴镜片复制段和夹头段留有余量，盲孔达到尺寸要求；所述盲孔直径d/芯轴最大直径D_max≥0.55，盲孔直径d/芯轴最小直径D_min≤0.75；所述盲孔深度h/芯轴总长L的取值范围为[0.8，0.95]；所述镜片复制段的外表面的型面尺寸为待复制制造的掠入射光学镜片的内表面的型面尺寸；

(2)、对粗加工后的芯轴进行稳定性处理，消除芯轴内部的应力，稳定芯轴的结构尺寸；

所述稳定性处理一般为高低温处理，高低温处理参数以及具体过程为：

(2.1)、将芯轴置于160℃～180℃的高温环境中保持2h～3h；

(2.2)、将芯轴置于-180℃～-196℃的低温环境中保持2h～3h；

(2.3)、重复步骤(2.1)～(2.3)；

(2.4)、将芯轴置于160℃～180℃高温环境中保持4h～5h；

(2.5)、将芯轴置于空气中冷却至常温；

(3)、根据待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸，对完成稳定性处理后的芯轴进行精密加工，保证芯轴外部型面同轴度在0.05以内，芯轴的镜片复制段粗糙度优于Ra1.6，型面尺寸同设计要求尺寸一致；

(4)、对芯轴进行单点金刚石超精密加工，芯轴的镜片复制段各处直径比待复制制造的掠入射光学镜片内表面型面尺寸小0.03-0.05mm，同时保证镜片复制段各处形位公差在0.002以内，表面粗糙度优于Ra0.1；

(5)、将超精密加工后的芯轴置于镀镍溶液中进行镀镍处理，在超精车后的芯轴表面镀上一层镍磷合金，镍磷合金层厚度为70μm～100μ m ；

(6)、对镀镍后的芯轴镜片复制段再次进行单点金刚石超精密车削，保证芯轴表面粗糙度优于10nm；

(7)、通过磁流变抛光方法对掠入射芯轴镜片复制段的外表面进行精密修形抛光，抛光后的掠入射芯轴镜片复制段的面形精度达到微米级，表面粗糙度优于RMS0.8nm；

(8)、对掠入射芯轴进行手动化学机械保形光顺抛光，改善高频误差，使超光滑掠入射芯轴镜片复制段表面粗糙度达到亚纳米级。

2.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于步骤(5)的镀镍处理过程中，控制芯轴沿重力方向按照预设速度V1上下摆动，同时控制镀镍溶液流动，减少化学镀镍过程中产生的气孔。

3.根据权利要求2所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述镀镍溶液沉积速度控制在2-4μm/h内。

4.根据权利要求2所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述镀镍溶液的体积与镀件面积的比值大于6。

5.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述步骤(6)超精密车削前需对零件进行精确找正，保证外圆全跳动在0.002mm以内。

6.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述步骤(6)超精密车削过程中，通过掠入射芯轴的大端夹头进行装夹定位，在掠入射芯轴盲孔内靠近小端夹头的位置塞入铅棒，在超精密车削加工刀杆处固定铅块进行吸振。

7.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于磁流变抛光的工艺参数为：磁场强度0.1～0.15T，工件转速150～200r/min，抛光轮转速100～120r/min，间隙1.5～1.8mm。

8.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于磁流变抛光工艺中采用的磁流变液包括磁性颗粒、基液、抛光粉，抛光粉浓度为10％～15％。

9.根据权利要求1所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述步骤(8)中手动化学机械保形光顺抛光的具体方法为：

(8.1)、装夹掠入射芯轴的大端面；

(8.2)、找正掠入射芯轴；

(8.3)、制作与芯轴型面贴合的沥青盘；

(8.4)、将沥青盘与掠入射芯轴贴合，旋转掠入射芯轴，并同时采用不同规格的两种Al₂O₃颗粒抛光液进行保形光顺。

10.根据权利要求9所述用于复制制造掠入射反射镜片的亚纳米级芯轴的制造工艺，其特征在于所述Al₂O₃颗粒抛光液规格分别为：100nm和50nm。

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