CN110552003A - 高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，包括呈长方体并密封的箱体，所述箱体内设有可以在x、y、z轴上移动的光纤激光器和可以在x、y上移动的电动缸，且竖直设置的所述电动缸的底端固定有压头。本发明使用连续点式锻压激光快速成形技术，它突破了以往激光快速成形技术的瓶颈，成功的将激光快速成形技术所成形组织从粗大的柱状晶转变成为均匀的等轴晶组织，极大地提升了材料的组织力学性能。光纤激光头可以X‑Y‑Z三轴移动，电动缸与压头可以在X‑Y两轴移动，它们的移动互不影响。这方便了较大零件的制备与成形，光纤激光头与电动缸可以自由的移动到需要此金属零件需要进行加工的位置。

Description

高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备
技术领域
本发明涉及连续点式锻造激光快速成形技术领域，特别是涉及一种通过光纤传导激光的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备。
背景技术
近年来，金属零件激光快速成形技术(LRF)发展飞速，是一种数字化、智能化制造技术，零件制造系统在计算机控制下按照目标零件数字模型生成的路径命令运动，逐点逐层激光熔化-快速凝固沉积金属材料，直至零件近终成形。与传统的“锻造+机械加工”方法制造钛合金零件方法相比，LRF技术在钛合金零件制造方面具有生产周期短、材料利用率高以及成形零件形状结构复杂程度高等特点，因此，该技术复杂钛合金零件制造提供了新的技术途径。与钛合金锻件的等轴晶组织及其各向同性力学性能不同，LRF成形的钛合金零件的组织为定向外延生长的粗大柱状晶组织，力学性能具有明显的各向异性，限制了LRF技术成形的钛合金零件在多向应力状态下的应用。
金属零件激光制备与成形，是一种逐点逐层连续激光熔化沉积同步添加钛合金粉末的一项新技术，该技术首先将要制备的金属材料的数字模型沿高度方向按一定厚度分层切片，根据每一分层二维几何信息按照一定规则生成每一层扫描轨迹驱动代码，在其驱动下，数控加工平台做平面运动(激光头静止不动)，当一层扫描完成后，激光头按照分层厚度沿z轴向上升高，与此同时，金属粉末或多元混合粉末以惰性气体((Ar气)气载方式连续不断通过喷嘴送入激光熔池，随激光光斑的运动离开(相对于数控加工平台的相对运动)，相对于数控加工平台的相对运动)，激光熔池凝固(新添加材料熔化沉积)，如此反复逐点逐层连续激光熔化沉积直至材料成形。可是，如何加工比较大型的金属零件一直是一个没有解决的问题。
连续点式锻压激光快速成形(CPF-LRF)技术是结合连续点式锻压(CPF)与传统的LRF技术，这是一种新的激光增材制造技术，并能成形出形状复杂、组织和力学性能与钛合金锻件一致的钛合金零件。在进行CPF-LRF的过程中，对金属零件LRF与CPF交替进行，不光可以利用CPF使激光沉积的钛合金发生塑性冷变形，又利用激光沉积新层过程中，激光束扫描经过处，熔池热影响区对CPF塑性冷变形钛合金的加热使其发生静态再结晶。
从上述激光快速成形过程可知，该过程必须在惰性保护气氛箱内进行，以防止所制备钛合金中材料有过高的氧含量，使得所制备材料塑性大幅度降低而发脆，因而不能满足使用要求。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备。本发明采用的技术手段如下：
高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，包括呈长方体并密封的箱体，所述箱体的上部安装有两个横梁，且两个所述横梁的延伸方向与所述箱体的长度方向平行，两个所述横梁沿所述箱体的宽度方向排列，所述横梁的上表面安装有激光器x轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器x轴方向滚珠丝杠运动的激光器x轴方向伺服电机，所述激光器x方向滚珠丝杠的输出端上固定有顶部滑块，且两个所述顶部滑块均与横板Ⅰ的两端固定连接，所述横板Ⅰ的延伸方向与所述箱体的宽度方向平行，所述横板Ⅰ的上表面固定有激光器y轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器y轴方向滚珠丝杠运动的激光器y轴方向伺服电机，所述激光器y轴方向滚珠丝杠的输出端上固定有竖板，所述竖板的延伸方向与所述箱体的高度方向平行，所述竖板上安装有激光器z轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器z轴方向滚珠丝杠运动的激光器z轴方向伺服电机，所述激光器z轴方向滚柱丝杆的输出端上固定有光纤激光头；
所述横梁的下表面安装有压力机x轴方向滚珠丝杠和驱动所述压力机x轴方向滚珠丝杠运动的压力机x轴伺服电机，所述压力机x轴方向滚珠丝杠的输出端上固定有底部滑块，两个所述底部滑块均与横板Ⅱ的两端固定连接，且所述横板Ⅱ的延伸方向与所述箱体的宽度方向平行，所述横板Ⅱ上安装有压力机y轴方向滚珠丝杠和驱动所述压力机y轴方向滚珠丝杠运动的压力机y轴伺服电机；所述压力机y轴方向滚珠丝杠的输出端的上表面固定有压力机油箱和设置在所述压力机油箱顶部并与所述压力机油箱连接的压力机电机，所述压力机y轴方向滚珠丝杠的输出端的下表面固定有竖直设置的电动缸，所述电动缸的输出端固定有压头，且所述电动缸的输入端与所述压力机电机连接。
进一步地，所述箱体包括四个箱体侧板、下盖板和上盖板，相临两个所述箱体侧板之间、所述箱体侧板与所述下盖板之间、所述箱体侧板与所述上盖板之间均加工有箱体密封槽且所述箱体密封槽中均安装有箱体密封圈，所述上盖板上设有上盖板加强筋。
进一步地，所述上盖板上设有气、液快速接头固定盖，所述气、液快速接头固定盖上设有分别与所述光纤激光头连接的送粉口快速接头、送气口快速接头、进冷却水口快速接头、出冷却水口快速接头；所述气、液快速接头固定盖上设有使光纤进入所述箱体内与所述光纤激光头连接的小孔。
进一步地，所述气、液快速接头固定盖在所述小孔所对处固定有光缆固定器，所述光缆固定器包括两个对称设置的抱环，两个所述抱环通过螺栓固定连接，且所述抱环的底部通过螺栓与所述气、液快速接头固定盖固定连接；所述抱环的内壁上、所述抱环与所述气、液快速结构固定盖之间和两个所述抱环之间均设有光缆固定器密封槽，且所述光缆固定器密封槽内均安装有光缆固定器密封圈。
进一步地，四个所述箱体侧板中的前侧板上安装有箱门，所述箱门包括箱门框架和固定在所述箱门框架内的箱门强化玻璃，所述箱门强化玻璃设有与所述箱门框架固定连接玻璃加强筋，所述箱门框架的内沿上加工有与所述箱门强化玻璃相匹配的箱门强化玻璃密封槽，且所述箱门强化玻璃密封槽内安装有箱门强化玻璃密封圈，所述前侧板上加工有与所述箱门框架的外沿相配合的箱门密封槽，所述箱门框架的外沿设置在所述箱门密封槽内，且所述箱门框架的外沿与所述箱门密封槽之间设有箱门密封圈，所述箱门框架的外沿通过螺栓与所述前侧板固定连接。
进一步地，所述箱门框架上固定有箱门把手。
进一步地，四个所述箱体侧板中的左侧板上安装有呈圆形的观察窗，所述观察窗包括观察窗外框和固定在所述观察窗外框内的箱侧观察镜，所述观察窗外框通过螺栓与所述左侧板固定连接，且所述观察窗外框的内沿与所述左侧板上均加工有观察窗密封槽，且所述观察窗密封槽内均安装有观察窗密封圈。
进一步地，四个所述箱体侧壁中的右侧板设有与所述箱体内部连通并用于向所述箱体内填充惰性气体的充气口和用于检测箱体内氧含量的排气测氧口，且所述充气口和所述排气测氧口上均设有阀门。
进一步地，所述下盖板上设有用于固定待加工零件的零件固定板。
使用连续点式锻压激光快速成形技术，它突破了以往激光快速成形技术的瓶颈，成功的将激光快速成形技术所成形组织从粗大的柱状晶转变成为均匀的等轴晶组织，极大地提升了材料的组织力学性能。
光纤激光头可以X-Y-Z三轴移动，电动缸与压头可以在X-Y两轴移动，它们的移动互不影响。这方便了较大零件的制备与成形，光纤激光头与电动缸可以自由的移动到需要此金属零件需要进行加工的位置。
多处连接部分开密封槽放入密封圈，保证了箱体的密封性。
本发明可实现易氧化、热应力大以及塑性较差的金属零件的激光快速成形。
基于上述理由本发明可在连续点式锻造激光快速成形等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备的三维图；
图2是图1正视图；
图3是图1左视图；
图4是图1右视图；
图5是图1俯视图；
图6是图1将气、液动快速接头固定盖、光缆固定器、上盖板、箱侧观察镜以及箱门拆开后的三维图；
图7是图6中，A部爆炸图；
图8是图6中，B部放大图；
图9是图6中，C部放大图；
图10是图6中移除气、液动快速接头固定盖的俯视图；
图11是图6中移除上盖版的俯视图；
图12是图6中移除观察镜的左视图；
图13是箱体内部激光头与压力机的滚珠丝杠结构三维图；
图14是图13仰视图；
图15是图13正视图；
图16是设备初始准备状态的剖视图；
图17是设备激光头工作状态的剖视图；
图18是设备压力机工作状态的剖视图。
图中：
1、箱体；101、下盖板；102、上盖板；103、箱体密封槽；104、箱体密封圈；105、前侧板；106、左侧板；107、右侧板；108、充气口；109、排气测氧口；110、零件固定板；111、金属零件；112、上盖板加强筋；
2、横梁；201、激光器x轴方向滚珠丝杠；202、激光器x轴方向伺服电机；203、顶部滑块；204、横板Ⅰ；205、激光器y轴方向滚珠丝杠；206、激光器y轴方向伺服电机；207、激光器z轴方向滚珠丝杠；208、激光器z轴方向伺服电机；209、光纤激光头；
3、压力机x轴方向滚珠丝杠；301、压力机x轴伺服电机；302、底部滑块；303、横板Ⅱ；304、压力机y轴方向滚珠丝杠；305、压力机y轴伺服电机；306、压力机油箱；307、压力机电机；308、电动缸；309、压头；
4、气、液快速接头固定盖；401、送粉口快速接头；402、送气口快速接头；403、进冷却水口快速接头；404、出冷却水口快速接头；405、小孔；
5、光缆固定器；501、抱环；502、光缆固定器密封槽；503、光缆固定器密封圈；
6、箱门；601、箱门框架；602、箱门强化玻璃；603、玻璃加强筋；604、箱门强化玻璃密封槽；605、箱门强化玻璃密封圈；606、箱门密封槽；607、箱门密封圈；608、箱门把手；
7、观察窗；701、观察窗外框；702、箱侧观察镜；703、观察窗密封槽；704、观察窗密封圈；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图18所示，高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，包括呈长方体并密封的箱体1，所述箱体1的上部安装有两个横梁2，且两个所述横梁2的延伸方向与所述箱体1的长度方向平行，两个所述横梁2沿所述箱体1的宽度方向排列，所述横梁2的上表面安装有激光器x轴方向滚珠丝杠201和驱动所述激光器x轴方向滚珠丝杠201运动的激光器x轴方向伺服电机202，所述激光器x方向滚珠丝杠201的输出端上固定有顶部滑块203，且两个所述顶部滑块203均与横板Ⅰ204的两端固定连接，所述横板Ⅰ204的延伸方向与所述箱体1的宽度方向平行，所述横板Ⅰ204的上表面固定有激光器y轴方向滚珠丝杠205和驱动所述激光器y轴方向滚珠丝杠205运动的激光器y轴方向伺服电机206，所述激光器y轴方向滚珠丝杠205的输出端上固定有竖板206，所述竖板206的延伸方向与所述箱体1的高度方向平行，所述竖板206上安装有激光器z轴方向滚珠丝杠207和驱动所述激光器z轴方向滚珠丝杠207运动的激光器z轴方向伺服电机208，所述激光器z轴方向滚柱丝杆208的输出端上固定有光纤激光头209；
所述横梁2的下表面安装有压力机x轴方向滚珠丝杠3和驱动所述压力机x轴方向滚珠丝杠3运动的压力机x轴伺服电机301，所述压力机x轴方向滚珠丝杠3的输出端上固定有底部滑块302，两个所述底部滑块302均与横板Ⅱ303的两端固定连接，且所述横板Ⅱ303的延伸方向与所述箱体1的宽度方向平行，所述横板Ⅱ303上安装有压力机y轴方向滚珠丝杠304和驱动所述压力机y轴方向滚珠丝杠304运动的压力机y轴伺服电机305；所述压力机y轴方向滚珠丝杠304的输出端的上表面固定有压力机油箱306和设置在所述压力机油箱306顶部并与所述压力机油箱306连接的压力机电机307，所述压力机y轴方向滚珠丝杠304的输出端的下表面固定有竖直设置的电动缸308，所述电动缸308的输出端固定有压头309，且所述电动缸308的输入端与所述压力机电机307连接。
进一步地，所述箱体1包括四个箱体侧板、下盖板101和上盖板102，相临两个所述箱体侧板之间、所述箱体侧板与所述下盖板之间、所述箱体侧板与所述上盖板102之间均加工有箱体密封槽103且所述箱体密封槽103中均安装有箱体密封圈104。
进一步地，所述上盖板102上设有气、液快速接头固定盖4，所述气、液快速接头固定盖4上设有分别与所述光纤激光头209连接的送粉口快速接头401、送气口快速接头402、进冷却水口快速接头403、出冷却水口快速接头404；所述气、液快速接头固定盖4上设有使光纤进入所述箱体1内与所述光纤激光头209连接的小孔405。
进一步地，所述气、液快速接头固定盖4在所述小孔405所对处固定有光缆固定器5，所述光缆固定器5包括两个对称设置的抱环501，两个所述抱环501通过螺栓固定连接，且所述抱环501的底部通过螺栓与所述气、液快速接头固定盖4固定连接；所述抱环501的内壁上、所述抱环501与所述气、液快速结构固定盖4之间和两个所述抱环501之间均设有光缆固定器密封槽502，且所述光缆固定器密封槽502内均安装有光缆固定器密封圈503。
进一步地，四个所述箱体侧板中的前侧板105上安装有箱门6，所述箱门6包括箱门框架601和固定在所述箱门框架601内的箱门强化玻璃602，所述箱门强化玻璃602设有与所述箱门框架601固定连接玻璃加强筋603，所述箱门框架601的内沿上加工有与所述箱门强化玻璃602相匹配的箱门强化玻璃密封槽604，且所述箱门强化玻璃密封槽604内安装有箱门强化玻璃密封圈605，所述前侧板105上加工有与所述箱门框架601的外沿相配合的箱门密封槽606，所述箱门框架的外沿设置在所述箱门密封槽内，且所述箱门框架601的外沿与所述箱门密封槽606之间设有箱门密封圈607，所述箱门框架601的外沿通过螺栓与所述前侧板105固定连接。
进一步地，所述箱门框架601上固定有箱门把手608。
进一步地，四个所述箱体侧板中的左侧板106上安装有呈圆形的观察窗7，所述观察窗7包括观察窗外框701和固定在所述观察窗外框701内的箱侧观察镜702，所述观察窗外框701通过螺栓与所述左侧板固定连接，且所述观察窗外框701的内沿与所述左侧板106上均加工有观察窗密封槽703，且所述观察窗密封槽703内均安装有观察窗密封圈704。
进一步地，四个所述箱体侧壁中的右侧板107设有与所述箱体1内部连通并用于向所述箱体1内填充惰性气体的充气口108和用于检测箱体1内氧含量的排气测氧口109，且所述充气口108和所述排气测氧口109上均设有阀门。
所述下盖板101上设有用于固定待加工零件的零件固定板110。金属零件111放置在所述零件固定板110上。
所述上盖板102上设有上盖板加强筋112
如图16、17、18所示，首先将光纤激光头209移动到箱体的最左边，将压头309和电动缸308移动到箱体的最右边，他们互不影响(图16)。将箱体1上所有的孔密封后，对着充气口108不断充入Ar气，在排气测氧口109对箱体内的氧气含量用氧气分析仪进行检测，当氧含量低于50PPm时开始试验。调整激光工艺参数：激光功率：1800-5000W；扫描速度：3-10mm/s；光斑直径：3-6mm；搭接率：30-50％；送粉速率：5-15g/min。
连续点式锻压激光快速成形(CPF-LRF)过程中，光纤激光头209从箱体1的最左侧移动到此金属零件需要进行加工的位置(图17)，采用LRF沉积2层金属材料，加工完成后光纤激光头209回到箱体左侧的初始位置(图16)。在箱体1最右侧的电动缸308和压头309移动到之前加工过的位置(图18)，再采用CPF沿材料沉积层的上表面进行逐点冷锻，然后电动缸308和压头309回到箱体右侧的初始位置，整个成形过程中，LRF和CPF过程反复交替，每个加工的过程，激光头209与压头309都各自从初始位置移动到需要加工的位置再回到初始位置，直至合金厚壁试样成形完成。做到两套系统互不影响。加工的过程中可以透过四周的强化玻璃进行观察分析。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于，包括呈长方体并密封的箱体，所述箱体的上部安装有两个横梁，且两个所述横梁的延伸方向与所述箱体的长度方向平行，两个所述横梁沿所述箱体的宽度方向排列，所述横梁的上表面安装有激光器x轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器x轴方向滚珠丝杠运动的激光器x轴方向伺服电机，所述激光器x方向滚珠丝杠的输出端上固定有顶部滑块，且两个所述顶部滑块均与横板Ⅰ的两端固定连接，所述横板Ⅰ的延伸方向与所述箱体的宽度方向平行，所述横板Ⅰ的上表面固定有激光器y轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器y轴方向滚珠丝杠运动的激光器y轴方向伺服电机，所述激光器y轴方向滚珠丝杠的输出端上固定有竖板，所述竖板的延伸方向与所述箱体的高度方向平行，所述竖板上安装有激光器z轴方向滚珠丝杠和驱动所述激光器z轴方向滚珠丝杠运动的激光器z轴方向伺服电机，所述激光器z轴方向滚柱丝杆的输出端上固定有光纤激光头；
所述横梁的下表面安装有压力机x轴方向滚珠丝杠和驱动所述压力机x轴方向滚珠丝杠运动的压力机x轴伺服电机，所述压力机x轴方向滚珠丝杠的输出端上固定有底部滑块，两个所述底部滑块均与横板Ⅱ的两端固定连接，且所述横板Ⅱ的延伸方向与所述箱体的宽度方向平行，所述横板Ⅱ上安装有压力机y轴方向滚珠丝杠和驱动所述压力机y轴方向滚珠丝杠运动的压力机y轴伺服电机；所述压力机y轴方向滚珠丝杠的输出端的上表面固定有压力机油箱和设置在所述压力机油箱顶部并与所述压力机油箱连接的压力机电机，所述压力机y轴方向滚珠丝杠的输出端的下表面固定有竖直设置的电动缸，所述电动缸的输出端固定有压头，且所述电动缸的输入端与所述压力机电机连接。
2.根据权利要求1所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：所述箱体包括四个箱体侧板、下盖板和上盖板，相临两个所述箱体侧板之间、所述箱体侧板与所述下盖板之间、所述箱体侧板与所述上盖板之间均加工有箱体密封槽且所述箱体密封槽中均安装有箱体密封圈，所述上盖板上设有上盖板加强筋。
3.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：所述上盖板上设有气、液快速接头固定盖，所述气、液快速接头固定盖上设有分别与所述光纤激光头连接的送粉口快速接头、送气口快速接头、进冷却水口快速接头、出冷却水口快速接头；所述气、液快速接头固定盖上设有使光纤进入所述箱体内与所述光纤激光头连接的小孔。
4.根据权利要求3所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：所述气、液快速接头固定盖在所述小孔所对处固定有光缆固定器，所述光缆固定器包括两个对称设置的抱环，两个所述抱环通过螺栓固定连接，且所述抱环的底部通过螺栓与所述气、液快速接头固定盖固定连接；所述抱环的内壁上、所述抱环与所述气、液快速结构固定盖之间和两个所述抱环之间均设有光缆固定器密封槽，且所述光缆固定器密封槽内均安装有光缆固定器密封圈。
5.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：四个所述箱体侧板中的前侧板上安装有箱门，所述箱门包括箱门框架和固定在所述箱门框架内的箱门强化玻璃，所述箱门强化玻璃设有与所述箱门框架固定连接玻璃加强筋，所述箱门框架的内沿上加工有与所述箱门强化玻璃相匹配的箱门强化玻璃密封槽，且所述箱门强化玻璃密封槽内安装有箱门强化玻璃密封圈，所述前侧板上加工有与所述箱门框架的外沿相配合的箱门密封槽，所述箱门框架的外沿设置在所述箱门密封槽内，且所述箱门框架的外沿与所述箱门密封槽之间设有箱门密封圈，所述箱门框架的外沿通过螺栓与所述前侧板固定连接。
6.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：所述箱门框架上固定有箱门把手。
7.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：四个所述箱体侧板中的左侧板上安装有呈圆形的观察窗，所述观察窗包括观察窗外框和固定在所述观察窗外框内的箱侧观察镜，所述观察窗外框通过螺栓与所述左侧板固定连接，且所述观察窗外框的内沿与所述左侧板上均加工有观察窗密封槽，且所述观察窗密封槽内均安装有观察窗密封圈。
8.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：四个所述箱体侧壁中的右侧板设有与所述箱体内部连通并用于向所述箱体内填充惰性气体的充气口和用于检测箱体内氧含量的排气测氧口，且所述充气口和所述排气测氧口上均设有阀门。
9.根据权利要求2所述的高性能金属零件惰性气氛连续点式锻造激光快速成形设备，其特征在于：所述下盖板上设有用于固定待加工零件的零件固定板。
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