CN110773873A - 一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法，该设备包括主体框架平台、加工运动平台、固定在Y轴运动平台上用于有效安装夹持轴类件的升降夹具调节装置、安装在Z轴运动平台悬梁上的可实现激光光束角度调整的光束角度可调激光加工头装置，本发明中运动控制器采用32位STM32芯片，其运算精度高、可靠性好，可实现激光与四轴的协调控制。本发明加工设备在毛刺去除方法上采用变焦点循环扫描、改变光束角度、大功率纳秒激光粗加工+小功率皮秒激光精加工相配合、匀速曲线轨迹激光扫描实现毛刺的高精度、高效率去除，有效解决实际工程应用中轴类件毛刺去除困难的问题，能够显著提高激光精整质量和加工效率。

Description

一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法。

背景技术

毛刺是由金属切削、成形加工、冲切或剪切引起的零件某一边缘上的凸出金属。毛刺是机械加工过程中不可避免的现象，它的存在直接影响了产品的质量。在机械传动系统中，由于振动，会引起毛刺脱落，造成系统卡死或零件损伤。另外，相对运动接触面毛刺的存在会加大接触面的摩擦磨损，缩短产品的使用寿命。目前，去毛刺技术已经受到工业发达国家的普遍重视。在精密构件的生产过程中毛刺的去除显得尤为重要。去毛刺工艺也逐渐向自动化、智能化方向发展，目前常用的毛刺去除方法主要有电化学去毛刺、机械毛刷去毛刺、喷射去毛刺、磁力研磨去毛刺、超声波去毛刺、激光去毛刺等方法。作为激光微细加工技术的一个分支 利用激光光束可以聚焦成极细光斑的特点，将激光加工技术应用于毛刺去除领域的研究也逐渐被重视起来。

针对轴类件边缘毛刺的激光精整，现有激光去毛刺技术仍存在一些问题。 如公告号为CN207615870U，申请公布日为2018年07月17日，名称为《一种激光去毛刺加工设备》的实用新型专利申请，其使用安装在横梁上且自由端位置可调整的机械臂，通过安装在机械臂的自由端上的激光输出装置实现对毛刺的去除，但此发明并未考虑轴类件的毛刺去除需求，并且普通的工业机械臂难以满足毛刺去除的高精度要求。又如公告号为CN106862775A，公告日为2017年06月20日，名称为《一种激光去毛刺方法及设备》的发明专利申请，其通过固定激光头、工作台、传料装置、上料装置、翻转定位装置的组合实现对工件不同侧面的毛刺去除，这种去毛刺手段通过图形预处理获得需要去毛刺部位的轮廓图形与实际工件轮廓轨迹定位位置会存在一定偏差，从而影响工件毛刺的去除甚至会损伤工件表面，另外此设备结构复杂，对每一个工件都要进行图形预处理作业，增大了操作的复杂性，降低了加工效率。

现有专利未针对轴类件边缘毛刺激光精整需求提供相关加工设备，未进一步考虑毛刺去除的实际去除效率问题，比如通过变焦点循环扫描、改变光束角度、大功率纳秒激光粗加工+小功率皮秒激光精加工相配合、匀速曲线轨迹激光扫描、改变激光加工功率以及扫描速率等加工参数实现毛刺的高精度、高效率去除。本申请针为轴类件边缘毛刺激光精整，提供一种高效率激光精整加工设备，并结合实际激光精整情况提出了一种高精度、高效率的毛刺去除方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法，以解决现有轴类件边缘毛刺激光精整问题，提高轴类件激光去毛刺的加工精度和加工效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，该设备包括主体框架平台、加工运动平台、升降夹具调节装置、光束角度可调激光加工头装置，所述主体框架平台由加工平台底座和机柜组成，所述机柜用于放置激光器、运动控制器以及安装电气器件和操作面板；所述加工运动平台包括X、Y、Z、θ四轴伺服运动机构，其中X、Y、θ三轴伺服运动机构安装固定在所述加工平台底座上，Z轴伺服运动机构竖直固定在所述机柜的框架一侧，所述光束角度可调激光加工头装置安装于Z轴伺服运动机构；所述升降夹具调节装置包括三爪卡盘、升降架机构、活动顶针装置，其中升降架机构与Y轴伺服运动机构固定、三爪卡盘固定在θ轴伺服运动机构上，所述活动顶针装置与升降架机构安装连接，并与三爪卡盘配合以固定轴类件。

优选的，所述运动控制器采用32位STM32芯片，用以实现对四轴伺服运动机构的运动控制和激光器控制，所述控制器控制过程实现如下：

（1）将待加工工件边缘轮廓图形文件导入上位控制器中，调整工件初始加工位置，选定相应加工模块；

（2）上位控制器通信端口向运动控制器发送指令，运动控制器通过高精度浮点运算，将图形解码成直线-圆弧-样条组合插补点；

（3）伺服运动机构接收到插补点命令，加工运动平台按照顺序插补点运动，在此过程中，激光器按照设定参数工作，光束角度可调激光加工头装置配合加工运动平台实现光束角度变化，实现工件轮廓边缘毛刺去除。

优选的，所述加工运动平台，X、Y、Z轴伺服运动机构分别由运动平台、伺服电机、导轨、传动丝杠、丝杠尾座组成，θ轴运动机构由伺服电机、减速装置、θ轴运动平台组成；所述机柜的框架一侧固定Z轴运动平台，所述Z轴运动平台上设有Z轴悬架结构，所述Z轴悬架结构由伺服电机、传动丝杠驱动使其沿Z向运动，所述光束角度可调激光加工头装置固定于Z轴悬架结构。

所述加工平台底座设置X轴运动平台，所述X轴运动平台上设置Y轴运动平台，并由伺服电机、传动丝杠驱动Y轴运动平台沿X向运动，所述Y轴运动平台上设置θ轴运动平台，并由伺服电机、传动丝杠驱动θ轴运动平台沿Y向运动；所述三爪卡盘通过旋转圆盘安装于θ轴运动平台，并通过伺服电机、减速装置驱动旋转圆盘，继而使三爪卡盘周向旋转。所述运动控制器与各伺服电机控制连接。

优选的，所述光束角度可调激光加工头装置包括激光聚焦头、激光器光纤头、悬架结构、光头固定结构，所述悬架结构固定于Z轴悬架结构；所述光头固定结构上下两头分别固定着激光器光纤头和激光聚焦头，并且光头固定结构还与悬架结构下方的伺服电机输出轴连接，通过伺服电机的驱动实现激光加工头角度变化，进一步实现光束角度调节, 所述运动控制器与该伺服电机控制连接。

优选的，所述激光聚焦头设置有辅助吹气结构，用于更有效地实现精整表面的加工质量。

优选的，所述升降夹具调节装置，其中升降架机构包括手动摇把、转向转换结构、升降架横向架结构、升降架主体结构，所述升降架横向结构通过导轨、竖直方向丝杠与升降架主体结构相连，所述活动顶针装置安装于升降架横向结构上；手动摇把通过转向转换结构实现横向旋转转换成竖直方向丝杠的旋转，进一步实现升降架横向结构的升降运动。

一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备的毛刺去除方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）调整所述升降夹具调节装置升降架横向结构上下位置，将轴类件按照正确的加工方向垂直放置到三爪卡盘卡爪内，旋紧三爪卡盘，旋转手动摇把上下调节升降架横向结构，使活动顶针装置的顶尖与轴类件一端的中心孔相抵，拧下手动摇把后方的固定锁，将此时升降架横向结构的位置固定；

（2）通过运动控制器操纵所述光束角度可调激光加工头装置中的伺服电机设定相应的激光光束角度，分别调整X、Y、Z、θ轴运动平台位置,使得工件边缘位于初始加工位置，待加工表面处于激光焦点位置且激光光束与轴类件轴线在同一竖直平面内；

（3）选择大功率纳秒激光器，设定纳秒激光加工参数，启动加工程序进行粗加工，Y、Z、θ轴运动平台相互协调开始加工，每完成一周加工，程序自动调节焦点位置，焦点位置深入毛刺内部直至完成毛刺去除，形成边缘倒角形态；

（4）选择小功率皮秒激光器，设定皮秒激光加工参数进行精加工，重复（3）的步骤完成后续加工。

优选的，每完成一周加工，程序根据光束角度自动调节焦点位置，沿光束方向上移或者下移焦点，所述变焦点调节焦距变化范围为1-10mm，最小变焦距离10um。

优选的，选择合适的激光加工参数可实现轴类件边缘毛刺激光精整，初始粗加工选择纳秒激光加工参数范围如下：激光功率100-500W、匀速扫描速率1-100mm/s、重复次数1-20次；精加工选择皮秒激光加工参数范围如下：激光功率1-50W、匀速扫描速率100-500mm/s、重复次数1-20次。不同的轴类件激光精整表面要求需选用相应的激光加工参数以实现所需的精整表面质量。

优选的，为避免激光损伤轴类件工作面表面，将轴类件边缘分为上下边沿的不同情况，需调整不同的光束角度，当进行轴类件边缘下沿加工时，选用斜向下的光速角度0-90°，当进行轴类件边缘上沿加工时，选用斜向上的光速角度0-（-90°）。

优选的，为保证轴类件同一边缘轮廓加工质量呈现同一性，加工过程中采用匀速轨迹激光扫描，与此同时可以通过改变激光加工功率和扫描速率保证加工质量，提高加工效率。

本发明的运动控制器用以实现对四轴运动平台的运动控制和激光器控制，采用32位STM32芯片，其运算精度高、可靠性好，可实现激光与四轴的协调控制。升降夹具调节装置中的三爪卡盘固定在θ轴运动平台的旋转圆盘上，活动顶针装置的固定座固定在横向架结构上，顶针竖直固定在固定座内，顶针机构的顶尖可以旋转，并且在上下方向可以弹性运动，横向架结构的升降运动将顶针装置的顶尖与处于三爪卡盘夹紧状态下的轴类件上端面相抵，顶针装置的顶尖与轴类件同轴线且可随着轴类件的旋转实现同步旋转。横向架上下位置调整的距离为100-500mm，可满足三缸、四缸、六缸发动机凸轮轴等轴类件的安装夹持。将光束角度可调激光加工头装置固定连接在Z轴运动机构悬梁下方，以实现光束角度可调激光加工头装置随Z轴运动机构的上下移动而上下位置发生变化，满足竖直方向的加工要求。加工时，根据不同轴类件的激光精整需求，选择相应的加工程序，改变激光光束角度，设置初始加工位置，选择大功率纳秒激光器+小功率皮秒激光器分别进行粗、精加工。本发明有效解决实际工程应用中轴类件毛刺去除困难的问题，能够显著提高激光精整质量和加工效率。

本发明与现有激光去毛刺技术相比具有以下优点：

（1）本发明将激光精整技术运用到轴类件的去毛刺中，提高轴类件去毛刺的加工质量。

（2）本发明中升降夹具调节装置将轴类件竖直放置，并通过活动顶针装置和三爪卡盘的配合夹持实现轴类件轴线始终处于竖直状态，保证加工准确性。

（3）本发明中光束角度可调激光加工头装置可以实时调节激光光束角度，并且实现不同激光器光纤头的选择，提供不同激光器的加工需求。

（4）本发明提供的毛刺去除方法通过变焦点循环扫描、改变光束角度、大功率纳秒激光粗加工+小功率皮秒激光精加工、匀速曲线轨迹激光扫描、改变激光加工功率以及扫描速率等加工参数实现毛刺的高精度、高效率去除。

附图说明

附图1为本发明激光精整加工设备的整体结构示意图；

附图2为本发明激光精整加工设备的升降夹具调整装置结构示意图；

附图3为本发明激光精整加工设备的可调角度激光加工头装置结构示意图；

附图4为本发明激光精整加工设备的Z轴运动平台结构示意图；

附图5为本发明激光精整加工设备的顶针机构结构示意图；

附图6为本发明激光精整加工设备的运动控制器控制流程示意图；

附图7为本发明凸轮轴凸轮边缘上下沿示意图；

附图8为本发明轴类件边缘毛刺局部放大示意图；

附图9为本发明轴类件边缘毛刺激光精整去除效果局部放大示意图；

附图10为本发明轴类件边缘毛刺激光精整凸轮边缘去除效果图示（大功率纳秒激光粗加工）；

附图11为本发明轴类件边缘毛刺激光精整凸轮边缘去除效果图示（小功率皮秒激光精加工）；

附图标记说明：

11、加工平台底座；12、机柜；12-1、电气安装面板；12-2、激光器；

21、X轴运动平台；22、Y轴运动平台；23、θ轴运动平台24、Z轴运动平台；24-1、Z轴悬梁结构；

31、升降架机构；31-1、升降架主体结构；31-2、升降架横向架结构；31-3、手动摇把；31-4、升降架固定锁；32、活动顶针装置；32-1、顶针机构；32-2、顶尖；32-3、顶针固定座；33、三爪卡盘；

41、可调角度激光加工头；41-1、光头固定结构；41-2、激光聚焦头；41-3、激光器光纤头；41-4、辅助吹气结构；42、可调角度激光加工头悬架机构；42-1、悬架结构；42-2、电机固定座；42-3、光束角度调节伺服电机；

51、轴类件凸轮轴凸轮结构；51a、凸轮边缘上沿；51b、凸轮边缘下沿；

61、凸轮边缘毛刺；

71、激光精整后边缘质量效果。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备及其毛刺去除方法，如图1-6所示，该激光精整加工设备用于轴类件边缘毛刺的激光精整，包括主体框架平台加工平台底座11、用于放置激光器12-2、运动控制器以及电气安装面板12-1的机柜12，安装在所述主体框架平台上的X轴运动平台21、Y轴运动平台22、θ轴运动平台23、Z轴运动平台24，以及固定在Y轴运动平台22上用于有效安装夹持轴类件的升降夹具调节装置。该升降夹具调节装置包括升降架机构31、活动顶针装置 32、三爪卡盘33。该激光精整加工设备还包括安装在Z轴运动平台24的悬梁24-1上的光束角度可调激光加工头装置，该光束角度可调激光加工头装置由可调角度激光加工头41、可调角度激光加工头悬架机构42，上述光束角度可调激光加工头装置通过固定在悬架结构42-1上的光束角度调节伺服电机42-3驱动实现激光光束角度的调整。

如图7所示为本实施例中需要去毛刺激光精整加工的发动机凸轮轴，凸轮轴的主体是一根与气缸组长度近似相同的圆柱形棒体，上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。因此，发动机凸轮轴具有关键性作用，凸轮轴凸轮边缘上下沿51a、51b由于加工工艺的限制会产生大大小小的毛刺，凸轮轴凸轮边缘存在的毛刺对其工作特性有着不可忽视的影响。

具体的，如图8所示，从凸轮边缘的局部放大图中可以看出，在凸轮轴凸轮边缘存在大量需要去除的毛刺61，本实例针对凸轮轴边缘毛刺激光精整实现过程如下：

选用凸轮轴激光精整加工相应程序模块，调整所述升降夹具调节装置横向架31-2上下位置，将凸轮轴按照正确的加工方向垂直放置到三爪卡盘33卡爪内，旋紧三爪卡盘33，旋转手动摇把31-3通过转向转换结构(可采用一对伞齿轮实现转向)上下调节横向架31-2，使活动顶针装置32的顶尖32-2与凸轮轴一端的中心孔相抵，拧下升降架机构31上方位于摇把后方的升降架固定锁31-4，将此时横向架31-2的位置固定。

通过加工设备上位控制器操纵所述光束角度可调激光加工头装置中的光束角度调节伺服电机42-3设定：下沿加工激光光束角度为-45°，上沿加工激光光束角度为45°。分别调整X运动平台21、Y运动平台22、Z运动平台24、θ轴运动平台23位置,使得凸轮51边缘位于初始加工位置，待加工表面处于激光焦点位置且激光光束与凸轮轴轴线在同一竖直平面内。

选择大功率纳秒激光器12-2，设定纳秒激光加工参数：激光功率（500W）、匀速扫描速率（50mm/s）、重复次数（5次），变焦距离（50um）,启动加工程序进行凸轮下沿粗加工，Y运动平台22、Z运动平台24、θ轴运动平台23相互协调开始加工，每完成一周加工，程序自动调节焦点位置上移50um，焦点位置深入毛刺内部直至完成毛刺去除，形成边缘倒角形态。重复五次循环扫描后完成此凸轮下沿粗加工，凸轮边缘激光精整实际效果如图10所示。依次从凸轮轴上端至下端完成全部凸轮下沿加工后，重复上述下沿加工过程依次完成凸轮上沿粗加工。

选择小功率皮秒激光器进行精加工，设定皮秒激光加工参数：激光功率（50W）、匀速扫描速率（200mm/s）、重复次数（5次），变焦距离（20um）,启动加工程序进行下沿精加工，Y运动平台22、Z运动平台24、θ轴运动平台23相互协调开始加工，每完成一周加工，程序自动调节焦点位置上移20um，焦点位置深入毛刺内部直至完成毛刺去除，形成边缘倒角形态。重复五次循环扫描后完成此凸轮下沿粗加工，凸轮边缘激光精整实际效果如图11所示。依次从凸轮轴上端至下端完成全部凸轮下沿加工后，重复上述下沿加工过程依次完成凸轮上沿精加工。

完成激光精整加工后凸轮边缘质量效果如图11所示，和理想状态下凸轮边缘质量效果如图9相比，边缘呈现倒角形态，所有毛刺均已完成去除，且边缘轮廓光滑，无激光烧蚀残渣，毛刺去除质量非常理想。

在此加工过程中，为避免激光损伤轴类件工作面表面，将轴类件边缘分为上下边沿的不同情况，如图7所示，需调整不同的光束角度，当进行轴类件边缘下沿加工时，选用斜向下的光速角度（0-90°），当进行轴类件边缘上沿加工时，选用斜向上的光速角度（0-（-90°））。

另外，为保证轴类件同一边缘轮廓加工质量呈现同一性，加工过程中采用匀速轨迹激光扫描，与此同时可以通过改变激光加工功率和扫描速率保证加工质量，提高加工效率。

本发明上述实施例中凸轮轴可以选用三缸、四缸、六缸发动机凸轮轴，结合相应激光精整加工程序，可以显著提高凸轮轴凸轮边缘毛刺去除质量和加工效率，对于凸轮轴类似轴类件，如发动机曲轴，本发明同样可以提高其加工质量和加工效率，对于实现轴类件边缘毛刺的激光精整加工，本发明专利在工程应用上将会产生巨大的工程效应。

Claims (10)

1.一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，该设备包括主体框架平台、加工运动平台、升降夹具调节装置、光束角度可调激光加工头装置，所述主体框架平台由加工平台底座和机柜组成，所述机柜用于放置激光器、运动控制器以及安装电气器件和操作面板；所述加工运动平台包括X、Y、Z、θ四轴伺服运动机构，其中X、Y、θ三轴伺服运动机构安装固定在所述加工平台底座上，Z轴伺服运动机构竖直固定在所述机柜的框架一侧，所述光束角度可调激光加工头装置安装于Z轴伺服运动机构；所述升降夹具调节装置包括三爪卡盘、升降架机构、活动顶针装置，其中升降架机构与Y轴伺服运动机构固定、三爪卡盘固定在θ轴伺服运动机构上，所述活动顶针装置与升降架机构安装连接，并与三爪卡盘配合以固定轴类件。

2.根据权利要求1所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，所述运动控制器采用32位STM32芯片，用以实现对四轴伺服运动机构的运动控制和激光器控制。

3.根据权利要求1所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，所述加工运动平台，X、Y、Z轴伺服运动机构分别由运动平台、伺服电机、导轨、传动丝杠、丝杠尾座组成，θ轴运动机构由伺服电机、减速装置、θ轴运动平台组成；所述机柜的框架一侧固定Z轴运动平台，所述Z轴运动平台上设有Z轴悬架结构，所述Z轴悬架结构由伺服电机、传动丝杠驱动使其沿Z向运动，所述光束角度可调激光加工头装置固定于Z轴悬架结构；

所述加工平台底座设置X轴运动平台，所述X轴运动平台上设置Y轴运动平台，并由伺服电机、传动丝杠驱动Y轴运动平台沿X向运动，所述Y轴运动平台上设置θ轴运动平台，并由伺服电机、传动丝杠驱动θ轴运动平台沿Y向运动；所述三爪卡盘通过旋转圆盘安装于θ轴运动平台，并通过伺服电机、减速装置驱动旋转圆盘，继而使三爪卡盘周向旋转；所述运动控制器与各伺服电机控制连接。

4.根据权利要求1所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，所述光束角度可调激光加工头装置包括激光聚焦头、激光器光纤头、悬架结构、光头固定结构，所述悬架结构固定于Z轴悬架结构；所述光头固定结构上下两头分别固定着激光器光纤头和激光聚焦头，并且光头固定结构还与悬架结构下方的伺服电机输出轴连接，通过伺服电机的驱动实现激光加工头角度变化，进一步实现光束角度调节,所述运动控制器与该伺服电机控制连接。

5.根据权利要求4所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，所述激光聚焦头设置有辅助吹气结构，用于更有效地实现精整表面的加工质量。

6.根据权利要求1所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备，其特征是，所述升降夹具调节装置，其中升降架机构包括手动摇把、转向转换结构、升降架横向架结构、升降架主体结构，所述升降架横向结构通过导轨、竖直方向丝杠与升降架主体结构相连，所述活动顶针装置安装于升降架横向结构上；手动摇把通过转向转换结构实现横向旋转转换成竖直方向丝杠的旋转，进一步实现升降架横向结构的升降运动。

7.一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备的毛刺去除方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）调整所述升降夹具调节装置升降架横向结构上下位置，将轴类件按照正确的加工方向垂直放置到三爪卡盘卡爪内，旋紧三爪卡盘，旋转手动摇把上下调节升降架横向结构，使活动顶针装置的顶尖与轴类件一端的中心孔相抵，拧下手动摇把后方的固定锁，将此时升降架横向结构的位置固定；

（2）通过运动控制器操纵所述光束角度可调激光加工头装置中的伺服电机设定相应的激光光束角度，分别调整X、Y、Z、θ轴运动平台位置,使得工件边缘位于初始加工位置，待加工表面处于激光焦点位置且激光光束与轴类件轴线在同一竖直平面内；

（3）选择大功率纳秒激光器，设定纳秒激光加工参数，启动加工程序进行粗加工，Y、Z、θ轴运动平台相互协调开始加工，每完成一周加工，程序自动调节焦点位置，焦点位置深入毛刺内部直至完成毛刺去除，形成边缘倒角形态；

（4）选择小功率皮秒激光器，设定皮秒激光加工参数进行精加工，重复（3）的步骤完成后续加工。

8.根据权利要求7所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备的毛刺去除方法，其特征是，每完成一周加工，程序根据光束角度自动调节焦点位置，沿光束方向上移或者下移焦点，所述变焦点调节焦距变化范围为1-10mm，最小变焦距离10um。

9.根据权利要求7所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备的毛刺去除方法，其特征是，初始粗加工选择纳秒激光加工参数范围如下：激光功率100-500W、匀速扫描速率1-100mm/s、重复次数1-20次；精加工选择皮秒激光加工参数范围如下：激光功率1-50W、匀速扫描速率100-500mm/s、重复次数1-20次。

10.根据权利要求7所述的一种轴类件边缘毛刺激光精整加工设备的毛刺去除方法，其特征是，当进行轴类件边缘下沿加工时，选用斜向下的光速角度0-90°，当进行轴类件边缘上沿加工时，选用斜向上的光速角度0-（-90°）。

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