CN111716157B - 一种复杂结构的抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种复杂结构的抛光方法及装置，基于剪切增稠与化学复合效应实现，属于精密/超精密加工领域。装置包括抛光系统、抛光液循环装置、水平振动装置和竖直振动装置。方法通过配制具有剪切增稠效应的抛光液，利用抛光液中的化学物质将工件表面快速氧化生成一层容易去除的化学反应层；通过工件振动与抛光液旋转耦合的方式保证抛光液能够发生剪切增稠现象，通过粒子簇的微切削作用去除化学反应层；新鲜表面再次与化学物质反应继而再次被去除。通过剪切增稠与化学复合效应可大幅度提高抛光效率，而且可以获得超光滑、少/无损伤的抛光表面。本发明可用于解决复杂结构的特殊位置难以抛光、抛光均匀性差、抛光效率低、抛光表面质量不高等问题。

Description

一种复杂结构的抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种复杂结构的抛光方法及装置，具体涉及一种基于剪切增稠与化学复合效应的振动抛光复杂结构的方法及装置。
背景技术
各种复杂结构在航空航天、航海、生物置换、电器、武器、汽车、医疗等领域的应用越来越广泛。例如，复杂结构的航空发动机叶片可以有效的提高工作性能；复杂结构或非球面光学零件能有效的矫正各种类型像差，大大提高了仪器设备的识别能力；复杂结构的发动机可有效提高工作效能；同时，随着产品外形设计日趋复杂、高精度、细微化，生物医疗、模具、汽车零部件越来越多的应用了复杂结构。
随着对复杂结构零件使用性能要求和需求量的不断提高，对其抛光的要求在于一方面要保证零件的面形精度和表面质量，另一方面要提高加工效率。目前对于复杂结构的加工，常见的抛光技术包括计算机控制表面成型技术、磨粒射流抛光技术、电解抛光技术等。计算机控制表面成型技术一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率变化，以牺牲抛光效率来获得较高的面形精度，因此，效率与精度很难兼顾，同时表面质量对磨粒尺寸较敏感。磨粒射流抛光技术包括气射流抛光、水射流抛光、冰粒射流抛光等，其主要通过喷嘴小孔高速喷出的混有磨粒的抛光液作用于工件表面，利用磨粒粒子的高效碰撞剪切作用达到磨削去除材料的效果。例如东北大学【Z.Wang,H.Li,Y.Tian,Z.Wang and J.Zhao.“Analytical model of dynamic and overlapped footprints in abrasive air jetpolishing of optical glass.”International Journal of Machine Tools andManufacture,2019,141:59-77.】利用气射流抛光技术对光学玻璃表面进行加工，得到较好的表面质量。但是这种抛光方法由于喷嘴尺寸较小、极易堵塞且一般为单喷嘴方式、作用点小等限制，抛光效率较低。电解抛光加工质量较好，加工效率高，但仅适用于部分金属工件，且电解液易对环境产生不利影响。
专利(CN201210192915.8)公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面的抛光方法。该方法是利用非牛顿流体的粘度随剪切速率非线性变化特性，依靠加工区域受剪切作用而使抛光液表观粘度增大，增大磨粒把持力，从而利用磨粒产生的微切削作用实现材料去除。但是这种抛光方法仅仅依靠抛光液转动实现剪切增稠抛光加工效率较低，而且很难实现整个复杂结构的全表面有效均匀抛光。
发明内容
针对复杂结构抛光存在诸如复杂结构的特殊位置难以抛光、抛光均匀性差、抛光效率低、抛光表面质量不高等问题，本发明提供一种基于剪切增稠与化学复合效应的振动抛光复杂结构的方法和装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种复杂结构的抛光装置，基于剪切增稠与化学复合效应实现，包括抛光系统、抛光液循环装置、振动装置。所述抛光系统与抛光液循环装置连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠与化学复合效应的抛光液，抛光液从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环装置，经抛光液循环装置后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程。所述的抛光系统内设有旋转装置、搅拌装置，带动抛光液以一定转速旋转，并使其均匀分散。工件与振动装置连接，并浸入抛光液内，通过工件振动与抛光液旋转耦合的方式使抛光液发生剪切增稠现象，完成工件表面的振动抛光。具体的：
一种复杂结构的抛光装置，包括抛光系统、抛光液循环装置、水平振动装置和竖直振动装置。
所述的抛光系统包括抛光液3、抛光池17、旋转装置和搅拌装置16。所述抛光液3置于抛光池17内，抛光液3由磨粒24、多羟基聚合物25、pH调节剂、氧化剂和防腐剂在去离子水中超声混合均匀而成。所述旋转装置包括转动盘18和步进电机19，转动盘置于抛光池17底部，由步进电机19驱动旋转，带动抛光液3以一定转速旋转。所述搅拌装置16置入抛光池17内，用于搅拌抛光液3，使抛光液3均匀分散。所述抛光系统与抛光液循环装置相连接，抛光液3从抛光池17底部侧面流出通过管路进入抛光液循环装置。
所述抛光液循环装置位于抛光池17下方，包括循环管路1及通过循环管路1依次相连的过滤装置22、柱塞泵21和温控装置20。所述循环管路1两端分别与抛光池17侧面顶端与底部连接，用于抛光液3的循环流动。所述抛光液3从抛光池17一侧面底部流出进入抛光液循环装置后首先流入过滤装置22，过滤掉抛光过程中产生的大颗粒磨屑；过滤装置22通过循环管路1与柱塞泵21连接，柱塞泵21为抛光液3循环流动提供动力，确保循环过程持续进行；所述柱塞泵21一侧与过滤装置22连接，另一侧通过循环管路1经过温控装置20与抛光池17另一侧面顶部连通，抛光液3从顶部进入抛光池17，完成整个抛光液循环过程。所述温控装置20包括温度传感器A与温度调节装置B，用于保证整个循环系统中的抛光液3温度恒定，确保抛光液3的粘度等物理性质不发生变化，保证抛光条件的一致性。
所述水平振动装置包括固定支座2、滑轨5、第一滑块4、第一夹具6、水平方向振动器7和第二滑块13。所述固定支座2呈L型，固定支座2的竖直端与外部支撑固接，水平端置于抛光池17上方，端部与滑轨5连接，滑轨5与第一滑块4配合连接，使第一滑块4在竖直方向有一定行程。所述第一夹具6与第一滑块4通过螺栓连接，水平方向振动器7通过螺栓与第一夹具6连接。所述第二滑块13与水平方向振动器7的输出端连接。
所述竖直振动装置置于抛光池17上方，从上至下依次为固定台9、第二夹具10、竖直方向振动器11、T型滑轨12、电主轴14、连接块8和工件15。所述固定台9起支撑作用，第二夹具10通过螺栓与固定台9底部连接。所述竖直方向振动器11通过螺栓与第二夹具10连接。所述T型滑轨12与竖直方向振动器11的输出端连接，T型滑轨12水平部分为滑轨。所述电主轴14与第二滑块13的下端连接，为工件15自转提供动力。所述连接块8与电主轴14连接，工件15粘接在连接块8底部。
一种基于上述装置实现的复杂结构抛光方法，该方法利用非牛顿流体抛光液3中的氧化剂与工件15表面生成一层易去除的化学反应层，然后通过工件振动与抛光液旋转耦合的方式使抛光液发生剪切增稠现象，抛光液3中的多羟基聚合物将磨粒包裹，形成粒子簇26，增大磨粒把持力，利用粒子簇26的微切削作用去除化学反应层。新鲜表面再次与抛光液中的氧化剂反应生成化学反应层，继而再次被去除，这样不断进行反应、去除，最终可获得平整光洁的表面，实现对工件15表面的抛光。复杂结构工件由于具有不规则的几何结构，抛光液中的化学物质与工件的表面层快速反应生成化学反应层，工件在自转的同时分别通过一定振幅和频率的水平振动和竖直振动，同时结合抛光液的旋转，保证在此条件下抛光液可发生剧烈的剪切增稠现象，使得粒子簇可以冲刷到复杂结构的各工作表面将化学反应层去除，实现工件的高效抛光，可获得超光滑、低损伤甚至无损伤的工作表面。具体步骤如下：
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液3，将磨粒24、多羟基聚合物25、pH调节剂、氧化剂和防腐剂以一定比例在去离子水中超声混合均匀，然后加入抛光池17中。将水平方向振动器7和竖直方向振动器11分别通过第一夹具6、第二夹具10固定在对应位置，将T型滑轨12与竖直方向振动器11连接，将第二滑块13与水平方向振动器7连接。电主轴14连接在第二滑块13下方，待抛光工件15通过连接块8固定在电主轴14下，其中，在预设的振幅区间待抛光工件15始终浸没在抛光液3中。
第二步，启动抛光液循环装置，具有剪切增稠效应的抛光液3从抛光池17顶部流入，并从底部流出，经过抛光液循环装置过滤掉抛光过程中产生的大颗粒磨屑并保持抛光液3处于恒定温度；利用搅拌装置16使抛光液3均匀分散。
第三步，启动步进电机19，按照指定转速带动转动盘18旋转，进而带动抛光液3旋转，确保工件15与抛光液3的相对运动能够使抛光液3发生剪切增稠现象。抛光液3中的氧化剂与工件15表面快速反应，抛光液3中的多羟基聚合物25将磨粒24包裹形成粒子簇26，增大磨粒把持力，通过粒子簇26的微切削作用去除化学反应层27，快速高效。其中，步进电机19设置转速为500-1000rpm。
第四步，启动竖直方向振动器11，预设振幅和频率，确保在此振动速率下工件15和抛光液3的相对运动能够使抛光液3发生剪切增稠现象，同时开启电主轴14按一定转速带动工件15自转，竖直工作面抛光达到要求后关闭竖直方向振动器11；其中，竖直方向振动器11预设的振动频率设置为25-35Hz，振幅设置为20-30mm。
第五步，开启水平方向振动器7，与竖直方向振动器预设值相同，直至复杂结构全部工作面抛光达到要求。其中，水平方向振动器7预设的振动频率设置为25-35Hz，振幅设置为20-30mm。
第六步，关停装置，将工件15取下在去离子水中清洗，然后干燥。
进一步的，所述具有剪切增稠效应的抛光液3包括磨粒24、多羟基聚合物25、pH调节剂、氧化剂、防腐剂、去离子水，pH值为3-4。其中，所述多羟基聚合物25质量分数为50-60wt％；所述磨粒24选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径5-10μm，质量分数为20-25wt％；所述防腐剂选用苯甲酸钠，质量分数0.1～0.5wt％；所述氧化剂为过氧化氢，质量分数为8-10wt％；所述pH调节剂为氢氧化钠和苹果酸，质量分数分别为0.1-0.3wt％和0.5-0.7wt％。其余为去离子水。
本发明的有益效果主要体现在：(1)本发明基于剪切增稠机理通过竖直、水平振动结合工件自转的方式可有效实现复杂结构全工作面的抛光。(2)本发明抛光工具为柔性液体，可以对不规则的几何结构与面形进行均匀抛光。(3)通过化学与振动旋转耦合的加工方式可大幅度提高抛光效率。(4)本发明能够得到超光滑、低损伤甚至无损伤的表面。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明实施例中工件局部放大结构图；
图3为此装置振动旋转抛光复杂结构示意图，图中①为水平振动，②为竖直振动；
图4(a)为竖直振动旋转下抛光原理示意图；
图4(b)是水平振动旋转下抛光原理示意图。
图5为抛光微观图。
图中：1循环管路；2固定支座；3抛光液；4第一滑块；5滑轨；6第一夹具；7水平方向振动器；8连接块；9固定台；10第二夹具；11竖直方向振动器；12T型滑轨；13第二滑块；14电主轴；15工件；16搅拌装置；17抛光池；18转动盘；19步进电机；20温控装置；21柱塞泵；22过滤装置；23局部放大结构；24磨粒；25多羟基聚合物；26粒子簇；27化学反应层；28局部放大剖切结构。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理及技术方案进行清楚、完整的描述。
采用附图1所示的装置示意图并参照图2、3、4(a)、4(b)、5实现对复杂结构全工作面的抛光。
一种基于剪切增稠与化学复合效应的振动抛光复杂结构的装置，包括抛光系统、抛光液循环装置、水平振动装置和竖直振动装置。所述抛光系统包括抛光液3、抛光池17、转动盘18、步进电机19和搅拌装置16。所述抛光液3由磨粒24、多羟基聚合物25、pH调节剂、氧化剂和防腐剂在去离子水中超声混合均匀，可以产生剪切增稠效应。所述转动盘18由步进电机19驱动旋转，带动抛光液3以一定转速旋转。所述的搅拌装置16置入抛光池17内搅拌抛光液3，使抛光液3均匀分散。作为本发明的一种优选方案，所述抛光液循环装置包括循环管路1、过滤装置22、柱塞泵21和温控装置20。所述循环管路1两端分别与抛光池17侧面顶端与底部连接，用于抛光液3的循环流动。所述过滤装置22与循环管路1底端流出处相连，用于过滤抛光过程中产生的大颗粒磨屑。所述柱塞泵21与过滤装置22流出的循环管路1连接，作用是为抛光液3循环流动提供动力。所述温控装置20包括温度传感器A与温度调节装置B，一端通过循环管路1与柱塞泵21连接，另一端通过循环管路1与抛光池17顶部连接。所述温度传感器A用于感应测量抛光液温度。所述温度调节装置B用于保持抛光液温度恒定。抛光液3由抛光池17底部流出经过循环管路1与过滤装置22连接，过滤大颗粒磨屑，通过柱塞泵21为抛光液3流动提供动力，确保抛光液3持续流出，通过温控装置20保持恒定温度确保抛光液3粘度等物理性质不发生变化，抛光液3从抛光池17顶端流入抛光池17，完成抛光液3循环过程。所述水平振动装置包括固定支座2、滑轨5、第一滑块4、第一夹具6、水平方向振动器7和第二滑块13。所述固定支座2呈L型，竖直端与外部支撑固接。所述滑轨5与固定支座2水平端连接。所述第一滑块4与滑轨5配合连接，第一滑块4在竖直方向有一定行程。所述第一夹具6与第一滑块4通过螺栓连接。所述水平方向振动器7通过螺栓与第一夹具6连接。所述第二滑块13与水平方向振动器7的输出端连接。所述竖直振动装置包括固定台9、第二夹具10、竖直方向振动器11、T型滑轨12、电主轴14、连接块8和工件15。所述固定台9起支撑作用。所述第二夹具10通过螺栓与固定台9连接。所述竖直方向振动器11通过螺栓与第二夹具10连接。所述T型滑轨12与竖直方向振动器11的输出端连接，T型滑轨12的水平部分为滑轨。所述电主轴14与第二滑块13的下端连接，为工件15自转提供动力。所述连接块8与电主轴14连接，工件15通过蜡粘接在连接块8上。
一种基于上述装置实现振动抛光复杂结构的方法，包括以下步骤：
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液，将20wt％的碳化硅磨粒(粒径为5μm)、55wt％的多羟基聚合物、10wt％的过氧化氢和0.3wt％的苯甲酸钠加入到去离子水中超声混合均匀，将0.5wt％的苹果酸溶解在溶液中，使用0.1wt％的NaOH调节溶液的pH值为3.5，然后将抛光液3加入抛光池17。将水平方向振动器和竖直方向振动器分别通过夹具固定在对应位置，将T形滑轨与第二滑块连接对应振动器，电主轴连接在第二滑块下方，待抛光工件15通过连接块8固定在电主轴下(在预设的振幅区间所述待抛光工件15始终浸没在抛光液3中)。
第二步，启动抛光液循环装置，具有剪切增稠效应的抛光液3从工作台顶部流入，并从底部流出，经过抛光液循环装置过滤抛光过程中产生的大颗粒磨屑；利用搅拌装置16使抛光液均匀分散。
第三步，启动步进电机19，设置转速700rpm带动转动盘18旋转，转动盘18带动抛光液3旋转，确保在此转动速率下工件15与抛光液3的相对运动能够使抛光液3发生剪切增稠现象，抛光液3中的氧化剂与工件15表面快速反应生成一层化学反应层，在发生剪切增稠效应的反应区域抛光液3中分散的多羟基聚合物25迅速聚集将磨粒24包裹形成粒子簇26，增大磨粒24把持力，从而利用粒子簇26的微切削作用去除化学反应层，在抛光过程中不断反应、去除，实现对工件15工作面的抛光。
第四步，启动竖直方向振动器(振动频率设置为25Hz，振幅设置为20mm)，确保在此振动速率下工件15和抛光液3的相对运动能够使抛光液3发生剧烈的剪切增稠作用，同时开启电主轴14(设置转速15rpm)带动工件15自转，竖直工作面抛光达到要求后关闭竖直方向振动器；
第五步，开启水平方向振动器(振动频率设置为25Hz，振幅设置为20mm)，直至复杂结构全部工作面抛光完成。
第六步，关停装置，将工件15取下在去离子水中清洗，然后干燥。
为方便阐述抛光原理，如图2所示，将工件局部放大，局部放大结构23同时具有横向与纵向方向通孔特征；为方便观察抛光时不同表面的抛光状态，在图4(a)(b)中展示了局部放大结构的剖切结构示意图，将局部放大剖切结构28置于示意图的右上方。
如图4(a)所示，当工件竖直振动时，由于工件与抛光液的相对运动，在纵向孔内表面处抛光液发生剪切增稠现象使得纵向孔得到有效抛光；而横向孔内表面处抛光液未发生剪切增稠现象，几乎没有抛光效果；
如图4(b)所示，当工件水平振动时，由于工件与抛光液的相对运动，在横向孔内表面处抛光液发生剪切增稠现象使得横向孔得到有效抛光；而纵向孔内表面处抛光液未发生剪切增稠现象，几乎没有抛光效果；
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种复杂结构的抛光装置，其特征在于，所述的装置包括抛光系统、抛光液循环装置、振动装置；所述抛光系统与抛光液循环装置连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠与化学复合效应的抛光液，抛光液从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环装置，经抛光液循环装置后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程；所述述抛光系统内设有旋转装置、搅拌装置，带动抛光液以一定转速旋转，并使其均匀分散；工件与振动装置连接，并浸入抛光液内，通过工件振动与抛光液旋转耦合的方式使抛光液发生剪切增稠现象，完成工件表面的振动抛光；具体地，
所述的振动抛光复杂结构的装置包括抛光系统、抛光液循环装置、水平振动装置和竖直振动装置；
所述的抛光系统包括抛光液(3)、抛光池(17)、旋转装置和搅拌装置(16)；所述抛光液(3)置于抛光池(17)内；所述旋转装置包括转动盘(18)和步进电机(19)，转动盘(18)置于抛光池(17)底部，由步进电机(19)驱动旋转，带动抛光液(3)旋转；所述搅拌装置(16)置入抛光池(17)内，使抛光液(3)均匀分散；所述抛光系统与抛光液循环装置相连接，抛光液(3)从抛光池(17)底部侧面流出通过管路进入抛光液循环装置；
所述抛光液循环装置位于抛光池(17)下方，包括循环管路(1)及通过循环管路(1)依次相连的过滤装置(22)、柱塞泵(21)和温控装置(20)；所述循环管路(1)两端分别与抛光池(17)两侧面的顶端、底部连接，用于抛光液(3)的循环流动；所述抛光液(3)从抛光池(17)一侧面底部流出进入抛光液循环装置后首先流入过滤装置(22)，过滤装置(22)通过循环管路(1)与柱塞泵(21)连接，柱塞泵(21)为抛光液(3)循环流动提供动力；所述柱塞泵(21)一侧与过滤装置(22)连接，另一侧通过循环管路(1)经过温控装置(20)与抛光池(17)另一侧面顶部连通，抛光液(3)从顶部进入抛光池(17)，完成整个抛光液循环过程；所述温控装置(20)包括温度传感器与温度调节装置，用于保证整个循环系统中的抛光液(3)温度恒定；
所述水平振动装置包括固定支座(2)、滑轨(5)、第一滑块(4)、第一夹具(6)、水平方向振动器(7)和第二滑块(13)；所述固定支座(2)呈L型，固定支座(2)的竖直端与外部支承固接；水平端置于抛光池(17)上方，端部与滑轨(5)连接，滑轨(5)与第一滑块(4)配合连接，使第一滑块(4)在竖直方向有一定行程；所述第一夹具(6)与第一滑块(4)连接，水平方向振动器(7)与第一夹具(6)连接；所述第二滑块(13)与水平方向振动器(7)的输出端连接；
所述竖直振动装置置于抛光池(17)上方，从上至下依次为固定台(9)、第二夹具(10)、竖直方向振动器(11)、T型滑轨(12)、电主轴(14)、连接块(8)和工件(15)；所述固定台(9)起支撑作用，第二夹具(10)与固定台(9)底部连接；所述竖直方向振动器(11)与第二夹具(10)连接；所述T型滑轨(12)与竖直方向振动器(11)的输出端连接，T型滑轨(12)水平部分为滑轨；所述电主轴(14)与第二滑块(13)的下端连接，为工件(15)自转提供动力；所述连接块(8)与电主轴(14)连接，工件(15)粘接在连接块(8)底部。
2.一种基于权利要求1所述抛光装置实现复杂结构的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将磨粒(24)、多羟基聚合物(25)、pH调节剂、氧化剂和防腐剂以一定比例在去离子水中超声混合均匀得到抛光液(3)，将抛光液(3)加入抛光池(17)中；将水平方向振动器(7)和竖直方向振动器(11)分别通过第一夹具(6)、第二夹具(10)固定在对应位置，将待抛光工件(15)通过连接块(8)固定在电主轴(14)下，在预定的振幅区间待抛光工件(15)始终浸没在抛光液(3)中；
第二步，启动抛光液循环装置，抛光液(3)从抛光池(17)顶部流入，并从底部流出，经过抛光液循环装置过滤掉抛光过程中产生的磨屑并保持抛光液(3)处于恒定温度；利用搅拌装置(16)使抛光液(3)均匀分散；
第三步，启动步进电机(19)，按照指定转速带动转动盘(18)旋转，进而带动抛光液(3)旋转，确保待抛光工件(15)浸入在均一状态的抛光液(3)中，且在此转动速率下工件(15)与抛光液(3)的相对运动能够使抛光液发生剪切增稠现象；其中，步进电机(19)的设置转速为500-1000rpm；
第四步，启动竖直方向振动器(11)，预设振幅和频率，确保在此振动速率下工件(15)和抛光液(3)的相对运动能够使抛光液(3)发生剪切增稠现象，同时开启电主轴(14)按一定转速带动工件(15)自转，竖直工作面抛光达到要求后关闭竖直方向振动器(11)；其中，竖直方向振动器(11)预设的振动频率设置为25-35Hz，振幅设置为20-30mm；
第五步，开启水平方向振动器(7)，与竖直振动器预设值相同，直至复杂结构全部工作面抛光达到要求；
第六步，关停装置，将工件(15)取下在去离子水中清洗后干燥。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的抛光液(3)pH值为3-4；其中，多羟基聚合物(25)质量分数为50-60wt％；磨粒(24)选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径5-10μm，质量分数为20-25wt％；防腐剂选用苯甲酸钠，质量分数0.1～0.5wt％；氧化剂为过氧化氢，质量分数为8-10wt％；pH调节剂为氢氧化钠和苹果酸，质量分数分别为0.1-0.3wt％和0.5-0.7wt％；其余为去离子水。
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