CN1260259A - 滚珠丝杠螺母及其制法、直线导向装置和转向用滚珠丝杠 - Google Patents

滚珠丝杠螺母及其制法、直线导向装置和转向用滚珠丝杠 Download PDF

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Abstract

一种滚珠丝杠螺母及该滚珠丝杠螺母的制造方法,对滚珠丝杠螺母1的内周面形成的滚道槽1c进行滚压成形,可省去磨削加工,而形成滚道槽1c,还可制造小直径、大导程的滚珠丝杠螺母1,又采用滚压成形的塑性加工方法,可将滚道1c表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面,形成镜面加工,减小表面粗糙度,使用磨损小且耐久性优良的滚压成形用丝锥8,可使滚道槽1c的R形状具有良好的精度。

Description

滚珠丝杠螺母及其 制法、直线导向装置和转向用滚珠丝杠
本发明涉及形成有滚珠滚动的螺旋状滚道槽的滚珠丝杠螺母、使用该滚珠丝杠螺母的直线导向装置和转向用滚珠丝杠以及滚珠丝杠螺母的制造方法。
以往，在滚珠丝杠螺母的内周面上，采用切削和磨削的方法形成滚道槽。在滚珠丝杠螺母上形成滚道槽的方法已知有以下方法：先采用钻头在坯料上钻预钻孔，再使用刀具在其预钻孔的周面进行螺旋状滚道槽的切削加工，最后使用砂轮对切削后的滚道槽表面进行磨削加工。
然而，采用以往切削加工和磨削加工方法形成滚道槽的滚珠丝杠螺母在进行小内径滚珠丝杠螺母磨削加工时，往往会出现砂轮不能进入预钻孔进行磨削加工的现象。而且，即使不是小内径而是遇到大导程的滚珠丝杠螺母时，由于导程角较大，因此砂轮插入预钻孔的量有限，往往导致不能进行磨削加工。
再则，在磨削加工时，会引起加工面剖面曲线的凹凸磨尖。其结果，在该加工面上当滚珠滚动时倒去凸部而造成磨损、产生磨损粉末以及会引起降低凸部消失部分的预压。又由于砂轮被固定在悬臂支撑的砂轮轴的前端，因此往往会在磨削加工中引起砂轮微微振动，或者因砂轮轴的挠曲而造成砂轮与磨削面分离，从而有加大表面粗糙度之虞。
另外，在磨削加工滚道槽时，因砂轮直径小，故易磨损，会降低滚道槽R形状的精度，且容易变动，进而易造成直径偏差、尺寸不一致和降低圆柱度。
为此，本发明的目的在于提供一种可形成具有小直径、大导程滚道槽的滚珠丝杠并能减小滚道槽表面粗糙度和提高滚道槽R形状精度的滚珠丝杠螺母及该滚珠丝杠螺母的制造方法。
下面说明本发明，为便于理解本发明，在附图中带括弧标记有参照编号，但并不限于以此来作为本发明的图示形态。
技术方案1的发明特点在于，在内周面上形成有滚珠2滚动的滚动道槽1c的滚珠丝杠螺母1上，滚压成形有所述的滚道槽1c，由此来解决上述的课题。
采用本发明，因滚压成形滚道槽1c，故不用磨削加工，而可形成滚道槽1c。因此也可制造小直径、大导程的滚珠丝杠螺母1。并且，通过滚压成形的塑性加工，可将滚道槽1c表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面，成为镜面加工，减小表面粗糙度。因此可减少因滚珠2滚动造成的滚道槽1c表面的磨损，保持预压，提高滚珠丝杠螺母1的耐久性。并且，不使用易磨损的砂轮，而改用磨损小且耐久性优良的滚轮成形用丝锥等塑性加工工具8，可提高滚道槽1c表面的R形状精度。
技术方案2的发明特点在于，在技术方案1的发明中，采用滚轮成形方法对所述滚道槽1c表面进行辊光加工。
采用本发明，通过辊光加工，可使滚道槽1c表面无凹凸，形成更加光滑的镜面状。
技术方案3的发明特点在于，在技术方案1或2所述的发明中，所述滚珠丝杠螺母1由与日本工业标准(JIS)SUS-27相等的不锈钢制成，滚压成形加工硬化后的表面硬度是洛氏硬度C等级中的40以上。
采用本发明，由于通过滚压成形，使滚道槽1c的金属组织形成连续的纤维状，因此可加工硬化滚道槽1c的表面，提高强度。滚珠丝杆螺母1由与日本工业标准(JIS)SUS-27相等地点不锈钢制成，加工硬化后的硬度是洛氏硬度C等级中的40以上，故可获得具有充分硬度承受滚珠2滚动的滚道槽1c。
技术方案4的发明特点在于，包括：在外周面上具有螺旋状滚道槽的滚珠丝杠轴12、包含对应于所述滚道槽的螺旋状滚道槽10a在内的设有无限循环路线的在导轨13长度方向上移动自如地支撑的滑块10以及排列放置在所述无限循环路线中的跟随所述滑块10动作而滚动的多个滚珠，在通过旋转驱动所述滚珠丝杠轴12而使所述滑块10往复运动的直线导向装置11中，对所述滑块10的滚道槽进行滚压成形。
采用本发明，除了具有与技术方案1所述的发明相同的作用和效果之外，还可以使滑块10在导轨13的长度方向较长时也能在滑块10中央形成滚道槽10a。因此，可使滑块10往复运动的力作用于滑块10的中心部，以抑制滑块10的摇摆，保持滑块10往复运动良好的平衡性。
技术方案5的发明特点在于，转向用滚珠丝杠包括：在外周面上具有螺旋状滚道槽21a的与方向盘连接的滚珠丝杠轴21、包含对应于所述滚道槽21a的螺旋状滚道槽22a在内的设有无限循环路线的在外周面上具有转向齿轮24的滚珠丝杠螺母22以及排列放置在所述无限循环路线中的在所述滚道槽之间边承受负荷边滚动的许多滚珠23…，对所述滚珠丝杠螺母22的滚道槽22a进行滚压成形。
采用本发明，正如技术方案1的发明已作的说明，因对滚珠丝杠螺母22的滚道槽22a进行了滚压成形，故可将滚道槽22a表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面，形成镜面加工。因此，可减小因滚珠23…滚动造成的滚道槽22a表面的磨损，保持预压，提高滚珠丝杠的耐久性。并且，不使用易磨损的砂轮，而改用磨损小且耐久性优良的塑性加工工具8进行滚压成形，可提高滚道槽1c表面的R形状精度。
技术方案6的发明特点在于，在滚珠丝杠螺母1上形成滚珠2滚动的螺旋状滚道槽4c的滚珠丝杠螺母1的制造方法包括：在坯料4上形成预钻孔4b的预钻孔形成工序S2以及在将塑性加工工具8插入所述预钻孔4b的同时使所述坯料4与所述塑性加工工具8相对性回转、对所述滚道槽4c进行滚压成形的滚压成形工序S4，采用这种滚珠丝杠螺母1的制造方法解决上述课题。其中，塑性加工工具8可采用滚压成形用丝锥等。
采用本发明，因具有对滚珠丝杠螺母1滚压成形滚道槽4c的滚压成形工序S4，故可只用滚压成形工序S4一道工序就可完成以往需用的切削工序和使用砂轮的磨削工序二道工序。因此，可降低滚道槽4c的加工成本，又可减少加工工时，缩短加工准备时间。
技术方案7的发明特点在于，在技术方案6的发明中，具有在所述预钻孔4b的内周面切削螺旋状槽的切削工序，在所述滚压成形工序S4中，将所述塑性加工工具8与该螺旋状槽螺纹旋合。
采用本发明，因具有在预钻孔1b内切削螺旋状槽的切削工序，故可在滚压成形工序S4中减小塑性加工工具8的加工阻力，可对加工阻力大的具有大直径滚道槽4c的滚珠丝杠螺母1进行滚压成形。
技术方案8的发明特点在于，在技术方案7的发明中，所述切削工序中形成的槽的剖面形状大致呈V字状30。
采用本发明，因切削工序时对剖面大致切削成呈V字状槽30，故在使用塑性加工工具8进行塑性加工时，被塑性加工工具8按压的坯料4的流动可以塑性加工工具8与V字状槽30最初接触点为流动的分割点而向R形状剖面的底与外侧的两个方向分开。因此，与未形成V字状槽30的平面状的预钻孔4b塑性加工时坯料4从R剖面的底流向外侧的场合相比，可缩短坯料4的流动距离。从而可减少因滚道槽4c剖面塑性变形引起的微观的弹性变形回复量，提高滚道槽4c的精度。
技术方案9的发明特点在于，在技术方案6至9中任一项所述的发明中，采用滚压成形方法对所述滚道槽4c表面进行辊光加工。
采用本发明，因在滚压成形加工中，将具有平滑表面的塑性加工工具8按压在滚道槽4c的表面，故滚道槽4c的表面因辊光作用而形成更加光滑的镜面状。
图1为本发明一实施形态的滚珠丝杠螺母剖视图。
图2为上述图1的A部放大图。
图3为滚道槽的放大剖视图(图中(A)表示滚压成形品，(B)表示磨削品)。
图4为表示表面粗糙度的曲线图(图中(A)表示滚压成形品，(B)表示研磨品)。
图5为本发明一实施形态的直线导向装置平面图。
图6为上述直线导向装置的滑块剖视图。
图7为本发明实施形态的转向用滚珠丝杠螺母剖视图。
图8为表示本发明一实施形态的滚珠丝杠螺母一制造方法的工序图。
图9为在预钻孔形成的V字状螺旋状槽立体图(图中(A)仅表示预钻孔部位的平面，(B)表示在预钻孔形成的V字状螺旋状槽)。
图10为表示滚压成形时材料流动的模式图(图中(A)表示对平面滚压成形的场合，(B)表示对V字槽滚压成形的场合)。
图11为表示滚道槽中的坯料流动的剖视图。
图12为滚压成形用丝锥的平面图。
图13为图12的B部放大图。
发明的实施形态
图1表示本发明一实施形态的滚珠丝杠1。滚珠丝杠螺母1略呈圆筒状，其一端具有与搬送机器等连接用的凸缘1a。在滚珠丝杠螺母1的内周面上，形成滚珠滚动的滚道槽1c。在滚珠丝杠螺母1的外周面上，形成削平的平面部1b。在该平面部1b上，结合有将滚道槽1c一端与另一端连接的形成无负荷回复通道的回流管等构件。在由滚道槽1c与无负荷回复通道构成的无限循环路线中，排列放置有滚珠。滚珠在承受负荷的同时在滚道槽1c内滚动，经过无负荷回复通道重新返回滚道槽。另外，如图2所示，滚道槽1c的剖面既可形成将略大于滚珠2半径的曲率半径R的2个圆弧组合而成的形状(哥德式尖拱槽)，也可由略大于滚珠2的曲率半径的1个圆弧形成(环形圆弧槽)。
对滚珠丝杠螺母1内周面形成的滚道槽1c进行滚压成形。通过滚道槽1c的滚压成形，就不再需要象以往那样使用砂轮来磨削加工滚道槽1c。因此，对不能插入砂轮的小直径滚珠丝杠螺母8也能形成滚道槽1c。并且，在磨削加工中，磨削大导程的滚道槽1c时需要加大砂轮的砂轮轴倾斜角度。为此，砂轮进入预钻孔4b内的量受到限制，往往不能进行大导程的滚道槽1c的磨削加工，若采用滚压成形后的滚珠丝杠螺母1，则只要加大形成滚道槽1c的滚压成形用丝锥的导程，就可容易地形成大导程的滚道槽1c。
图3表示滚道槽1c的剖面形状比较，图中(A)表示滚压成形品，(B)表示磨削品。如图所示，滚压成形品(A)比磨削品(B)更能提高滚道槽1c的R形状精度。例如，滚压成形品(A)能在滚道槽1c的边缘部3获得左右对称的良好形状，并且，滚压成形品(A)的滚珠接触角α大于磨削品(B)的滚珠接触角β，可获得理想的滚珠接触角。由于不使用易磨损的砂轮，而改用磨损小且耐久性优良的滚压成形用丝锥进行滚压成形，故可提高滚道槽表面的R形状精度，可获得减少直径的偏差、使尺寸一致的圆柱度优良的滚珠丝杠螺母。
图4对滚压成形品(A)与磨削品(B)的滚道槽1c的表面粗糙度作了比较。如图所示，滚压成形品(A)的表面粗糙度比磨削品(B)的表面粗糙度小。滚道槽1c的表面采用滚压成形进行辊光加工。因此，滚道槽表面因辊光作用削去凹凸，形成平滑的镜面状。因滚道槽1c的表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面，故可减小因滚珠滚动造成的滚道槽1c表面的磨损，保持预压，提高滚珠丝杠1的耐久性。
滚珠丝杠螺母1的材质由与日本工业标准(JIS)SUS-27相等的不锈钢制成。在此，与(JIS)SUS-27相等的不锈钢是指化学成分范围如表1所示的奥氏体系不锈钢。
                           表1
  JIS                              化学成分％
SUS-27     C     SI     Mn     P     S     Ni     Cr     Mo     Cu     其它
    0.08以下     1.00以下     2.00以下     0.040以下     0.030以下     8.00～10.60 18.00～20.00
因采用滚压成形方法使滚道槽1c的金属组织形成连续的纤维状，故滚道槽1c的表面加工硬化，提高了强度。滚道槽1c的加工硬化后的硬度为洛氏硬度c等级中的40以上。由于滚珠丝杠螺母1由与日本工业标准(JIS)SUS-27相等的不锈钢制成，加工硬化后的硬度在洛氏硬度C等级中的40以上，因此可获得具有充分硬度承受滚珠2滚动的滚道槽1c。
图5表示本发明一实施形态的直线导向装置11。该直线导向装置11包括：在外周面具有螺旋状滚道槽的滚珠丝杠轴12、包含对应于所述滚道槽的螺旋状滚道槽的设置有无限循环路线的滑块10以及排列放置在所述无限循环路线内的跟随滑块10动作而滚动的多个滚珠(未图示)。滑块10沿导轨13长度方向移动自如地受支撑。该导轨13相对长度方向呈直角的剖面形状作成大致U字状。在导轨13相对的内侧面13a、13b上，沿长度方向形成导轨用滚道槽。在滑块10上还形成包含对应于所述导轨用滚道槽的导轨用滚道槽在内的导轨用无限循环路线。在该导轨用无限循环路线中也排列放置多个滚珠。这些滚珠随着滑块10的移动，在导轨用无限循环路线中循环。采用电动机14旋转驱动滚珠丝杠轴12，使移动自如地支撑在导轨13长度方向上的滑块10进行往复运动，这是一种众所周知的直线导向装置。
图6表示滑块10的剖面。对滑块10内周面形成的滚道槽10a进行滚压成形。通过滚道槽10a的滚压成形，即使从滑块10端部至槽加工位置的距离L是较长的场合，也能形成滚道槽10a。因此，不存在如磨削加工时那样的从滑块10端部可插入砂轮的距离受到限制，可在滑块10中央形成滚道槽10a。由于在滑块10中央形成滚道槽10a，因此可使受导轨13支撑的滑块10往复运动的力作用于滑块10的中心部，抑制滑块10的摇摆，保持滑块10往复运动良好的平衡性。
图7表示转向用滚珠丝杠螺母。在方向盘(未图示)上，连接着外周面上具有螺旋状丝杠轴用滚道槽21a的丝杠轴21。另外在滚珠丝杠螺母22的内周面上，形成具有对应于丝杠轴用滚道槽21a的螺旋状滚道槽22a的无限循环路线。在该无限循环路线中，排列放置许多滚珠23…。这些滚珠23…在所述滚道槽21a、2a之间边承受负荷边滚动。在滚珠丝杆螺母22的外周面上，形成由齿条组成的转向齿轮24。转向臂5具有与该转向齿轮24啮合的扇形齿轮26。方向盘一转动，丝杠轴21就旋转，滚珠丝杠螺母22沿丝杠轴21的轴向移动。随着滚珠丝杠螺母22的移动，转向臂25产生摇头运动。由于排列放置有许多滚珠23…，就使滚珠23…与丝杠轴2 1以及滚珠丝杠螺母22之间形成滚动接触，可减小摩擦，减轻方向盘的操作力。
该滚道槽22a与上述的滚珠丝杠螺母1一样进行滚压成形。由于对滚珠丝杠螺母22的滚道槽22a进行了滚压成形，故可对滚道槽22a表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面，形成镜面加工。因此，可减小因滚珠23…滚动造成的滚道槽22a表面的磨损，保持预压，提高转向用滚珠丝杠的耐久性。并且，由于不使用易磨损的砂轮，而改用磨损小且耐久性优良的滚压成形用丝锥进行滚道槽22a的滚压成形，故可提高滚道槽22a表面的R形状精度。
图8表示本发明一实施形态的滚珠丝杠螺母1的一制造方法。首先，使用刀具5对圆筒状的坯料4的外周进行切削加工，在坯料4上形成凸缘4a(S1)，此时，将坯料4的外径切削成稍大于精加工尺寸。接着，使用钻头6在坯料4上形成预钻孔4b(S2)。该预钻孔4b的直径应考虑到滚压成形加工时的滚道槽附近的坯料4流动因素而选择最佳的尺寸。其次，使用镗孔刀具7将预钻孔4b扩孔至正确的尺寸(S3)。此时，预钻孔4b的表面粗糙度可加工至6.3S以上。接着以100-200rpm转速使坯料4低速旋转，将滚压成形用丝锥8插入预钻孔4b，在坯料4上滚压成形出滚道槽4c(S4)。通过使用具有平滑面的滚压成形丝锥8的滚压成形方法，对滚道槽4c的表面进行辊光加工。在该滚压成形工序中，充分添加切削油，以防止坯料4的发热。再接着，使用端铣刀9，在坯料4上进行使滚珠循环用的回流部4d的槽加工。并使用刀具5切削坯料4的外径，精加工外径(S5)。最后，再次将滚压成形
用丝锥8穿过坯料4的滚道槽4c，去除滚道槽4c的毛刺。
在滚压成形工序(S4)中，因在坯料4上形成了滚道槽4c，故不再需要如以往那样使用砂轮磨削滚道槽的磨削工序。因此，可减少滚道槽4c的加工成本，又可减少加工工时，缩短加工准备时间。
在大内径的坯料4滚压成形时，可在形成预钻孔4b的预钻孔形成工序(S2、S3)与在预钻孔4b进行滚压成形滚道槽4c的滚压成形工序(S4)之间，设置一个使用刀具或切削丝锥在预钻孔4b内周面上切削螺旋状槽的切削工序。即，在预钻孔4b的内周面上切削螺旋状槽之后，将滚压成形用丝锥旋入螺旋状的槽内，在坯料4上进行滚道槽4c的滚压成形。
由此，因设置有在预钻孔4b内切削螺旋状槽的切削工序，故可减小滚压成形工序中的滚压成形用丝锥8的加工阻力，也可对具有大直径的滚道槽4c的滚珠丝杠螺母进行滚压成形。
如图9所示，用切削工序形成的槽有时也会形成其剖面形状略呈V字状的螺旋槽。图9中的(A)表示只形成预钻孔4b的坯料4，(B)表示在预钻孔4b内进行螺旋状剖面V字状槽30的切削加工后的坯料4。并且，在图10中，对坯料4切开后的一部分4e的流动作了比较。图10中(A)表示使用滚压成形用丝锥8只对预钻孔4b形成的平面4f进行滚压成形的场合，(B)表示使用滚压成形用丝锥8对预钻孔4b形成的螺旋状剖面V字状槽30进行滚压成形的成全。
如图10和图11所示，利用滚压成形用丝锥8的按压，坯料4以滚道槽4c的R形状的底31作为分割点，从底31向图中左右方向的外侧(图中C方向)流动。对此，在V字状槽30滚压成形时，坯料4以滚压成形用丝锥8与V字状槽30的最初接触点32为流动的分割点，可向R剖面的底(图中b方向)和外侧(图中a方向)的两个方向分开。因此，与坯料4从R剖面的底31向外侧流动的场合相比，可缩短坯料4流动的距离，减少因滚道槽4c的剖面塑性变形造成的微观的弹性变形回复量，故可提高滚道槽4c的精度。又由于是在接触角线上取得滚压成形用丝锥8与V字状槽30的最初接触点32(流动的分割点)，因此可以接触角线为起点将坯料4的流动分开。
如图12和图13所示，滚压成形用丝锥8由夹持在机床上的方形部35a、柄部35b和滚压成形刀刃部35c组成。滚压成形用丝锥8的材质为SUS 440。在滚压成形刀刃部35c上，形成螺旋状的螺纹牙。在滚压成形刀刃部35c的前端呈锥形，以改善向坯料4的切入性。如图13所示，螺纹牙的剖面大致呈弧状。该螺纹牙的剖面既可与滚道槽4c的剖面一致，形成将略大于滚动2…半径的曲率半径R的2个圆弧组合后的形状(哥德式尖拱槽)，也可形成将略大于滚珠2…半径的曲率半径R的1个圆弧组合后的形状(环形圆弧槽)。并且，在滚压成形刀刃部35c上，设有圆周方向4等分的槽35d。在滚压成形刀刃部35c的表面实施镀锡，使其表面平滑。另外，在滚压成形工序之前设置有切削螺旋状槽或剖面V字状的螺旋状槽30的切削工序时，也可以在滚压成形刀刃部35c的前端，将连续具有同一导程的切削刀刃部与滚压成形刀刃部35c一体形成。
综合以上说明，采用本发明，由于对滚珠丝杠螺母的滚珠滚动的滚道槽进行了滚压成形，不再需要磨削加工，而可形成滚道槽，因此也可制造小直径、大导程的滚珠丝杠螺母。并且，采用滚压成形方法的塑性加工，可将滚道槽表面加工成轮廓清晰的无凹凸的平坦面，形成镜面加工，减小表面粗糙度。另外，不再使用易磨损的砂轮，采用磨损小且耐久性优良的滚压成形用丝锥等的塑性加工工具进行滚压成形，故可将滚道槽表面的R形状精度制作得良好。

Claims (9)

1.一种滚珠丝杠螺母，在其内周面上形成有滚珠滚动的滚道槽，其特征在于，对所述滚道槽进行了滚压成形。
2.如权利要求1所述的滚珠丝杠螺母，其特征在于，采用滚压成形方法对所述滚道槽进行辊光加工。
3.如权利要求1或2所述的滚珠丝杠螺母，其特征在于，所述滚珠丝杠螺母由与日本工业标准(JIS)SUS-27相等的不锈钢制成，滚压成形加工硬化后的所述滚道槽表面硬度为洛氏硬度C等级中的40以上。
4.一种直线导向装置，包括在外周面具有螺旋状滚道槽的滚珠丝杠轴、包含对应于所述滚道槽的螺旋状滚道槽在内的设置有无限循环路线的移动自如支撑在导轨长度方向上的滑块以及排列放置在所述无限循环路线中的跟随所述滑块动作而滚动的多个滚珠，通过旋转驱动所述滚珠丝杠轴使所述滑块往复运动，其特征在于，对所述滑块的滚道槽进行了滚压成形。
5.一种转向用滚珠丝杠，包括在外周面具有螺旋状滚道槽的与方向盘连接的滚珠丝杠轴、包含对应于所述滚道槽的螺旋状滚道槽在内的设置有无限循环路线的在外周面上具有转向齿轮的滚珠丝杠螺母以及排列放置在所述无限循环路线中的在所述滚道槽之间边承受负荷边滚动的许多滚珠，其特征在于，对所述滚珠丝杠螺母的滚道槽进行了滚压成形。
6.一种滚珠丝杠螺母的制造方法，在滚珠丝杠螺母上形成有滚珠滚动的螺旋状滚道槽，其特征在于，包括：在坯料上形成预钻孔的预钻孔形成工序；在将塑性加工工具插入所述预钻孔的同时使所述坯料与所述塑性加工工具相对旋转对所述滚道槽进行滚压成形的滚压成形工序。
7.如权利要求6所述的滚珠丝杠螺母的制造方法，其特征在于，具有在所述预钻孔的内周面切削螺旋状槽的切削工序，在所述滚压成形工序中，将所述塑性加工工具与该螺旋状槽螺纹旋合。
8.如权利要求7所述的滚珠丝杠螺母的制造方法，其特征在于，在所述切削工序中形成的槽剖面形状大致呈V字状。
9.如权利要求6至8中任一项所述的滚珠丝杠螺母的制造方法，其特征在于，采用滚压成形方法对所述滚道槽表面进行辊光加工。
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