DE2238190A1

DE2238190A1 - SELF-CALIBRATING PRESS-FITTING RIVET AND PROCEDURE FOR USING IT

Info

Publication number: DE2238190A1
Application number: DE19722238190
Authority: DE
Inventors: Franklin Stevens Briles
Original assignee: VSI Corp
Current assignee: Shared Technologies Fairchild Telecom Inc
Priority date: 1972-07-25
Filing date: 1972-07-31
Publication date: 1974-02-14
Also published as: FR2194503A1; GB1347957A

Description

VSI Corporation, Pasadena, California, V.St.A.VSI Corporation, Pasadena, California, V.St.A.

Selbstkalibrierender presspassender Niet und Verfahren zu dessen VerwendungSelf-calibrating press fitting rivet and method of using it

Die vorliegende Erfindung betrifft Befestigungsvorrichtungen allgemein und insbesondere Verbesserungen an Befestigungsmitteln in der Art von Nieten, die eine Anzahl ungewöhnlicher Vorteile hinsichtlich des Aufbaus, der Anbringung und der Handhabung bieten.The present invention relates to fastening devices in general and, more particularly, to improvements in fasteners such as rivets, which have a number of unusual advantages in terms of construction, installation and handling Offer.

Für nietartige Befestigungsmittel, wie sie für die Befestigung von dünnen Platten, wie z.B. die Aussenhaut von Luftfahrzeugen, eingesetzt werden, sind folgende Vorteile und Eigenschaften erwünscht: maximale Spannung im Nietj minimale Verwerfung der Kante der Plattenbohrung an der Nietstauchungj kontrollierte Pressung zwischen Niet und Bohrung während des Einsetzens des Niets, um das Werkstück um das Bohrloch herum vorzuspannen, ohne dieses aufzuweiten, und zur Führung des Niets während des Einsetzens; maximale Schubfestigkeit des Niets an der Schnittstelle der beiden Platten oder Bleche (z.B. bis 100 000 p.s.i = 70 kg/mm )j ausreichende Duktilität des Niets, um die Stauchung durch kleine, leichte Werkzeuge bzw. Nietpistolen zu erleichtern, damit die Lärmentwicklung so gering wie möglich bleibtFor rivet-like fasteners, such as those used for fastening thin plates, such as the outer skin of aircraft, are used, the following advantages and properties are desired: maximum tension in the rivetj minimal distortion of the edge of the plate hole at the rivet upsetj controlled Pressing between the rivet and the hole during the insertion of the rivet in order to preload the workpiece around the hole, without expanding it, and for guiding the rivet during insertion; maximum shear strength of the rivet at the interface of the two plates or sheets (e.g. up to 100,000 p.s.i = 70 kg / mm) j sufficient ductility of the rivet to cope with the upsetting to make it easier with small, light tools or rivet guns, so that the development of noise remains as low as possible

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und die Platte bzw. das Blech nicht versehentlich beschädigt wird; und andere Vorteile und Eigenschaften. In der Vergangenheit wiesen die für den Zusammenbau von Luftfahrzeug-Aussenblechen verwendeten Nieten einen oder mehrere dieser Vorteile nicht auf. Es traten so Probleme auf, die gelöst werden mussten. Beispielsweise können feste Niete aus Titanlegierung und mit hoher Dauerfestigkeit nicht zufriedenstellend an beiden Enden gestaucht werden, wie es bei herkömmlichen Nieten üblich war.and the plate or sheet is not accidentally damaged; and other advantages and features. In the past the rivets used to assemble aircraft outer panels had one or more of these Advantages do not arise. Problems arose that had to be resolved. For example, solid titanium alloy rivets can be used and with high fatigue strength cannot be upset satisfactorily at both ends as in conventional ones Riveting was common.

Es ist ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung, durch den Einsatz eines Niets mit einer Anzahl unüblicher Vorteile die oben erwähnten Probleme auszuräumen. Grundsätzlich weist der Niet einen Kopf und einen von diesem abstehenden Schaft auf, der in Längsrichtung eine Folge von Abschnitten mit zunehmend reduziertem Durchmesser hat, wobei der Abschnitt mit dem kleinsten Durchmesser frei in eine im Werkstück vorgesehene Bohrung passt und der mit dem grössten Durchmesser einer vollständigen Einführung des Niets in die Bohrung einen Widerstand entgegensetzt, weil er dieser gegenüber ein Übermass besitzt, und zwischen den Abschnitten mit dem kleinsten und dem grössten Durchmesser ein langgestreckter Mittelteil vorgesehen ist, der den Niet in der Bohrung zentriert, und wobei der Schaftabschnitt mit dem grössten Durchmesser in die Bohrung zwangseingeführt werden kann, um den Kopf mit dem Werkstück abzuschliessen und das Werkstück um die Bohrung herum vorzuspannen, und der kleinste Nietabschnitt so bemessen ist, dass er gestaucht werden kann, um auf der dem Kopf entgegengesetzten Seite des Werkstücks einen Festhalteflansch auszubilden. Dementsprechend führt der Niet beim Einsetzen die Funktionen der Bohrungskalibrierung, der Führung und Zentrierung« des Aneinanderlegens der Platten und der Vorspannung des Werkstücks ausj er lässt sich ohne unerwünschte Verwerfung der Bohrungskante leicht staue hen j und, wie ersichtlich·, werden wird, bietet er eine hohe Scherfestigkeit sowie eine hoheIt is an essential object of the present invention to accomplish the use of a rivet has a number of unusual advantages in overcoming the problems noted above. Basically points the rivet has a head and a shaft protruding therefrom, which in the longitudinal direction has a sequence of sections with increasing has reduced diameter, wherein the section with the smallest diameter freely in a provided in the workpiece Bore fits and the one with the largest diameter of a complete Introducing the rivet into the bore opposes a resistance because it has an excess of this, and an elongated central part is provided between the sections with the smallest and largest diameter, which centers the rivet in the bore, and wherein the shaft section with the largest diameter is forcibly inserted into the bore can be used to close the head with the workpiece and preload the workpiece around the bore, and the smallest rivet section is dimensioned so that it can be upset to be on the opposite side of the head Form a retaining flange on the side of the workpiece. Accordingly, the rivet performs its functions when it is inserted the bore calibration, the guidance and centering, the juxtaposition of the plates and the pretensioning of the workpiece It can easily be stuck out of it without undesired warping of the edge of the hole and, as can be seen, become it offers a high shear strength as well as a high

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Dauerfestigkeit des Werkstücks und verhindert ein Aufreiben · der Bohrung beim Einführen in dieselbe.Fatigue strength of the workpiece and prevents rubbing of the hole when inserting it.

Zusätzliche Merkmale .und Vorteile sind, dass der Schaftkonus sich durch die Bohrung hindurch und vorzugsweise über die Schnittfläche zweier Werkstückplatten hinaus erstreckt] dass zwischen der Bohrung in ihrem Ursprungszustand und dem unmittelbar vor dem Konus gelegenen Schaftteil ein Übermass auftritt, der bei Bohrungslängen zwischen 1/8 inch (3,175 mm) und 1 inch (25,4 mm) typischerweise zwischen 0,001 inch (0,0254 mm) und 0,006 inch (0,1524 mm) beträgt; dass zwischen der ursprünglich ausgebildeten Bohrung und dem grössten Durchmesser des Konus ein Übermass im Bereich von 0,005 inch (0,127 mm) und 0,009 inch (o,2286 mm) vorliegt; das Vorliegen einer genieteten Verbindung,wobei die Nietschaftabschnitte sich in entgegengesetzten Richtungen verjüngen, um das Nietgewicht zu verringern; das Vorliegen einer Verjüngung von ca. 0,250 inch (6,35 mm) pro foot (304,8 mm) Abschnittlänge; und das Vorliegen eines solchen Niets, der aus einer Titanlegierung bzw. im wesentlichen aus Titan besteht.Additional features and advantages are that the stem cone extends through the bore and preferably beyond the intersection of two workpiece plates] that there is an excess between the bore in its original state and the shaft part located immediately in front of the cone, that for bore lengths between 1/8 inch (3.175 mm) and 1 inch (25.4 mm) typically between 0.001 inch Is (0.0254 mm) and 0.006 inches (0.1524 mm); that between the originally formed bore and the largest diameter of the cone an oversize in the range of 0.005 inch (0.127 mm) and 0.009 inches (0.2286 mm); the presence of a riveted connection, the rivet shank sections taper in opposite directions to reduce rivet weight; the presence of a taper of about 0.250 inches (6.35 mm) per foot (304.8 mm) section length; and the presence of such a rivet made of a titanium alloy or consists essentially of titanium.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Einzelheiten von zum Zweck der Erläuterung ausführlich beschriebenen Ausführungsformen ergeben sich aus der nun fol<genden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnung.These and other features and advantages of the invention, as well as the details of FIG. 1, have been detailed for the purpose of illustration Embodiments emerge from the following description with reference to the drawing.

Fig. 1 ist ein Schnitt, der das anfängliche Einsetzen des Nietschaftes in ein Werkstück zeigt;Fig. 1 is a section showing the initial insertion of the Shows rivet shank in a workpiece;

Fig. 2 und 3 sind Ansichten wie die Fig. 1, zeigen jedoch Zwischenstadien des Einsetzens des Niets;Figures 2 and 3 are views like Figure 1 but showing Intermediate stages of insertion of the rivet;

Fig. 4 ist eine Ansicht wie die der Fig. 1, zeigt aber die Vervollständigung der Nietverbindung; undFig. 4 is a view like that of Fig. 1 but showing the completion of the rivet joint; and

Fig. 5 zeigt einen abgeänderten Nietaufbau. ,Fig. 5 shows a modified rivet structure. ,

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Das Werkstück in den Zeichnungen weist zwei Platten 10 und 11 auf, die mit einer geraden, d.h. sich nicht verjüngenden, zylindrischen Bohrung 12 versehen sind; vergl. Fig.l. Ein selbstkalibrierender presspassender Niet 13 hat einen Kopf 14 und einen Schaft 15, der vom Kopf absteht. In Längsrichtung vom Kopf 14 hinweg weist der Schaft eine Folge von Abschnitten 15a, 15b, 15c und 15d auf, deren Durchmesser zunehmend reduziert sind.The workpiece in the drawings has two plates 10 and 11, which with a straight, i.e. not tapered, cylindrical bore 12 are provided; see Fig.l. A Self-calibrating press-fitting rivet 13 has a head 14 and a shank 15 protruding from the head. Longitudinal away from the head 14, the shaft has a sequence of sections 15a, 15b, 15c and 15d, the diameter of which is increasingly reduced are.

Der kleinste Abschnitt, d.h. der Abschnitt 15d, arbeitet als Führungsvorrichtung, indem er anfänglich in die Bohrung 12 frei einsetzbar ist. Andererseits wirkt der mittlere Abschnitt 15c als selbstzentrierende und kalibrierende Vorrichtung insofern, als man auf eine zu grosse Bohrung schliessen kann, wenn er bei der Einführung in die Bohrung nicht angehalten wird. Der Durchmesser des Führungsabschnitts ist geringfügig kleiner als der der Bohrung - d.h. beispielsweise zwischen 0,001 und 0,005 inch (0,025 mm bzw. 0,127 mm), geringer. Der Nenndurchmesser des Abschnitts 15c entspricht dem Durchmesser der Bohrung; ein geringfügiges diametrales Übermass zwischen diesen Teilen kann typischerweise 0,0001 bis 0,0030 inch (0,00254 bis 0,0762 mm) betragen. Typischerweise liegt der Durchmesser der Bohrung zwischen 0,125 und 0,375 inch (3,175 bzw. 9,525 mm); die Gesamtlänge T der Bohrung in den Platten 10 und 11 kann zwischen 1/8 inch und 1 inch (3,175 bzw. 25,4 mm) betragen. The smallest section, ie section 15d, works as a guide device in that it can initially be freely inserted into bore 12. On the other hand, the middle section 15c acts as a self-centering and calibrating device in that it can be concluded that the bore is too large if it is not stopped when it is introduced into the bore. The diameter of the guide section is slightly smaller than that of the bore - that is, for example between 0.001 and 0.005 inches (0.025 mm or 0.127 mm) less. The nominal diameter of section 15c corresponds to the diameter of the bore; a slight diametrical interference between these parts can typically be 0.0001 to 0.0030 inches (0.00254 to 0.0762 mm). Typically the diameter of the bore is between 0.125 and 0.375 inches (3.175 and 9.525 mm); the total length T of the bore in plates 10 and 11 can be between 1/8 inch and 1 inch (3.175 and 25.4 mm, respectively) .

Der Reibschluss des Schaftes In der Bohrung erfolgt durch den grössten und sich verjüngenden Abschnitt 15a uder auch durch einen weiteren mittleren Abschnitt 15b, wobei der Ort des Übergangs 16 zwischen den Abschnitten 15a und 15b veränderlich sein kann, so dass sich die Verjüngung beispielsweise über die Gesamtlänge des Abschnitts 15b, d.h. bis zum Ort 17, erstrecken kann. Der Abschnitt 15a lässt sich in die Bohrung eindrücken, um einen Abschluss des Kopfes 14 mit dem Werkstück herzustellen und das Werkstückmaterial um die Bohrung herum, in die der Abschnitt I5& hineinragt, vorzuspannen, ohne dabei eine KaIt-The frictional connection of the shaft in the bore is made by the largest and tapering section 15a uder a further middle section 15b, the location of the transition 16 being variable between the sections 15a and 15b can, so that the taper, for example, over the entire length of section 15b, i.e. up to location 17, can extend. The section 15a can be pressed into the hole, to terminate the head 14 with the workpiece and the workpiece material around the bore into which the Section I5 & protrudes, pre-tensioning without causing a cold

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verformung des Materials zu bewirken, um ein Aufweiten der Bohrung zu vermeiden. In der typischen Ausführung erstreckt sich der sich verjüngende Abschnitt 15a durch die Bohrungen in den Platten 10 und 11 hindurch, um das gesamte Material um die Bohrung der Platte 10 herum und mindestens einen Teil des Materials um die Bohrung in der Platte 11 herum vorzuspannen; ; vergl. Fig. 4.. Weiterhin überträgt der Abschnitt 15a Belastung auf das Werkstück und ermöglicht so die Verwendung eines kleineren Kopfes und somit eines leichteren Niets.to cause deformation of the material to expand the Avoid drilling. In the typical embodiment, the tapered section 15a extends through the bores in plates 10 and 11, around all of the material around the bore of plate 10 and at least a portion biasing the material around the bore in plate 11; ; See Fig. 4. The section also transmits 15a load on the workpiece and thus enables the use of a smaller head and thus a lighter rivet.

Am vorderen Ende der Verjüngung - beispielsweise am Abschnitt 15b - kann der Schaft typischerweise ein diametrales Übermass gegenüber der Bohrung von 0,001 bis 0,006 inch (0,0254 bis 0,1524 mm) haben, wobei man vorzugsweise 0,004 inch (0,1016 mm) vorsieht. Andererseits ist das maximale Übermass des sich verjüngenden Abschnitts 15a in der Bohrung 12 typischerweise von 0,005 bis 0,009 inch (0,127 bis 0,2286 mm), wodurch durch Vorspannung des Werkstüekmaterials in unmittelbarer Nähe des Nietsehaftes in dem Material eine hohe Dauerfestigkeit erreicht wird. Das Werkstückmaterial kann beispielsweise Aussenhautbleeh für Luftfahrzeuge, d.h. Aluminium der Normausführung 7Q75T6 oder Titan oder rostfreier Stahl sein, während der Niet aus einer Titanlegierung (bspw. Beta III) besteht; hierdurch sind an der Schnittfläche 18 zwischen den Platten bzw. Blechen höhere Schubspannungen zulässig. Die Verjüngung des Abschnitts 15a beträgt typisch etwa 0,250 inch (6,35 mm) pro foot (j5O4,8 mm) Abschnitt länge, um ein Aufweiten zu verhindern und in dem Werkstück eine hohe Dauerfestigkeit zu erreichen.At the front end of the taper - for example at section 15b - the shaft can typically be diametrically oversized to the bore from 0.001 to 0.006 inches (0.0254 to 0.1524 mm), preferably 0.004 inches (0.1016 mm) provides. On the other hand, the maximum excess of the tapered section 15a in the bore 12 is typically from 0.005 to 0.009 inches (0.127 to 0.2286 mm), which by prestressing the workpiece material in the immediate Proximity of the rivet shaft in the material has a high fatigue strength is achieved. The workpiece material can, for example, be the outer skin sheet for aircraft, i.e. aluminum Standard version 7Q75T6 or titanium or stainless steel, while the rivet is made of a titanium alloy (e.g. Beta III); as a result, higher shear stresses are permissible at the cut surface 18 between the plates or sheets. the Taper of section 15a is typically about 0.250 inches (6.35 mm) per foot (504.8 mm) section length to allow for expansion to prevent and to achieve a high fatigue strength in the workpiece.

Pig. 5 zeigt als Alternative einen kurzen zylindrischen Abschnitt 15e zwischen dem Kopf 14 und dem Anfang der Verjüngung 15a am Ort I9. Der Durchmesser des Abschnitts 15e entspricht etwa dem maximalen Durchmesser des sich verjüngenden Abschnitts 15a und bietet eine Verlängerung des Niets beiPig. 5 shows, as an alternative, a short cylindrical section 15e between the head 14 and the beginning of the taper 15a at location I9. The diameter of the section 15e corresponds approximately the maximum diameter of the tapered portion 15a and offers an extension of the rivet

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tieferen Löchern. Der Nietkopf der Figuren 1st stark konisch, um in die entsprechende Ansenkung 20 in der Platte 10 zu passen. Am anderen Ende des Niets kann der Abschnitt 15c nach der vollständigen Einführung des Niets - vergl. Fig. 4 abgeschnitten oder sonstwie entfernt werden. Die Ebene 21 gibt den Ort an, wo vor dem Stauchen des Niets eine derartige Abtrennung erfolgen kann.deeper holes. The rivet head of the figures is strongly tapered to fit into the corresponding countersink 20 in the plate 10. At the other end of the rivet, the section 15c can be cut off or otherwise removed after the rivet has been completely inserted - see FIG. 4. The plane 21 indicates the location where such a separation can take place before the rivet is upset.

Die Stauchung lässt sich beispielsweise mittels eines Werk zeuges 22 vollziehen, das auf das abgeschnittene Ende des Niets aufschlägt, um einen Flansch bzw. eine Stauchung 23 zu erzeugen* die fest an der Oberfläche 24 des Werkstücks an liegt, um den Niet in seiner Lage zu halten. Wie mit der Be zugszahl 25 angedeutet, kann der Niet durch ein am Kopf an greifendes Werkzeug in die Bohrung eingeschlagen werden. Ein entsprechendes Gegenhaitewerkzeug 26 lässt sich hierbei gegen die Platte 11 halten. The compression can for example by means of a tool 22 perform that strikes the cut end of the rivet to produce a flange and a compression of 23 * the determined of the workpiece is located on the surface 24 to about the rivet in position keep. As indicated with the reference number 25 Be, the rivet can be hammered into the hole by a tool that attacks the head. A corresponding counter-holding tool 26 can hereby be held against the plate 11.

Wie weiterhin ersichtlich, sind die sich verjüngenden Schrittsohultern 27 und 28 zwischen den Abschnitten 15b und 15c und die Abschnitte 15c und 15d leicht winklig (nicht mehr als etwa 15 Grad), um ein Aufdrüoken der Bohrung während des Nietsetzens zu verhindern.As can also be seen, the tapered crotch shoulders 27 and 28 are between the sections 15b and 15c and sections 15c and 15d are slightly angled (no more than about 15 degrees) to prevent the hole from being pushed open while the rivet is being set.

Die Flg. 4 zeigt weiterhin, dass bei der Stauchung zur Ausbildung des Flansches 2? der Nietabschnitt 15b sich ausbauchen kann, wobei die Bohrung 12 sich weitet, um letztere zu verformen und eine umgekehrte Verjüngung, d.h. ein Verjüngung, die sich zum Flansch 2J> hin öffnet, entlang des Abschnitts 15b und der Bohrung auszubilden. Die Abmessungen d?s Kopfes 14 und des Flansches 22 lassen sich daher erheblich reduzieren, da eine Endbelastung sowohl durch die Abschnitte 15a und 15b als auch durch den Kopf und den Flansch auf die Platten 10 und 11 übertragen wird. Hierbei wird eine erhebliche Gewichts-The Flg. 4 also shows that during the upsetting to form the flange 2? the rivet portion 15b can bulge with the bore 12 widening to deform the latter and form an inverse taper, ie a taper opening towards the flange 2J> , along the portion 15b and the bore. The dimensions of the head 14 and the flange 22 can therefore be reduced considerably, since an end load is transmitted to the plates 10 and 11 through the sections 15a and 15b as well as through the head and the flange. A considerable weight

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minderung jedes Niets erreicht - einwünschenswertes Ziel beim Luftfahrzeugbau. Weiterhin besteht eine wünschenswerte Metall/ Metall-Berührung zwischen den Abschnitten 15a und 15b und dem Werkstück und auch zwischen diesem und dem Kopf und dem Plansch.reduction of every rivet achieved - a desirable goal in Aircraft construction. Furthermore, there is a desirable metal / metal contact between sections 15a and 15b and the Workpiece and also between this and the head and the splash.

Zusätzlich lässt sich der Niet zur Anformung des Flansches 2J stauchen, um die Platten bzw. Bleche 10 und 11 druekmässig vor zubelasten. Die result ierend.e Anordnung ist gekennzeichnet durch eine höhere Schub- und Dauerfestigkeit des Niets.In addition, the rivet for forming the flange 2J compress to the plates or sheets 10 and 11 pressure before burdening. The resulting arrangement is marked due to the rivet's higher shear and fatigue strength.

PatentansprücheClaims

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Claims

1.) Method for attaching a rivet to a workpiece structure with a through hole, the rivet having a head and a shank that tapers away from the head, to create a frictional fit in the bore, and wherein the shank is longer than the bore is deep, by inserts the stem into the bore and pushes it forward so that the tapered portion of the stem meets the adjacent one Workpiece material can expand, and by compressing the end remote from the head to the opposite from the head Side of the workpiece to form a splash, wherein the upsetting is carried out to the rivet shank portion bulging in front of the tapered section towards the workpiece material lying around this section and create an inverse taper with respect to the tapered portion of the shaft.

2.) Self-calibrating press-fitting rivet having a head and a shaft extending therefrom, which in Longitudinal direction away from the head a series of sections to be taken away Has reduced diameter, the foremost and smallest section freely in a workpiece bore fits and the rearmost and largest section to the complete insertion of the rivet into the bore as a result of the frictional connection with the workpiece surrounding the bore opposes a resistance, while continuing between the sections an elongated first middle section is provided with the smallest and largest diameter, which centers the rivet in the bore due to a slight oversize in relation to the bore, and the largest shank section can be forcibly inserted into the bore in order to produce a termination of the head with the workpiece and that To preload the workpiece around the hole, and in which the smallest section of the rivet does not have a thread.

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points and is dimensioned in such a way that it can be used to form a Pesthalterflansch.es is compressible on the side of the workpiece opposite the head.

3.) rivet according to claim 1, characterized in that between the largest shaft portion and the first central portion, a second elongated central portion is provided and the first central portion has a diameter has less excess to the bore than the second central section, with the largest section of the rivet shank towards the second central section and tapers between the first and the second central section front tapering annular crotch shoulder is provided.

4.) rivet according to claim 1, 2 or 3 * characterized in that that the shaft between the first middle section and the foremost and smallest section has an annular crotch shoulder.

5.) rivet according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in, that the second central section of the shaft immediately in front of the largest section opposite the bore is overdimensioned within a range of 0.001 to 0.006 inches (0.0254 to 0.1524 mm) and the first midsection of the shaft an oversize from the bore of 0.0001 to 0.003 inches (0.00254 to 0.0762 mm).

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