ES2171961T5 - Fresado multiple de cigueñales. - Google Patents
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Abstract
EL OBJETIVO DE LA PRESENTE INVENCION ES UN PROCEDIMIENTO DE MECANIZACION CON ARRANQUE DE VIRUTA PARA LA ELABORACION DE CIGUEÑALES Y PIEZAS DE TRABAJO SIMILARES, DONDE ES POSIBLE UN TIEMPO DE MECANIZACION CORTO POR CIGUEÑAL MEDIANTE MECANIZACION SIMULTANEA UTILIZANDO UNA PLURALIDAD DE UNIDADES DE HERRAMIENTA. EL PROCEDIMIENTO SUMINISTRA TAMBIEN UNA VIDA DE HERRAMIENTA OPTIMA Y PRECISION DIMENSIONAL ADECUADA DE LA PIEZA DE TRABAJO. EL PROCESO DE CORTE CON ARRANQUE DE VIRUTA LLEVA CONSIGO UN FRESADO, Y LA PIEZA DE TRABAJO ES MECANIZADA SIMULTANEAMENTE SOBRE UNA PLURALIDAD DE CARAS DE PERFIL NO SIMILAR Y/O UNA POSICION ROTATIVA DIFERENTE DE FORMA RELATIVA CON RESPECTO AL EJE CONCENTRICO. ADEMAS CADA SUPERFICIE ES MECANIZADA MEDIANTE HERRAMIENTAS DE FRESADO SEPARADAS, CADA UNA DE LAS CUALES ES MOVIL SOLO EN UNA VIA DE DESPLAZAMIENTO EN ANGULOS RECTOS CON RESPECTO A LA PIEZA DE TRABAJO. LA POSICION ROTATIVA, VELOCIDAD Y DIRECCION DE ROTACION DE LA PIEZA DE TRABAJO SON REGULADAS CON REFERENCIA A LOS MOVIMIENTOS TRANSVERSALES MOMENTANEOS Y LAS VELOCIDADES DE LAS HERRAMIENTAS DE FRESADO, EL MOVIMIENTO TRANSVERSAL Y VELOCIDAD DE CADA UNA DE LAS HERRAMIENTAS SON CONTROLADAS SEPARADA E INDEPENDIENTEMENTE DE LAS OTRAS HERRAMIENTAS SOBRE LA BASE DEL MOVIMIENTO DE LA PIEZA DE TRABAJO.
Description
Fresado múltiple de cigüeñales.
La presente invención se refiere a un mecanizado
con arranque de viruta de las superficies frontales así como las
superficies periféricas, y se pueden disponer tanto centradas como
descentradas, en cigüeñales; véase el documento WO 96/39269 que
recae en el art. 54 (3) EPÜ.
Precisamente los cigüeñales rectos, debido a sus
superficies laterales a mecanizar que se encuentran excéntricas,
por ejemplo, de las muñequillas o de las superficies frontales de
las gualderas, y de la inestabilidad debida a la forma del
cigüeñal, como pieza de trabajo presenta siempre elevados
requerimientos en el procedimiento de mecanizado.
Usualmente se mecanizan previamente cigüeñales
mediante el mecanizado con arranque de viruta con determinadas
cuchillas, es decir, torneado, fresado, brochado rotativo, etc. y a
continuación se realiza el mecanizado de precisión a una dimensión
mediante rectificado, teniendo lugar generalmente el templado de las
superficies de la pieza de trabajo hasta ahora después del
mecanizado previo con arranque de viruta y antes del
rectificado.
Aunque teóricamente se dispone del procedimiento
de mecanizado con arranque de viruta con el cual el mecanizado es
posible tanto del apoyo central como también del apoyo de la
muñequilla y de los lados frontales de las superficies de la
gualdera, se lleva a cabo, por razones económicas, finalmente un
mecanizado con procedimientos distintos:
Así en los últimos tiempos se ha impuesto el
brochado rotativo para el mecanizado del apoyo central, en el que
la pieza de trabajo sujeta sobre el eje del apoyo central, con un
giro rápido, se mecaniza con una aguja de brochar, un contorno de
arco, generalmente un contorno circular o contorno de segmento
circular.
Generalmente se ha mecanizado también las
superficies frontales excéntricas de las gualderas.
Para el mecanizado de las muñequillas, es decir,
de sus superficies laterales se ha impuesto, en cambio, el fresado
interior, es decir el fresado con una fresa anular, que en su
perímetro interior presenta cuchillas alineadas hacia el interior.
Para ello generalmente no gira el cigüeñal durante el mecanizado,
sino que la fresa interior rota y se desplaza adicionalmente en una
trayectoria circular alrededor de la muñequillas que se encuentra
en el recinto libre interior. La velocidad de corte se consigue para
ello exclusivamente por el desplazamiento de la fresa interior. Una
de las desventajas es, precisamente en el mecanizado del muñón,
debido a la curvatura en el mismo sentido del muñón y la fresa, que
tiene como consecuencia un arco de abrazado grande, que por tanto
se encuentra en ataque varias cuchillas. Las elevada introducción de
fuerzas transversales en la pieza son las consecuencias. Debido al
cigüeñal en reposo es posible el mecanizado simultáneo de varias
muñequillas mediante unidades de fresado interior separados, siempre
que las muñequillas correspondientes estén separadas en dirección
axial suficientemente, para poder permitir el ataque de las unidades
de fresado interior diferentes.
Los procedimientos descritos se han impuesto en
la fabricación de grandes series de cigüeñales, por ejemplo,
motores de automóvil, que, a pesar de la precisión de mecanizado
suficiente, precisan tiempos de mecanizado mucho memores por
cigüeñal o por muñón que, por ejemplo, el torneado.
En una fresa dentada hacia el interior de esta
clase es más difícil el mantenimiento, reparación, nuevo equipado y
ajuste de las plaquitas de corte reversibles, etc., pero una
herramienta de esta clase ofrece la ventaja principal de un
alojamiento bueno y estable en un portaherramientas, que rodea la
herramienta en forma de anillo. Esto es necesario porque el soporte
de la herramienta en forma de anillo durante el fresado interior,
debido al cigüeñal que se encuentra en reposo, no sólo puede
desplazarse de forma definida en la dirección X, sino también en la
dirección Y. La velocidad de rotación de la fresa interior permanece
en general constante, sin embargo, durante una revolución alrededor
de la muñequilla a mecanizar, y es independiente de la posición
relativa en aquel momento de la pieza de trabajo y de la herramienta
entre sí.
Una posibilidad de desplazamiento del soporte,
que gira la fresa interior, exclusivamente en la dirección X, pero
no adicionalmente en la dirección Y, es sólo suficiente si, por una
parte, la pieza de trabajo durante el mecanizado es adicionada de
forma rotativa definida (eje C de la pieza de trabajo) y, por otra
parte, el diámetro interior libre de la fresa interior es mayor que
la carrera del cigüeñal a mecanizar mayor.
Precisamente en máquinas en las cuales existen
varios soportes de herramienta para trabajar con varias
herramientas, es decir, por ejemplo, fresado interior, al mismo
tiempo en la misma pieza de trabajo, significa a fin de cuentas una
simplificación y ahorro, si en cada uno de los varios soportes se
puede renunciar a la realización del eje y, aunque para la rotación
necesaria en los husillos deba existir adicionalmente el eje C
sujeto a ambos lados y accionados.
En este caso, gira con el mecanizado simultáneo
de varias muñequillas el cigüeñal con el número de revoluciones
constante, y también las distintas fresas interiores giran con la
misma velocidad y durante un mecanizado del muñón.
Una herramienta de fresado de esta clase está
dispuesta con un gran número de cuchillas, la mayoría de ellas como
plaquitas de corte reversibles en un cuerpo base anular (para el
fresado interior) o en forma de disco (para el fresado exterior) en
la zona periférica interior o en la zona periférica exterior. La
reparación, nuevo equipamiento o reajuste de tales fresas, por una
parte precisa mucho tiempo, y, por otra, es costosa, debido a los
medios de corte empleados de coste considerable.
En los costes de mecanizado para cada cigüeñal,
no sólo se deben considerar los costes de inversión para la
máquina, cuya parte por cada cigüeñal bajo con el tiempo de
mecanizado decreciente, sino también por un factor de coste
influido por la duración de la herramienta, que se trata de
minimizar.
Es por ello el objeto de la presente invención
proponer un procedimiento de mecanizado con arranque de viruta para
el mecanizado de cigüeñales, en las que mediante un mecanizado
simultáneo, mediante varias unidades de herramientas, en un tiempo
de mecanizado corto para cada cigüeñal, y manteniendo una precisión
dimensional suficiente, sea posible una larga duración óptima de la
herramienta.
Este problema se resuelve mediante las
propiedades de la reivindicación 1. Formas de realización ventajosas
resultan de las subreivindicaciones.
Con esta solución, hay que considerar diferentes
condiciones marginales negativas:
En principio, se prefiere una sujeción centrada
del cigüeñal, es decir una sujeción en el eje del apoyo central con
relación a una sujeción descentrada, esencialmente más complicada
sobre el eje de la muñequilla, como es necesario, por ejemplo, para
el mecanizado de la muñequilla mediante el brochado rotativo.
Es relativamente poco problemático el mecanizado
simultáneo, por ejemplo, de muñequillas, que coinciden en su
posición radial, con relación al eje del apoyo central del cigüeñal,
y sólo están preparadas axialmente. En este caso es posible el
mecanizado con dos unidades de herramientas guiadas y accionadas de
forma análoga, por ejemplo, una herramienta tándem o un juego de
herramientas.
No todos los cigüeñales ofrecen, sin embargo,
estas condiciones previas geométricas, incluso no es posible el
mecanizado de muñequillas que no coinciden radialmente mediante
unidades de herramientas separadas. Para ello la aplicación de
procedimientos en los que la velocidad de corte no se consigue en
primer lugar por la rotación del cigüeñal, es problemático, pues
con la rotación relativamente rápida del cigüeñal, es también
problemático el seguimiento de las unidades de herramientas para el
mecanizado de las muñequillas en la dirección X y eventualmente
también en la dirección Y. Este aspecto es favorable para el fresado
como el procedimiento de mecanizado. Para ello es especialmente de
destacar el fresado exterior, debido a la herramienta simple de
manejar y, sobre todo, la posibilidad de poder generar también
superficies exteriores planas en la pieza de trabajo.
Para conseguir otra reducción del tiempo de
mecanizado al emplear simultáneamente varias herramientas en la
pieza de trabajo, se pueden incrementar el tiempo de duración de la
herramienta y/o la capacidad de arranque de viruta por unidad de
tiempo.
La capacidad de arranque de viruta por unidad de
tiempo se puede aumentar con una velocidad de corte incrementada,
que, sin embargo, permite reducir regularmente la duración de la
herramienta (volumen total de fresado por herramienta).
Un incremento del espesor de viruta, que
asimismo incrementa la capacidad de arranque de viruta por unidad
de tiempo, no es posible, ya que, al contrario, se desea la
reducción del espesor de viruta en consideración a la minimización
de las fuerzas de corte, que actúan sobre la pieza de trabajo, y con
ello mejora la exactitud dimensional.
Un incremento de la velocidad de corte es
posible con el procedimiento conocido de fresado de alta velocidad
(fresado HS) a 350-500 m/min e incluso en parte
sería posible más, mediante geometría de corte positiva,
determinados materiales de las plaquitas de corte (tanto material
base como también recubrimiento).
Precisamente con fresado HS con
180-800, especialmente con 350-500
m/min, los ensayos han dado como resultado que concretamente, como
es conocido hasta ahora, el volumen total de arranque de viruta de
una herramienta decrece con la velocidad creciente, pero con un
espesor de viruta 0,05-0,4 mm, especialmente con
0,1-0,2 mm, con materiales de corte diferentes y
recubrimientos de materiales de corte, se tiene una duración elevada
óptima, es decir, volumen de arranque de viruta durante la vida
útil de la herramienta.
Otros ensayos han dado como resultado que el
mantenimiento de estos valores, o la zona de valores, por ejemplo,
en el fresado, en el que la viruta posee un espesor que se modifica
en su transcurso, es suficiente mediante mantenimiento para el
espesor de viruta medio, es decir, el valor medio aritmético o el
valor medio integrado del espesor de la viruta o del espesor máximo
de viruta. Manteniendo este parámetro se trata de mantener la
velocidad de corte lo más elevada posible para reducir los tiempos
de mecanizado.
En los espesores de viruta óptimos averiguados,
ha resultado además ser conveniente el fresado siempre que sea
posible en el mismo sentido de marcha. Esto depende, seguramente, de
que con el espesor de viruta medio de, por ejemplo
0,1-0,2 mm con la marcha en el mismo sentido y,
sobre todo, con la simetría de corte positiva empleada en el
fresado HS, las fuerzas de corte que actúan sobre la pieza de
trabajo, a pesar del corte interrumpido durante el fresado, sólo
aportan cargas dinámicas relativamente reducidas a la pieza de
trabajo y debido al enganche de la cuchilla formada positiva,
también se puede evitar en su mayor parte una desviación de la pieza
de trabajo hacia el lado, lo que repercute en una y inexactitud
dimensional.
Si dos unidades de fresado, que traban y se
controlan independientemente una de la otra, mecanizan superficies
de mecanizado excéntricas diferentes en el mismo cigüeñal giratorio
y accionable, y se debe mantener un valor o zona óptimos para el
espesor de viruta, se puede conseguir en determinadas circunstancias
sólo un punto de mecanizado, la velocidad de corte máxima deseada,
por ejemplo, la dirección de corte del fresado HS.
Para mantener en los otros puntos de mecanizado
el espesor de viruta o el espesor de viruta medio en la zona
óptima, se debe reducir bajo determinadas circunstancias la
velocidad de la fresa, y con ello, acompañado también de la
velocidad de corte. Por esta razón, al inicio del mecanizado del
muñón, no se desplaza la fresa directamente radialmente hasta la
medida teórica, sino que mientras el cigüeñal gira, lentamente,
durante una rotación del muñón a mecanizar de
30-90, preferentemente de 50-70º
hasta la medida teórica radial. De este modo se mantiene durante el
inicio del mecanizado de una muñequilla la especificación con
relación al espesor de viruta, y no se aplica al inicio del
mecanizado ninguna fuerza transversal elevada inadmisible en la
pieza de trabajo. Después de alcanzar la medida teórica radial, se
debe mecanizar una revolución completa de la superficie de la
muñequilla, preferentemente unos 100º, para llegar a aun resultado
de mecanizado óptimo.
Si no hay ningún valor óptimo para el espesor de
viruta en consideración a la capacidad durante la vida útil de una
herramienta, tiene lugar la optimización de las unidades de
herramientas independientes en consideración a la velocidad de
corte máxima. Estas regularidades, determinadas sobre todo para el
mecanizado de fundición gris (GGG60-GGG80), se
pueden emplear también para otros materiales de las piezas de
trabajo, tales como acero, en las que también otros grupos de
materiales de corte, pueden ser también válidos en determinadas
circuns-
tancias.
tancias.
Mediante el empleo adicional de una simetría de
corte positiva, en vez de la geometría de corte negativa empleada
en el fresado, que sobre todo conduce a la unión con espesores de
viruta medios bajos o máximos, sin embargo, lleva a una duración
suficiente del medio de corte, a su vez da como resultado una
reducción de las fuerzas de corte y en consecuencia también una
reducción de las potencias de accionamiento necesarias para la
herramienta, que con las relaciones de magnitudes indicadas se
encuentran sólo en la mitad a un tercio de la potencia necesaria
para el fresado interior o del brochado rotativo. También con ello
se minimiza -junto a los costes de energía más bajos- los problemas
térmicos del accionamiento, que tiene un efecto negativo sobre todo
la máquina y minimiza el efecto de resultado de mecanizado.
El fresado de alta velocidad según la invención
se puede realizar entonces especialmente no sólo en piezas de
trabajo no templadas, sino también templadas (por ejemplo, 60 a 62º
de dureza Rockwell HRS, especialmente completamente templado). En
este caso se emplea preferentemente como material de corte cerámica
mezclada o nitruro de boro policristalino, en este último se emplea
especialmente nitruro de boro cúbico (CBN). Preferentemente se
sinteriza como es usual primeramente una plaquita de corte de metal
duro, que presenta cavidades abiertas en la zona de corte, por
ejemplo, en la superficie de arranque de viruta y hacia el borde de
corte. En estas cavidades del cuerpo base se llena con polvo CBN y
a continuación se sinteriza.
No solamente se pueden reforzar los vértices de
las plaquitas de corte reversibles, sino también mediante la
disposición de varios pellets CBN, uno junto otro, a lo largo de un
borde de corte o de un empleo de CBN en forma de barras, se puede
reforzar todo un borde de corte. También se pueden utilizar con ello
acero o fundición sin templar, incluso mediante fresado.
Los materiales de corte se pueden emplear
también sin agente lubricante-refrigerante, es
decir, en seco, lo que ahorra costes de eliminación de residuos y
problemas medioambientales.
Con ello es posible en la deformación que se
presenta en la fabricación convencional (mecanizado con arranque de
viruta antes del templado) de la pieza de trabajo debido al proceso
de templado, eliminarla ya durante el mecanizado con arranque de
viruta. Puesto que con el fresado de alta velocidad y especialmente
con el fresado de alta velocidad en piezas de trabajo templadas, se
persiguen calidades de superficie que sean aceptables en estado
final de la pieza de trabajo, es con ello posible eliminar el
proceso de mecanizado de rectificado basto.
\newpage
Como especialmente ventajoso ha resultado
mantener los siguientes parámetros en el mecanizado de las
superficies de muñón y de gualderas en los cigüeñales, que pueden
ser de fundición o de acero, y se mecanizan en estado no templado
mediante fresa circular exterior, especialmente mediante fresas en
forma de disco, con cuchillas en la zona periférica:
- Velocidad de corte en el desbastado: mínimo
180, mejor 250-600 m/min.
- Velocidad de corte en el afinado: mínimo 200,
mejor 300-800 m/min,
- Espesor de viruta: 0,05-0,5
mm, especialmente 0,1-0,3 mm.
Como herramienta se emplea, en general, un
cuerpo base de herramienta en forma de disco, accionado giratorio
con plaquitas de corte reversibles. Para ello las plaquitas de corte
se han configurado distintas en cuanto a su aplicación (mecanizado
de las superficies frontales en las gualderas, mecanizado de la
superficie de recubrimiento en las muñequillas del punto de apoyo
principal y puntos de apoyo de las muñequillas, producción de las
pasadas inferiores en la transición entre superficies externas en
superficies frontales) y también con relación al portaherramientas
o a la herramienta:
\vskip1.000000\baselineskip
Las indicaciones del material base se refieren a
los grupos de aplicación ISO conocidos. Con ello se tiene:
K10: de 94,2% carburo de wolframio (WC), 5,5%
cobalto, (Co) y 0,3%... (Ta/C)
K20: de 93,2% WC, 6% Co y 0;6% Ta/C y 0,2%
carburo de titanio (Tic).
La resistencia a la flexión es de 1.900
N/m^{2} con K10 y 2.000 N/m^{2} con K2O
Con los recubrimientos indicados, se aplican las
diferentes combinaciones por capas, una tras otra, en la secuencia
indicada desde el interior hacia el exterior.
Una forma de realización según la presente
invención se describe a continuación a título de ejemplo con mayor
detalle mediante las figuras, que muestran:
La figura 1, una representación de principio del
fresado concurrente en un muñón del cigüeñal.
La figura 2, una representación de principio con
mecanizado simultáneo de dos muñequillas distintas,
La figura 3, representación de detalle de dos
puntos de mecanizado distintos,
Las figura 4, una trayectoria con el mecanizado
del muñón,
La figura 5, una representación de la
trayectoria durante el fresado del muñón,
La figura 6, la cuchilla de la herramienta en
una representación de principio,
Las figuras 7 y 8., planos definidos en el
sistema de referencia de la herramienta,
Las figuras 9 y 10, el ángulo de posición de la
herramienta en el sistema de referencia de la herramienta, en el
ejemplo de una cuchilla de corte para el torneado longitudinal
(figura 9) y el refrentado (figura 10).
La figura 11, una sección del cabezal de la
cuchilla de fresado,
Las figuras 12a-12f, secciones
de las herramienta del cabezal de fresado según la figura 11.
La figura 13a muestran el empleo de una plaquita
de la gualdera, vista en la dirección Y.
La figura 13b, el empleo de una plaquita de
muñón en la dirección visual, Y.
La figura 1 muestra en la dirección visual del
eje Z, la situación básica del mecanizado de una superficie
periférica, por ejemplo, del muñón de un cigüeñal, pero también de
una superficie periférica no circular, mediante fresado exterior.
Una ampliación del punto de mecanizado se ha representado en la
parte derecha de la figura 1.
La pieza de trabajo debe mecanizarse desde la
dimensión bruta mayor a la dimensión bruta menor.
Para ello se encuentran las cuchillas S, de las
cuales sólo se ha dibujado una, sobresaliendo del cuerpo base de la
herramienta, para poder originar esta remoción de material. El
cuerpo base de la herramienta se puede desplazar de manera definida
en la dirección X y rota en el sentido contrario a las agujas del
reloj. Puesto que el fresado debe realizarse en el mismo sentido de
marcha, la herramienta rota en 4el sentido de las agujas del reloj,
de tal manera que en el punto de mecanizado la herramienta y la
pieza de trabajo se mueven en el mismo sentido.
Como muestra la representación ampliada, la
nueva cuchilla S generará una viruta 1, que está limitada por dos
segmentos de arco convexos y uno cóncavo en la sección transversal,
y posee la forma de un triángulo irregular plano.
Para ello, el lado cóncavo está generado por el
corte anterior, y el lado convexo está generado por el nuevo corte
S. El flanco convexo corto es la longitud \Deltal_{u} medida a
lo largo del perímetro de la pieza derivada, es decir, la longitud
periférica entre la incidencia de dos cuchillas de la herramienta
dispuestas una tras otra en el perímetro de la pieza de
trabajo.
En la práctica, la viruta 1 no mantiene,
naturalmente, la forma vista en la figura 1, sino que, debido a la
desviación en la superficie de arranque de viruta de la cuchilla, se
enrolla en forma de espiral.
En la figura 1 se puede ver que el corte de la
viruta 2 -vista en el sentido de marcha de corte- primeramente
aumenta rápidamente en su espesor de viruta, por ejemplo, h_{1}
hasta el espesor de viruta máximo h_{max}. Desde allí decrece el
espesor de viruta relativamente de forma lenta y de manera continua
hasta el final (por ejemplo, h_{x}).
De esta representación se puede ver -si la
diferencia entre la dimensión bruta y la dimensión final permanece
y la velocidad de rotación de la pieza de trabajo asimismo
permanece- que una reducción de la velocidad de rotación de la
herramienta origina una ampliación de la separación de corte
\Deltal_{u} y con ello también una ampliación de h_{max}.
La figura 2 representa -nuevamente visto en la
dirección Z- por ejemplo, un cigüeñal para un motor en línea de 6
cilindros, con tres muñequillas H1-H3, posicionadas
de distinta manera en su posición de rotación con relación al apoyo
central ML.
En este cigüeñal se han dispuesto -en diferentes
posiciones axiales- dos fresas exteriores en forma de disco
separadas (WZ1, WZ2). Una de las herramientas podrían mecanizar, por
ejemplo, la muñequilla H1, y la otra la muñequilla H2, como se
representa en la figura 2, pero asimismo una de las herramientas
podría mecanizar una muñequilla, y la otra herramienta las
superficies frontales de una gualdera.
En el último caso podría tener teóricamente
lugar el mecanizado de la gualdera parcialmente con el cigüeñal en
reposo, de modo que en la herramienta afectada WZ1 o WZ2 mecanizase
en la dirección de avance, es decir, en la dirección X, la
superficie frontal de la gualdera. Puesto que con el reposo del
cigüeñal, el mecanizado y tiene lugar en la otra posición axial de
una superficie, sea de una muñequilla H o de un apoyo central ML,
no se puede conseguir ningún progreso de mecanizado, tiene lugar
también el mecanizado de la superficie de la gualdera
preferentemente con el cigüeñal giratorio.
Con ello resultan -al inicio del mecanizado de
la gualdera, en la posición del cigüeñal representado en la figura
4, y seguidamente continúa girando el cigüeñal- trayectorias de
corte s_{a}, s_{b}, s_{m}, s_{x} de las cuales se han
representado algunas en la figura 2.
Como se puede ver, tienen estas trayectorias de
corte -debido a la marcha en el mismo sentido de la fresa- con la
rotación de la pieza de trabajo, en su inicio una distancia mayor
entre ellas que en su final, es decir, el punto de salida de la
cuchilla de la superficie lateral de la gualdera.
La figura 3 muestra las relaciones cuando dos
herramientas separadas WZ1, WZ2 mecanizan dos muñequillas distintas
H1, H2 simultáneamente. Las herramientas WZ1 y WZ2 se pueden
desplazar de manera definida independientemente entre ellas en la
dirección X y controlar su velocidad de rotación. La magnitud
asociativa es, sin embargo, la rotación del cigüeñal accionado
giratorio asimismo controlado alrededor del apoyo central como pieza
de trabajo, que en determinadas operaciones de trabajo también se
puede detener.
En la situación representada figura 3 se
encuentra la muñequilla H2 en una línea con el apoyo central ML1 y
el punto central M_{1} y M_{2} de las herramientas WZ1 o WZ2. La
muñequilla H1 está desplazada con relación al apoyo central unos
120º en el sentido de las agujas del reloj.
Si -como se ha indicado- las herramientas WZ1 y
WZ2 rotan cada una de ellas en el sentido contrario a las agujas
del reloj y el cigüeñal -como se ha dibujado en el apoyo central ML-
en el sentido de las agujas del reloj se fresa en la muñequilla H1
en el procedimiento concurrente, lo que es deseable debido a los
motivos anteriormente
indicados.
indicados.
En la muñequilla H2 se podría dar la impresión
de que se trata de un fresado no concurrente, ya que la herramienta
WZ2 en este punto se desplaza hacia abajo, pero la muñequilla H2
hacia arriba.
Del desplazamiento absoluto de la muñequilla no
depende el juicio de si es fresado concurrente o no concurrente,
sino de que la muñequilla H2 realiza con relación a su punto
central una rotación, que su superficie, en el punto de mecanizado,
se puede mover siempre en el mismo sentido que la fresa.
La muñequilla H2, que en la figura 3 se desplaza
hacia arriba -considerado de manera absoluta- rueda aparentemente a
lo largo de la herramienta WZ2 hacia arriba, de tal manera que con
relación al centro de la muñequilla H2 tiene lugar una rotación de
la muñequilla en el sentido de las agujas del reloj, y con ello en
el punto de mecanizado existe de facto una marcha en el mismo
sentido.
La figura 3 muestra la relación forzosa
existente entre el mecanizado en las dos muñequillas H1 y H2, que
se tiene que considerar sobre todo en la optimización de varios
procesos de mecanizado que se desarrollan simultáneamente en
consideración a, por ejemplo, un determinado grueso de viruta.
Si suponemos que la fresa WZ2 en relación al
cigüeñal 1 -del cual en la figura 3sólo se ha representado el apoyo
central ML y las dos muñequillas H1 y H2 mecanizados en aquel
momento para una mayor claridad- giran tan rápidamente entre ellos,
que entre el ataque de dos cuchillas de la herramienta WZ2 en la
muñequilla H2, el cigüeñal continuaría girando en el ángulo
\Delta\alpha. Puesto que en la figura 3 el centro de la
muñequilla H2 y el centro del cigüeñal, es decir, del apoyo central
ML, se encuentran en una línea con el centro M2 de la herramienta
WZ2, origina el ángulo de giro \Delta\alpha un desplazamiento
a_{2} del punto de referencia de las nuevas cuchillas con
relación a la cuchilla antigua, que discurre casi exactamente en la
dirección Y.
De este modo debe tener lugar sólo una
componente X muy reducida x_{2} por el correspondiente
desplazamiento X de la herramienta WZ2, y de la distancia de corte
resultante \Deltal_{u2} debido a una sección transversal de
viruta, cuyo espesor debe corresponder al espesor óptimo de
viruta.
En el punto de mecanizado de la muñequilla H1
debe ser asimismo posible conseguir el mismo espesor de viruta.
También el centro de la muñequilla H_{1} -supuesto el mismo número
de revoluciones del mismo diámetro de la herramienta WZ1 y WZ2- ha
girado un ángulo \Delta\alpha con relación al centro de la
muñequilla, hasta que la cuchilla de la herramienta WZ1 llega al
ataque.
El desplazamiento a_{1} originado en el punto
de mecanizado con ello es mayor que a_{2} de forma despreciable,
ya que la distancia desde el centro del apoyo central ML al punto de
mecanizado en la muñequilla H_{1} es ligeramente mayor que al
centro de la muñequilla H_{1}. Este desplazamiento a_{1} posee
en un componente x_{1} marcado en la dirección X, que se debe
compensar mediante el correspondiente desplazamiento de la
herramienta WZ1 de la dirección X. De este modo permanece de a_{1}
sólo una parte relativamente pequeña como separación de corte
\Delta_{lu1} en la dirección Y. Esto proporcionaría la viruta
más delgada representada a la derecha de la figura 3 con un espesor
máximo de sólo h_{1max}, que es mucho menor que el espesor de
viruta óptimo.
Para llegar en este punto de mecanizado al
espesor de viruta óptimo, se debe reducir la velocidad de la
herramienta WZ1 con relación a la velocidad de WZ2, de tal manera
que la separación de corte \Deltal_{u1} aumente hasta tal
punto que se alcanza el espesor de viruta deseado también en la
muñequilla H1. Con ello es necesario una reducción de la velocidad
de la herramienta WZ1 a aproximadamente un 30% de la velocidad de la
herramienta WZ2.
Además del primer objetivo de optimización
descrito, de un espesor de viruta determinado -medio o máximo-
podría ser el objetivo de optimización secundario una relación de
corte, que no debería superar un corredor objetivo predeterminado o
un valor máximo.
En el primer caso esto llevaría en el caso de
mecanizado representado en la figura 3 a que el mecanizado de la
muñequilla H2, las velocidades de la pieza de trabajo y de la
herramienta WZ2 permanezcan en una relación de tal manera que en la
muñequilla H2 se mantenga el espesor de viruta deseado, simplemente
de tal manera que la velocidad de la herramienta WZ2 se mueva en el
extremo superior de la anchura de banda predeterminada para la
velocidad de corte. Con ello resulta también un incremento de la
velocidad de la herramienta WZ1, con lo cual la velocidad de corte
en la muñequilla H1 se debe encontrar todavía dentro de la anchura
de banda preindicada para la relación de corte.
Con la indicación de un límite superior para la
velocidad de corte, en cambio, se entraría el límite superior en el
mecanizado en la muñequilla H_{2}, que posee la velocidad de corte
más elevada con relación al mecanizado en la muñequilla H_{1}, de
tal manera que, de este modo, se mantendría un límite superior
absoluto automáticamente de la velocidad de corte en los puntos de
mecanizado existentes.
En el mecanizado simultáneo en más de dos puntos
en un cigüeñal, se emplearán de forma análoga al criterio limitador
con los valores absolutos máximos o mínimo, siempre en el punto de
mecanizado con el valor relativo máximo o mínimo
correspondiente.
Con el empleo de los anchos de banda
predeterminados de determinados parámetros de corte, puede ser que
no sea posible para todos los puntos de mecanizado el mantenimiento
de esta anchura de banda. En este caso hay que ampliar la zona de
anchura de banda predeterminada o se debe indicar un parámetro de
optimización de tercer rango. Esta tercera magnitud de optimización
podría ser, por ejemplo, la longitud de viruta (sobre todo en el
mecanizado de superficies laterales de la gualdera).
Las dependencias recíprocas, representadas en la
figura 3, para el mantenimiento de un espesor de viruta determinado
se presentan intensamente si uno de varios puntos de mecanizado
simultáneos del cigüeñal es el mecanizado de una superficie frontal
de una gualdera, como se representa en la figura 4. La
representación de la figura 4 muestra un cigüeñal, por ejemplo,
para un motor en línea de cuatro cilindros, en el que se encuentran
en dirección radial opuestas las muñequillas H1 y H2 con relación
al apoyo central ML.
Si en la posición representada en la figura 4,
con el mecanizado de la superficie de la gualdera 3 se empezase
mediante la herramienta WZ, continuaría girando el cigüeñal
alrededor del centro del apoyo central ML en el sentido indicado
(en el sentido de las agujas del reloj), mientras que la herramienta
WZ giraría en el sentido contrario a las agujas del reloj, para
conseguir el fresado concurrente.
En la superficie de la gualdera 3 se han
dibujado algunas de las trayectorias de corte resultante con ello
s_{a}, s_{b}, s_{m}, s_{x}.
Debido a la rotación simultánea del cigüeñal,
resultan con ello secciones transversales de viruta, que en el
inicio de la viruta es claramente mayor que en el final de la
viruta, y además, las virutas se diferencian fuertemente en la
longitud, en función de la posición correspondiente de la
trayectoria de corte de la superficie de la gualdera 3.
A una rotación del cigüeñal, en general, no se
puede renunciar completamente, ya que, de lo contrario, un
mecanizado que tiene lugar precisamente en otro punto del cigüeñal
de una muñequilla no podría producir un progreso de mecanizado.
Si de este modo tiene lugar en un cigüeñal al
mismo tiempo varias superficies laterales de gualdera o una
superficie lateral de gualdera al mismo tiempo con el mecanizado de
una muñequilla, se presentan las discrepancias representadas en el
ejemplo de la figura 3 de los espesores de viruta entre los
diferentes puntos de mecanizado con igual número de revoluciones y
diámetros de todas las herramientas, de tal manera que se tiene que
variar intensamente la velocidad y/o el mecanizado de la gualdera
también el desplazamiento en la dirección transversal, es decir, en
la dirección X por la fresa para cada fase del mecanizado
simultáneamente y en todos los puntos de mecanizado mantener el
espesor de viruta óptimo deseado.
La figura 5 muestra como se procede al inicio
del mecanizado de la superficie exterior, por ejemplo, de una
muñequilla cuidando la pieza de trabajo como sigue:
La fresa se aproxima a pesar de la rotación de
la pieza de trabajo relativamente lenta hasta la dimensión teórica
radial. Una aproximación radial demasiado rápida, no sólo
incrementaría de forma inadmisible el espesor de la viruta, sino
que, sobre todo -debido a la longitud de viruta grande, por el arco
de abrazado entre una fresa exterior en forma de disco, que rota
alrededor del eje paralelo al eje de la muñequilla, y el punto de
mecanizado momentáneo- actúan también las fuerzas transversales
correlativas, que se introducen en la pieza de trabajo, serían
relativamente elevadas.
Como muestra la figura 5, se desplaza la fresa
tan lentamente hacia delante con relación al centro de la muñequilla
a mecanizar que la medida existente sólo se capta después de un
ángulo de entrada de aproximadamente 50-70,
preferentemente unos 60º del perímetro de muñequilla, mediante la
fresa. Desde este punto se debe desbastar una rotación completa de
la muñequilla a mecanizar, preferentemente algo más, unos 370º, para
conseguir una rotación óptima del contorno real al contorno teórico
del muñón. La salida de la fresa puede realizarse directamente de
forma radial.
Adicionalmente, en la figura 5, a lo largo de la
trayectoria de mecanizado, se han dispuesto puntos de corrección,
con un ángulo intermedio comprendido entre 10-15º
hasta el centro de la muñequilla.
Después de la producción de las primeras piezas
de una serie a mecanizar, se puede medir la aproximación del
contorno periférico real en el contorno periférico teórico y por la
variación de cada uno de los puntos de corrección -mediante la
entrada correspondiente de valores de corrección para los diversos
puntos de corrección en el mando de la máquina- se corrigen
implícitamente posteriormente el contorno real conseguido.
En la figura 4 se ha aplanado el contorno
periférico de la gualdera en un punto liso. Parcialmente se ha
mecanizado también el contorno periférico de la superficie de la
gualdera mediante fresado exterior. Con el fresado exterior según
la invención, no sólo se puede conseguir -mediante el mando
correspondiente de la posición de giro, es decir, la velocidad de
rotación del cigüeñal en relación al desplazamiento X de la fresa-
cada entrada de contorno deseado (por consiguiente curvado hacia el
exterior), sino también planos, por ejemplo, aplanados que se
encuentran tangenciales al apoyo central ML del cigüeñal. Tales
fresados planos se necesitan para una sujeción posterior, por
ejemplo, de contrapesos o también para el equilibrado de cigüeñales,
directamente en la sujeción del mecanizado con arranque de
viruta.
Incluso los contornos periféricos cóncavos, es
decir, profundos, se pueden también producir siempre que el radio
de curvatura de los mismos sea mayor que el radio de la fresa
exterior en forma de disco.
Para ello muestra la figura 6 un corte por una
herramienta WZ de arranque de viruta, por ejemplo, una cuchilla de
corte, siendo válidas una mayor parte de las designaciones y
ángulos, tanto para el torneado como también para el fresado. Con
ello la cuchilla, se forma, por ejemplo, por el filo principal S,
mediante el cual se forman mediante la superficie de arranque de
viruta A_{\gamma}, así como el borde formado por el flanco
principal A_{\alpha} y el filo secundario S' por la superficie de
arranque de viruta A_{\gamma} y la superficie libre secundario
A'_{\alpha}. El filo S, dibujado puntiagudo en la figura 6 no es
en la práctica completamente puntiagudo, sino que posee un cierto
redondeo, el redondeo del borde de corte SKV, para evitar una
ruptura del borde de corte.
En las figuras 7 y 8 se definen diferentes
direcciones y planos con relación a la herramienta.
Para ello, el plano de referencia de la
herramienta P_{R} es un plano a través del punto de corte
seleccionado, y concretamente perpendicular a la dirección de corte
supuesta. El plano de referencia de la herramienta P_{r} se ha
elegido de tal manera que ésta tiene lugar paralela o
perpendicularmente a un eje de la herramienta. Una determinación
debe realizarse para cada tipo de herramienta individualmente. Con
las cuchillas de corte, el plano de referencia de la herramienta
P_{r} es un plano paralelo a la superficie de apoyo del muñón con
herramientas de corte convencionales, con herramientas de fresado
convencionales un plano, que contiene el eje de la herramienta de
fresado.
El plano de trabajo supuesto P_{f} es un plano
a través del cual el punto de corte seleccionado se encuentra
perpendicular al nivel de referencia de la herramienta P_{r} y
paralelo a la dirección de desplazamiento aceptado.
El plano de retorno de la herramienta P_{p} es
un plano a través del punto de corte seleccionado, perpendicular al
nivel de referencia de la herramienta P_{r} y perpendicular al
plano de trabajo supuesto P_{f}, P_{r}, P_{p} y P_{f}
representan con ello un sistema de coordenadas a través del punto de
corte supuesto.
El plano de corte de la herramienta P_{s}
(véase figura 8) es un plano a través del punto de corte, tangencial
al filo S y perpendicular al plano de referencia de la herramienta
P_{r}. Si la cuchilla de la herramienta S se encuentra
perpendicular a la dirección de avance, coinciden los planos de
corte de la herramienta P_{s} y el plano de empuje P_{p}.
El plano ortogonal la herramienta P_{o} es un
plano a través del punto de corte, perpendicular al plano de
referencia de la herramienta P_{r} y perpendicular al plano de
corte de la herramienta P_{s}. Si de este modo, el filo de la
herramienta S se encuentra perpendicular a la dirección de avance,
coinciden los planos ortogonales de la herramienta P_{o} y el
plano de trabajo P_{f}.
De las figuras 9 y 10, se puede ver separado
para el torneado longitudinal y el refrentado -la orientación de
los diferentes cortes de herramienta con relación a la pieza de
trabajo. En esta vista, la herramienta tiene en su punto de corte
un ángulo de herramientas \varepsilon_{r}, entre el plano de
corte de herramienta P_{s} del filo principal y el plano de corte
de la herramienta P'_{s} del filo secundario, medido en el plano
de referencia de la herramienta P_{r}.
Para ello se encuentra el filo principal en un
ángulo de ajuste de herramienta K_{r} entre el lado de corte
herramienta P_{s} y el plano de trabajo supuesto P_{f} medido en
el plano de referencia herramienta P_{r}.
En las figuras 12a-12f se puede
ver directamente la posición de las diferentes secciones y vistas
con relación a la pieza de las figuras 9.
Los ángulos relevantes son:
- Ángulo de arranque de viruta lateral de la
herramienta \gamma_{f}: ángulo entre la superficie arranque de
viruta A_{\gamma} y el plano de referencia de la herramienta
P_{r}, medido en el plano de trabajo P_{f};
- Ángulo de arranque de viruta posterior
\gamma_{p}: ángulo entre la superficie arranque de viruta
A_{\gamma} y el plano de referencia de la herramienta P_{r},
medido en el plano posterior de la herramienta P_{p};
- Ángulo de arranque de viruta normal de la
herramienta \gamma_{n}: ángulo entre la superficie de arranque
de viruta A_{\gamma} y el plano de referencia de la herramienta
P_{r} medido en el plano normal de corte de la herramienta
P_{n}; el valor de este ángulo \gamma_{n} (positivo o
negativo) se denomina generalmente como "geometría de corte
positiva/negativa".
- Ángulo de inclinación de la herramienta
\lambda_{s} (figura 12e): ángulo entre el filo S y el plano de
referencia de la herramienta P_{r}, medido en el plano de corte de
la herramienta P_{s}.
Este ángulo de inclinación de la herramienta
\lambda_{s} es un ángulo agudo, cuya punta se dirige al vértice
de corte. Es positivo si el filo, visto desde el vértice de corte,
se encuentra en el lado apartado de la dirección de corte tomada
del plano de referencia de la herramienta P_{r}.
Con \alpha se designa en general el ángulo de
incidencia de un filo.
La figura 13 muestra una plaquita de gualdera,
que está atornillada en el cuerpo base en forma de disco de la
fresa -preferentemente a ambos lados- y con ello sobresale, tanto
radial como también frontalmente, por encima del cuerpo base. Para
extraer materiales de la superficie frontal de la gualdera, con la
fresa rotativa se desplaza ésta en el sentido X, es decir radial a
la pieza de trabajo, como sentido de desplazamiento. Para ello se
encuentran la plaquita de gualdera en forma de plaquita con su
plano, el plano de corte de la herramienta P_{s} en un pequeño
ángulo K con relación al plano de trabajo P_{f}, que se compone de
la dirección de avance (dirección X) y del plano
X-Y que se encuentra en la dirección de corte. Con
ello sobresale del cuerpo base hacia el exterior el borde de la
plaquita de corte del cuerpo base con el corte redondeado con un
radio en el vértice R de aproximadamente 1,6 mm y forma el punto
más adelantado con relación a cuerpo base de la fresa.
Cuanto mayor sea el ángulo K tendrá más ondulada
será la superficie frontal de la gualdera mecanizada, como se puede
ver en la parte ya mecanizada de la figura 13.
Para poder mecanizar toda la superficie frontal
de una gualdera, es necesario, además del avance en la dirección X
de la fresa representado en la figura 13a, una rotación adicional
del cigüeñal, si, por ejemplo, la superficie de la gualdera se debe
mecanizar hasta la muñequilla H_{2} y alrededor de ésta.
Con una plaquita de gualdera como se representa
en la figura 13a, se designe como longitud de la plaquita de corte
la extensión de la plaquita en dirección tangencial del cuerpo base
de la herramienta en forma de disco y como espesor la extensión en
la dirección axial de la dirección más próxima de la plaquita de
corte.
La figura 13b muestra en la misma dirección
visual que la figura 13a el mecanizado de la superficie exterior de
un muñón del cigüeñal mediante una plaquita de muñón. Con una
plaquita de esta clase, se entiende como longitud y anchura los
lados vistos en la figura 13b, entendiéndose como plaquita del
muñón, en general, plaquitas de corte cuadradas, que de este modo
se pueden colocar cuatro veces, una tras otra.
Las plaquitas de muñón se pueden colocar en el
cuerpo base de la fresa de disco, con su borde de corte exterior
con un ángulo que difiera de la dirección Z dentro del plano
Z-X, si al mismo tiempo se proporciona una
desviación de la dirección Z dentro del plano
Z-Y.
Claims (15)
1. Procedimiento para el mecanizado con
arranque de viruta de superficies frontales excéntricas y céntricas
y también superficies periféricas o laterales de una pieza de
trabajo en forma de cigüeñal (WST) sujeta en un eje giratorio (eje
C) definido el eje centrado (eje Z), en el que
a) el mecanizado con arranque de viruta se
realiza mediante fresado externo,
b) la pieza de trabajo (WST) se mecaniza
simultáneamente en múltiples muñones de biela como superficie de
mecanizado en su posición de rotación con relación al eje centrado
(Z1) no coincidente y
c) cada superficie de mecanizado se mecaniza
mediante una fresa separada externa (WZ1, WZ2, ...) que se puede
desplazar sólo en una trayectoria transversal a la pieza de trabajo
(WST),
d) la rotación de la pieza de trabajo (WST)
respecto a la posición de rotación, velocidad de rotación
(n_{WST}) y sentido de rotación se regula teniendo en cuenta los
movimientos instantáneos y la velocidad de rotación de todas las
distintas fresas (WZ1, WZ2, ...) y
e) el movimiento transversal y la velocidad de
rotación (n1, n2, ...) de cada una de las fresas (WZ1, WZ2) se
controlan separada e independientemente de las otras fresas de
trabajo (WZ1, WZ2) debido al desplazamiento de la pieza de trabajo
(WST).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la trayectoria de la fresa (WZ1, WZ2) es
una trayectoria lineal en la dirección X.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la trayectoria de la fresa (WZ1, WZ2)
transversal a la pieza de trabajo es un desplazamiento de giro en
forma de arco alrededor de un eje Z.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
movimiento transversal y la velocidad (n1, n2) de la fresa (WZ1,
WZ2) transversal a la pieza de trabajo controla un movimiento de
giro en forma de arco alrededor del eje Z.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el movimiento
transversal y la velocidad de rotación (n1, n2) de la fresa (WZ1,
WZ2) se controla debido al movimiento real actual de la pieza de
trabajo.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la rotación
de la pieza de trabajo, así como también el desplazamiento
transversal y de rotación de cada fresa (WZ1, WZ2), se calcula
previamente para cada fase del proceso de fresado, y el mecanizado
se realiza según el programa de mecanizado resultante de ello.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
optimización y los parámetros de desplazamiento de la pieza de
trabajo, y el fresado, que trabaja simultáneamente, se realiza
considerando el mantenimiento de un espesor de viruta medio máximo
(h_{mitt}).
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la optimización
del parámetro de desplazamiento y el fresado que trabaja
simultáneamente tiene lugar en consideración al mantenimiento de un
espesor de viruta máxima (h_{max}).
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la optimización
del parámetro de desplazamiento de la pieza de trabajo y el
fresado, que trabaja simultáneamente, tiene lugar en consideración
a una maximización de las relaciones de corte (v_{s1} y
v_{s2}).
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
optimización de la pieza de trabajo y las fresas que trabajan
simultáneamente en consideración al mantenimiento de una gama de
valor determinada para el espesor medio máximo (h_{mitt}), tiene
lugar especialmente el mantenimiento de un espesor de viruta medio
exacto (h_{mitt} 0), especialmente en todas las fresas que
trabajan simultáneamente (WZ1, WZ2).
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
optimización de los parámetros de desplazamiento de la pieza de
trabajo y del fresado simultáneo, en consideración al mantenimiento
de una zona de valor determinada para el espesor de viruta media
(h_{mitt}), especialmente el mantenimiento de un espesor exacto
de viruta (h_{mitt} 0), especialmente en todas las unidades de
fresado que trabajan simultáneamente (U1, U2) como objetivo de
optimización primario, y la consecución de una velocidad máxima
posible en cada fresa (WZ1, WZ2) como objetivo de optimización
secundario.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se trata
del fresado con fresado de alta velocidad, con velocidades de
180-800, especialmente 350-500
m/min.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fresa
presenta una geometría de corte positiva.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se trata de
fresas para el fresado en pieza de trabajo ya templado.
15. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante el
fresado de una muñequilla, la fresa avanza en el transcurso de una
fase de avance de 20º-100º, especialmente de 40º-60º de rotación
relativa de la muñequilla a mecanizar en la dirección transversal de
la medida teórica.
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