JP2004177159A - 高周波焼入れパターン計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱影響層と母層の境界層が存在しないワークや表面に複雑な形状部分を有するワークについても、信頼性のある焼入れ深さの測定を可能とし、焼入れ深さパターンの表示も可能とする。
【解決手段】ワーク１の周囲に超音波を送波して得られる超音波送受波器２からの反射波信号に対し、データ処理装置１３は、その反射波信号中の後方散乱波を顕在化させる前処理を行い、かつ、前処理後の反射波信号に対して閾値処理を施す。データ処理装置１３は、閾値処理後の信号に基づいて焼入れ深さを求め、画像表示装置１４に焼入れ深さパターンを表示させる。閾値処理に用いられる閾値を適宜選定しておき、従来、測定不能だったワークについての焼入れ深さ測定を可能にする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環状のコイル内に定置されて高周波焼入れされたワーク（被計測物）の表面からの焼入れ深さを、超音波を用いて非破壊で計測する高周波焼入れ深さ計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の焼入れ深さ計測装置には、従来から、ワークに超音波を送波してその反射波を受波し、反射波の強度と伝播時間を用いて所定の演算を行うことにより、ワーク表面からの焼入れ深さを非破壊で計測する装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、次のような問題点があった。
すなわち、焼入れ後のワークは、表面から深さ方向に、焼入れ加熱の影響を完全に受けている焼入れ硬化層、完全にとはいい切れないが焼入れ加熱の影響を受けている熱影響層及び全く焼入れ加熱の影響を受けていない母層というように層分けされる。
【０００４】
焼入れ時、ワークに向けて送波された超音波の反射は、主に、ワークの表面（ワーク計測時における超音波媒体、通常は水とワークの境界面）、ワーク中の焼入れ硬化層と熱影響層の境界層及び熱影響層と母層の境界層で発生する。そして、ワーク表面からの焼入れ深さは、前記熱影響層と母層の境界層で発生する反射波、つまり後方散乱波の計測値に基づいて求められる。
このため、熱影響層と母層の境界層が存在しないワークについては、焼入れ深さを測定できなかった。例えば、高周波焼入れ形式が定置焼入れの場合、生産性を高めるために、軸径の異なる焼入れ部位を同一コイルで焼入れすることが多い。このとき、軸径の小さい部位はオーバヒート傾向になり、熱影響層と母層の境界層が存在しない状態で焼入れ硬化層が形成され、その結果、焼入れ深さを求めることができなかった。
【０００５】
また、熱影響層と母層の境界層が存在していたとしても、焼入れ条件が異なる場合、例えば焼入れ時の入熱量が同一ワークの他の部位よりも大きい場合には、適切な入熱量であった他の部位と比較して、上記境界層位置の計測ずれは大きくなる。このため、後方散乱波の計測値のずれも大きくなり、この計測値に基づく焼入れ深さの測定値に信頼性がなくなる。これを改善するためには、超音波測定値と焼入れ深さの相関関係を、テスト焼入れ等を行って焼入れ深さを実測する等、著しく手間のかかる作業により新たに求める必要がある。しかも上記相関関係は、ワークの材質に依存するので、ワークが変わる毎に行わなければならず、実現が困難であった。
【０００６】
更に従来技術では、超音波反射波の生波形のピーク値を計測して焼入れ深さを測定するので、スプライン面・Ｒ面等のように表面に複雑な形状部分を有する場合に、その部分における表面波が遅れエコーとして生波形に現れ、そのピーク値により焼入れ深さが計測されてしまう。このため、計測結果が信頼性のないものとなった。
【０００７】
本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、熱影響層と母層の境界層が存在しないワークについても、また、熱影響層と母層の境界層が存在しているが軸方向で焼入れ条件が相違して焼入れされたワークや、表面に複雑な形状部分を有するワークについても、信頼性を増した焼入れ深さの測定、焼入れ深さパターンの表示が可能な高周波焼入れ深さ計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ワークに超音波を送波し、その反射波を受波する超音波送受波器と、この超音波送受波器を、前記ワークの軸回り方向及び軸方向に相対移動させるワーク／送受波器回転・移動手段と、前記超音波送受波器を送受波動作させて超音波反射波を出力する超音波送受波手段と、前記ワークの軸回り方向において少なくとも１回転、所定の回転角度毎にワーク中心軸方向に超音波を送波させ、その反射波を受波させる超音波送受波動作を、そのワークの軸方向所望範囲について所定距離移動する毎に行うように、前記ワーク／送受波器回転・移動手段及び超音波送受波手段を制御する制御手段と、前記超音波送受波手段から出力される超音波反射波に対して後方散乱波を顕在化させる前処理を行い、この前処理後の反射波信号に対して閾値処理を施して得られた信号から超音波散乱頻度分布を得て超音波測定値を求め、予め設定された換算手段によって前記超音波測定値から前記ワークの焼入深さを算出し、その焼入深さに基づくワーク軸方向断面における焼入れ深さパターンを画像表示手段に表示させ、かつ、前記焼入れ深さをデジタルデータで保持するデータ処理手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、データ処理手段は、算出された焼入れ深さを予め設定された標準焼入れ深さと比較してその焼入れがなされたワークの良否を判定し、結果を画像表示手段に表示させることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、制御手段は、ワーク軸回り方向の超音波送受波動作において、特定の回転角度位置について超音波送受波を省略させ、又はその位置における超音波反射波を処理対象から排除させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明による高周波焼入れ深さ計測装置の一実施形態の全体構成を示す図である。
この図において、１はワーク（被計測物）、２は超音波送受波器（以下、送受波器と略記する。）で、いずれも水３が満たされた処理槽４内に浸漬されている。
上記ワーク１は、ワーク回転用モータ５により軸回り方向イに回転自在に保持されている。
また送受波器２は、ワーク１近傍に位置決めされ、ワーク中心軸に送受波面を向けた状態で保持具６に保持されている。この場合、送受波器２の超音波送受波中心軸は、ワーク中心軸に直交する方向から僅かな角度θだけ傾斜させた状態で固定されている。ワーク１への超音波を縦波から横波に変え、計測値の分解能を上げるためである。
この送受波器２は、超音波送受波回路７により送受波動作される。
上記保持具６は、ワーク軸方向移動装置８によって図中左右方向に移動自在であって、送受波器２をワーク軸方向（図中左右方向）に移動させる。
この場合、上記モータ５は回転角度センサ９を、ワーク軸方向移動装置８は直線移動位置センサ１０を備えており、送受波器２の、ワーク軸回り角度位置及び軸方向位置を後述制御装置にフィードバック可能、つまりワーク１に対する超音波送受波位置のフィードバック制御が可能に構成されている。
【００１２】
制御装置１１は、計測条件付与装置１２から与えられる計測条件に従い、内蔵するプログラムを実行して以下の制御を行う。すなわち制御装置１１は、ワーク軸回り方向について所定の回転角度α°毎に、一定時間間隔ΔｔでＸ回超音波を送波させてその反射波（生信号）を各回毎に受波させる超音波送受波動作（ワーク横断面方向送受波動作）を、ワーク軸回り方向に１回転行わせる。そして、このようなワーク横断面方向の超音波送受波動作を、ワーク１の軸方向所望範囲ａ１からａ２について所定距離移動する毎に行うように、上記ワーク回転用モータ５、ワーク軸方向移動装置８及び超音波送受波回路７を制御する。これにより、ワーク軸方向の所望範囲ａ１からａ２部分について、ワーク１を囲む多数箇所における超音波送受波（走査）が行われる。
なおこの例では、ワーク１の軸回り方向各位置における超音波の送受波は一定時間間隔で４回行われ、反射波レベルのばらつきを防いでいる。
計測条件付与装置１２は、詳細を後述する閾値Ｚ、Ａ〜Ｄ等の計測条件の設定を行う装置で、設定された計測条件は制御装置１１に付与される。閾値の設定は、個別に手動で行ってもよく、また、予めワーク１の材質や焼入条件毎に登録された計測条件の指定によって一括して設定するようにしてもよい。
【００１３】
データ処理装置１３は、上記超音波送受波回路７から出力された超音波反射波（生信号）に対して後方散乱波を顕在化させる前処理を行う。そして、前処理後の反射波信号に対し、予め設定された閾値を用いた閾値処理を施して得られた信号から超音波散乱頻度分布を得、超音波測定値を求める。その後、予め設定された換算手段により上記超音波測定値からワーク１の焼入深さを算出し、その焼入れ深さに基づくワーク軸方向断面（縦断面）における焼入れ深さパターンを画像表示装置１４に表示させ、かつ、上記焼入れ深さをデジタルデータで保持する装置である。
焼入れ深さパターンは、ワーク軸方向断面において、ワーク表面位置に対する焼入れ深さ（焼入れされている最深部位置）が観察可能なパターン画像であればよい。
換算手段としては、表（テーブル）や曲線、ここでは較正曲線が用いられる。
【００１４】
上記閾値は、この例ではＺ、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの５つが用いられている。
この場合、Ｚは、上記超音波反射波中の一定値以上の信号を取り込むための閾値であり、この閾値の設定により、超音波反射波中における計測に無用な信号が除去される。
Ａ及びＢは、スプライン面・Ｒ面等のように複雑な形状部分におけると超音波反射波中に表面波（遅れエコー）が現れ、誤ったピーク値を取得して誤計測する原因となるが、このような遅れエコーを除去するための閾値である。
以下、この閾値Ａ，Ｂについて詳述する。
すなわち、取り込まれたワーク１からの超音波反射波の値（電圧レベル）をＶｘとし、閾値Ａ，Ｂの値（電圧レベル）を適宜値Ｖａ，Ｖｂ（Ｖａ＜Ｖｂ）とすると、Ｖｘ、Ｖａ、Ｖｂは、経験的に以下の関係を有することが判明している。
Ｖｘ＜Ｖａの関係にあるとき、Ｖｘはノイズ、
Ｖａ＜Ｖｘ＜Ｖｂの関係にあるとき、Ｖｘは正常な反射波、
Ｖｂ＜Ｖｘの関係にあるとき、Ｖｘは複雑な形状の測定面による遅れエコー
である。
つまり、予め実測等によりワーク１の材質や焼入条件等に応じて適宜値に設定された閾値Ａ，Ｂ（Ｖａ，Ｖｂ）を用いることにより、遅れエコーを含まない正常な反射波Ｖｘのみを取り込むことができ、適正なピーク値を取得できる。
ワーク１に熱影響層と母層の境界層が存在しない場合も同様で、閾値Ｃ，Ｄの値（電圧レベル）を、予め実測等によりワーク１の材質や焼入条件等に応じて適宜値Ｖｃ，Ｖｄ（Ｖｃ＜Ｖｄ）に設定しておくことにより、Ｖｃ＜Ｖｘ＜Ｖｄの関係にある正常な反射波Ｖｘのみを取り込むことができ、適正なピーク値を取得できる。
【００１５】
なお本実施の形態では、データ処理装置１３は超音波送受波回路７から出力された超音波反射波に対し、各々２乗演算を行った後、その演算結果につき自己相関・同期加算（ワーク軸回り方向各位置において４回受波された反射波につき各々経過時間を同期させて加算する処理）を行い、得られた信号（前処理後の反射波信号）につき、上記閾値Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを用いた閾値処理を行っている。
画像表示装置１４は、例えばカラーＣＲＴ等からなる。
【００１６】
次に、上述実施の形態による焼入れ深さ計測及び焼入れパターン表示の手順につき、図２に示すフローチャートを併用して説明する。
この例では、図３に拡大して示すように、ワーク１は３段のシャフトであり、この図３中の位置ａ１からａ２まで（矢印ロ参照）のワーク軸方向範囲についての焼入れ深さ及び焼入れパターンを計測、表示する場合について述べる
【００１７】
まず、図１に示すように、水３が満たされた処理槽４内にワーク１及び送受波器をセットする。
次に、多種類のワーク１について計測できるように多種類の計測条件（閾値Ｚ、Ａ〜Ｄ等）が登録された計測条件付与装置１２を操作し、図示ワーク１についての閾値Ｚ、Ａ〜Ｄ等を制御装置１１に付与する。
この状態で、計測動作を開始させると、制御装置１１は、直線移動位置センサ１０から超音波送受波器２のワーク軸方向上の位置データを取得する（ステップ２０１）。得られた位置が所定の計測位置、この場合は計測開始位置ａ１（図１，図３参照）であればステップ２０２〜２０９を実行する。所定の計測位置でなければその位置に移動させた後、ステップ２０２〜２０９を実行する。
ステップ２０２〜２０９では、位置ａ１において、ワーク１を軸回り方向（図１中、矢印イ方向）について所定角度α°回転させた位置（ポイント）ｉ毎に、一定時間Δｔ間隔で４回（全時間Ｔ）、超音波を送波させてその反射波を受波させる送受波動作を、ワーク１の軸回り方向１回転分、行わせる。
図４は、上記超音波送受波のワーク軸回り方向における動作位置の説明図で、送受波器２は、ワーク１周囲においてワーク１が矢印イ方向にα°回転したｉ１〜ｉｎの各位置毎に、ワーク中心軸Ｏ方向に対する超音波送受波を行う。
図５は、ステップ２０２において受波された反射波（生信号）の波形図である。
【００１８】
ここで、各位置ｉ１〜ｉｎにおいて受波された反射波の電圧レベルが閾値Ｚ（Ｖｚ）に達していない場合には、その反射波は処理対象から排除される（ステップ２０３）。
また、ステップ２０３を経て取り込まれた反射波は、データ処理装置１３によって各々２乗演算され、かつ位置ｉを同じくする４つの反射波（２乗演算後の反射波）につき各々自己相関・同期加算される（ステップ２０５）。このような前処理によれば、反射波中の後方散乱波が顕在化される。
図６はステップ２０５における自己相関・同期加算後の信号波形図である。
【００１９】
ステップ２０６では、ステップ２０５により得られた各位置ｉ（ｉ１〜ｉｎ）における反射波に対して閾値Ａ，Ｂ及び／又はＣ，Ｄ、この例では、閾値Ｃ，Ｄによる閾値処理、すなわち、熱影響層と母層の境界層が存在しないワーク１の焼入れ深さ測定を行うための閾値処理を行う。
具体的には、ステップ２０５により得られた各位置ｉ１〜ｉｎにおける４つの反射波の自己相関・同期加算後の反射波信号を各々Ｖｘとし、閾値Ｃ，Ｄの値（電圧レベル）をＶｃ，Ｖｄ（Ｖｃ＜Ｖｄ）としたとき、Ｖｃ＜Ｖｘ＜Ｖｄの関係にあるＶｘを正常な反射波として取り込む。
なお、閾値Ａ，Ｂによる閾値処理、すなわち、複雑な形状部分におけるワーク１の焼入れ深さ測定を行うための閾値処理の場合には、閾値Ａ，Ｂの値（電圧レベル）をＶａ，Ｖｂ（Ｖａ＜Ｖｂ）としたとき、Ｖａ＜Ｖｘ＜Ｖｂの関係にあるＶｘを正常な反射波として取り込む。
そしてステップ２０６では、ステップ２０５により取り込まれた正常な反射波Ｖｘの中からピーク値をもつ反射波Ｖｘの電圧レベルと、そのピーク値をもつ正常な反射波Ｖｘのワーク１表面からの伝播時間（ワーク１表面からの反射波が受波されてから上記ピーク値をもつ正常な反射波Ｖｘが受波されるまでの時間差）Ｔ１を各々取得する。伝播時間Ｔ１は正常な反射波Ｖｘの反射位置（発生深さ）の算出に用いられる。
なお、ステップ２０６において、各位置ｉ（１〜ｉｎ）における反射波についての処理は、各々ワーク１表面からの反射波が受波されてから一定時間（ゲート時間ＧＴ）以内の反射波について行われる。このゲート時間ＧＴは、ワーク１の大きさ、材質あるいは焼入条件等に応じて、予め計測条件付与装置１２に設定される。
【００２０】
ステップ２０２〜２０９の繰返し処理が終了、すなわちワーク１の位置ａ１についての軸回り方向０°〜３６０°の各位置ｉ１〜ｉｎにおける、正常な反射波Ｖｘ中のピーク値をもつ反射波Ｖｘの電圧レベルと、その伝播時間Ｔ１を各々取得すると、それらの値からピーク値をもつ反射波Ｖｘの発生深さを算出する。そして、その算出結果（深さ）を、位置ａ１におけるワーク横断面形状中にプロットし、超音波散乱頻度分布図として画像表示装置１４に表示する（ステップ２１０）。図７中の７１は、画像表示装置１４に表示された上記超音波散乱頻度分布図の一例を示す。
次に、上記超音波散乱頻度分布図７１（データ）から超音波測定値を求め（ステップ２１１）、続いて、予め設定しておいた較正曲線から焼入深さを求める（ステップ２１２）。上記超音波測定値は、超音波散乱頻度分布図（ワーク横断面）上の多数のプロット点の中の、ワーク軸方向断面位置上のプロット点の値（深さ）である。
以上の処理（ステップ２０１〜２１２）は、制御装置１１が直線移動位置センサ１０から位置ａ２の位置データを取得し、その位置ａ２における同ステップ２０２〜２１２の処理を終えるまで繰り返される（ステップ２１３）。
【００２１】
ステップ２０１〜２１２の繰返し処理が終了、すなわちワーク１の位置ａ１からａ２までの各位置における、軸回り方向角度０°〜３６０°までの各位置ｉ１〜ｉｎについての焼入深さの算出を終了すると、送受波器２の軸方向移動が終了した旨の判定（ステップ２１３）を経てステップ２１４が実行される。すなわち、ワーク１の位置ａ１からａ２までの各横断面における焼入れ深さの全データをもとに、焼入れ深さパターンを画像表示装置１４に表示させる。
図７中の７２は、画像表示装置１４に表示される焼入れ深さパターンの一例を示す。この例では、ワーク軸方向断面の全域についての焼入れ深さパターン７２を表示したが、一般に焼入れ深さパターンは、ワーク１の中心軸Ｏを挟んで上下ほぼ対称であることが多いので、ワーク１の中心軸Ｏを挟んで上又は下半分の焼入れ深さパターンのみを表示するようにしてもよい。
ステップ２１５では、焼入れ深さパターン７１（ワーク１の各横断面における焼入れ深さの全データ）を、予め設定されたワーク種毎の標準焼入れ深さパターン（データ）と比較して、ワーク１の焼入れ結果の良否が判定される。判定結果は、画像表示装置１４に表示される。
なお、データ処理装置１３は、適時に焼入れ深さ（パターン）のデジタルデータを保持する。
【００２２】
上述実施の形態によれば、閾値Ｚを用いた閾値処理を経た反射波に対して２乗演算や自己相関・同期加算処理（前処理）を施し、この前処理後の反射波信号に対して閾値Ａ，ＢあるいはＣ，Ｄを用いた閾値処理を施し、これにより得られた信号に基づいて焼入れ深さを求め、焼入れ深さパターンを得るように構成した。したがって、熱影響層と母層の境界層が存在しないワークについても、また、熱影響層と母層の境界層が存在しているが、軸方向で焼入れ条件が相違して焼入れされたワークや、表面に複雑な形状部分を有するワークについても、信頼性を増した焼入れ深さの測定、焼入れ深さパターンの表示が可能となる。
また、上記焼入れ深さをデジタルデータで保持するようにしたので、計測結果をチャート、テーブル等、所望の形態で画像表示可能である。また、ワークの良否判断も容易に行うことができる。更に、多数のワークの焼入れ深さパターン（データ）を蓄積して、ワーク各部位の焼入れ深さの傾向管理を行う等、各種の解析、管理も容易に行うことができ、焼入れ品質の向上等に役立つ。
【００２３】
なお、ワーク軸回り方向の超音波送受波動作において、特定の回転角度位置について超音波送受波を省略させるか、その位置における超音波反射波を処理対象から排除させるように制御装置１１を構成してもよい。これによれば、上記回転角度位置を適宜選択、指示することにより、スプライン面・Ｒ面等のように表面に複雑な形状部分を有する場合に、その部分における表面波が遅れエコーとして生波形に現れることを防止でき、焼入れ深さ測定の信頼性を増す。これは、閾値Ａ及びＢを用いて閾値処理を行った場合と同様の効果であるが、この例では同効果を異なる手法で実現できる。上記回転角度位置の選択、指示は、計測条件付与装置１２に対して行われ、計測条件付与装置１２が、その回転角度位置を制御装置１１に付与した後、計測動作が開始される。
データ処理装置に高速デジタルオシロスコープを接続し、このオシロスコープによる焼入れ深さパターンの表示も可能な構成にしてもよい。
上掲図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ワークの周囲に超音波を送波して得られる反射波に対して後方散乱波を顕在化させる前処理を行い、この前処理後の反射波信号に対して閾値処理を施し、これにより得られた信号に基づいて焼入れ深さを求め、焼入れ深さパターンを表示するようにした。したがって、熱影響層と母層の境界層が存在しないワークについても、また、軸方向で焼入れ条件が相違して焼入れされたワークや、表面に複雑な形状部分を有するワークについても、閾値を適宜選定することによって信頼性のある焼入れ深さ測定、焼入れ深さパターン表示が可能となる。また、焼入れ深さをデジタルデータで保持するので、ワークの良否判断等、種々の解析処理を容易に行い得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の一実施形態の全体構成を示す図である。
【図２】同上装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】図１中のワークの軸方向における焼入れ深さ計測範囲の説明図である。
【図４】同上ワークの軸回り方向における超音波送受波位置の説明図である。
【図５】受波された反射波（生信号）波形の一例を示す図である。
【図６】前処理後の信号波形図である。
【図７】超音波散乱頻度分布図及び焼入れ深さパターンの表示例を示す図である。
【符号の説明】
１ ワーク
２ 超音波送受波器
５ ワーク回転用モータ（ワーク／送受波器回転・移動手段）
７ 超音波送受波回路（超音波送受波手段）
８ ワーク軸方向移動装置（ワーク／送受波器回転・移動手段）
１１ 制御装置（制御手段）
１３ データ処理装置（データ処理手段）
１４ 画像表示装置（画像表示手段）

Claims (3)

1. ワークに超音波を送波し、その反射波を受波する超音波送受波器と、
   この超音波送受波器を、前記ワークの軸回り方向及び軸方向に相対移動させるワーク／送受波器回転・移動手段と、
   前記超音波送受波器を送受波動作させて超音波反射波を出力する超音波送受波手段と、
   前記ワークの軸回り方向において少なくとも１回転、所定の回転角度毎にワーク中心軸方向に超音波を送波させ、その反射波を受波させる超音波送受波動作を、そのワークの軸方向所望範囲について所定距離移動する毎に行うように、前記ワーク／送受波器回転・移動手段及び超音波送受波手段を制御する制御手段と、
   前記超音波送受波手段から出力される超音波反射波に対して後方散乱波を顕在化させる前処理を行い、この前処理後の反射波信号に対して閾値処理を施して得られた信号から超音波散乱頻度分布を得て超音波測定値を求め、予め設定された換算手段によって前記超音波測定値から前記ワークの焼入深さを算出し、その焼入深さに基づくワーク軸方向断面における焼入れ深さパターンを画像表示手段に表示させ、かつ、前記焼入れ深さをデジタルデータで保持するデータ処理手段とを具備することを特徴とする高周波焼入れパターン計測装置。
2. データ処理手段は、算出された焼入れ深さを予め設定された標準焼入れ深さと比較してその焼入れがなされたワークの良否を判定し、結果を画像表示手段に表示させることを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入れパターン計測装置。
3. 制御手段は、ワーク軸回り方向の超音波送受波動作において、特定の回転角度位置について超音波送受波を省略させ、又はその位置における超音波反射波を処理対象から排除させることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入れパターン計測装置。

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