JP2009090426A - ベルト表面改質装置およびその表面改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーニング効果を付与することで、ベルト自身には大きな塑性変形を生じさせずに、表面硬化にともなう疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などの向上を図ることができるベルト表面改質装置およびその改質方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るベルト表面改質装置１は、高周波振動を発生させる高周波振動発生手段２と、高周波振動発生手段２に連結され高周波振動を行う高周波振動手段２ｂと、被改質材７の第１の施工面７ａを高周波振動手段の先端部２ｃと対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段３と、少なくとも高周波振動手段の先端部２ｃと被改質材７との間隙に液体９を介在させる液体保持手段８とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属または非金属からなるベルト表面改質技術に係り、特にキャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃波を照射して、ベルトの表面を効果的にピーニングするベルト表面改質装置およびその改質方法に関する。

小型自動車用の無段変速機として、金属ベルトによる無段変速機が実用化されている。

金属ベルト方式の無段変速機などでは、プーリにＶ型ブロックを押し付けてトルクを伝達する方式が採用されている。この方式では、Ｖ型ブロックをプーリに巻き付ける積層ベルトは、薄い金属ベルトを積層して構成されている。

この構成では、プーリの回転によってベルト自身が繰り返し荷重を受けるため、疲労強度が高く、かつプーリに巻きつくために柔軟性が要求される。よって、金属ベルトの一層当たりの疲労強度が向上できればベルトの厚さを小さくすることができ、より柔軟にプーリの曲面に追従しやすくなり、トルクの伝達効率が向上を図ることができる。

これに対応する伝達効率の向上を図る表面改質方法として、Ｖ型ブロック側面にショットピーニングを実施する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−１９９５４６号公報

従来の特許文献１に提案された方法を用い、薄い金属ベルト表面にショットピーニングを実施すると、金属ベルトの一層当たりの厚さが小さいため、ショット材によってベルト表面が凹凸の塑性変形が生じ、塑性変形した箇所に応力集中が起こり、かえって疲労強度の低下を招く結果が生じていた。

このため、薄い金属ベルト自身に大きな凹凸の塑性変形を生じることがなく、ベルト表面のみを硬化し、かつ圧縮残留応力を付与する表面改質技術が求められてきた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ピーニング効果を付与することで、ベルト自身には大きな塑性変形を生じさせずに、表面硬化にともなう疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などの向上を図ることができるベルト表面改質装置およびその改質方法を提供することを目的とする。

本発明に係るベルト表面改質装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、高周波振動を発生させる高周波振動発生手段と、前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、被改質材の第１の施工面を、前記高周波振動手段の先端部と対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、少なくとも前記高周波振動手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るベルト表面改質方法は、上述した課題を解決するために、請求項９に記載したように、高周波振動を発生させる高周波振動発生工程と、前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させる工程と、前記衝撃波を発生させる工程により発生した衝撃波を被改質材に照射することによりピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係るベルト表面改質装置およびその改質方法は、ピーニング効果を付与することで、ベルト自身には大きな塑性変形を生じさせずに、表面硬化にともなう疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などの向上を図ることができる。

本発明に係るベルト表面改質装置およびその改質方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
このベルト表面改質装置は、金属ベルトの表面にキャビテーション気泡の衝撃波を照射し、ピーニング効果を付与するものであって、これにより金属ベルトの表面改質を行い疲労強度を向上させるものである。

なお、ピーニング効果は、被改質材の表面に圧縮応力を付与することで、表面の疲労強度や耐磨耗性、耐応力腐食特性を向上させる効果とする。

図１は、第１実施形態におけるベルト表面改質装置１の構成図である。

図１におけるベルト表面改質装置は、高周波振動発生手段としての高周波電源装置２、および振動部としての圧電素子２ａ、高周波振動手段としてのホーン２ｂ、ホーン２ｂの先端部２ｃおよび被改質材としての金属ベルト７を清水９で浸漬させる水槽８、および金属ベルト７を移動させる移動手段としての回転ローラ４などからなる。

高周波電源装置２は、ケーブル２ｄで接続された圧電素子２ａに高周波電流を供給する。圧電素子２ａは、超磁歪材料または圧電型セラミック材料により構成され、高周波電源装置２から供給された高周波電流により高周波振動を発生させる。圧電素子２ａは、ケース２ｅに収納され、さらにケース２ｅは架台２ｆにより静止部２ｇに固定される。なお、高周波電源装置２、圧電素子２ａ、ケース２ｅおよび架台２ｆによって高周波振動発生手段を構成する。

ここで、高周波振動の振動数は、例えば５００Ｈｚ以上であり、好ましくは超音波領域である２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚである。

ホーン２ｂは、ボルト形状の締結体２ｈにより圧電素子２ａと固定されており、圧電素子２ａの振動が伝達されることにより、金属ベルト７の第１の施工面である施工面７ａと垂直である縦方向（ｙ軸正負方向）に振動するようになっている。ホーン先端部２ｃは、液体保持手段としての水槽８に貯留された清水９に浸漬され、清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部２ｃにキャビテーション気泡６を発生させる。また、ホーン先端部２ｃは、キャビテーション気泡６による壊食を防止するため、高硬度材料で構成される。

ホーン先端部２ｃの対向位置には、支持手段としてのコマ３が設けられる。このコマ３は、ホーン先端部２ｃと金属ベルト７の施工面７ａとが所定の距離ａを保ち、かつ平行に配置されるように構成される。また、コマ３は、金属ベルト７に対しキャビテーション気泡６の崩壊により発生する衝撃波６ａが照射される際に生じる、金属ベルト７の変形や振動などの影響を防止する機能を有する。

ベルト表面改質装置１には、被改質材である金属ベルト７を移動させる移動手段として、回転ローラ４および駆動ローラ４aが設けられる。

回転ローラ４は、金属ベルト７のガイドローラとしての機能を有し、金属ベルト７の送給の補助を行う。回転ローラ４は、金属ベルト４がたわまずに送給可能な箇所に設けられ、例えば、図１に示すように４箇所に設けられ連続的に回転する。また、回転ローラ４は、コマ３の表面に対して金属ベルト７が摺動可能な状態であって、かつ金属ベルト７の施工面７aに、ホーン先端部２ｃから発生したキャビテーション気泡６が連続的に照射されるように構成される。

駆動ローラ４ａは、モータ４ｃに連接されたウオームギア４ｂを介して回転する。駆動ローラ４ａは、回転ローラ４と共に金属ベルト７を挟むように構成され、駆動ローラ４ａの回転量に応じて、回転ローラ４は回転し、かつ駆動ローラ４aおよび回転ローラ４に挟まれた金属ベルト７は移動する。

ここで、金属ベルト７の移動量を一定に制御することで金属ベルト７の表面に均一な衝撃波６ａを照射することができ、金属ベルト７の表面に均一なピーニング効果を付与することができる。

また、駆動ローラ４ａは、回転ローラ４と挟むように金属ベルト７を排出することにより、金属ベルト７に張力を付与することができる。これにより金属ベルト７の送給ムラによるうねりの発生などを防止し、安定した衝撃波６ａを照射することができる。

次に、ベルト表面改質装置１の作用について説明する。

図２は、ベルト表面改質装置１におけるキャビテーション発生部５ａの拡大図である。

被改質材である金属ベルト７は、水槽８に貯留された清水９中に浸漬されており、回転ローラ４などによりコマ３上をｘ軸方向に摺動することで、キャビテーション発生部５ａに連続して供給される。なお、ホーン先端部２ｃから発生するキャビテーション気泡６が定常的に存在する範囲により形成される部分を、キャビテーション発生部５ａとする。

図２のキャビテーション発生部５ａにおいて、ホーン２ｂが清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部２ｃと金属ベルト７の第１の施工面としての施工面７ａとの狭隘な空間部にキャビテーション気泡６が連続して発生する。

図３は、ベルト表面改質装置１におけるキャビテーション発生部５ａにおけるピーニング効果の作用を説明した図である。

ホーン２ｂが高周波振動することにより上方向（ｙ軸正方向）に瞬時に移動すると、キャビテーション発生部５ａは瞬間的に負圧となり、清水９の飽和蒸気圧以下の圧力場が形成されて微細な泡であるキャビテーション気泡６が高密度状態で発生する。

これとは逆に、キャビテーション発生部５ａとホーン先端部２ｃとの境界面が下方向（ｙ軸負方向）に瞬時に移動すると、キャビテーション発生部５ａで発生した高密度状態のキャビテーション気泡６が圧力により崩壊し、およそ３００ＭＰａに達する衝撃波６ａが発生する。金属ベルト７の施工面７ａは、一定速度にてｘ軸方向に移動しつつ、この衝撃波６ａを受ける。このキャビテーション気泡６の発生から崩壊による衝撃波６ａの発生までは、数μ秒で作用する。

このとき発生する衝撃波６ａは、発生位置から距離が大きくなるに従って拡散、減衰されるため、数十ｍｍと離れた施工面７ａに対してはほとんど衝撃波としての作用を及ぼさない。これに対し、距離ａを十ｍｍから数百μｍの値にすると、キャビテーション気泡６の崩壊によって高密度状態で存在する他のキャビテーション気泡６と相互に作用しながら衝撃波６ａを発生させる。その一部はホーン先端部２ｃと金属ベルト７の施工面７ａの間で反射を繰り返し、さらに反射波６ｂを発生させる。キャビテーション気泡６が高密度状態で狭い空間に発生すると、他のキャビテーション気泡６との作用により衝撃波６ａおよび反射波６ｂをさらに発生させることができる。

キャビテーション気泡６によって発生したこのような衝撃波６ａを、施工面７ａに作用させることにより、施工面７ａを硬化させると共に金属ベルト７表面に圧縮残留応力を付与し、金属ベルト７の疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させことができる。

また、金属ベルト７の材質や硬さ、所要の硬化深さにより、高周波振動発生装置２の振動数やストローク、位相を適度な値に調整することにより、狭隘な空間部にキャビテーション気泡６をさらに高密度状態で発生させることができ、所要のピーニング効果を作用させることができる。

このベルト表面改質装置およびその改質方法によれば、キャビテーション気泡の崩壊を利用して発生させた数百ＭＰａに達する衝撃波によって金属ベルトにピーニング作用を付与することにより、この金属ベルトに生じる表面硬化にともない疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させることができる。

また、従来のショットピーニング方法においては、質量のあるショット材によって金属ベルトに凹凸の塑性変形が生じることにより応力集中が起こり、かえって疲労強度の低下を招いていた。しかし、このベルト表面改質装置およびその改質方法によれば、高密度状態で発生したキャビテーション気泡を相互に作用させることにより、数百ＭＰａもの衝撃波を均一に発生させることができる。よって、この均一な衝撃波をベルトに照射することで、ベルト自身には大きな塑性変形を生じさせずに疲労強度を向上させることができる。

さらに、金属ベルトの移動量を一定に制御することで、金属ベルトの表面に均一な衝撃波を照射することができ、さらには表面に均一なピーニング効果を付与することができる。

またさらに、駆動ローラおよび回転ローラによって挟むように金属ベルトを排出することで金属ベルトに張力を付与することができ、金属ベルトの送給ムラによるうねりの発生を防止し、安定した衝撃波を照射することができる。

また、コマを設けたことにより、金属ベルトをホーン先端部と平行に保持することができ、また金属ベルトに対し衝撃波が照射される際に、金属ベルトの変形や振動などの影響を防止することができる。

なお、本実施形態においては金属ベルトの表面改質を行ったが、非金属からなるベルトにも適用することができる。

また、ホーン先端部と被改質材である金属ベルトとの間隙に介在させる液体として清水を用いたが、それ以外の水もしくは水溶液を使用することもできる。

［第２の実施形態］
第２実施形態では、金属ベルト７の対称面である第１の施工面および第２の施工面に対し同時にピーニング効果を付与し、表面改質することができるベルト表面改質装置について説明する。

図４は、第２実施形態におけるベルト表面改質装置１の構成図である。

なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図４におけるベルト表面改質装置１は、図１に示す第１実施形態におけるベルト表面改質装置１の構成に加え、金属ベルト７の第二の施工面である内部施工面７ｂを被改質材とする高周波振動発生手段としての高周波電源装置１０、および振動部としての圧電素子１０ａ、高周波振動手段としてのホーン１０ｂから構成される。

高周波電源装置１０は、防水ケーブル１０ｄで接続された圧電素子１０ａに、防水コネクタ１０ｇを介して高周波電流を供給する。圧電素子１０ａは、ケース１０ｅに収納され、さらにケース１０ｅは防水ケース１０ｆに覆われている。また、ホーン１０ｂと防水ケース１０ｆの間隙は、パッキン１０ｈによってホーン１０ｂの振動を妨げない状態にてシールされている。

ホーン１０ｂは、ホーン２ｂと同様な振動特性を有した高周波振動体である。このホーン１０ｂは、圧電素子１０ａとボルト形状の締結体１０ｈにより固定されており、圧電素子１０ａの振動が伝達されることにより、金属ベルト７の内部施工面７ｂと垂直である縦方向（ｙ軸正負方向）に振動するようになっている。ホーン先端部１０ｃは、液体保持手段としての水槽８に貯留された清水９に浸漬され、清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部１０ｃにキャビテーション気泡６を発生させる。また、ホーン先端部１０ｃは、キャビテーション気泡６による壊食を防止するため、高硬度材料で構成される。

ホーン先端部１０ｃは、金属ベルト７を中心としてホーン先端部２ｃと対向する位置に構成され、かつ第１の施工面である施工面７ａと、対称面である第２の施工面である内部施工面７ｂを同時に表面改質を行えるように構成される。また、ホーン先端部１０ｃと金属ベルト７の内部施工面７ｂとは対向位置に所定の距離ａを保ち、かつ平行に配置される。なお、所定の距離ａは、十ｍｍ〜数百μｍが好ましい。

次に、本実施形態におけるベルト表面改質装置１の作用について説明する。

被改質材である金属ベルト７は、水槽８に貯留された清水９中に浸漬されており、回転ローラ４上を摺動しながらキャビテーション発生部５ａおよび５ｂに連続して供給される。なお、ホーン先端部１０ｃから発生するキャビテーション気泡６が定常的に存在する範囲により形成される部分を、キャビテーション発生部５ｂとする。

キャビテーション発生部５ｂでは、ホーン１０ｂが清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部１０ｃと金属ベルト７の第２の施工面としての内部施工面７ｂとの狭隘な空間部にキャビテーション気泡６が連続して発生する。

また、金属ベルト７を中心とする対向位置に構成されるキャビテーション発生部５ａにおいても同時に、ホーン２ｂが清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部２ｃと金属ベルト７の第１の施工面としての施工面７ａとの狭隘な空間部にキャビテーション気泡６が連続して発生する。

このキャビテーション発生部５ａおよび５ｂでは、ホーン２ｂおよび１０ｂが同時に高周波振動することにより、金属ベルト７の施工面７ａおよび内部施工面７ｂに同時にピーニング効果を付与し表面改質を行うことができる。また、ホーン２ｂおよび１０ｂは、同様な振動特性を有した高周波振動体であるため、対向する衝撃波６が作用しあうことにより、金属ベルト７に対する支持手段として機能することができる。

キャビテーション発生部５ａおよび５ｂで発生するキャビテーション気泡６によるピーニング効果の作用は、第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。

このベルト表面改質装置およびその改質方法によれば、第１実施形態で生じる効果に加え、金属ベルトの対称面である二面に対し、同時にピーニング効果を付与し表面改質を行うことができる。また、ベルトの長さや幅が大きく、ショットピーニング方法による表面改質を行うことが困難な金属ベルトであっても、所要のピーニング効果を二面同時に付与することができる。

［第３の実施形態］
第３実施形態におけるベルト表面改質装置は、金属ベルト７の対称面である第１の施工面および第２の施工面に加え、この二面に垂直な二つの側面である第３の施工面に対してピーニング効果を付与することで表面改質することができるベルト表面改質装置について説明する。

図５は、第３実施形態で説明するベルト表面改質装置１におけるキャビテーション発生部を拡大して示した概略的な構成図である。

なお、第１実施形態および第２実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図５におけるベルト表面改質装置１は、第２実施形態におけるベルト表面改質装置１の構成に加え、金属ベルト７の第３の施工面である側部施工面７ｃを被改質材とし、防水ケース１１ｅに収納された振動部としての圧電素子１１ａ、高周波振動手段としてのホーン１１ｂが構成される。また、図示はしないが、図４で示したベルト表面改質装置１のように、水槽８の外部には高周波振動発生手段としての高周波電源装置が設けられ、圧電素子１１ａと防水ケーブルで接続されている。

ホーン１１ｂは、金属ベルト７の側部施工面７ｃと垂直である横方向（ｘ軸正負方向）に振動するようになっている。ホーン先端部１１ｃは、他のホーン先端部２ｃおよび１０ｃと垂直となるように構成される。また、施工面７ａおよび内部施工面７ｂと同様に、ホーン先端部１１ｃと金属ベルト７の二つの側部施工面７ｃとは所定の距離ａを保ち、かつ平行に配置される。なお、所定の距離ａは、十ｍｍ〜数百μｍが好ましい。

これらの構成およびベルト表面改質装置１の他の構成は、第１実施形態および第２実施形態と同様であるため、詳しい説明は省略する。

次に、第３実施形態におけるベルト表面改質装置１の作用について説明する。

被改質材である金属ベルト７は、水槽８に貯留された清水９中に浸漬されており、回転ローラ４（図５では省略）上を移動量を一定に制御されながら摺動し、キャビテーション発生部５ａ、５ｂおよび５ｃに連続して供給される。なお、ホーン先端部１１ｃから発生するキャビテーション気泡６が定常的に存在する範囲により形成される部分を、キャビテーション発生部５ｃとする。

キャビテーション発生部５ｃにおいて、ホーン１１ｂが清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部１１ｃと金属ベルト７の第３の施工面としての二つの側部施工面７ｃとの狭隘な空間部に、高密度状態のキャビテーション気泡６が連続して発生する。

また、キャビテーション発生部５ａおよび５ｂにおいても、ホーン２ｂおよび１０ｂが清水９中にて高周波振動を行うことにより、ホーン先端部２ｃと施工面７ａ、およびホーン先端部１０ｃと内部施工面７ｂとの狭隘な空間部にも、それぞれ高密度状態のキャビテーション気泡６が連続して発生する。

このキャビテーション発生部５ａ、５ｂおよび５ｃでは、ホーン２ｂ、１０ｂおよび１１ｂが同時に高周波振動することにより、金属ベルト７の施工面７ａ、内部施工面７ｂ、および側部施工面７ｃに対して、同時にピーニング効果を付与し表面改質を行うことができる。

キャビテーション発生部５ａ、５ｂおよび５ｃで発生するキャビテーション気泡６によるピーニング効果の作用は、第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。

このベルト表面改質装置およびその改質方法によれば、第１および第２実施形態で生じる効果に加え、金属ベルトの側面に対してもピーニング効果を付与し表面改質を行うことができ、ベルト表面全体を硬化させ、疲労強度を向上させることが可能である。

特に、自動車などに使用されている金属ベルト方式の無段変速機に用いられる金属ベルトは、金属ベルトの側面に対しても繰返し応力が加わるため、強度の弱い側面から疲労亀裂が入りやすい特徴があるため、有効である。

また、金属ベルトの側面に対して、ショットピーニング方法を用いて表面改質を均一に行うことは困難であったが、このベルト表面改質装置およびその改質方法によれば、金属ベルトの側面に対しても衝撃波を均一に照射することができ、均一なピーニング効果を付与することができる。

第１実施形態におけるベルト表面改質装置の構成図。 キャビテーション発生部の拡大図。 キャビテーション発生部におけるピーニング効果の作用を説明した図。 第２実施形態におけるベルト表面改質装置の構成図。 第３実施形態におけるベルト表面改質装置のキャビテーション発生部を拡大して示した概略的な構成図。

符号の説明

１ ベルト表面改質装置
２ 高周波電源装置
２ａ 圧電素子
２ｂ ホーン
２ｃ ホーン先端部
２ｄ ケーブル
２ｅ ケース
２ｆ 架台
２ｇ 静止部
２ｈ 締結体
３ コマ
４ 回転ローラ
４ａ 駆動ローラ
５ａ、５ｂ、５ｃ キャビテーション発生部
６ キャビテーション気泡
６ａ 衝撃波
７ 金属ベルト
７ａ 施工面
７ｂ 内部施工面
７ｃ 側部施工面
８ 水槽
９ 清水
１０ 高周波電源装置
１０ａ 圧電素子
１０ｂ ホーン
１０ｃ ホーン先端部
１０ｄ 防水ケーブル
１０ｅ ケース
１１ａ 圧電素子
１１ｂ ホーン
１１ｃ ホーン先端部
１１ｅ ケース

Claims (9)

1. 高周波振動を発生させる高周波振動発生手段と、
   前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、
   被改質材の第１の施工面を、前記高周波振動手段の先端部と対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、
   少なくとも前記高周波振動手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とするベルト表面改質装置。
2. 前記高周波振動発生手段は、超音波振動を発生させることを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
3. 前記被改質材に連続的に張力を付与し、一定量で移動させる移動手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
4. 前記高周波振動手段の先端部と前記被改質材の第１の施工面とに設けられた間隙は、１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
5. 前記高周波振動発生手段は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料により構成された振動部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
6. 前記高周波振動手段の先端部は、高硬度材料により構成されたことを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
7. 前記被改質材の第２の施工面との対向位置には、高周波振動発生手段および高周波振動手段がさらに設けられ、
   前記高周波振動手段の先端部と前記被改質材の第２の施工面とには間隙が設けられるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のベルト表面改質装置。
8. 前記被改質材の第３の施工面との対向位置には、高周波振動発生手段および高周波振動手段がさらに設けられ、
   前記高周波振動手段の先端部と前記被改質材の第３の施工面とには間隙が設けられるように構成されたことを特徴とする請求項１または７記載のベルト表面改質装置。
9. 高周波振動を発生させる高周波振動発生工程と、
   前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、
   前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させる工程と、
   前記衝撃波を発生させる工程により発生した衝撃波を被改質材に照射することによりピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とするベルト表面改質方法。

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