JP2012106310A - フィレットローリング加工装置及びフィレットローリング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィレットローリング加工時にフィレットローラに欠けなどの破損が発生することを抑制可能なフィレットローリング加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】フィレットローリング加工装置（１００）は、フィレット溝部Ｆにフィレットローラ（５）を圧接しながら、クランクシャフトＳを回転することによりフィレットローリング加工を行う。特に、低圧力値でフィレットローラ（５）をフィレット溝部Ｆに圧接しながら、低回転速度でクランクシャフトＳを回転駆動することにより、フィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸を平滑化した後に、フィレットローリング加工を行うように制御する制御手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながらクランクシャフトを回転することにより、フィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工装置及びフィレットローリング加工方法の技術分野に関する。

例えば自動車用エンジンなどの内燃機関に用いられるクランクシャフトでは、クランクピンやクランクジャーナルに設けられたフィレット溝部にフィレットローリング加工を施すことにより、疲労強度の向上が図られている。一般的に、フィレットローリング加工は、クランクピン及びクランクジャーナルに丸みを帯びて形成されたフィレット溝部に、フィレットローラで圧力を印加しながらクランクシャフトを回転駆動する（冷間圧延加工する）ことにより行われる。

ここで、フィレットローリング加工による疲労強度の向上度合は、フィレット溝部に印加する圧力値を大きく設定する程よいとされているが、一方でフィレット溝部に圧力を印加する側であるフィレットローラの寿命が短くなってしまうという問題がある。このような問題に対して、例えば特許文献１には、フィレット溝部に印加する圧力値をフィレット溝部の周方向で積極的に可変制御することにより、疲労強度の向上とフィレットローラの長寿命化との両立を図っている。また、フィレット溝部に印加する圧力値の別の制御例として、特許文献２には、加工対象（即ち、クランクシャフト）の振れ量及びその方向に応じてフィレットローラの荷重を自動的に変化させることにより、圧力値を可変に制御可能なフィレットローリング加工装置が開示されている。

特開２００６−１４２４３１号公報 特開平６−３３９８５７号公報

上述したように、この種のフィレットローリング加工装置では、フィレット溝部にフィレットローラを圧接しながらクランクシャフトを回転駆動することによって、フィレットローリング加工が行われる。ここで、フィレット溝部の表面は、クランクシャフトを回転駆動させた際にフィレットローラに欠けなどの破損が生じないように、丸みを帯びて形成されている。しかしながら、このように丸みを帯びて形成されたフィレット溝部の表面においても、実際には、バリなどの凹凸が存在している。そのため、クランクシャフトを回転駆動した際にフィレット溝部とフィレットローラとの間に摩擦力が生じ、当該摩擦力が大きくなるとフィレットローラに欠けなどの破損が生じてしまうおそれがある。特に、クランクシャフトの疲労強度を向上させるためにフィレット溝部に印加する圧力値を大きく設定すると、フィレット溝部とフィレットローラとの間に生じる摩擦力もまた増大し、フィレットローラに破損が生じやすくなってしまう。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、フィレットローリング加工時にフィレットローラに欠けなどの破損が発生することを抑制可能なフィレットローリング加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

本発明のフィレットローリング加工装置は上記課題を解決するために、クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながら、前記クランクシャフトを回転することによりフィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工装置であって、第１の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、第１の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化した後に、前記第１の圧力値より大きい第２の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、前記第１の回転速度より大きい第２の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部にフィレットローリング加工を施すように、前記フィレットローラがフィレット溝部に印加する圧力値及び前記クランクシャフトの回転速度を可変に制御する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明のフィレットローリング加工装置によれば、フィレットローリング加工を実行する前に、フィレットローリング加工時に比べて低圧力且つ低回転でフィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化することにより、フィレットローリング加工時にフィレットローラとフィレット溝部との間に生じる摩擦力を軽減し、フィレットローラに欠けなどの破損が発生することを効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記フィレットローラ及び該フィレットローラに対向して設けられたレストローラを先端部にそれぞれ有し、前記フィレットローラが前記フィレット溝部に当接するように、前記フィレットローラ及び前記レストローラ間に前記クランクシャフトを固定する一対のアームからなるクランプアームを備え、前記第１の圧力値及び前記第１の回転速度は、前記クランプアームによって固定された前記クランクシャフトが回転可能に設定されるとよい。この場合、フィレット溝部とフィレットローラとの間に生じる摩擦力は極力小さく抑えることができるので、平滑化の際にもフィレットローラに欠けなどの破損が生じる可能性を効果的に抑制することができる。

より好ましくは、前記クランクシャフトはそれぞれフィレット溝部が設けられたクランクピン及びクランクジャーナルを備えてなり、前記クランプアームは前記フィレット溝部毎に設けられているとよい。この場合、クランクシャフトに複数設けられたフィレット溝部に対して同時に平滑化及びフィレットローリング加工を施すことができるので、高い生産性を得ることができる。

また、前記制御手段は、前記フィレットローラがフィレット溝部に印加する圧力値及び前記クランクシャフトの回転速度の少なくとも一方を時間の経過と共に連続的に変化させるとよい。この場合、フィレット溝部とフィレットローラとの間に生じる摩擦力が急激に変化してショックとなることによって、フィレットローラにかけなどの不具合が生じてしまうことを効果的に防止することができる。

本発明のフィレットローリング加工方法は上記課題を解決するために、クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながら、前記クランクシャフトを回転することによりフィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工方法であって、第１の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、第１の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化する平滑化工程と、前記第１の圧力値より大きい第２の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、前記第１の回転速度より大きい第２の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部にフィレットローリング加工を施す加工工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るフィレットローリング加工方法によれば、上述のフィレットローリング加工装置（上記各種態様を含む）を好適に実現可能である。

本発明によれば、フィレットローリング加工を実行する前に、フィレットローリング加工時に比べて低圧力且つ低回転でフィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化することにより、フィレットローリング加工時にフィレットローラとフィレット溝部との間に生じる摩擦力を軽減し、フィレットローラに欠けなどの破損が発生することを効果的に抑制することができる。

本発明に係るフィレットローリング加工装置によってフィレットローリング加工が施されるクランクシャフトの概略構成を示す側面図である 本発明に係るフィレットローリング加工装置の全体構成を概略的に示す側面図である。 フィレットローラが圧接するフィレット溝部付近の様子を拡大して示す断面図である。 本発明におけるフィレットローリング加工の一連の動作におけるクランクシャフトの回転速度とフィレット溝部に印加される圧力値の推移を示すグラフ図である。 クランクピン及びクランクジャーナルのフィレット溝部への圧力分布を示す模式図である。 比較例における、クランクシャフトの回転速度とフィレット溝部に印加される圧力値の推移を示すグラフ図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明に係るフィレットローリング加工装置１００によってフィレットローリング加工が施されるクランクシャフトＳの概略構成を示す側面図である。クランクシャフトＳは、例えば直列４気筒エンジン用のクランクシャフトであり、周知のように５箇所のクランクジャーナルＪのほか、同位相の二つのクランクピンＰ１、当該クランクピンＰ１に対して位相が１８０度ずれて設けられた二つのクランクピンＰ２を備えてなる。クランクピンＰ１及びＰ２のそれぞれの逆位相側には、カウンタウェイトＣＷが設けられており、クランクジャーナルＪ、クランクピンＰ１及びＰ２の両端にはフィレット溝部Ｆが形成されている。

図２は、本発明に係るフィレットローリング加工装置１００の全体構成を概略的に示す側面図である。フィレットローリング加工装置１００は、一対のアームである上側アーム１ａ及び下側アーム１ｂからなるクランプアーム１を備える。上側アーム１ａは下側アーム１ｂに対して支持軸２を中心に回動可能に取り付けられており、下側アーム１ｂはベース３に固定された支持ブラケット４の上端に固定されている。

上側アーム１ａの先端下面にはフィレットローラ５が回転可能に設けられており、下側アーム１ｂの先端上面にはフィレットローラ５に対向するように、２つのレストローラ６が回転可能に設けられている。フィレットローリング加工装置１００は、加工対象であるクランクシャフトＳのクランクジャーナルＪ及びクランクピンＰ１、Ｐ２をレストローラ６によって下側から支持しつつ、フィレット溝部Ｆに対し上側からフィレットローラ５を圧接させることによってクランクシャフトＳを固定可能なように構成している。尚、図２ではクランクシャフトＳのうちクランクピンＰ１を固定している様子を図示しているが、クランクジャーナルＪ及びクランクピンＰ２に対してフィレットローリング加工を行う場合についてもその固定の様子は、以下に特記しない限り同様である。

図３はフィレット溝部Ｆに当接するフィレットローラ５の様子を拡大して示す断面図である。このように、フィレットローリング加工装置１００は、フィレットローラ５をフィレット溝部Ｆに対して圧接することにより、フィレット溝部Ｆに圧力を印加する。このとき図１に示すように、クランクシャフトＳは、その両側から駆動シャフト３０及び３１によって固定されており、図２に示すコントローラ１１からの指令に基づいて図不示のロータリアクチュエータによって所定の回転速度で回転駆動される。このように、フィレット溝部Ｆにフィレットローラ５から圧力を印加しつつ、クランクシャフトＳを回転駆動することにより、フィレットローリング加工が実行される。

再び図２に戻って、上側アーム１ａ及び下側アーム１ｂの後端間には、油圧駆動式シリンダ８（以下、単に「シリンダ８」と称する）が設けられている。シリンダ８の本体８ａの下端はピン９を介して下側アーム１ｂに回動可能に取り付けられており、ロッド８ｂの上端はピン１０を介して上側アーム１ａに回動可能に取り付けられている。

コントローラ１１は、上述のようにクランクシャフトＳの回転速度Ｒを制御すると共に、シリンダ８の油圧値を制御することによりフィレット溝部Ｆに印加される圧力値Ｐｆを制御するコントロールユニットである。即ち、コントローラ１１は本発明の「制御手段」の一例である。特に、フィレット溝部Ｆに印加される圧力値Ｐｆの制御は、コントローラ１１が油圧配管１２に設けられた油圧センサ１３からシリンダ８の油圧値を検出し、当該検出信号に基づいて油圧値を制御することにより、上側アーム１ａ及び下側アーム１ｂの後端間にかかるトルクを変化することにより行われる。後に詳述するように、本発明のフィレットローリング加工装置１００は、フィレット溝部Ｆの表面の凹凸を平滑化する平滑化工程が実施された後に、フィレットローリング加工を行う加工工程が実施される。即ち、コントローラ１１は、実質的に平滑化工程を行う平滑化手段と加工工程を行う加工手段とからなり、これらの態様は適宜変更可能である。

尚、図２では図示を省略しているが、クランクアーム１はそれぞれフィレット溝部Ｆが設けられたクランクピンＰ１、Ｐ２及びクランクジャーナルＪの各々に対応するように、クランクシャフトＳに対して複数設けられている。以下、主にクランクピンＰ１に設けられたフィレット溝部Ｆにフィレットローリング加工を行う場合について説明を行うが、クランクピンＰ２及びクランクジャーナルＪに設けられたフィレット溝部Ｆにフィレットローリング加工を行う場合についても特段の記載が無い限り同様として説明する。

図４は、フィレットローリング加工の一連の動作におけるクランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部Ｆに印加される圧力値Ｐｆの推移を示すグラフ図である。図４（ａ）はクランクシャフトＳの回転速度Ｒの推移を示しており、図４（ｂ）はクランクシャフトＳのうちクランクジャーナルＪに設けられたフィレット溝部Ｆに印加される圧力値Ｐｆｊの推移を示しており、図４（ｃ）はクランクシャフトＳのうちクランクピンＰ１、Ｐ２に設けられたフィレット溝部Ｆに印加される圧力値Ｐｆｐの推移を表している。尚、図４の各グラフにおける横軸はクランクシャフトＳの回転数である。

まず図４（ａ）（ｂ）に示すように、フィレットローリング加工装置１００にクランクシャフトＳがセットされると、コントローラ１１は、フィレット溝部Ｆに印加される圧力値をＰｆｊ１に設定して、クランプアーム１でクランクシャフトＳをクランプする。このとき、クランクシャフトＳの回転速度はゼロである（即ち、停止状態にある）。

クランクシャフトＳのクランプが完了すると、コントローラ１１はフィレット溝部Ｆに印加される圧力値をＰｆｊ１（本発明の第１の圧力値）に維持しつつ、クランクシャフトＳを本発明の第１の回転速度Ｒ１で回転駆動して、フィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸を平滑化する。つまり、フィレットローリング加工を実行する前に、フィレットローラ５とフィレット溝部Ｆとの間の摩擦力が小さい状態でフィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸をフィレットローラ５で削り取るように平滑化する。これにより、後にフィレットローリング加工を実施した際に、フィレット溝部Ｆとフィレットローラ５との間に生じる摩擦力を低減させ、フィレットローラ５に欠けなどの破損が発生することを効果的に抑制することができる。

第１の圧力値Ｐｆｊ１及び第１の回転速度Ｒ１は、後述するフィレットローリング加工時における第２の圧力値Ｐｆｊ２及び第２の回転速度Ｒ２に比べて小さく設定されている。これにより、フィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸を平滑化する際にフィレット溝部Ｆとフィレットローラ５との間に生じる摩擦力を小さく抑え、フィレットローラ５に欠けなどの破損が発生することを防止できる。

このようなフィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸の平滑化は、クランクシャフトＳが３回転する期間Ｔ１継続される。期間Ｔ１の長さは、クランクシャフトＳの表面をより確実に平滑化するという観点からは極力長く設定することが好ましいが、その反面、一連のフィレットローリング加工に要する時間が長期化し、生産性が低下してしまう。そのため、クランクシャフトＳの表面の平滑化の確実性と生産性のバランスとを考慮して適宜設定するとよい。

また、第１の回転速度Ｒ１及び第１の圧力値Ｐｆｊ１は、クランプアーム１によって固定されたクランクシャフトＳが回転可能に設定されるとよい。より好ましくは、クランクシャフトＳが回転可能、且つ、フィレットローラ５が確実にフィレット溝部Ｆに当接可能な範囲において極力小さく設定するとよい。この場合、フィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸を平滑化する際に、フィレット溝部Ｆとフィレットローラ５との間に生じる摩擦力をより低減することができるので、フィレットローラ５に欠けなどの破損が発生する可能性をより効果的に低減することができる。

期間Ｔ１が経過すると、コントローラ１１は、シリンダ８の油圧値の制御を介して、フィレット溝部Ｆに印加する圧力値を第１の圧力値Ｐｆｊ１から第２の圧力値Ｐｆｊ２に向かって増加させると共に、クランクシャフトＳの回転速度を第１の回転速度Ｒ１から第２の回転速度Ｒ２に変更し、フィレットローリング加工を開始する。ここで、第２の回転速度Ｒ２及び第２の圧力値Ｐｆｊ２は、第１の回転速度Ｒ１及び第１の圧力値Ｐｆｊ１に比べて大きく設定される。上述したように、期間Ｔ１においてフィレット溝部Ｆの表面に存在する凹凸はすでに平滑化されているので、このようにクランクシャフトＳの回転速度やフィレット溝部Ｆに印加される圧力値を増加させてフィレットローリング加工を行ったとしても、フィレットローラ５に欠けなどの破損は生じない。

本実施例では特に、フィレット溝部Ｆに印加させる圧力値を第１の圧力値Ｐｆｊ１から第２の圧力値Ｐｆｊ２に向かって連続的に増加させている。これにより、この場合、フィレット溝部Ｆとフィレットローラ５との間に生じる摩擦力が急激に変化してショックとなることによって、フィレットローラ５にかけなどの不具合が生じてしまうことを効果的に防止することができる。より詳しく説明すると、フィレット溝部Ｆに印加する圧力値を次第に増加させることにより、圧力値が小さい領域ではフィレットローラ５に極力破損が生じないようにしつつフィレット溝部Ｆの表面上の凹凸を慎重に削り取って平滑化し、次第に印加する圧力値を増大して大きな凹凸も平滑化できるように状態を遷移させるのである。これにより、フィレットローラ５の破損防止と、フィレット溝部Ｆの平滑化とを効果的に両立することができる。

尚、図４に示す例では、クランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部への印加圧力のうち後者のみを連続的に変化させる場合を例示したが、前者のみ或いは、両者とも連続的に変化させてもよい。

そしてフィレットローリング加工が終了すると、クランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部への印加圧力を再び低下させ、一連の工程を終了する。このときもクランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部への印加圧力を連続的に低下させることによって、フィレット溝部Ｆとフィレットローラ５との間に生じる摩擦力が急激に変化してショックとなることによって、フィレットローラ５にかけなどの不具合が生じてしまうことを効果的に防止することができる。

続いて、図４（ａ）（ｃ）に示すように、クランクジャーナルＪに設けられたフィレット溝部Ｆに対しては、まず、クランクピンＰ１、Ｐ２と同様にクランプ後、平滑化が行われる。平滑化の完了後は、図４（ｃ）に示すように、クランクピンＰ１、Ｐ２に設けられたフィレット溝部Ｆへの印加圧力値Ｐｆｐが、周期的に低圧側のＰｆｐ２１と高圧側のＰｆｐ２２とを繰り返すように制御される。

一般的に、クランクシャフトＳの疲労強度を向上させるためには、フィレットローリング加工時にフィレット溝部Ｆに印加する圧力値が大きい程よいとされているが、一方でフィレットローラ５の寿命は、フィレット溝部Ｆに加えられる圧力が大きくなるに従い、極端に短くなってしまうことが知られている。クランクシャフトＳが実際にエンジンに組み込まれた状態では、クランクシャフトＳのうちクランクピンＰ１、Ｐ２のボトム側に大きな荷重が加わる一方で、ボトム側とは反対側のトップ側ではボトム側程大きな荷重が加わらない。そのため、図５に示すように、コントローラ１１は、クランクピンＰ１、Ｐ２のトップ側３４を低圧側のＰｆｐ２１で加工すると共に、ボトム側３５を高圧側のＰｆｐ２２で加工するように、フィレット溝部Ｆに印加される圧力値を切り替え制御することにより、フィレットローラ５の長寿命化とクランクシャフトＳの疲労強度の確保とを両立することができる。尚、本実施例では、図５に示すように、クランクピンＰ１、Ｐ２の外周のうち１３０度分をトップ側３４、その他の外周をボトム側３５としている。

そしてフィレットローリング加工が終了すると、クランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部への印加圧力を再び低下させ、一連の工程を終了する。

ここで図６は、フィレットローリング加工前に平滑化を行わない比較例における、クランクシャフトＳの回転速度Ｒとフィレット溝部Ｆに印加される圧力値の推移を示すグラフ図である。本願発明者の実験によれば、本発明のように平滑化を行うことによって、比較例に比べてフィレットローラ５に発生する欠けなどの破損が極めて良好に抑制されることが示されている。

以上説明したように、本実施例に係るフィレットローリング加工装置１００によれば、フィレットローリング加工を実行する前に、フィレットローリング加工時に比べて低圧力且つ低回転でフィレット溝部Ｆの表面上に存在する凹凸を平滑化することにより、フィレットローリング加工時にフィレットローラ５とフィレット溝部Ｆとの間に生じる摩擦力を軽減し、フィレットローラ５に欠けなどの破損が発生することを効果的に抑制することができる。

本発明は、クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながらクランクシャフトを回転することにより、フィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工装置及びフィレットローリング加工方法に利用可能である。

１ アーム
１ａ 上側アーム
１ｂ 下側アーム
２ 支持軸
３ ベース
４ 支持ブラケット
５ フィレットローラ
６ レストローラ
８ シリンダ
１１ コントローラ
１００ フィレットローリング加工装置
Ｓ クランクシャフト
Ｊ クランクジャーナル
Ｐ１ クランクピン
Ｐ２ クランクピン
Ｆ フィレット溝部

Claims (5)

1. クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながら、前記クランクシャフトを回転することによりフィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工装置であって、
   第１の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、第１の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化した後に、
   前記第１の圧力値より大きい第２の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、前記第１の回転速度より大きい第２の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部にフィレットローリング加工を施すように、
   前記フィレットローラがフィレット溝部に印加する圧力値及び前記クランクシャフトの回転速度を可変に制御する制御手段を備えることを特徴とするフィレットローリング加工装置。
2. 前記フィレットローラ及び該フィレットローラに対向して設けられたレストローラを先端部にそれぞれ有し、前記フィレットローラが前記フィレット溝部に当接するように、前記フィレットローラ及び前記レストローラ間に前記クランクシャフトを固定する一対のアームからなるクランプアームを備え、
   前記第１の圧力値及び前記第１の回転速度は、前記クランプアームによって固定された前記クランクシャフトが回転可能に設定されることを特徴とする請求項１に記載のフィレットローリング加工装置。
3. 前記クランクシャフトはそれぞれフィレット溝部が設けられたクランクピン及びクランクジャーナルを備えてなり、前記クランプアームは前記フィレット溝部毎に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のフィレットローリング加工装置。
4. 前記制御手段は、前記フィレットローラがフィレット溝部に印加する圧力値及び前記クランクシャフトの回転速度の少なくとも一方を時間の経過と共に連続的に変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のフィレットローリング加工装置。
5. クランクシャフトに設けられたフィレット溝部にフィレットローラを圧接しながら、前記クランクシャフトを回転することによりフィレットローリング加工を行うフィレットローリング加工方法であって、
   第１の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、第１の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部の表面上に存在する凹凸を平滑化する平滑化工程と、
   前記第１の圧力値より大きい第２の圧力値で前記フィレットローラを前記フィレット溝部に圧接しながら、前記第１の回転速度より大きい第２の回転速度で前記クランクシャフトを回転駆動することにより、前記フィレット溝部にフィレットローリング加工を施す加工工程と
   を備えたことを特徴とするフィレットローリング加工方法。

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