JP2020034411A - 摩擦試験装置及び摩擦試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】面接触状態の二つの試料間の摩擦係数等の摩擦特性を正確に検出する。【解決手段】第１試料を保持可能な第１ホルダと、第１試料に面接触させた状態の第２試料を保持可能な第２ホルダと、第２ホルダに対して第１試料と第２試料との接触面に垂直な方向に荷重を負荷する荷重負荷手段と、第２ホルダに接触面の延長上で外力を作用させることにより、第２試料を第１試料に対して接触面に沿って摺動させる摺動手段と、第２試料の摺動により第１ホルダに作用する摩擦力を検出する摩擦力検出手段と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、面接触状態の二つの試料間の摩擦係数等の摩擦特性を検出するための摩擦試験装置及び摩擦試験方法に関する。

切削工具として、切れ刃を有するインサート部材を工具本体に着脱自在に装着した刃先交換式切削工具が知られている。インサート部材としては例えば超硬合金等が用いられ、摩耗したインサート部材は交換でき、利便性に優れるため、広く用いられている。
ところで、この種の刃先交換式切削工具において、切削加工中にインサート部材にずれ等が生じないよう、インサート部材と工具本体とを堅固にクランプする必要がある。このため、インサート部材と工具本体との間の摩擦係数等の摩擦特性を把握することが重要となっている。

従来、摩擦係数等の摩擦特性を検出するための摩擦試験装置として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載のものがある。
特許文献１記載には、成形シミュレーションによりプレス成形される鋼材の成形状態を推定する場合に、所定の摩擦係数を用いて成形シミュレーションを実施して、プレス金型から鋼材が受ける面圧及び鋼材と金型との摺動速度を取得し、その取得した面圧及び摺動速度を満たす条件下で摺動試験装置を用いて摺動試験を行い、摩擦係数を取得することが開示されている。そして、その摺動試験装置として、サンプル（成形シミュレーションで成形の演算対象となるブランク材に対応するもの）に、算出した面圧を実現するように一定加重で金型を押し付けてから（金型により一定加重で挟持しながら）、算出した摺動速度となるように金型で挟持されているサンプルを引き抜く構造のものが記載されている。

特許文献２記載の静止摩擦係数取得方法は、金属板からなる被試験材に、接触面が平面形状の摺動体を設定押し付け荷重で押し付けた状態で相対的に摺動させながら、押し付け荷重及び摺動抵抗のうちの少なくとも摺動抵抗を設定サンプリングタイムで測定する摺動試験を行って、設定押し付け荷重及び摺動抵抗から静止摩擦係数を算出している。また、摺動試験機として、平坦な台の上に被試験材を載置して固定し、その被試験材の上面に摺動体を接触させ、一定の設定押し付け荷重を摺動体に負荷した状態とし、この状態で、予め設定した摺動速度で台を移動させ、台を移動させる引張力を摺動抵抗として測定することが記載されている。

特開２００９−２９２６号公報 特開２０１５−１４１１８０号公報

ところで、前述した切削工具に限らず、各種産業製品において、コストを含めた様々な要因から、限界に近い厳密な設計が求められてきている。このため、摩擦係数等の摩擦特性の検出においても、より正確に検出できることが求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、面接触状態の二つの試料間の摩擦係数等の摩擦特性を正確に検出することを目的とする。

本発明者らは、摩擦係数等の摩擦特性の検出に関して鋭意研究した結果、二つの試料間の摩擦特性を正確に検出するためには、これらの接触面の大きさや表面状態、接触面の摺動のさせ方等、が重要な要因であり、特に、接触面への摺動力のかけ方が摩擦力の検出結果に大きく影響することを突き止め、以下のような摩擦試験装置及び摩擦試験方法を発明した。

すなわち、本発明の摩擦試験装置は、面接触させた状態の第１試料と第２試料との間の摩擦特性を検出可能な摩擦試験装置であって、第１試料を保持可能な第１ホルダと、前記第１試料に面接触させた状態の第２試料を保持可能な第２ホルダと、前記第２ホルダに対して前記第１試料と前記第２試料との接触面に垂直な方向に荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記第２ホルダに前記接触面の延長上で外力を作用させることにより、前記第２試料を前記第１試料に対して前記接触面に沿って摺動させる摺動手段と、前記第２試料の摺動により前記第１ホルダに作用する摩擦力を検出する摩擦力検出手段と、を備える。

第１試料と第２試料とを面接触状態とすることにより、その接触面の大きさや表面状態を測定結果に反映させるようにしている。そして、両試料に荷重負荷手段によって荷重を負荷した状態で、接触面の延長上で第２の試料を第１試料に対して摺動させることにより、摺動に際して接触面にモーメントを作用させることなく、せん断力のみを作用させることができる。したがって、両試料間に作用する摩擦力から、摩擦係数等の摩擦特性を正確に検出することができる。

摩擦試験装置の一つの実施態様として、前記荷重負荷手段は、前記第２ホルダに対して前記接触面に垂直な方向に移動する荷重伝達部材と、前記荷重伝達部材と前記第２ホルダとの間に介在して前記第２ホルダの前記接触面に沿う移動を許容する直線運動用軸受とを備えるとよい。
荷重伝達部材により両試料の間に荷重を負荷しながら、直線運動用軸受により第２試料の移動を許容することができるので、高面圧下での摩擦特性を検出することができる。

摩擦試験装置の他の一つの実施態様として、前記第２ホルダは、前記第２試料を保持したときに前記摺動手段とは反対側で前記第２ホルダを開放状態とする開放部を有しているとよい。
摺動手段によって第２試料が摺動する際の状況を、開放部を通して確認することができる。
この場合、前記第１試料に対する前記第２試料の変位を検出可能な変位計が前記開放部に向けて設けられているとよい。
摺動手段によって第２試料が摺動する際の変位を変位計で検出できるので、両試料がずれ動く瞬間の摩擦特性をより正確に検出することができる。

本発明の摩擦試験方法は、面接触させた状態の第１試料と第２試料との間の摩擦特性を検出するための方法であって、前記第１試料と前記第２試料との接触面に垂直な方向に荷重を負荷した状態で、前記第１試料を保持し、前記第２試料に前記接触面の延長上で外力を作用させることにより、前記第２試料を前記第１試料に対して前記接触面に沿って摺動させ、前記第２試料の摺動により前記第１試料に作用する摩擦力を検出する。

また、摩擦試験方法の一つの実施態様として、前記第１試料と第２試料とは、対向する面の両方が前記接触面と同一であるとよい。
対向する面の一方が接触面より広い面を有していると、その接触面に垂直に荷重を負荷したときに他方の試料が一方の試料の広い面に食い込む現象が生じ、その状態で摺動させると、その食い込みを掘り起こすための力も上乗せして検出されるので、摩擦特性を正確に検出することができない。上記実施態様では、対向する面の両方が接触面と同一であるので、食い込む現象の発生がなく、したがって、摩擦特性を正確に検出することができる。

本発明によれば、面接触状態の二つの試料間の摩擦係数等の摩擦特性を正確に検出することができる。

本発明の一実施形態を示す摩擦試験装置の斜視図である。 図１の摩擦試験装置の荷重負荷手段による荷重負荷中心を通る縦断面図である。 図１の摩擦試験装置のうち、摩擦力検出手段及び第１ホルダを示す斜視図である。 図１の摩擦試験装置のうち、第２ホルダ付近を示す斜視図である。 図４の第２ホルダを反対側から視た斜視図である。 第１ホルダ及び第２ホルダにより保持された試料に垂直荷重及び接触面に沿う外力を作用させている状態を示す断面図である。 摩擦力（Ｆ）と時間（ｔ）との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１及び図２は、一実施形態の摩擦試験装置１０であり、二つの試料の間の摩擦特性を検出する。一方の試料を第１試料１、他方の試料を第２試料２とする。例えば、第１試料１が切削工具の工具本体となる試料、第２試料２がその工具本体に取付けられるインサート部材となる試料である。

摩擦試験装置１０は、ベース２０の上に、摩擦力検出手段３０と、荷重負荷手段４０と、摺動手段５０とが設けられており、第１試料１を保持可能な第１ホルダ２１と、第２試料２を保持可能な第２ホルダ２５とを有している。図１に示すように、相互に直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を定め、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を水平方向に配置し、Ｚ軸方向を垂直方向に配置するものとする。
ベース２０は、マシニングセンターのテーブルや定盤など、剛性が高く、上面の平面度が高いものが用いられる。

摩擦力検出手段３０は、例えば、上下のプレート３１，３２間に配置した複数の圧電素子（図示略）により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のせん断力、Ｚ軸方向の圧縮力を検出可能な三分力動力計である。検出されたデータは例えば０．００００１秒のサンプリング間隔で出力され、図示略の処理装置によって解析される。処理装置には、三分力動力計３０の出力を時間軸に沿ってグラフ表示するモニタも備えられる。なお、下側プレート３２の下端部には、大きい平面積の台座部３２ａが形成されており、この台座部３２ａがねじ３３によってベース２０に固定されている。

第１ホルダ２１は、図３に示すように矩形のブロック状に形成され、三分力動力計（摩擦力検出手段）３０の上側プレート３１の上面にねじ２２によって固定されている。そして、第1ホルダ２１の中央に、上方に開放状態の凹部２３が形成され、その凹部２３内に第１試料１を嵌合状態に保持する構成である。この場合、第１試料１は、図示例では、角形ブロック部１ａの上面に円柱部１ｂが一体に形成されている。このため、第１ホルダ２１の凹部２３は第１試料１の角形ブロック部１ａを嵌合する平面視正方形状に形成され、凹部２３内に第１試料１の角形ブロック部１ａを嵌合した後に、凹部２３に直交する方向に設けた止めねじ２４によって第１試料１を凹部２３内に固定するようになっている。この固定状態において、第１試料１は、円柱部１ｂが、第１ホルダ２１の上面より上方に突出した状態に保持され、その上端面が水平に配置される。

一方、第２ホルダ２５は、図４及び図５に示すように正面視でＬ字状に屈曲形成されたブロック状に形成されており、水平方向に沿う平板部２６と、平板部２６の側部に垂直に屈曲するように一体に形成された縦壁部２７とを有している。そして、図１及び図２に示すように、平板部２６を第１ホルダ２１の上方に配置し、縦壁部２７を垂直下方に向けて配置することで、第１ホルダ２１の上方に被さるように設けられる。図示例では、平板部２６はＸ軸方向に沿って配置され、そのＸ軸方向の一方側に縦壁部２７がＺ軸方向に沿って配置される。

また、平板部２６の下面に、第１ホルダ２１の凹部２３に対向する凹部２８が形成されており、この凹部２８に第２試料２を収容できるようになっている。この第２ホルダ２５の凹部２８は、第１ホルダ２１の凹部２３とは異なり、縦壁部２７とは反対側の側方（Ｘ軸方向の他方側）も開放状態とされている。第２試料２は第１試料１の円柱部１ｂと同じ直径の円柱状に形成され、凹部２８は、縦壁部２７が配置される側の内面が第２試料２の外面に当接する円弧面２８ａに形成されている。
なお、第１試料１及び第２試料２は、必ずしも上述の形状でなくてもよいが、少なくとも接触面３においては同じ面積で同じ形状（同一輪郭形状）に形成される。

また、三分力動力計３０の下側プレート３２の台座部３２ａの上に、三分力動力計３０を挟むように両側にサイドフレーム４１，４２が立設され、そのサイドフレーム４１，４２の上端間を連結するように桁状にトップフレーム４３が設けられ、そのトップフレーム４３に、垂直方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に荷重伝達部材４４が設けられている。両サイドフレーム４１，４２は、三分力動力計３０の台座部３２ａをベース２０に固定するためのものでもあり、図示例では、Ｘ軸方向に間隔をおいて台座部３２ａの両端部に配置されている。荷重伝達部材４４はねじ部材であり、第１ホルダ２１の凹部２３の中心の真上に垂直に配置され、トップフレーム４３にＺ軸方向に貫通して形成されためねじ孔４３ａに螺合している。このトップフレーム４３のめねじ孔４３ａに螺合しているねじ部材４４を締めて、垂直下方に移動することにより、第２ホルダ２５に荷重を負荷することができるようになっており、これらトップフレーム４３のめねじ孔４３ａ及びねじ部材４４により荷重負荷手段４０が構成される。

そして、第１ホルダ２１の凹部２３に第１試料１を固定し、その第１試料１の上に重ねた第２試料２を第２ホルダ２５の凹部２８に収容した状態で、ねじ部材（荷重伝達部材）４４で第２ホルダ２５の平板部材２６を押圧することにより、第１試料１と第２試料２との接触面３に垂直に荷重を負荷する。この場合、ねじ部材４４の下端と、第２ホルダ２５の平板部２６の上面との間には、ねじ部材４４の下端から順に、球面支持機構４５、調心機構付きスラスト軸受４６及び直線運動用軸受４７が設けられる。
このうち、球面支持機構４５、調心機構付きスラスト軸受４６により、第２ホルダ２に垂直荷重を傾くことなくＺ軸方向に沿って正確に作用させることができる。また、直線運動用軸受４７には例えばフラットローラが用いられ、第２ホルダ２５の平板部２６の上面に接触状態に設けられ、Ｙ軸方向に沿う複数のローラ４７ａが平行に配置され、これらローラ４７ａの転動により、ねじ部材４４と第２ホルダ２５とのＸ軸方向の相対移動を許容する。

摺動手段５０は、ベース２０上の摩擦力検出手段３０の側方位置（Ｘ軸方向の一方側）に、固定ブロック５１を介して油圧ジャッキ等を用いた推進機構５２が固定され、この推進機構５２により水平方向に延びるシャフト５３がその長さ方向に押圧される構成である。前述したサイドフレーム４１には、Ｘ軸方向に貫通する通路４１ａが形成されており、シャフト５３は、その通路４１ａを経由して第２ホルダ２５の縦壁部２７に向けて延びている。そして、シャフト５３の先端に、球面支持機構５４及び調心機構付きスラスト軸受５５を介して第２ホルダ２５の縦壁部２７が接続されている。つまり、第２ホルダ２５は、その縦壁部２７がシャフト５３を介して摺動手段５０によりＸ軸方向に押圧されるようになっている。前述した荷重負荷手段４０と同様、球面支持機構５４及び調心機構付きスラスト軸受５５により、推進機構５２による推進力を第２ホルダ２に傾くことなくＸ軸方向に沿って正確に作用させることができる。
また、第２ホルダ２５に対するシャフト５３は、第１ホルダ２１の凹部２３に収容した第１試料１と第２ホルダ２５の凹部２８に収容した第２試料２との接触面３（摩擦面）の延長上にＸ軸方向に沿って配置される（図６の断面図に接触面３の延長線を一点鎖線で示している）。

前述したように第２ホルダ２５の凹部２８は、側方（Ｘ軸方向の他方側）に開放状態とされており、摩擦力検出手段３０に対して摺動手段５０とは反対側（Ｘ軸方向の他方側）には、サイドフレーム４２の通路４２ａを経由して第２ホルダ２５の凹部２８内の第２試料２の変位を検出可能なレーザ変位計等の変位計６０が、第２ホルダ２５の開放部に向けて設けられる。この変位計６０は、ベース２０上の摩擦力検出手段３０の側方に支持脚６１が立設され、この支持脚６１からサイドフレーム４２の通路４２ａ内を通って第２ホルダ２５の凹部２８にＸ軸方向に対向して配置されている。
なお、変位計６０も三分力動力計３０と同様、図示略の処理装置に接続され、変位計６０の出力が三分力動力計３０と同期して取得される。また、処理装置のモニタは、三分力動力計３０と変位計６０との出力を同じ時間軸にグラフ表示することができる。

このように構成した摩擦試験装置１０を用いて、第１試料１と第２試料２との間の摩擦特性（例えば静摩擦係数）を検出する方法について説明する。
接触面３が同じ直径（例えば２５ｍｍ）の円形に形成された第１試料１及び第２試料２を用意する。これら試料１，２の接触面３は必要に応じて研削加工しておく。第１試料１を第１ホルダ２１の凹部２３に収容して止めねじ２４で固定し、第２試料２を第１試料１の上面に重ねた状態として第２ホルダ２５の凹部２８に収容する。この状態で、第１試料１及び第２試料２は、その接触面３が同じ面積の円形であるので、外周面が面一に揃えられる。そして、荷重負荷手段４０のねじ部材４４を締め、第２ホルダ２５の平板部２６に垂直荷重を作用させることで、第１試料１と第２試料２との接触面３に面圧を生じさせる。この面圧発生状態は、三分力動力計３０がＺ軸方向の荷重を検出することにより把握できる。

そして、この面圧を作用させた状態で摺動手段５０によりシャフト５３を推進させて、第２ホルダ２５を押圧し、第１試料１に対して第２試料２が動き出した瞬間の摩擦力を三分力動力計（摩擦力検出手段）３０によって検出する。
この第２試料２が動き出す瞬間の摩擦力は、三分力動力計３０で検出されるＸ軸方向の出力のピークによって判別することができる。また、摩擦力の測定と同時に変位計６０で第２試料２の変位を検出することにより、第２試料２の摩擦力を正確に測定することができる。

三分力動力計３０には、第１試料１と第２試料２との間の摩擦力Ｆと、荷重負荷手段４０によって負荷される垂直荷重Ｎとが検出されており、これらの検出結果から、Ｆ＝μＮの式より、摩擦係数μを算出することができる。第２試料２が動き出す瞬間の摩擦力から静摩擦係数を算出することができ、μ＝ｔａｎθから、摩擦角θを算出することも可能である。三分力動力計３０及び変位計６０に接続された処理装置は、三分力動力計３０及び変位計６０の出力から、目的に応じて摩擦係数μ等を算出する。
図７は、三分力動力計３０によって検出される摩擦力Ｆの変化を時間軸に沿ってグラフ化したものである。静摩擦力は第２試料２が動き出す瞬間の値であるから、サンプリングレートが十分でないと、その瞬間の値を検出できなくなるおそれがあるが、この摩擦試験装置１０では、例えば０．００００１秒の短いサンプリング間隔で摩擦力を検出しているので、摩擦力のピーク値を確実に検出することができ、信頼性が高い。

以上のように、この摩擦試験装置１０においては、第１試料１と第２試料２との接触面３を同一面積の円形に形成して、面接触させたことにより、前述したように異なる大きさの表面を接触させた場合に生じる摺動時の食い込み現象の発生がない。このため、食い込みを掘り起こす力等の影響を受けることなく、接触面３の大きさや表面状態を忠実に反映した摩擦力を検出することができる。
また、第２ホルダ２５に縦壁部２７を設けて、第１試料１と第２試料２との接触面３の延長上で摺動手段５０によって第２試料２を摺動するようにしたから、接触面３にモーメントを作用させることなく、せん断力のみを作用させることができる。

さらに、荷重負荷手段４０と第２ホルダ２５との間には、球面支持機構４５、調心機構付きスラスト軸受４６及び直線運動用軸受（フラットローラ）４７を設けて、垂直荷重が試料１，２の接触面３に傾くことなく垂直に作用するようにしている。このため、接触面３に高い面圧を正確に作用させることができる。また、摺動手段５０と第２ホルダ２５との間にも球面支持機構５４及び調心機構付きスラスト軸受５５を設けて、シャフト５３による推進力が傾くことなく接触面３上に作用するようにしており、推進力（摺動力）を接触面３上に正確に作用させることができる。

つまり、この摩擦試験装置１０においては、荷重負荷手段４０及び摺動手段５０の両方ともに、その軸力（荷重負荷手段４０の場合はＺ軸方向の荷重、摺動手段５０の場合はＸ軸方向の推進力）に余計な分力を発生させることなく、Ｚ軸方向あるいはＸ軸方向に沿って正確に軸力を作用させることができる。しかも、荷重負荷手段４０に直線運動用軸受４７を介在させたことにより、荷重負荷手段４０によるＺ軸方向の荷重と、摺動手段５０によるＸ軸方向の推進力とを、相互の影響をなくして独立して作用させることが可能になっている。
したがって、三分力動力計３０は、そのＺ軸方向の荷重Ｎと、摺動手段５０の推進力によるＸ軸方向の摩擦力Ｆとを正確に検出でき、高面圧下での摩擦力の検出精度を高めることができる。

さらに、変位計６０が設けられていることにより、第２試料２が動き出す瞬間をより直接的に検出することができ、静摩擦力をより正確に検出することができ、正確な静摩擦係数を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、実施形態では、摺動手段５０は第２ホルダ２５を押しているが、第２ホルダを引くこととしてもよい。
また、荷重負荷手段４０として、トップフレーム４３のねじ孔４３ａにねじ部材（荷重伝達部材）４４を螺合させて構成したが、その他の機械的に荷重を負荷する手段、例えば油圧ジャッキ等を用いてもよい。
実施形態では変位計６０を設けたが、カメラ等の撮像手段を設けて、摺動時の挙動を観察することも含まれる。
上記実施形態は静摩擦係数を検出するためのものであり、両試料の接触面を同じ大きさの同じ形状（同一輪郭形状）に形成したが、本発明としては、両試料のうちの一方を接触面より広く形成しておき、動摩擦力の測定により動摩擦係数を検出することを妨げるものではない。その場合でも、第２試料を摺動させるための外力を接触面の延長上で作用させることができるので、モーメントを発生させることなく正確に摩擦特性を検出することができる。

１ 第１試料
１ａ 角形ブロック部
１ｂ 円柱部
２ 第２試料
３ 接触面
１０ 摩擦試験装置
２０ ベース
２１ 第１ホルダ
２３，２８ 凹部
２５ 第２ホルダ
２６ 平板部材
２７ 縦壁部
２８ａ 円弧面
３０ 摩擦力検出手段（三分力動力計）
３１，３２ プレート
３２ａ 台座部
４０ 荷重負荷手段
４１，４２ サイドフレーム
４１ａ，４２ａ 通路
４３ トップフレーム
４３ａ ねじ孔
４４ 荷重伝達部材（ねじ部材）
４５，５４ 球面支持機構
４６，５５ 調心機構付きスラスト軸受
４７ 直線運動用軸受
４７ａ ローラ
５０ 摺動手段
５１ 固定ブロック
５２ 推進機構
５３ シャフト
６０ 変位計
６１ 支持脚

Claims (6)

1. 面接触させた状態の第１試料と第２試料との間の摩擦特性を検出可能な摩擦試験装置であって、第１試料を保持可能な第１ホルダと、前記第１試料に面接触させた状態の第２試料を保持可能な第２ホルダと、前記第２ホルダに対して前記第１試料と前記第２試料との接触面に垂直な方向に荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記第２ホルダに前記接触面の延長上で外力を作用させることにより、前記第２試料を前記第１試料に対して前記接触面に沿って摺動させる摺動手段と、前記第２試料の摺動により前記第１ホルダに作用する摩擦力を検出する摩擦力検出手段と、を備えることを特徴とする摩擦試験装置。
2. 前記荷重負荷手段は、前記第２ホルダに対して前記接触面に垂直な方向に移動する荷重伝達部材と、前記荷重伝達部材と前記第２ホルダとの間に介在して前記第２ホルダの前記接触面に沿う移動を許容する直線運動用軸受とを備えることを特徴とする請求項１記載の摩擦試験装置。
3. 前記第２ホルダは、前記第２試料を保持したときに前記摺動手段とは反対側で前記第２ホルダを開放状態とする開放部を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦試験装置。
4. 前記第１試料に対する前記第２試料の変位を検出可能な変位計が前記開放部に向けて設けられていることを特徴とする請求項３記載の摩擦試験装置。
5. 面接触させた状態の第１試料と第２試料との間の摩擦特性を検出するための方法であって、前記第１試料と前記第２試料との接触面に垂直な方向に荷重を負荷した状態で、前記第１試料を保持し、前記第２試料に前記接触面の延長上で外力を作用させることにより、前記第２試料を前記第１試料に対して前記接触面に沿って摺動させ、前記第２試料の摺動により前記第１試料に作用する摩擦特性を検出することを特徴とする摩擦試験方法。
6. 前記第１試料と第２試料とは、対向する面の両方が前記接触面と同一であることを特徴とする請求項５記載の摩擦試験方法。

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