JP3627089B2 - Surface treatment equipment for ball end mill cutting edge - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末あるいは金属の化合物の粉末あるいはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体電極を電極として、加工液を介在せしめ電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギーにより反応して生成される物質からなる硬質被膜を形成する放電表面処理装置に関するもので、工具であるボールエンドミルの刃先を放電表面処理することを目的としている。
【0002】
【従来の技術】
液中放電によって金属材料の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を与える技術は既に特許出願され公知となっている。その技術の骨子は次の通りである。WCとCOの粉末を混合して圧縮成形した電極で液中放電を行うことにより電極材料をワーク表面に堆積させる。この後、別の電極(例えば、銅電極、グラファイト電極)によって、再溶融放電加工を行って、より高い硬度と高い密着力を得る方法である。
【0003】
以下、従来技術について図1を用いて説明する。
WO−CO(タングステンカーバイト−コバルト)の混合圧粉体電極201を用いて、被処理材料(母材S50)であるワーク202との間で液中で放電加工を行いWO−COを堆積させる(一次加工)。ついで銅電極のようなそれほど消耗しない電極によって再溶融加工(二次加工)を行う。一次加工の堆積のままでは、組織は硬度もHv=1410程度であり、また空洞も多かったが、二次加工の再溶融加工によって被覆層の空洞が無くなり、硬度もHv=1750と向上した。
【0004】
この方法は鋼材に対しては硬く密着度の良い被覆層が得られる。しかしながら、超硬合金のような焼結材料の表面には強固な密着力を持った被覆層を形成することは困難であった。
【0005】
しかし、我々の研究によると、Ti等の硬質炭化物を形成する材料を電極として、被処理材料である金属材料との間に放電を発生させると、再溶融の処理過程無しに強固な硬質膜を被処理材料である金属表面に形成できることがわかった。これは、放電により消耗した電極材料と加工液中の成分である炭素Cが反応してTiCが生成することによる。また、さらに、TiH2(水素化チタン)など、金属の水素化物の圧粉体電極により、被処理材である金属材料との間に加工液を介在せしめ放電を発生させると、Ti等の材料を使用する場合よりも速く、密着性が良く、硬質膜を形成することが出来ることがわかった。さらに、TiH2(水素化チタン)等の水素化物に他の金属やセラミックスを混合した圧粉体電極により、被処理材である金属材料との間に放電を発生させると硬度、耐磨耗性等様々な性質を持った硬質被膜を素早く形成することが出来ることがわかっている。硬度についてはHv=2500以上が得られ、従来のPVD、CVDと同程度の性能が得られ、工具に応用した性能試験においても摩耗寿命は前記の従来方式と比較して同程度が確認されている。更に、密着強度が極めて優れており、スクラッチ(剥離強度)試験においても硬質被膜の破壊、剥離を示す音響信号がほとんど検出されない特性を持つことがわかっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図7は一般的な工作機械用の工具であるボールエンドミルの外形を示す。ボールエンドミルは最近の高速切削には不可欠な工具として急速に普及しつつある。先端部は一定の曲率半径Rを持つ形状をしており二枚刃、三枚刃などのものがある。ボールエンドミルの先端はすくい角を持つ刃先で構成され、軸方向にねじれ角度を持って根元のシャンク部へつながる。最近では、金型を含む一般的な機械加工部品において加工対象が極めて硬く、靭性の多い材料が多用される傾向にあり、工具の寿命低下が激しく生産性の阻害要因になっている。このため、工具が寿命に到達すると刃先を工具研削盤などにより研磨加工して刃先を修正し再利用しているが、刃先の硬度を改善させるための硬化処理を併用する場合もある。一般的には化学的蒸着法(CVD)、物理的蒸着法(PVD)などで知られる表面硬化処理がよく採用される。
しかしながら表面硬化処理したものは再研磨加工した段階で剥離あるいは除去されるため、再硬処理をせずに加工に使用するかまたは表面硬化処理をして使用するかに分かれる。しかしながら、表面硬化処理はコストが高いことと一定の処理期間が必要なため、さらにはある程度の仕掛かりを持つ必要などがあり多くは初回のみ表面硬化処理による工具寿命の延長の恩恵にあづかっているのが現状である。また表面硬化処理は一般的に設備費が高く、専門の業者に委託する場合が多く、身近に設備することが不可能であり納期などの面や小ロットの取り扱いで問題を生じているのが現状である。
【0007】
本発明が提供する放電表面処理装置はこれらの問題を抜本的に解決しボールエンドミルの刃先に簡単に硬質のセラミックス膜を成形し、耐摩耗性、靭性を大きく改善できることから工具の寿命を延長させることが出来るものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、電極の断面形状を凸型の円弧状に施しその外形表面に接するよう前記ボールエンドミルの刃先を微小間隙をもって対向させて放電せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の表面に沿って移動させながら放電加工して表面硬化させるものである。
【0009】
第2の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、表面処理を行う途中において、ボールエンドミルを電極外形表面に沿って移動させる加工中、移動に合わせてボールエンドミル自体を回転方向に移動させるものである。
【0010】
第3の発明の高速切削に用いられるボールエンドミルは、断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させ、両者間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させることにより前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させたものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図2は本発明の第1の実施の形態のボールエンドミル表面処理装置の概念を示す構成図である。図において、1は圧粉体電極、2はワーク、3は加工槽、4は加工液、5は圧粉体電極1とワーク2に印加する電圧及び電流のスイッチングを行うスイッチング素子、6はスイッチング素子5のオン、オフを制御する制御回路、7は電源、8は抵抗器、9は成形された一次硬質被膜である。
【0012】
次に、本実施の形態のボールエンドミル表面処理装置による表面処理について説明する。図3において、120はボールエンドミル110を放電表面処理加工するために成形されたTiH2(水素化チタン)系の圧粉体からなる電極で、図に示すようにその断面は円弧状の形状をなす。121は前記電極120を支持する台である。
111は前記電極を支持する回転装置でC軸と呼ばれる。112は電極にサーボ送りを与える主軸、113は駆動用のボールネジ、114は主軸112を案内支持するガイド、115はギヤ、116は送り制御用のモーターである。117は加工液を供給するポンプ、118は加工液タンクである。
この構成において、TiH2(水素化チタン)系の圧粉体電極120とボールエンドミル110を主軸112を用いて適切な間隙(10数ミクロン)に制御しつつ圧粉体電極120とボールエンドミル110の間にパルス状の放電を発生させる。
放電を発生させながらボールエンドミルの刃面110aを圧粉体電極120の円弧状の外形表面に沿って電極断面を横切る方向(図中の左右方向)にテーブルもしくは電極側を相対的に移動させる。すると放電のエネルギーによりTiH2(水素化チタン)系の圧粉体電極120が消耗し、電極120の主成分であるTiを中心とした硬質被膜が加工液中の炭素成分と反応してボールエンドミルの刃面に付着し、硬質被膜をボールエンドミル表面に形成する。この硬質被膜は硬度が非常に高くHv=2500〜3000が得られる。更に、密着強度が極めて高く、スクラッチ試験等ではその音響信号(破壊を示す音響信号)が検出できないくらいの強度を有する事がわかっている。
【0013】
さらに、発明の詳細について説明する。
図6はボールエンドミルと電極の断面を示すもので、図において125はボールエンドミルの刃先110aの第一外周逃げ角(θ1)、126は第二外周逃げ角(θ2)である。127はすくい角(θ3)、128は電極とボールエンドミルとが放電加工するために必要な間隙を持って対向している放電ギャップを示すもので極間と呼ぶ。このような配置構成において、圧粉体電極120に対して、ボールエンドミルの第一外周逃げ角125の刃面を電極の外部表面に平行になるようにC軸装置111を使って設定する。この時の電極に対するボールエンドミルの位置を図6の角度1(122a)とする。角度1の位置から電極の円弧表面に沿って電極を横切るように角度2、角度3とX軸およびZ軸の軸移動制御しながら円弧状を放電表面処理しながら移動すると、前記図6において示した第一外周逃げ角の刃面に硬質のセラミックス膜を均一に成形することが出来る。
この状態ではボールエンドミルの刃面の半分を処理したことになり、残りの半分を同様に処理するためにはそのまま、角度3の位置から角度4、角度5へと移動する方法と、角度1から角度3に処理が完了した時点で改めてボールエンドミル角度5に設定し直し、角度4、角度3へと移動させる方法もある。移動の手順は工具の目的に応じて使い分ければよく特に固定する必要はない。このように放電加工により硬化処理を施せばボールエンドミルの刃面全部にわたり(約180度の範囲)均一に加工処理することが出来る。
図4の放電軌跡120aはこの状態を示すものほぼ真横に横切るようにボールエンドミルを移動させると図の(1)のように放電軌跡が残る。
図7の刃先形状でもわかるように刃面は一般的に軸方向に一定の曲率でねじられており、単純に円弧状の突型の電極表面を横切るだけでは、前記の第一外周逃げ角の刃面全体に対して均一な加工処理は困難であり、電極表面を移動しつつボールエンドミル自体を一定の比率で回転させる必要がある。このように工具ボールエンドミルの移動に同期させながら角度θを変更させることは極めて有効である。ボールエンドミルの角度1においてねじれ角度θは角度2、角度3に移動する際、θ1からθ3へ変更するのである。
このように、本実施例によれば電極形状を突型の円弧形状にその外部表面を形成し、ボールエンドミル刃先を前記電極に沿って移動させ、あるいは必要に応じてC軸装置を用いてボールエンドミル自体の角度を移動させながら刃先表面に放電表面処理を施し、TiC系の炭化物硬質被膜を形成せしめることによりボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。さらに、波及的な効果として簡単に加工処理が出来ること、通常使用されている放電加工装置を用いることが出来ること、外部の専門業者へ委託する手間が不要になるなどの多くの特徴がある。
【0014】
実施の形態2.
図7においては、電極120を円柱状にした実施例を示すもので、台121をVブロック状に変更している。このように変更すれば電極が加工によって消耗しても回転させて反対側を使用することが出来ること、ならびに消耗によって形状の補正を必要としても、外形が円形であれば加工しやすく最初よりも電極の外形寸法は小径になるもののVブロック状の台121によって支持が確実になるため、作業性の向上と電極を最後まで使用することが出来、材料の有効利用を図ることが出来る。電極外形の変更はボールエンドミルの軌跡プログラムを変更すればそのまま加工することが出来、加工のプログラム管理も容易であり何回も電極を使用することが出来る。
図8は電極と工具であるボールエンドミルの配置を逆にしたものの実施例を示す。円柱状の電極120を主軸の先端に取り付け、ボールエンドミルはテーブル上に横向きに配置し、角度割り出し装置を設ける。この割り出し装置130はボールエンドミルの角度を加工の進行に応じて割り出しするもので電極の位置制御と連動して電極に刃面の第一外周逃げ角が平行になるよう常に角度制御するものである。工具を横向きに配置することにより、電極は同図(a)に示すごとく先端の刃先R面に沿ってXY軸の同時2軸制御しながら円弧運動を行い加工する。この電極の円弧運動軌跡に応じて前記角度割り出し装置130によりボールエンドミル自体の角度を徐々に変化させ、常に第一外周逃げ角の刃面が電極の外形表面に接するように位置制御をする。このように構成すれば電極の成形が円柱であるため容易であることと、工具を基準とした加工手順となり作業性が大きく改善できる効果がある。更に、工具を横向きに配置することは視認性に優れ作業性が大きく改善できる。
【0015】
【発明の効果】
第1の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、ボールエンドミル刃先表面に放電表面処理を施し、炭化物硬質皮膜を形成せしめボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【0016】
第2の発明のボールエンドミル刃先の表面処理方法は、ボールエンドミル自体の角度制御を行うことにより複雑な曲面をもつ刃先への処理を容易かつ確実にすることが出来、結果としてボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【0017】
第3の発明のボールエンドミルは、ボールエンドミル刃先表面に放電表面処理を施すことで炭化物硬質皮膜を形成せしめ、ボールエンドミルの寿命を大きく改善できることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の硬質皮膜形成技術の原理図である。
【図2】本発明の基本原理図である。
【図3】本発明の対象であるボールエンドミルの加工原理を示す図である。
【図4】ボールエンドミルによる加工原理を示す図である。
【図5】本発明の電極およびボールエンドミルの基本位置構成図である。
【図6】本発明の断面図を示す図である。
【図7】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図8】本発明の更に他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1 圧粉体電極(一次処理用電極)、2 ワーク、3 加工槽、4 加工液、
5 スイッチング素子、6 制御回路、7 電源、8 抵抗器、
9 硬質皮(膜下地硬質被膜)、110 ボールエンドミル、
111 C軸装置、112 主軸、120 電極、121 台、122 角度
125 第一外周逃げ角、126 第二外周逃げ角、127 すくい角、
128 極間、130 角度割り出し装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a green compact electrode formed by compression molding a metal powder, a metal compound powder or a ceramic powder as an electrode to generate a pulsed discharge between the electrode and the workpiece with the machining fluid interposed therebetween, and the discharge energy. This relates to a discharge surface treatment apparatus for forming a hard coating made of a material generated by reaction of electrode material or electrode material with discharge energy on the work surface. It is aimed.
[0002]
[Prior art]
A technology for applying corrosion resistance and wear resistance by coating the surface of a metal material by submerged discharge has already been filed for patent. The outline of the technology is as follows. Electrode material is deposited on the work surface by discharging in liquid with an electrode formed by mixing WC and CO powders and compression-molding. Thereafter, remelting electric discharge machining is performed with another electrode (for example, a copper electrode or a graphite electrode) to obtain higher hardness and higher adhesion.
[0003]
Hereinafter, the prior art will be described with reference to FIG.
Using a mixed green powder electrode 201 of WO-CO (tungsten carbide-cobalt), electrical discharge machining is performed in a liquid with a
[0004]
This method provides a coating layer that is hard and has good adhesion to steel. However, it has been difficult to form a coating layer having strong adhesion on the surface of a sintered material such as cemented carbide.
[0005]
However, according to our research, when a discharge is generated between a material that forms a hard carbide such as Ti as an electrode and a metal material as a material to be processed, a strong hard film is formed without a remelting process. It was found that it can be formed on the metal surface that is the material to be treated. This is because TiC is produced by the reaction between the electrode material consumed by the discharge and carbon C, which is a component in the working fluid. Further, when a discharge is generated by interposing a working fluid with a metal material that is a material to be processed by a compacted electrode of a metal hydride such as TiH2 (titanium hydride), a material such as Ti is obtained. It has been found that a hard film can be formed faster and better in adhesion than in the case of use. Furthermore, when a discharge is generated between the metal material that is the material to be treated by a green compact electrode in which other metal or ceramic is mixed with a hydride such as TiH2 (titanium hydride), hardness, wear resistance, etc. It has been found that hard coatings with various properties can be formed quickly. As for the hardness, Hv = 2500 or more is obtained, and the performance equivalent to that of the conventional PVD and CVD is obtained. In the performance test applied to the tool, the wear life is confirmed to be the same as that of the conventional method. Yes. Furthermore, it has been found that the adhesion strength is extremely excellent, and even in a scratch (peel strength) test, there is a characteristic that an acoustic signal indicating the breakage or delamination of the hard coating is hardly detected.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 7 shows the outline of a ball end mill which is a general tool for machine tools. Ball end mills are rapidly spreading as indispensable tools for recent high-speed cutting. The tip has a shape with a constant radius of curvature R, and there are two blades, three blades, and the like. The tip of the ball end mill is composed of a cutting edge having a rake angle, and has a twist angle in the axial direction and is connected to the root shank. Recently, in general machined parts including molds, materials to be machined are extremely hard, and materials having high toughness tend to be frequently used, and the life of tools is severely reduced, which is an obstacle to productivity. For this reason, when the tool reaches the end of its life, the cutting edge is polished by a tool grinder or the like to correct and reuse the cutting edge. However, a hardening process for improving the hardness of the cutting edge may be used in combination. In general, a surface hardening treatment known by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) or the like is often employed.
However, since the surface-cured material is peeled or removed at the stage of re-polishing, it is divided into whether it is used for processing without re-hardening or used after surface-hardening. However, the surface hardening treatment is expensive and requires a certain treatment period, and it is necessary to have a certain amount of work in progress, and many of them are based on the benefits of extending the tool life by surface hardening treatment only for the first time. The current situation is. In addition, the surface hardening treatment is generally expensive, and is often outsourced to specialized contractors, making it impossible to install the equipment close to you and causing problems in terms of delivery time and handling of small lots. Currently.
[0007]
The discharge surface treatment apparatus provided by the present invention drastically solves these problems and easily forms a hard ceramic film on the edge of a ball end mill, greatly improving wear resistance and toughness, thereby extending the tool life. It can be done.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a ball end mill cutting edge surface treatment method according to a first aspect of the present invention , a discharge is performed by applying a cross-sectional shape of an electrode to a convex arc shape and causing the ball end mill edge to oppose with a minute gap so as to contact the outer surface. Is hardened by electric discharge machining while moving along the surface crossing the electrode cross-sectional direction.
[0009]
The surface treatment method for the ball end mill blade edge of the second invention is to move the ball end mill itself in the rotational direction in accordance with the movement during the process of moving the ball end mill along the outer surface of the electrode during the surface treatment. is there.
[0010]
The ball end mill used for the high speed cutting of the third invention is arranged such that the cross-sectionally projecting arc-shaped electrode and the ball end mill blade edge face each other with a minute gap, and a discharge is generated between them. A hard film is formed on the ball end mill cutting edge surface by moving the ball end mill cutting edge along the outer surface of the electrode in a direction transverse to the electrode cross-sectional direction.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a block diagram showing the concept of the ball end mill surface treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a green compact electrode, 2 is a workpiece, 3 is a machining tank, 4 is a machining fluid, 5 is a switching element for switching voltage and current applied to the green
[0012]
Next, surface treatment by the ball end mill surface treatment apparatus of the present embodiment will be described. In FIG. 3,
In this configuration, the TiH 2 (titanium hydride) green
While generating discharge, the table or electrode side is relatively moved in the direction (left-right direction in the drawing) across the electrode cross section along the arc-shaped outer surface of the green
[0013]
Further details of the invention will be described.
FIG. 6 shows a cross section of the ball end mill and the electrode. In the figure, 125 is the first outer clearance angle (θ1) of the
In this state, half of the edge surface of the ball end mill has been processed. To process the other half, the method of moving from the position of
The discharge trajectory 120a in FIG. 4 shows this state. When the ball end mill is moved so as to cross almost right side, the discharge trajectory remains as shown in FIG.
As can be seen from the shape of the cutting edge in FIG. 7, the blade surface is generally twisted with a constant curvature in the axial direction, and simply by crossing the surface of the arc-shaped protruding electrode, the above-mentioned first outer clearance angle is obtained. Uniform processing is difficult for the entire blade surface, and it is necessary to rotate the ball end mill itself at a constant ratio while moving the electrode surface. Thus, it is extremely effective to change the angle θ while synchronizing with the movement of the tool ball end mill. In the
As described above, according to the present embodiment, the outer surface of the electrode is formed into a projecting circular arc shape, the ball end mill blade edge is moved along the electrode, or the ball is moved using the C-axis device as necessary. The life of the ball end mill can be greatly improved by performing discharge surface treatment on the surface of the blade edge while moving the angle of the end mill itself to form a TiC carbide hard coating. Furthermore, there are many features such as easy processing as a ripple effect, the ability to use a commonly used electric discharge machining apparatus, and the need to commission an external specialist.
[0014]
FIG. 7 shows an embodiment in which the
FIG. 8 shows an embodiment in which the arrangement of the ball end mill as the electrode and the tool is reversed. A
[0015]
【The invention's effect】
The surface treatment method for the ball end mill blade edge according to the first aspect of the invention can greatly improve the life of the ball end mill by subjecting the ball end mill edge surface to a discharge surface treatment to form a carbide hard film.
[0016]
The surface treatment method of the ball end mill blade edge according to the second aspect of the invention can easily and reliably process the blade edge having a complicated curved surface by controlling the angle of the ball end mill itself, resulting in a long life of the ball end mill. It will be possible to greatly improve.
[0017]
In the ball end mill of the third invention, the surface of the ball end mill blade edge is subjected to discharge surface treatment to form a hard carbide film, and the life of the ball end mill can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of a conventional hard film forming technique.
FIG. 2 is a basic principle diagram of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a processing principle of a ball end mill which is an object of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a processing principle by a ball end mill.
FIG. 5 is a basic position configuration diagram of an electrode and a ball end mill according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Green compact electrode (primary processing electrode), 2 workpieces, 3 processing tanks, 4 processing fluids,
5 switching elements, 6 control circuits, 7 power supplies, 8 resistors,
9 Hard skin (film base hard coating), 110 ball end mill,
111 C-axis device, 112 spindle, 120 electrodes, 121 units, 122
128 poles, 130 angle indexer.
Claims (3)
断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させる工程と、
前記電極と前記ボールエンドミル刃先間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させる工程と、
を備えた、前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させるボールエンドミル刃先の表面処理方法。 A compact powder electrode made by compression molding metal powder, metal workpiece powder, or ceramic material powder, or metal electrode is used as an electrode to generate a pulsed discharge between the electrode and workpiece. And a discharge surface treatment method for a ball end mill blade edge that forms a coating made of an electrode material or a substance formed by a reaction of the electrode material with the discharge energy by the discharge energy ,
A step in which the cross-sectional shape of the projecting arc-shaped electrode and the ball end mill blade tip are arranged facing each other with a minute gap;
Generating a discharge between the electrode and the ball end mill cutting edge, and moving the ball end mill cutting edge along the electrode outer surface in a direction transverse to the electrode cross-sectional direction;
A surface treatment method for a ball end mill cutting edge, wherein a hard coating is formed on the ball end mill cutting edge surface.
断面形状が突型の円弧状の前記電極と、前記ボールエンドミル刃先とを微小間隙をもって対向させて配置させ、両者間に放電を発生せしめ、ボールエンドミル刃先を前記電極断面方向に対して横切る方向の前記電極外形表面に沿って移動させることにより前記ボールエンドミル刃先面に硬質被膜を形成させたボールエンドミル。A cross-sectional shape of the projecting arc-shaped electrode and the ball end mill blade edge are arranged to face each other with a minute gap, and a discharge is generated between them, so that the ball end mill blade edge is transverse to the electrode sectional direction. A ball end mill in which a hard coating is formed on the edge surface of the ball end mill by moving along the outer surface of the electrode.
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