JP5240166B2 - 円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法とその円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ジェットエンジンを構成するタービンブレードを支持するディスク等の円板ワークの加工方法に係わり、特に、加工物となる円板ワークを高速回転させることで円板ワーク自体にジャイロ機構となる姿勢制御効果をもたらした円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法とその円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置に関するものである。

近年、例えば、例えば、航空機による国際的な物流増大に対応する事と、対地球環境向上を図るための低燃費性の要求が高まり、航空機の機体軽量化と燃費改善が図られている。その具体的方策として、ジェットエンジンを構成するタービンブレードを支持するディスク（円盤又は円板を意味する）の軽量化のための薄肉構造に伴う材料特有の歪みと機械加工で発生する歪みが加工精度低下を招き、困難性の高い切削加工における一層の精度向上が高まっている。これは、発電用ガスタービンのディスク加工においても同様な課題になっている。

また、上記ディスクは、極高温（１０００℃〜）での使用となり、その材質はハイニッケル難削材の加工となり、無人加工化が遅れている。そして、上記ディスクは、エンジンの高出力化で大型化（外径１０００ｍｍ）の傾向にあり、肉薄軽量化により、外周・側面・内面の切削加工を益々困難化している。

上記薄肉円盤形状のディスクの現状における製造工程は、先ず、素材となる円板を鍛造により肉薄軽量化に適合するように成形される。この鍛造工程でディスクには、鍛造時の応力が残存して歪みを与えている。続く、旋盤加工は、図８と図９に示すようにして実施されている。先ず、ディスク１の中心孔１Ｃの仕上加工を行うべく、ディスク１の外周１Ｄを外周保持チャック３の各把時爪３Ａで強く中心方向へ掴むと、特に外周側に歪みを起こしてしまう。このために、正確な中心孔の仕上加工が出来ないばかりか、側面１Ａ，１Ｂの加工においても歪み加工となるとともに片側のみの加工とり、反転加工しなければならない。これに続く、図９は、ディスク１のバイト４による外周面１Ｄの加工時には、バイトの押し込み力Ｆにより外周面に凹み歪みを生じさせ、正確な仕上加工が保証されていない。上記のように、薄肉円盤形状のディスク１は、クランプを高トルクでディスクの側面に対し把持して押さえると、歪みを起こしてしまい、高速回転の加工が困難である（非特許文献。）。

そこで、上記薄肉円盤形状のディスク等に見られる加工時の歪みを解消させるべく、ジャイロ機構を装備するとともに上定盤の変動を抑制し且つ上定盤のたわみを抑制して、ワークへの荷重を均等にかけることのできる両面研磨装置が提供されている。
その構成は、回転可能な下定盤と、昇降機構によって該下定盤に対して昇降自在であると共に回転可能な上定盤と、前記下定盤と前記上定盤に挟持されると共に複数のワークが装着されるキャリアと、該キャリアを前記下定盤及び上定盤の間で自転及び公転させる自公転機構とを具備する。そして、前記上定盤を吊支する上定盤支持プレートが、前記昇降機構の上下動可能な支持ロットの端部に揺動自在に設けられるジャイロ機構の中心位置が、前記定盤の研磨面と同一面上に位置するように構成する。前記上定盤は、その径方向断面における重心位置よりも径方向外周側において前記上定盤支持プレートに吊支する。これにより、上定盤の平行度が保てると共に、上定盤の荷重を均一にキャリアのワークにかけることができるので、ワークの研磨精度を高くすることができるものである（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−５５６０１号公報

上記薄肉円盤形状のディスクの外周を外周保持チャックの各把時爪で中心方向へ掴むチャック方式では、薄肉円盤の高速回転時にチャックからの脱落・飛び出し事故を防止するために、必要以上に強く各把時爪で中心方向へ掴み込ませている。これが為に、特に外周側で大きな歪みを起こす。また、外周面加工時に中心方向への加工歪みを生じてしまい、高精度な旋削加工ができない。

また、上記薄肉円盤形状のディスク等に見られる加工時の歪みを解消させるべく、ジャイロ機構を装備するとともに上定盤の変動を抑制し且つ上定盤のたわみを抑制して、ワークへの荷重を均等にかけることのできる両面研磨装置では、撓みを抑制する手段を研磨装置内に装備しなければならない。このために、研磨装置のコストアップや操作性の悪さ、その作用の不確実性や歪み抑制効果も期待する程の数値が得られないという問題点がある。

本発明は、上記従来方式の旋盤加工機や両面研磨装置における数々の問題点に鑑みてなされたものである。その目的は、加工物となる円板ワークを高速回転させることで円板ワーク自体にジャイロ機構となる姿勢制御効果をもたらす円板ワークの高速回転ジャイロ加工とこれによる両面同時加工も実施可能とする円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法とその円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置を提供する。

上記目的を達成するべく本発明の請求項１による円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法は、薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧による側面撓み量を打ち消すべく、薄肉円板ワークの慣性モーメントＩ×薄肉円板ワークの角速度ωに基づく角運動量計算式により回転主軸に回転駆動される薄肉円板ワークを高速回転させ、上記加工圧に均等化する復元力を生成して加工することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置は、対向した回転主軸と、上記回転主軸の各先端把持部で中心孔を固定した薄肉円板ワークと、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工する加工部と、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧を検出する加工検出部と、上記加圧検出部の加工圧検出値に基づき薄肉円板ワークの回転数を加工圧に均等化する復元回転数に回転主軸を回転制御する回転制御部、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３による円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法は、薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧を加圧検出部により検出するとともに、上記加圧検出部の加工圧検出値に基づき薄肉円板ワークの回転数を回転制御部により回転制御して加工圧に均等化する復元力に上記回転主軸を回転制御させることを特徴とする。

また、本発明の請求項４による円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法は、請求項１または３記載の高速回転ジャイロ加工方法において、薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、薄肉円板ワークの両側面を同時に加工させ、加工時に対向して生じる加工圧を打ち消し薄肉円板ワークの側面撓み量を解消させることを特徴とする。

本発明の請求項１の円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法によると、加工圧に均等化する復元力を生成しながらの側面加工が行われるから、益々肉薄軽量化している薄肉円板ワークの側面切削加工が高精度に実行できる。

本発明の請求項２の円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置によると、薄肉円板ワークに発生する加工圧と復元回転数との関係が実測しながら回転主軸をダイレクトに回転制御でき、非常に正確なジャイロ効果を生成させて薄肉円板ワークの側面切削加工が極めて高精度に実施させられる。

本発明の請求項３の円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法によると、薄肉円板ワークに発生する加工圧と復元回転数との関係を実測しながら回転主軸がダイレクトに回転制御され、非常に正確なジャイロ効果を生成させて薄肉円板ワークの側面切削加工が極めて高精度に実行できる。

本発明の請求項４の円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法によると、高速回転ジャイロ加工方法がより一層的確に実行でき、薄肉円板ワークの更なる側面切削加工が極めて高精度に実行できる。

本発明の第１の実施の形態を示し、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置の要部断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置の回転制御手段の構成図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、円板ワークの高速回転ジャイロ効果の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、工具の加圧力とジャイロ復元力の作用図である。 実際の旋盤による円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法を示す要部の拡大斜視図である。 本発明の第２の実施の形態を示し、薄肉円板ワークの両側面を同時加工する正面図である。 従来技術を示し、円板ワークのクランプ状態の斜視図である。 従来技術を示し、円板ワークのバイト切削の斜視図である。

以下、図１乃至図６を参照して本発明の第１の実施の形態となる円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置を説明する。

本発明の円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置は、下記のようにその主たる構成要件からなる。まず、図１と図２に示すように、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００は、円板ワーク１の中心孔１Ｃを基準内径仕上げに際して円板ワーク１の外周１Ｄを把持爪３Ａで把持する円板チャック３を備えている。円板ワーク１の中心孔１Ｃの加工後は、上記円板ワーク１を円板チャックの把持から解放し、水平配置した回転主軸５の先端把持部５Ａと、これに対向する円板チャック４の回転主軸６の先端の把持部６Ａで把持される。即ち、回転主軸５，６の各先端部の把持部５Ａ，６Ａとからなる支持軸駆動体（マンドレル）１０の中間位置に装着される。以下、回転主軸（マンドレル）ともいう。上記円板チャック４を支持する回転主軸６の基部６Ｂは、基盤９上の移動台９Ａの支持体１１に回転可能に保持されている。これで、円板チャック４は、移動台９Ａの進退移動で対向する円板チャック３及び円板ワーク１に対して接近・離反する。上記回転主軸（マンドレル）６の軸心孔Ｐの後端は、油圧ユニットＯＵに繋がれていて、ここからの圧力油Ｏで把持部６Ａが拡縮動作され、円板ワーク１の中心孔１Ｃを把持及び解放する。上記支持軸駆動体１０は、駆動部ＫＵの駆動軸２に連結する円板チャック３の回転により円板チャック３，４及び円板ワーク１を回転させる。

上記円板ワーク１は、この中心孔１Ｃに回転主軸（マンドレル）５，６を嵌通して保持されているから、図１に示すように、回転主軸（マンドレル）５，６を高速回転すると円板ワーク１の角運動量が増加してジャイロ効果が得られることが知られている。従って、円板ワーク１の側面に対する切削負荷の増加による円板ワーク１及び回転主軸（マンドレル）５，６の傾きを抑制するには、円板ワーク１の角運動量を増加してジャイロ効果を発揮させることが必須の手段となる。尚、円板ワーク１の角運動量は、慣性モーメントＩと薄肉円板ワークの角速度ωの積であるから、円板ワーク１及び回転主軸（マンドレル）５，６の傾き変化量は、角速度ωに反比例することとなる。

続いて、上記円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００の機能・作用を説明する。図１〜図３に見るように、高速回転ジャイロ加工装置は、先ず、円板ワークの外周１Ｄを円板チャック３で把持し、円板ワーク１の中心孔１Ｃが基準内径仕上げされる。その後、図１と図２に示すように、円板ワーク１の中心孔１Ｃは、対向する円板チャック３の回転主軸（マンドレル）５の先端把持部５Ａと、これに対向する円板チャック４の回転主軸（マンドレル）６の先端の把持部６Ａで把持される。即ち、回転主軸（マンドレル）５，６の各先端部となる支持軸駆動体（マンドレル）１０の中間位置に装着される。そして、円板ワーク１の側面１Ａ，１Ｂが旋削加工部１５のバイトＢにより旋削加工される構成になっている。

上記円板ワーク１が高速回転ジャイロ効果を発揮させるべく、回転主軸（マンドレル）５，６の回転制御手段２００は、図３に示すように構成されている。即ち、上記薄肉円板ワーク１の外周・側面を加工する加工部１５と、上記加工部から薄肉円板ワーク１の側面１Ｂ方向への加工圧Ｐを検出する加圧検出部ＰＤと、上記加圧検出部からの加圧信号ｅは増幅器ＡＰ１での加工圧検出値ｅ１に増幅され、比較器ＣＰに入力される。また、円板ワーク１の歪み量−Ｐは、歪みセンサＨＳで歪み信号−ｅが検出され、増幅器Ａ２Ｐでの歪み検出値−ｅ１に増幅され、比較器ＣＰに入力される。この比較器ＣＰでのコンパレーション処理に基づき、薄肉円扱ワーク１の回転数を加工圧Ｐに均等化する復元力−Ｐとなる回転数に回転主軸（マンドレル）５，６を回転制御する駆動モータＭの回転制御部ＤＤに比較器ＣＰの出力となる回転制御信号±ｅ２を入力させ、加工圧Ｐと復元力−Ｐとを均一化すべく、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００の運転制御を司るＮＣ制御装置ＮＣを具備する。

本発明の円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００は、上記第１の実施の形態のように構成され、以下のように作用する。先ず、図１及び図４に示すように、回転主軸（マンドレル）５，６を高速回転すると、円板ワーク１の角運動量が増加する。即ち、切削負荷による円板ワーク１の傾きを抑制すべく、回転主軸（マンドレル）５，６を高速回転させて角運動量を増加させて大きなジャイロ効果が得られる。その作用は、円板ワーク１の角運動量は、慣性モーメントＩと薄肉円板ワークの角速度ωの積であるから、円板ワーク１及び回転主軸（マンドレル）５，６の傾き変化量は、角速度ωに反比例することとなる。

以下に、上記ジャイロ効果に基づいた円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法の作用を、図４と図５で説明する。先ず、図４において、薄肉円板ワークの中心孔１Ｃを回転主軸（マンドレル）５，６に固定し、上記薄肉円板ワークの外周・側面を加工部による加工時において、この加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧による側面撓み量を打ち消すべく、薄肉円板ワークの慣性モーメントＩ×薄肉円板ワークの角速度ωに基づく角運動量計算式により回転主軸（マンドレル）に回転駆動される薄肉円板ワーク１を高速回転させる。即ち、回転主軸（マンドレル）５，６には、薄肉円板ワーク１の中心孔１Ｃに挿通して固定される。図５（ａ）に示すように、上記薄肉円板ワークの側面１Ａを加工部１５，６のバイトＢにより加工すべく、回転主軸（マンドレル）５の軸心方向Ｏへ切り込み加圧力Ｐすると、薄肉円板ワークは矢印方向へ歪む。そこで、図５（ｂ）に示すように、上記加工圧Ｐに均等化する復元力−Ｐを生成して側面加工すべく、薄肉円板ワークの慣性モーメントＩ×薄肉円板ワークの角速度ωに基づく角運動量計算式により回転主軸（マンドレル）に回転駆動される薄肉円板ワーク１を高速回転させて加工が行われる。これにより、薄肉円板ワークは矢印方向へ戻される。しかして、益々肉薄軽量化している薄肉円板ワークの側面切削加工が高精度に実行できる。

次に、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００に備える回転主軸（マンドレル）５，６の回転制御手段２００の機能に基づいた高速回転ジャイロ効果を発揮させる作用について、図３と図５により説明する。先ず、回転主軸（マンドレル）５は、薄肉円板ワーク１の中心孔１Ｃに挿通して固定される。上記薄肉円板ワークの側面１Ａを加工部１５のバイトＢにより加工すべく、回転主軸（マンドレル）５，６の軸心方向Ｏへ切り込み加圧力Ｐすると、上記加工部１５から薄肉円板ワーク１の側面１Ａ方向への加工圧Ｐを加圧検出部ＰＤが検出する。上記加圧検出部ＰＤの加圧信号ｅは増幅器ＡＰ１で加工圧検出値ｅ１となる。この加工圧検出値ｅ１に増幅され、比較器ＣＰに入力される。また、円板ワーク１の歪み量−Ｐは、歪みセンサＨＳで歪み信号−ｅが検出され、増幅器Ａ２Ｐでの歪み検出値−ｅ１に増幅され、比較器ＣＰに入力される。この比較器ＣＰでのコンパレーション処理に基づき、薄肉円板ワーク１の回転数を加工圧Ｐに均等化する復元力−Ｐとなる回転数に回転主軸（マンドレル）５，６を回転制御する駆動モータＭの回転制御部ＤＤに比較器ＣＰの出力となる回転制御信号±ｅ２を入力し、加工圧Ｐと復元力−Ｐとを均一化すべく、回転制御部ＤＤの運転制御を司るＮＣ制御装置ＮＣにより復元回転数に回転主軸（マンドレル）５，６を回転制御して実行される。
しかして、円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００によると、薄肉円板ワークに発生する加工圧と復元回転数との関係が実測しながら回転主軸（マンドレル）をダイレクトに回転制御でき、非常に正確なジャイロ効果を生成させて薄肉円板ワークの側面切削加工が極めて高精度に実施させられる。

そして、上記円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００による高速回転ジャイロ加工方法は、薄肉円板ワーク１の中心孔１Ｃを回転主輔（マンドレル）５，６に固定させ、上記薄肉円板ワーク１の外周１Ｄ，側面１Ａ，１Ｂを加工部１５による加工時において、加工部から薄肉円板ワーク１の側面方向への加工圧Ｐを加圧検出部ＰＤにより検出するとともに、上記加圧検出部の加工圧検出値ｅに基づき薄肉円板ワークの回転数を回転制御部ＤＤにより回転制御して加工圧Ｐに均等化する復元力−Ｐに回転主軸（マンドレル）５，６を回転制御させるから、薄肉円板ワーク１に発生する加工圧Ｐと復元回転数との関係を実測しながら回転主軸（マンドレル）がダイレクトに回転制御され、非常に正確なジャイロ効果を生成させて薄肉円板ワーク１の側面切削加工が極めて高精度に実行できる。
更に、上記円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００と高速回転ジャイロ加工方法によると、薄肉円板ワーク１の中心孔１Ｃを回転主軸（マンドレル）５，６に固定させたものであるから、薄肉円板ワーク１の内面以外の全面がワンチャッキングで加工可能となり、高能率に切削加工できる。

尚、本発明の円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００と高速回転ジャイロ加工方法は、図６に示すように、旋盤の回転主軸のチャックに装着した円筒ワーク１´の端面１Ａ´に対して加工部１５のバイトＢにより端面切削する形態に適用される。

本発明の円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００と高速回転ジャイロ加工方法は、上記第１の実施の形態における構成に限定されず、その発明の要旨内での自由な設計変更が可能である。例えば、図７に示すように、先ず、薄肉円板ワーク１の中心孔１Ｃを回転主軸５，６の各先端部の把持部５Ａ，６Ａに固定させる。上記薄肉円板ワーク１の外周１Ｄと側面１Ａ，１Ｂを加工部１５のバイトＢによる加工時に、薄肉円板ワーク１の両側面１Ａ，１Ｂを同時に加工することで、加工時に対向して生じる加工圧Ｐを復元力−Ｐで打ち消し、薄板円板ワーク１の側面撓み量を解消させられる。これにより、高速回転ジャイロ加工方法がより一層的確に実行でき、薄肉円板ワーク１の更なる側面切削加工が極めて高精度に実行できる。

即ち、薄肉円板ワーク１の片側面交互の加工は、加工圧Ｐで逃げ方向に歪みが発生しそれをジャイロ効果だけで解消させていたが、両面同時に加工することで双方から押し合う加圧力Ｐが打ち消し合い、薄肉円板ワークの歪みの無い加工が行えるとともに、更なるジャイロ効果の付与で完璧な歪み解消作用が期待できる。

以上のように、本発明の実施の形態となる円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置１００及びこの加工方法によれば、下記の効果が奏せられる。
円板ワーク１の高速回転ジャイロ加工装置１００によると、円板ワーク１の外周１Ｄと側面１Ａ，１Ｂの切削加工できる。従って、加工装置のコンパクト化が図れて、設備機械費の低減と加工能率が飛躍的に合理的に高効率に実施できる。
上記円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置において、円板ワークの側面の切削加工を無人自動化運転のもとに実行できる効果が発揮される。
また、上記円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法は、円板ワークの側面の切削加工が無人自動化運転のもとに複合的に実施できる。

本発明は、その対象物について、ジェットエンジンを構成するタービンブレードを支持するディスク（円板ワーク）の実施例で説明したものであるが、様々な用途に使用されるディスク（円板ワーク）への適用が可能である。

１ 円板ワーク（薄肉円板ワーク）
１Ｃ 中心孔
１Ｄ 外周
１Ａ，１Ｂ 側面
２ 駆動軸
３Ａ 把持爪
３ 円板チャック
４ 円板チャック
５ 回転主軸（マンドレル）
５Ａ 先端把持部
６ 回転主軸（マンドレル）
６Ａ 把持部
６Ｂ 基部
９ 基盤
９Ａ 移動台
１０ 支持軸駆動体
１１ 支持体
１５ 旋削加工部（加工部）
ＡＰ１ 増幅器
Ａ２Ｐ 増幅器
Ｂ バイト
ＣＰ 比較器
ＤＤ 回転制御部
ｅ 加圧信号
ｅ１ 加工圧検出値
−ｅ 歪み信号
−ｅ１ 歪み検出値
±ｅ２ 回転制御信号
ＨＳ 歪みセンサ
Ｉ 慣性モーメント
ＫＵ 駆動部
ＮＣ ＮＣ 制御装置
Ｍ 駆動モータ
Ｐ 加工圧
−Ｐ 復元力，歪み量
ＰＤ 加圧検出部
ＯＵ 油圧ユニット
Ｏ 圧力油
ω 角速度
１００ 円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置

Claims (4)

1. 薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧による側面撓み量を打ち消すべく、薄肉円板ワークの慣性モーメントＩ×薄肉円板ワークの角速度ωに基づく角運動量計算式により回転主軸に回転駆動される薄肉円板ワークを高速回転させ、上記加工圧に均等化する復元力を生成して加工することを特徴とする円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法。
2. 対向した回転主軸と、上記回転主軸の各先端把持部で中心孔を固定した薄肉円板ワークと、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工する加工部と、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧を検出する加工検出部と、上記加圧検出部の加工圧検出値に基づき薄肉円板ワークの回転数を加工圧に均等化する復元回転数に回転主軸を回転制御する回転制御部、を具備したことを特徴とする円板ワークの高速回転ジャイロ加工装置。
3. 薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、上記加工部から薄肉円板ワークの側面方向への加工圧を加圧検出部により検出するとともに、上記加圧検出部の加工圧検出値に基づき薄肉円板ワークの回転数を回転制御部により回転制御して加工圧に均等化する復元力に上記回転主軸を回転制御させることを特徴とする円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法。
4. 薄肉円板ワークの中心孔を対向する回転主軸の各先端把持部に固定し、上記薄肉円板ワークの外周と側面を加工部による加工時において、薄肉円板ワークの両側面を同時に加工させ、加工時に対向して生じる加工圧を打ち消し薄肉円板ワークの側面撓み量を解消させることを特徴とする請求項１または３記載の円板ワークの高速回転ジャイロ加工方法。

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