JP5705355B1 - 壁部の加工方法および工具経路生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工精度の優れた壁部を形成できる壁部の加工方法を提供する。【解決手段】一方が固定端部２４で他方が自由端部２５の壁部２３を加工する壁部２３の加工方法であって、目標厚さよりも厚く壁部２３を加工する第１の加工工程と、目標厚さまで壁部２３を加工する第２の加工工程とを含む。第１の加工工程は、固定端部２４の厚さよりも自由端部２５の厚さが薄くなるように加工する工程を含み、第２の加工工程は、壁部２３の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部２３の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する工程を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、壁部の加工方法および工具経路生成装置に関する。

従来の技術においては、回転工具を回転させて、ワークの加工を行う工作機械が知られている。また、このような工作機械において回転工具の経路を所定の送り軸の座標等により指定し、ワークに対して回転工具を自動的に移動させながら加工を行う数値制御式の工作機械が知られている。数値制御式の工作機械では、ワークを様々な形状に加工することができる。

特開２００１−２７７０３１号公報には、インボリュート形状の中心軸の回りに工作物を回転させる工程と、インボリュート形状の基礎円の接線に沿って工作物と工具を相対移動させる工程とを同時に実行する加工方法において、インボリュート形状の外側端部の近傍のみ２度加工する加工方法が開示されている。

特許第４６１４９３５号明細書には、エンドミルを用いて、ワークの薄肉部を加工する切削加工方法が開示されている。この切削加工方法では、所望する形状に対して仕上げ代を残してワークを加工する第１工程と、ワークを所望する形状に加工する第２工程とを有し、第１工程及び第２工程を予め定められた深さごとに繰り返すことが開示されている。

特開２００１−２７７０３１号公報 特許第４６１４９３５号明細書

数値制御式の工作機械では、ワークを切削して板状の壁部を形成することができる。特に、ワークの所定の部分から立設する壁部を形成することができる。この場合には、エンドミルや軸付き砥石等の回転工具を用いて、所望の形状に沿って相対移動することにより壁部を形成することができる。

ところが、所定の部分から立設する壁部を形成する時に、壁部が薄いと壁部の端部が目標厚さよりも厚くなるという問題があった。例えば、エンドミルの側面にて一度で壁部の表面を切削すると、壁部の先端部ほど切削抵抗による弾性変形量が大きくなり、壁部の先端部を十分に切削できずに厚くなるという問題があった。

上記の特開２００１−２７７０３１号公報に開示されている方法では、同一の工具で同一の工具経路により２回の加工を行っている。すなわち、いわゆるゼロカットによる加工を行っている。しかしながら、この方法では、２回目の加工のときの切り込み量が小さ過ぎて、加工面にびびりマークと称される細かい凹凸が発生するという問題がある。また、上記の特許第４６１４９３５号明細書に開示されている方法では、加工する深さが浅くなるように加工領域を分割し、加工領域ごとに切削する方法を採用している。この加工方法では、壁部の先端部が厚くなることを抑制できるものの、分割した領域の境界に繋ぎ目や段差が生じる場合があり、改善の余地があった。

本発明は、加工精度の優れた壁部を形成できる壁部の加工方法および工具経路生成装置を提供することを目的とする。

本発明の壁部の加工方法は、基材部から立設し、一方が固定端部で他方が自由端部の壁部を切削または研削にて加工する壁部の加工方法であって、目標厚さよりも厚く壁部を加工する第１の加工工程と、目標厚さまで壁部を加工する第２の加工工程とを含む。第１の加工工程は、固定端部の厚さよりも自由端部の厚さが薄くなるように加工する工程を含み、第２の加工工程は、壁部の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する工程を含む。

上記発明においては、第１の加工工程は、壁部を高さ方向において複数の領域に分割し、分割した領域ごとに厚さが一定になるように加工し、固定端部から自由端部に向かうほど徐々に薄くなるように階段状に壁部を加工する工程を含むことができる。

上記発明においては、壁部の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで壁部を加工したときに、厚さの許容範囲を超える壁部の境界位置が予め設定されており、第１の加工工程は、境界位置において領域を分割し、境界位置で厚さを変化させる工程を含むことができる。

上記発明においては、第２の加工工程にて加工した時に加工面の品位が許容される許容厚さが予め設定されており、第１の加工工程は、自由端部の厚さが許容厚さ以上になるように加工する工程を含むことができる。

本発明の工具経路生成装置は、基材部から立設し、一方が固定端部で他方が自由端部の壁部を切削または研削にて加工する工具経路を生成する工具経路生成装置であって、ワークの形状データに基づいて工具経路を生成する経路生成部を備える。経路生成部は、目標厚さよりも厚く壁部を加工する第１の工具経路と、目標厚さまで壁部を加工する第２の工具経路とを生成する。第１の工具経路は、固定端部の厚さよりも自由端部の厚さが薄くなるように加工する経路を含む。第２の工具経路は、壁部の高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する経路を含む。

本発明によれば、加工精度の優れた壁部を形成できる壁部の加工方法および工具経路生成装置を提供することができる。

実施の形態の加工方法にて加工している時のワークおよび工具の斜視図である。 比較例の加工方法にて加工している時のワークおよび工具の正面図である。 比較例の加工方法にて加工した後のワークの正面図である。 比較例の加工方法にて加工した時の壁部の厚さのグラフである。 実施の形態における加工方法の第１の加工工程の説明図である。 実施の形態における加工方法の第１の加工工程を実施した後のワークの正面図である。 実施の形態における加工方法の第２の加工工程の説明図である。 実施の形態の加工方法にてワークを加工した時の壁部の厚さのグラフである。 実施の形態における加工システムのブロック図である。 実施の形態における他のワークの斜視図である。 実施の形態における他の第１の加工工程にて加工した後のワークの正面図である。

図１から図１１を参照して、実施の形態における壁部の加工方法および工具経路生成装置について説明する。本実施の形態の加工は、ワークの一部を削り取ることにより所望の形状に加工する切削加工である。本実施の形態の加工方法は、数値制御式の工作機械にて実施することができる。工作機械としては、壁部を形成することができる任意の工作機械を用いることができる。

図１に、本実施の形態におけるワークを加工している時のワークおよび工具の斜視図を示す。本実施の形態の加工方法では、ワーク２１に板状の壁部２３を形成する。壁部２３は、基材部２２から立設している。壁部２３は、基材部２２の側が固定端になり、基材部２２と反対側が自由端になる。図１に示す例では、一方の端部である下部が固定端部２４になり、他方の端部である上部が自由端部２５になる。

本実施の形態では、基材部２２から垂直に延びるように壁部２３が形成される。固定端部２４と自由端部２５とを有する壁部２３を工具１４の側面で加工する。本実施の形態の工具１４は、フラットエンドミルである。壁部２３を形成する場合には、工具１４の軸方向が壁部２３の目標形状の表面と平行な状態を維持する。本実施の形態では、工具１４の軸方向が壁部２３の高さ方向と平行な状態を維持する。そして、矢印９１に示すように、工具１４を壁部２３の延びる方向に沿って相対移動させる。工具１４としては、フラットエンドミルに限られず、工具の軸方向に延びる側面で加工できる任意の工具を用いることができる。

図２に、比較例の加工方法にて壁部を加工している時の正面図を示す。工具１４は、刃長が壁部２３の目標の高さよりも長いものが用いられている。すなわち、壁部２３の設計高さよりも長い有効刃長を有する工具１４が用いられている。このために、一度の相対移動で壁部２３の表面を加工することができる。壁部２３の固定端部２４の部分まで工具１４を進入させる。また、目標の厚さまで切削できる位置まで工具１４を壁部２３に切り込ませる。この状態を維持しながら、壁部２３の延びる方向に工具１４を相対的に移動させる。一度の加工で壁部２３を形成することができる。

ところが、比較例の加工方法では、矢印９２に示すように、壁部２３の自由端部２５が切削抵抗によって、外側に向かって弾性変形し、壁部２３の自由端部２５では、切削深さが所望の深さよりも浅くなる。

図３に、比較例の加工方法にて加工した後のワークの正面図を示す。壁部２３の固定端部２４の厚さｄａは、所望の厚さになるが、壁部２３の自由端部２５の厚さｄｂは、所望の厚さよりも厚くなってしまう。このように、自由端部２５では、壁部２３が厚くなる。

図４に、比較例の加工方法にて加工をした後の壁部の厚さのグラフを示す。横軸は、壁部の高さ方向の位置であり、縦軸は壁部の厚さである。工作機械にて加工を行うときには、設計値に対して許容範囲が予め定められる。固定端部では、壁部の厚さが許容範囲内であるが、自由端部に向かうにつれて除々に厚くなっている。そして、境界位置Ｈｘよりも自由端部の側になると、壁部の厚さが許容範囲から逸脱している。このように、比較例の加工方法では、自由端部の近傍にて壁部が許容範囲よりも厚くなってしまう。

本実施の形態の壁部の加工方法では、目標厚さよりも厚く壁部２３を加工する第１の加工工程と、目標厚さまで壁部２３を加工する第２の加工工程とを含む。そして、第１の加工工程では、固定端部２４の厚さよりも自由端部２５の厚さが薄くなるように加工する。第２の加工工程では、壁部２３の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する。

図５に、本実施の形態の第１の加工工程を行っている時のワークおよび工具の正面図を示す。一点鎖線は、目標形状を示している。最終的には、この目標形状まで切削加工を行う。本実施の形態の壁部２３の加工方法では、壁部２３の高さ方向において複数の領域に分割する。図５に示す例では、固定端部２４を含む領域Ｒ１と自由端部２５を含む領域Ｒ２とに分割する。そして、それぞれの領域Ｒ１，Ｒ２について、切り込み量を変更する。

第１の加工工程では、第２の加工工程にて切削するための仕上げ代を残すように加工する。全ての領域Ｒ１，Ｒ２において仕上げ代を残す。ここで、領域Ｒ２における仕上げ代ｍｂは、領域Ｒ１における仕上げ代ｍａよりも薄くなっている。

また、本実施の形態では、分割した領域ごとに厚さが一定になるように加工する。領域Ｒ１，Ｒ２の各範囲内では、壁部２３の厚さが一定になるように加工している。すなわち、第１の加工工程を実施すると、壁部２３の加工面は階段状になる。本実施の形態の第１の加工工程では、領域Ｒ１において、仕上げ代ｍａが壁部２３の延びる方向の全体に形成されるように、壁部２３に対して工具１４を相対移動させる。また、領域Ｒ２において、仕上げ代ｍｂが壁部２３の延びる方向の全体に形成されるように、壁部２３に対して工具１４を相対移動させる。なお、第１の加工工程では、領域Ｒ１または領域Ｒ２の加工を個別に行うことができる工具を用いることができる。したがって、工具１４としては、壁部２３の高さよりも短い刃長のものを用いても構わない。

図４を参照して、領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界の位置は、工具１４にて壁部２３の高さ方向の全体にわたって１回の加工により目標厚さまで壁部２３を加工した時に、壁部２３の厚さの許容範囲を超える境界位置Ｈｘに設定している。境界位置Ｈｘよりも固定端部２４の側では、壁部２３の厚さが許容範囲内であるが、境界位置Ｈｘよりも自由端部の側では壁部２３の厚さが許容範囲から逸脱している。このように、領域を分割する境界位置は、比較例の方法にて加工すると許容範囲を逸脱する位置に設定することができる。

なお、複数の領域に分割する境界位置は、任意に設定することができるが、少なくとも図４に示す境界位置Ｈｘよりも固定端部の側に設定することが好ましい。すなわち、比較例の加工方法にて加工しても壁部２３の厚さが許容範囲内になる位置に設定することが好ましい。この方法により、より確実に壁部２３の全体を目標厚さに近づけることができる。

図６に、第１の加工工程を実施した後のワークの正面図を示す。厚さｄｔは目標厚さである。すなわち、設計では壁部２３の厚さは目標厚さｄｔである。領域Ｒ２の厚さｄｂは、領域Ｒ１の厚さｄａよりも薄く形成されている。または、領域Ｒ２の仕上げ代ｍｂは、領域Ｒ１の仕上げ代ｍａよりも薄く形成されている。このように、第１の加工工程では、固定端部２４から自由端部２５に向かって、仕上げ代が徐々に小さくなるように階段状に加工する。

次に、第２の加工工程では、壁部の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて目標厚さｄｔまで加工する。領域Ｒ２では仕上げ代ｍｂの部分を切削し、領域Ｒ１では、仕上げ代ｍａの部分を切削する。

図７に、本実施の形態の第２の加工工程を実施している時のワークおよび工具の正面図を示す。第２の加工工程では、壁部２３の高さ方向の全体を加工する。また、一回の加工により目標厚さｄｔまで切り込んで加工する。このときに、領域Ｒ１は、固定端部２４を含む領域であるために壁部２３の弾性変形は抑制される。領域Ｒ２は、自由端部２５を含む領域であるが、切削する厚さが小さいために外側への弾性変形が抑制される、この結果、壁部２３の高さ方向の全体にわたって優れた加工精度で壁部２３を形成することができる。

図８に、本実施の形態の加工方法にてワークを加工した時の壁部の厚さのグラフを示す。図８のグラフには、実施例１および実施例２が示されている。実施例１および実施例２では、壁部２３の高さ方向の境界位置Ｈｘ（図４参照）において領域を分割している。実施例１と実施例２とでは、領域Ｒ１，Ｒ２の仕上げ代の厚さを変更している。実施例１の仕上げ代は、実施例２の仕上げ代よりも薄くしている。

図４および図８を参照して、実施例１および実施例２の両方ともに、比較例の加工方法よりも、自由端部における厚さが設計値に近づいていることが分かる。そして、実施例１では、固定端部から自由端部までの高さ方向の全体にわたって、壁部の厚さが許容範囲内になっている。このように、本実施の形態における加工方法では、寸法精度の優れた壁部を形成することができる。また、第２の加工工程では、高さ方向の全体にわたって一度で壁部を加工するために、加工面に繋ぎ目や段差が生じることがなく、高品位の加工面を得ることができる。

ところで、図６を参照して、自由端部２５を含む領域Ｒ２では仕上げ代ｍｂが小さいほど、第２の加工工程において外側への弾性変形を抑制することができる。たとえば、図８に示す実施例２より実施例１の方が厚さの誤差を小さくすることができる。しかしながら、仕上げ代ｍｂが小さすぎると、第２の加工工程において、びびり振動により所謂びびりマークが加工面に生じて、加工面の品位が悪化する場合がある。このために、仕上げ代ｍｂは、加工中にびびり振動が生じないようにある程度厚くすることが好ましい。本実施の形態では、第２の加工工程にて加工しても加工面の品位が許容される許容厚さが予め設定されている。または、仕上げ代ｍｂが予め設定されていても構わない。そして、第１の加工工程では、領域Ｒ２の厚さ（ｄｔ＋ｍｂ）が許容厚さ以上になるように加工している。特に、自由端部２５の厚さが許容厚さ以上になるように加工している。この方法を採用することにより、第２の加工工程において、びびり振動が生じることを抑制し、高品位の加工面を得ることができる。

ここで、仕上げ代の厚さを変更するための領域を分割する最適な境界位置は、ワークの材質、壁部の厚さおよび高さ、工具の材質や形状、および工具の回転速度や送り速度等の加工条件等に依存する。このため、本実施の形態の加工方法を実施する場合には、予め実験により複数の領域に分割する境界位置を定めておくことが好ましい。また、仕上げ代の厚さについても同様に、予め実験により最適な仕上げ代の厚さを定めておくことが好ましい。たとえば、びびり振動が生じない仕上げ代を予め実験にて確認しておくことが好ましい。

本実施の形態の壁部の加工方法は、薄壁部を形成する加工に好適である。または、高さの高い壁部を形成する加工に好適である。例えば、高さと厚さとの比（アスペクト比）が１０以上の薄壁部に好適である。また、壁部の剛性が小さくなり、比較例の加工方法にて加工すると、壁部の先端部が厚くなる加工に好適である。たとえば、ヒートシンク等に形成される冷却フィン、直方体状のリブケース、スクロールコンプレッサの部品、または航空機用フレームコンポネントなどの薄い壁部を有する部材の製造に好適である。

本実施の形態においては、壁部の高さ方向において領域を２つに分割しているが、この形態に限られず、領域を３つ以上に分割しても構わない。３つ以上の領域に分割した場合には、第１の加工工程にて、それぞれの領域に対して壁部を切削する工程を実施する。このときに、固定端部から自由端部に向かって徐々に壁部が薄くなるように階段状に壁部を形成することができる。

次に、本実施の形態における工具経路生成装置について説明する。本実施の形態の工具経路生成装置は、前述の第１の加工工程および第２の加工工程を実施する工具経路を生成する。

図９に、本実施の形態における工具経路生成装置を備える加工システムのブロック図を示す。本実施の形態においては、ＣＡＤ（computer aided design）装置５１にてワーク２１の形状を設計する。ＣＡＤ装置５１は、ワーク２１の形状データ５２を工具経路生成装置７５に供給する。形状データ５２にはワーク２１の目標形状のデータが含まれている。

工具経路生成装置７５は、ＣＡＭ（computer aided manufacturing）装置の機能を有する。工具経路生成装置７５は、形状データ５２に基づいて、工作機械１１の制御装置１２に入力するための加工プログラム５３を生成する。工具経路生成装置７５は、形状データ読取部７６と、経路生成部７７とを備える。形状データ読取部７６は、ワーク２１を加工した後の目標形状を含む形状データ５２を読み取る。形状データ５２は、経路生成部７７に送出される。

工具経路生成装置７５には、入力データ７４が入力される。入力データ７４には、例えば使用する工具の種類や工作機械の種類等の情報が含まれる。また、入力データ７４には、ワークの材質、壁部の高さ方向の領域の分割方法、仕上げ代の寸法、または工具を駆動する時の加工条件などが含まれる。工具経路生成装置７５は、記憶部７９を備える。入力データ７４は、記憶部７９にて記憶される。経路生成部７７は、ワークの形状データ５２および入力データ７４を読み込んで工具経路を生成する。経路生成部７７は、作成した工具経路に基づいて加工プログラム５３を生成する。

工作機械１１の制御装置１２は、加工プログラム５３に基づいて各送り軸サーボモータ１３を駆動する。各送り軸サーボモータ１３には、Ｘ軸サーボモータおよびＹ軸サーボモータ等の各送り軸のサーボモータが含まれる。各送り軸サーボモータ１３が駆動されることにより、ワーク２１に対して工具１４を相対的に移動させることができる。

本実施の形態の経路生成部７７は、第１の工具経路および第２の工具経路を生成する。経路生成部７７は、目標厚さよりも厚く壁部を加工する第１の工具経路と、目標厚さまで壁部を加工する第２の工具経路とを生成する。上記の第１の加工工程における工具経路が第１の工具経路に相当する。また、上記の第２の加工工程における工具経路が第２の工具経路に相当する。

そして、第１の工具経路としては、固定端部の厚さよりも自由端部の厚さが薄くなるように加工する経路を生成する。また、第２の工具経路としては、壁部の高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する経路を生成する。

次に、経路生成部７７は、表示部７８に第１の工具経路の情報および第２の工具経路の情報を送出する。表示部７８は、生成された工具経路の情報を表示する。また、本実施の形態の表示部７８は、作業者が入力データや生成された工具経路を修正できるように形成されている。作業者が入力データや工具経路を修正した場合には、入力データや工具経路が、再び経路生成部７７に送出される。経路生成部７７は、必要に応じて再び第１の工具経路および第２の工具経路を生成して、生成した工具経路を表示部７８に送出する。このように、本実施の形態の工具経路生成装置７５は、作業者により生成された工具経路の修正を行うことができる。

本実施の形態の工具経路生成装置は、加工精度の優れた壁部を生成するための工具経路を生成することができる。

図１０に、本実施の形態における他のワークの斜視図を示す。他のワーク２６においては、矢印９３に示す壁部２３の延びる方向に沿って壁部２３の高さが変化している。このようなワーク２６であっても、予め、第１の加工工程における仕上げ代を変更するための複数の領域を設定することができる。ここでは、領域Ｒ１および領域Ｒ２を定めている。この場合に、複数の領域に分割される境界位置は、壁部２３の高さが変化しても基材部２２からの壁部２３の高さ方向の距離によって設定することができる。その他に、境界位置は、壁部２３の高さに対する割合で設定することもできるし、コーナ部のように壁部２３の剛性が高い部位では領域Ｒ１を長く設定することもできる。

図１１に、第１の加工工程にて加工した他のワークの正面図を示す。前述の第１の加工工程では、壁部の断面形状が階段状になるように加工しているが、この例では、第１の加工工程において、壁部２３の断面形状が固定端部２４から自由端部２５に向かって、連続的に徐々に薄くなるように加工している。この加工は、例えば、工具としてテーパーエンドミルを用いることにより、またはＡ軸やＢ軸のような回転送り軸を有した工作機械を用いることにより実施できる。このように、第１の加工工程においては、自由端部２５の厚さｄｂが固定端部２４の厚さｄａよりも薄くなるような任意の加工を実施することができる。なお、第二の加工工程については、前述と同様の方法にて加工することができる。

本実施の形態においては、ワークを切削する切削加工を例示して説明したが、この形態に限られず、ワークを砥石で研削する研削加工にも本発明を適用することができる。たとえば、エンドミル等の工具の代わりに軸付き砥石を工作機械の主軸に取り付けて、本実施の形態と同様に薄壁を形成することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１４ 工具
２１，２６ ワーク
２２ 基材部
２３ 壁部
２４ 固定端部
２５ 自由端部
７４ 入力データ
７５ 工具経路生成装置
７６ 形状データ読取部
７７ 経路生成部

Claims (5)

1. 基材部から立設し、一方が固定端部で他方が自由端部の壁部を切削または研削にて加工する壁部の加工方法であって、
   目標厚さよりも厚く壁部を加工する第１の加工工程と、
   目標厚さまで壁部を加工する第２の加工工程とを含み、
   第１の加工工程は、固定端部の厚さよりも自由端部の厚さが薄くなるように加工する工程を含み、
   第２の加工工程は、壁部の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する工程を含む、壁部の加工方法。
2. 第１の加工工程は、壁部を高さ方向において複数の領域に分割し、分割した領域ごとに厚さが一定になるように加工し、固定端部から自由端部に向かうほど徐々に薄くなるように階段状に壁部を加工する工程を含む、請求項１に記載の壁部の加工方法。
3. 壁部の目標高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで壁部を加工したときに、厚さの許容範囲を超える壁部の境界位置が予め設定されており、
   第１の加工工程は、境界位置において領域を分割し、境界位置で厚さを変化させる工程を含む、請求項２に記載の壁部の加工方法。
4. 第２の加工工程にて加工した時に加工面の品位が許容される許容厚さが予め設定されており、
   第１の加工工程は、自由端部の厚さが許容厚さ以上になるように加工する工程を含む、請求項１に記載の壁部の加工方法。
5. 基材部から立設し、一方が固定端部で他方が自由端部の壁部を切削または研削にて加工する工具経路を生成する工具経路生成装置であって、
   ワークの形状データに基づいて工具経路を生成する経路生成部を備え、
   経路生成部は、目標厚さよりも厚く壁部を加工する第１の工具経路と、目標厚さまで壁部を加工する第２の工具経路とを生成し、
   第１の工具経路は、固定端部の厚さよりも自由端部の厚さが薄くなるように加工する経路を含み、
   第２の工具経路は、壁部の高さよりも長い刃長を有する工具を用いて、壁部の高さ方向の全体を１回の加工により目標厚さまで加工する経路を含む、工具経路生成装置。

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