JP6175891B2 - Vibration cutting apparatus and vibration cutting method - Google Patents
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本発明は、切削工具と被切削物とを相対振動させて切削工具で被切削物を切削する振動切削装置および振動切削方法に関する。 The present invention relates to a vibration cutting apparatus and a vibration cutting method for cutting a workpiece with a cutting tool by causing relative vibration between the cutting tool and the workpiece.
例えば、特許文献1には、振動切削に伴う加工液の飛散を防止するため、被切削物を加工液が収容された容器内に配置し、被切削物の振動切削点が加工液中に位置する状態で切削する振動切削装置が記載されている。また、特許文献2には、振動切削に伴う発熱を冷却するため、切削工具にミスト状の加工液を吹き付けて冷却する振動切削装置が記載されている。
For example, in
上述の特許文献1に記載の振動切削装置では、容器内に水溶性の加工液又は油性の加工液を収容して切削するため、振動切削点において冷却効果又は潤滑効果の何れか一方のみしか得ることができない。また、特許文献2に記載の振動切削装置では、使用される冷却効果のある加工液は水溶性の研削液であるため、振動切削点において潤滑効果を得ることができない。
In the vibration cutting apparatus described in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動切削点において冷却効果および潤滑効果を得ることができる振動切削装置および振動切削方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the vibration cutting apparatus and vibration cutting method which can acquire the cooling effect and the lubrication effect in a vibration cutting point.
(請求項1)本発明の振動切削装置は、切削工具と被切削物とを相対振動させる振動手段と、前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動手段と、少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給手段と、を備え、前記振動手段は、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする。 (Claim 1) The vibration cutting apparatus of the present invention is a vibration means for relatively vibrating a cutting tool and a workpiece, and the cutting tool and the workpiece are moved relative to each other by the relative movement of the cutting tool and the workpiece. Moving means for vibration cutting, and supply means for supplying water-soluble machining fluid and oil-based machining fluid to at least the vibration cutting point, the vibration means on the surface of the cutting edge of the cutting tool. The oily processing liquid and the oily processing liquid are convected by vibration and emulsified to form an emulsion.
本発明によると、水溶性の加工液および油性の加工液は、切削工具の刃先において振動により対流(キャビテーションが発生)し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点に到達する。これにより、振動切削点においてエマルジョンが水溶性の加工液および油性の加工液に分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。 According to the present invention, the water-soluble processing fluid and the oil-based processing fluid are convected (cavitated by cavitation) by the vibration at the cutting edge of the cutting tool, emulsified to become an emulsion, and aggregate to reach the vibration cutting point. Thereby, the emulsion is not separated into the water-soluble processing fluid and the oil-based processing fluid at the vibration cutting point, so that the cooling effect and the lubricating effect can be enhanced.
(請求項2)また、前記供給手段は、前記油性の加工液の単位時間当たりの供給量よりも前記水溶性の加工液の単位時間当たりの供給量を多くするとよい。これにより、振動切削中に切削工具および被切削物には水溶性の加工液がより多く供給されるので、特に振動切削点における発熱量を低減することができ、切削工具の寿命を向上させることができる。 (Claim 2) Further, the supply means may increase the supply amount of the water-soluble processing liquid per unit time than the supply amount of the oil-based processing liquid per unit time. As a result, more water-soluble machining fluid is supplied to the cutting tool and workpiece during vibration cutting, so the amount of heat generated at the vibration cutting point can be reduced and the life of the cutting tool can be improved. Can do.
(請求項3)また、前記供給手段は、前記水溶性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離よりも、前記油性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離が短いとよい。これにより、振動切削点に集中して油性の加工液を供給することができるので、切削工具の刃先の潤滑性を高めることができ、高速切削等の加工条件の向上等を図ることができる。
(請求項4)また、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液は、乳化剤を含まなくてよい。これにより、乳化剤分のコスト低減を図ることができる。
(Claim 3) Further, the supply means has a shorter distance from the supply port of the oil-based machining fluid to the vibration cutting point than a distance from the supply port of the water-soluble machining fluid to the vibration cutting point. Good. Thereby, since the oil-based machining fluid can be supplied concentrated on the vibration cutting point, the lubricity of the cutting edge of the cutting tool can be improved, and the machining conditions such as high-speed cutting can be improved.
(Claim 4) The water-soluble processing fluid and the oil-based processing fluid may not contain an emulsifier. Thereby, the cost reduction for an emulsifier can be aimed at.
(請求項5)本発明の振動切削方法は、切削工具と被切削物とを相対振動させる振動工程と、前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動工程と、少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給工程と、を備え、前記振動工程では、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする。 (Claim 5) The vibration cutting method of the present invention includes a vibration step of relatively vibrating a cutting tool and a workpiece, and relatively moving the cutting tool and the workpiece to move the workpiece with the cutting tool. And a supply step of supplying a water-soluble machining fluid and an oil-based machining fluid to at least the vibration cutting point. In the vibration step, the water-soluble process is performed on the surface of the cutting edge of the cutting tool. The oily processing liquid and the oily processing liquid are convected by vibration and emulsified to form an emulsion .
(1.振動切削装置の機械構成)
図1に示すように、振動切削装置1は、主軸台10と、ベッド20と、心押し台30と、往復台40と、送り台50と、回転台60と、刃物台70と、加振装置80と、クーラント(加工液)供給装置90と、制御装置100等とから構成される。なお、以下の説明では、主軸台10に設けられている回転主軸11の軸線方向をZ軸方向、回転主軸11の軸線方向と水平面内で直交する方向をX軸方向、Z軸方向とX軸方向とに直交する方向をY軸方向と称する。
(1. Mechanical configuration of vibration cutting equipment)
As shown in FIG. 1, the
主軸台10は、直方体状に形成され、床上に設置される。主軸台10には、回転主軸11が回転可能に設けられている。回転主軸11には、一端側に被切削物Wの一端側の外周面Waを把持可能な爪12aを備えたチャック12が取り付けられている。回転主軸11は、主軸台10内に収容された主軸モータ13によりZ軸線回りに回転駆動される。回転主軸11の回転方向が切削方向である。
The
ベッド20は、直方体状に形成され、回転主軸11の下方において主軸台10からZ軸方向に延びるように床上に設置される。ベッド20の上面には、心押し台30および往復台40が摺動可能な一対のZ軸ガイドレール21a,21bが、Z軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に設けられている。さらに、ベッド20には、一対のZ軸ガイドレール21a,21bの間に、往復台40をZ軸方向に駆動するための、図略のZ軸ボールねじが配置され、このZ軸ボールねじを回転駆動するZ軸モータ22が配置されている。
The
心押し台30は、ベッド20に対してZ軸方向に移動可能なように、一対のZ軸ガイドレール21a,21b上に設けられている。心押し台30には、チャック12に把持された被切削物Wの自由端面を支持可能なセンタ31が設けられている。すなわち、センタ31は、センタ31の軸線が回転主軸11の軸線と一致するように心押し台30に設けられている。
The
往復台40は、矩形板状に形成され、ベッド20に対してZ軸方向に移動可能なように、一対のZ軸ガイドレール21a,21b上の主軸台10と心押し台30との間に設けられている。往復台40の上面には、送り台50が摺動可能な一対のX軸ガイドレール41a,41bが、X軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に設けられている。さらに、往復台40には、一対のX軸ガイドレール41a,41bの間に、送り台50をX軸方向に駆動するための、図略のX軸ボールねじが配置され、このX軸ボールねじを回転駆動するX軸モータ42が配置されている。
The
送り台50は、矩形板状に形成され、往復台40に対してX軸方向に移動可能なように、一対のX軸ガイドレール41a,41b上に設けられている。送り台50の上面には、回転台60が配置されている。
回転台60は、円板状に形成され、送り台50に対してY軸線回りに回転可能なように設けられている。回転台60の上面には、刃物台70が配置されている。送り台50には、回転台60をY軸線回りに回転駆動するY軸モータ61が配置されている。
The
The
刃物台70には、切削工具Tがチャッキングされている。切削工具Tとしては、バイトが用いられる。切削工具Tは、回転台60を刃物台70とともにY軸線回りに回転させることにより、任意の角度に傾斜させることができるようになっている。
加振装置80は、例えば圧電素子等の振動素子を備え、刃物台70に設けられ、切削工具TをY軸に直角な軸線回りにねじり振動可能に構成されている。ねじり振動の周波数としては、数十kHzから数百kHzの超音波が使用される。また、振幅は、数μmから数十μmとされる。加振装置80は、振動切削における切削工具Tの刃先Taと被切削物Wの外周面Waとの周期的な微小時間の離脱、並びに後述するクーラント供給における水溶性の加工液と油性の加工液との乳化に利用される。
A cutting tool T is chucked on the
The
図1および図2に示すように、クーラント供給装置90は、第一、第二クーラント貯留槽91、92、第一、第二ポンプ93、94および第一、第二供給ノズル95、96等を備えている。
第一クーラント貯留槽91には、水溶性の加工液Caが貯留されている。第一ポンプ93は、第一クーラント貯留槽91内の水溶性の加工液Caを第一供給ノズル95に送液可能なように、第一クーラント貯留槽91に設けられている。第一クーラント貯留槽91および第一ポンプ93は、ベッド10の脇に設置されている。第一供給ノズル95は、供給口95aから切削工具Tおよび被切削物W、特に切削工具Tの刃先Taと被切削物Wの外周面Waとの振動切削点Pに水溶性の加工液Caを供給可能なように刃物台70に取付けられ、第一ポンプ93と配管接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The first
第二クーラント貯留槽92には、油性の加工液Coが貯留されている。第二ポンプ94は、第二クーラント貯留槽92内の油性の加工液Coを第二供給ノズル96に送液可能なように、第二クーラント貯留槽92に設けられている。第二クーラント貯留槽92および第二ポンプ94は、ベッド10の脇に設置されている。第二供給ノズル96は、供給口96aから切削工具Tおよび被切削物W、特に振動切削点Pに油性の加工液Coを供給可能なように刃物台70に取付けられ、第二ポンプ94と配管接続されている。
In the second
図2に示すように、第二供給ノズル96の供給口96aから振動切削点Pまでの距離d2は、第一供給ノズル95の供給口95aから振動切削点Pまでの距離d1よりも短くなるように配置されている。これにより、振動切削点P、すなわち切削工具Tの刃先Taと被切削物Wとの接触点Pに集中して油性の加工液Coを供給することができるので、切削工具Tの刃先Taの潤滑性を高めることができ、高速切削等の加工条件の向上等を図ることができる。また、水溶性の加工液Caおよび油性Coの加工液を別々に供給しているので、加工状況に応じた濃度管理が可能となる。例えば、被切削物Wが難切削材料の場合、水溶性の加工液Caの濃度を高めることにより、切削工具Tの刃先Taの冷却効率を向上させることができる。
As shown in FIG. 2, the distance d2 from the
水溶性の加工液Caとしては、一般的な水溶性の加工液の他、水単体も使用可能である。また、錆止め剤等が含まれる場合もある。油性の加工液Coとしては、一般的な油性の加工液が使用可能である。また、高温時に切削工具Tの刃先Taの潤滑を得るための添加剤が含まれる場合もある。ただし、水溶性の加工液Caには、水溶性の加工液Caと油性の加工液Coとを乳化させる乳化剤を含ませる必要はない。水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coは、振動切削点Pに供給され振動により対流(キャビテーションが発生)して乳化されるからである。これにより、乳化剤分のコスト低減を図ることができる。 As the water-soluble machining liquid Ca, water alone can be used in addition to a general water-soluble machining liquid. Moreover, a rust inhibitor etc. may be contained. As the oily working fluid Co, a general oily working fluid can be used. In addition, an additive for obtaining lubrication of the cutting edge Ta of the cutting tool T at high temperatures may be included. However, the water-soluble processing liquid Ca does not need to contain an emulsifier that emulsifies the water-soluble processing liquid Ca and the oil-based processing liquid Co. This is because the water-soluble processing liquid Ca and the oil-based processing liquid Co are supplied to the vibration cutting point P, and convection (cavitating cavitation occurs) due to vibration, which is emulsified. Thereby, the cost reduction for an emulsifier can be aimed at.
(2.制御装置の構成)
制御装置100は、主軸回転制御部101と、往復台移動制御部102と、送り台移動制御部103と、工具回転制御部104と、工具振動制御部105と、クーラント供給制御部106等とを備えて構成される。ここで、各部101〜106は、それぞれ個別のハードウエアによる構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。
(2. Configuration of control device)
The
主軸回転制御部101は、主軸モータ13を制御して回転主軸11を所定の回転数で回転駆動させる。
往復台移動制御部102は、Z軸モータ22を制御して往復台40を一対のZ軸ガイドレール21a,21bに沿って往復移動させる。
The spindle
The carriage
送り台移動制御103は、X軸モータ42を制御して送り台50を一対のX軸ガイドレール41a,41bに沿って往復移動させる。
工具回転制御部104は、Y軸モータ61を制御して切削工具Tの切削角度を所定の角度とすべく回転台60を回転駆動させる。
工具振動制御部105は、加振装置80を制御して切削工具Tを所定の周波数でねじり振動させる。
The feed
The tool
The tool
クーラント供給制御部106は、第一、第二ポンプ93、94をそれぞれ駆動し、第一、第二クーラント貯留槽91、92から第一、第二供給ノズル95、96に水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coをそれぞれ送液する。そして、第一供給ノズル95の供給口95aおよび第二供給ノズル96の供給口96aから切削工具Tおよび被切削物Wに水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coをそれぞれ供給する。
The coolant
このような構成の制御装置100は、Y軸モータ61を制御して所定の切削角度となるように回転台60を回転駆動させ、加振装置80を制御して切削工具Tをねじり振動させる。そして、Z軸モータ22を制御して往復台40をZ軸方向に移動させて所定位置に位置決めし、X軸モータ42を制御して送り台50をX軸方向に移動させ、切削工具Tを被切削物Wに切り込ませて被切削物Wの振動切削加工を行う。
The
なお、加振装置80および工具振動制御部105等が、本発明の「振動手段」に相当し、往復台40、Z軸ガイドレール21a,21b、Z軸モータ22、送り台50、X軸ガイドレール41a,41b、X軸モータ42、往復台移動制御部102および送り台移動制御103等が、本発明の「移動手段」に相当し、クーラント供給装置90の第一、第二クーラント貯留槽91、92、第一、第二ポンプ93、94、第一、第二供給ノズル95、96およびクーラント供給制御部106が、本発明の「供給手段」に相当する。
The
(3.振動切削の動作)
次に、制御装置100による振動切削の動作を説明する。先ず、図3に示すように、加工開始準備を行う(ステップS1)。すなわち、往復台移動制御部102、送り台移動制御部103および工具回転制御部104は、Z軸モータ22、X軸モータ42およびY軸モータ61の回転駆動を制御して、往復台40および送り台50を移動させるとともに回転台60を回転させ、切削工具74を被切削物Wの外周面の加工開始点に位置決めする。
(3. Vibration cutting operation)
Next, the vibration cutting operation by the
次に、被切削物Wを回転させ、切削工具74をねじり振動させ、加工液を供給する(ステップS2)。すなわち、主軸回転制御部101は、主軸モータ13の回転駆動を制御して、回転主軸11を所定の回転数で回転させる。工具振動制御部105は、加振装置80を制御して切削工具Tを例えば30kHzの周波数でねじり振動させる。クーラント供給制御部106は、第一、第二ポンプ53、54をそれぞれ駆動し、第一、第二クーラント貯留槽51、52から第一、第二供給ノズル55、56に水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coをそれぞれ送液し、第一供給ノズル55の供給口55aおよび第二供給ノズル56の供給口56aから切削工具Tおよび被切削物Wに水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coをそれぞれ供給する。
Next, the workpiece W is rotated, the cutting tool 74 is torsionally vibrated, and the machining fluid is supplied (step S2). That is, the spindle
このとき、第一供給ノズル55の供給口55aから供給される水溶性の加工液Caの単位時間当たりの供給量は、第二供給ノズル56の供給口56aから供給される油性の加工液Coの単位時間当たりの供給量よりも多くなるように制御される。これにより、振動切削中に切削工具Tおよび被切削物Wには水溶性の加工液Caがより多く供給されるので、特に振動切削点Pにおける発熱量を低減することができ、切削工具Tの寿命を向上させることができる。 At this time, the supply amount per unit time of the water-soluble machining liquid Ca supplied from the supply port 55a of the first supply nozzle 55 is the oil-based machining liquid Co supplied from the supply port 56a of the second supply nozzle 56. It is controlled so as to be larger than the supply amount per unit time. Thereby, since more water-soluble machining fluid Ca is supplied to the cutting tool T and the workpiece W during vibration cutting, the amount of heat generated at the vibration cutting point P can be reduced. Lifespan can be improved.
第一供給ノズル55の供給口55aから供給される水溶性の加工液Ca、および第二供給ノズル56の供給口56aから供給される油性の加工液Coは、切削工具Tの刃先Taにおいて振動により対流(キャビテーションが発生)し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点Pに到達する。これにより、振動切削点Pにおいてエマルジョンが水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coに分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。
そして、図3に示すように、切削加工を開始し(ステップS5)、切削加工が完了したか否かを判断し(ステップS6)、切削加工が完了していない場合は切削加工を継続し(ステップS7)、切削加工が完了した場合は処理を終了する。
The water-soluble machining fluid Ca supplied from the supply port 55a of the first supply nozzle 55 and the oily machining fluid Co supplied from the supply port 56a of the second supply nozzle 56 are caused by vibration at the cutting edge Ta of the cutting tool T. Convection (cavitating cavitation) occurs, emulsifies to form an emulsion, and aggregates to reach the vibration cutting point P. As a result, the emulsion is not separated into the water-soluble processing liquid Ca and the oil-based processing liquid Co at the vibration cutting point P, so that the cooling effect and the lubricating effect can be enhanced.
Then, as shown in FIG. 3, the cutting process is started (step S5), it is determined whether or not the cutting process is completed (step S6). If the cutting process is not completed, the cutting process is continued ( Step S7) When the cutting process is completed, the process is terminated.
本実施形態によれば、振動により切削工具Tの刃先Taにおいて水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coが対流(キャビテーションが発生)し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点Pに到達する。そして、振動により切削工具Tの刃先Taと被切削物Wの外周面Waとが周期的に微小時間離脱するので、切削工具Tの刃先Taと被切削物Wの外周面Waとの隙間に上記エマルジョンが十分に供給される。よって、振動切削点Pにおいてエマルジョンが水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coに分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。 According to the present embodiment, the water-soluble machining fluid Ca and the oil-based machining fluid Co are convected (cavitating cavitation) and emulsified into an emulsion at the cutting edge Ta of the cutting tool T due to vibration, and are aggregated to a vibration cutting point P. To reach. Since the cutting edge T of the cutting tool T and the outer peripheral surface Wa of the workpiece W are periodically separated for a minute time due to vibration, the gap between the cutting edge Ta of the cutting tool T and the outer peripheral surface Wa of the workpiece W is described above. Sufficient emulsion is supplied. Therefore, since the emulsion is not separated into the water-soluble machining liquid Ca and the oil-based machining liquid Co at the vibration cutting point P, the cooling effect and the lubrication effect can be enhanced.
なお、上述の実施形態では、切削工具Tの刃先Taに水溶性の加工液Caと油性の加工液Coとを供給し、振動により水溶性の加工液Caと油性の加工液Coとを乳化させる構成としたが、さらに切削工具Tの刃先Taに添加剤を供給し、振動により油性の加工液Coと添加剤とを混合させる構成としてもよい。
また、クーラント供給装置90は、第一、第二供給ノズル95、96から水溶性の加工液Caおよび油性の加工液Coをそれぞれ供給する構成としたが、水溶性の加工液Caは上記第一供給ノズル95から供給し、油性の加工液Coは刃物台70に新たに設けた管路を通して供給する構成としてもよい。
In the above-described embodiment, the water-soluble machining liquid Ca and the oil-based machining liquid Co are supplied to the cutting edge Ta of the cutting tool T, and the water-soluble machining liquid Ca and the oil-based machining liquid Co are emulsified by vibration. The configuration may be such that an additive is further supplied to the cutting edge Ta of the cutting tool T, and the oily machining fluid Co and the additive are mixed by vibration.
Further, the
1:振動切削装置、 21a,21b:Z軸ガイドレール、 22:Z軸モータ、 40:往復台、 41a,41b:X軸ガイドレール、 42:X軸モータ、 50:送り台、 80:加振装置、 90:クーラント供給装置、 91:第一クーラント貯留槽、 92:第二クーラント貯留槽、 93:第一ポンプ、 94:第二ポンプ、 95:第一供給ノズル、 96:第二供給ノズル、 100:制御装置、 102:往復台移動制御部、 103:送り台移動制御記憶部、 105:工具振動制御部、106:クーラント供給制御部、 T:切削工具、 W:被切削物
1: vibration cutting device, 21a, 21b: Z-axis guide rail, 22: Z-axis motor, 40: carriage, 41a, 41b: X-axis guide rail, 42: X-axis motor, 50: feed base, 80:
Claims (5)
前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動手段と、
少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給手段と、を備え、
前記振動手段は、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする、振動切削装置。 Vibration means for relatively vibrating the cutting tool and the workpiece;
A moving means for oscillating and cutting the workpiece with the cutting tool by relatively moving the cutting tool and the workpiece;
A supply means for supplying water-soluble machining fluid and oil-based machining fluid to at least the vibration cutting point ,
The vibration cutting device is a vibration cutting device in which the water-soluble machining fluid and the oily machining fluid are convected and emulsified by vibration on the surface of the cutting edge of the cutting tool to form an emulsion .
前記油性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離が短い、請求項1又は2の振動切削装置。 The supply means is more than a distance from the supply port of the water-soluble machining fluid to the vibration cutting point,
The vibration cutting device according to claim 1, wherein a distance from the oil-based machining fluid supply port to the vibration cutting point is short.
前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動工程と、
少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給工程と、を備え、
前記振動工程では、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする、振動切削方法。 A vibration process for relatively vibrating the cutting tool and the workpiece;
Moving the cutting tool and the workpiece to move relative to each other and vibrating the workpiece with the cutting tool;
A supply step of supplying water-soluble machining fluid and oil-based machining fluid to at least the vibration cutting point ,
In the vibration step, a vibration cutting method in which, on the surface of the cutting edge of the cutting tool, the water-soluble processing fluid and the oil-based processing fluid are convected and emulsified by vibration to form an emulsion .
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