KR100891233B1 - 방전 가공 장치 및 방전 가공 방법 - Google Patents

Abstract

가공액으로서 수계 가공액을 이용해 전극 (2) 과 피가공물 (1) 의 사이에 형성되는 가공 간격에 전압을 인가하면서 상기 피가공물 (1) 의 가공을 실시하는 방전 가공 장치에 있어서,

상기 피가공물 (1) 을 음극, 절연물 (24) 을 통해 대향하는 방식 전극 (25) 을 양극으로 하여 소정의 전압을 인가하는 방식 전원부 (26) 와,

상기 가공액의 상태를 계측하는 가공액질 측정기 (22) 와,

이 가공액질 측정기 (22) 의 계측 결과에 근거해, 상기 가공액의 pH 를 8.5~10.5 가 되도록 제어하는 가공액질 제어 수단 (16,17,18,19,20,21,23) 을 구비한다.

Description

방전 가공 장치 및 방전 가공 방법{ELECTRIC DISCHARGE MACHINE AND ELECTRIC DISCHARGE MACHINING METHOD}

본 발명은 피가공물이 가공액에 장시간 침지되는 것에 따르는 금속 부식을 방지하는 방전 가공 장치에 관한 것이다.

방전 가공 장치에 있어서, 가공액으로서 물을 이용하는 경우 전기적인 절연성이 요구되기 때문에, 예를 들면, H⁺ (수소 이온)형 양이온 교환 수지와 OH^- (수산화물 이온)형 이온 교환 수지를 혼합한 순수화 수지로 이루어지는 이온 교환 수지에 의해 이온 교환수를 얻어, 그 이온 교환수를 이용하여 가공이 실시된다.

여기서, 가공액으로서의 수도물은, 수도물에 포함되는 나트륨 이온 (Na⁺)이나 칼슘 이온 (Ca²⁺) 등의 양이온이 H⁺ 형 양이온 교환 수지와 접촉함으로써 H⁺ 와 교환되고, 염화물 이온 (Cl^-) 이나 황산 이온 (SO₄ ^2-) 등의 음이온이 OH^- 형 음이온 교환 수지와 접촉함으로써 OH^- 와 교환되는 결과, 수도물에 포함되는 불순물이 제거되고 H⁺ 와 OH^- 가 결합해 물 H₂O 가 생성되어 방전 가공에 필요한 가공액이 생긴 다. 이들 불순물이 제거된 방전 가공에 적합한 가공액의 도전율은 일반적으로 70 μS/㎝ 이하이고, pH 는 수소 이온 농도로 정해지지만, 탄산 수소 이온 (HC0₃ ^-) 등과 교환된 OH^- 가 가공액 중에 나오기 때문에, 수소 이온 농도의 극단적인 변화는 없고, 통상 pH 7 이다.

상기 수계 가공액을 이용한 방전 가공기에서는 피가공물에 가공액을 내뿜으면서, 또는 피가공물을 가공액에 침지시켜 피가공물과 전극의 사이에 펄스 전압을 인가해 방전을 발생시켜 가공을 실시하기 때문에, 장시간 피가공물을 가공액에 침지시킴으로써 피가공물을 구성하는 금속의 부식이 발생해 버려, 피가공물의 품질 저하가 생기는 것이 알려져 있다.

그 때문에, 정반 (定盤, table)과 피가공물의 사이에 절연물을 끼우고, 정반을 양극, 피가공물을 음극으로 하여 비가공 중에 전압을 인가해 피가공물의 부식을 막는 방법이 제안되고 있다 (예를 들면 특허문헌 1).

또, 가공조 중에 설치된 정반 또는 피가공물을 음극, 정반 또는 피가공물과 가공액을 통해 설치된 2차 전극을 양극으로 하여 미소 전류 전압을 인가함으로써, 피가공물의 부식을 막는 방법이 제안되고 있다 (예를 들면 특허문헌 2).

덧붙여 이온 교환 수지에 물을 통수해 물의 pH 를 제어함으로써, 금속의 부식을 방지하는 기술도 별도 제안되고 있다 (예를 들면 특허문헌 3).

특허문헌 1 : 일본 특개 2004-291206호 공보

특허문헌 2 : 일본 특개평 5-220618호 공보

특허문헌 3 : 일본 특개평 1-164489호 공보

발명이 해결하려고 하는 과제

특허문헌 1 과 같은 방법으로 피가공물의 부식을 막는 경우, 비가공 중에 정반을 양극으로 하고, 피가공물을 음극으로 하기 때문에, 비가공 중에는 피가공물의 부식을 방지할 수 있지만, 가공 중의 피가공물의 부식을 방지할 수 없는 것이나, 정반을 양극으로 하기 때문에 정반을 부식시켜 버리는 것 등의 문제가 있다.

또 특허문헌 2 의 경우, 피가공물의 가공액에 대한 침지 시간이 단시간이면 방식은 일정한 효과를 올리지만, 예를 들면 가공에 100 시간을 넘는 장시간의 가공인 경우에는, 피가공물의 부식이 염려된다.

또 특허문헌 3 의 경우에 있어서도, pH 를 제어했다고 해도, 방전 가공 장치에 있어서는 정반 상에 피가공물을 고정할 필요가 있기 때문에, 정반 및 피가공물이 이종 재료인 경우에는 전위차가 생기고, 특히 피가공물 쪽이 정반 재료보다 이온화 경향이 높은 경우에는 피가공물 측에 부식이 발생한다는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 가공시 및 비가공시에서의 피가공물을 방식할 수 있는 방전 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명에 관한 방전 가공 장치는 pH 가 8.5~10.5 를 가지는 가공액을 이용하고, 또한 정반 및 피가공물을 음극으로 하고, 가공조 내의 방식 전극을 양극으로 하여 전압을 인가해 전기 방식한다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 전압 인가에 의한 피가공물의 방식을 할 때, pH 가 8.5~10.5 의 가공액을 사용함으로써, 인가 전압이 작아도 장시간에 걸쳐서 가공시 및 비가공시에서의 피가공물의 부식을 방지할 수 있다는 종래에 없는 현저한 효과를 나타내는 것이다.

도 1 은 실시형태 1 에서의 와이어 방전 가공 장치의 구성도이다.

도 2 는 가공조를 상면으로부터 본 상면도이다.

도 3 은 NaOH 수용액의 도전율과 pH 의 관계를 나타내는 도면이다.

도 4 는 실시형태 1 에서의 제어 동작을 나타내는 순서도이다.

도 5 는 실시형태 2 에서의 와이어 방전 가공 장치의 구성도이다.

발명을 실시하기 위한 바람직한 형태

실시형태 1.

도 1 은 본 실시형태에 근거하는 와이어 방전 가공 장치의 구성도이다.

와이어 방전 가공 장치는 가공조 (8) 내에서 피가공물 (1) 과 와이어 전극 (2) 의 사이에 전압을 인가하고, 상부 가공액 노즐 (4) 과 하부 가공액 노즐 (5) 에서 분출되는 가공액을 통해 방전을 실시하게 해 피가공물 (1) 을 용융 제거함으로써 가공을 진행시킨다.

이때, 와이어 전극 (2) 도 방전 가공에 따라 방전 부분이 용융/열화하므로, 가공의 진행과 함께 새로운 와이어 전극 (2) 이 가공부에 공급되도록 와이어 보빈 (bobbin) (3) 에 권회된 와이어 전극 (2) 이 상부 가공액 노즐 (4), 하부 가공액 노즐 (5), 회수 롤러 (6) 를 경유해 회수 상자 (7) 에 계속 보내져 회수된다.

상부 가공액 노즐 (4) 및 하부 가공액 노즐 (5) 에서 분출한 가공액은 가공부에 발생하는 슬러지를 흘린 후, 불순물을 많이 함유한 상태가 되어, 가공조 (8) 에 일시 모아질 수 있어, 계속하여 배관 경로에 의해 오액조 (waste fluid tank) (12) 에 이끌려 저장된다.

오액조 (12) 의 가공액은 여과 펌프 (13) 에 의해 여과 필터 (14) 에 보내지고, 불순물이 여과되어 청액조 (clean fluid tank) (15) 에 모아진다.

청액조 (15) 의 가공액은 가공액 액질 측정기로서의 도전율계 (22) 에 의해 도전율이 측정되고(가공액의 상태를 계측하는 공정), 제어부 (23) 에 있어서 도전율계 (22) 의 측정 결과와 미리 설정된 설정값을 비교하여 순수화 수지용 전자 밸브 (20) 또는 방식 수지용 전자 밸브 (21) 를 개폐 동작시킴으로써, 순수화 수지탑 (17) 혹은 방식 수지탑 (18) 으로 펌프 (19) 를 이용해 통수(通水)시킨다(가공액의 pH를 제어하는 공정).

또, 순수화 수지탑 (17) 및 방식 수지탑 (18) 을 통과한 가공액은 청액조 (15) 에 되돌려져 가공액 펌프 (16) 에 의해 상부 가공액 노즐 (4) 및 하부 가공액 노즐 (5) 을 통해 피가공물 (1) 및 와이어 전극 (2) 의 사이에 분출된다.

다음에, 방식 전원부에 관하여 설명한다.

도 2 에 나타나듯이, 도전성 재료의 방식 전극 (25) 을 스테인레스강으로 이 루어진 정반 (9) 의 외주 측면에 절연체 (24) 를 통해 전기적으로 절연해 배치한다.

그리고, 직류 또는 편향된 교류 전원인 방식 전원 (26) 에 의해 정반 (9) 을 음극, 방식 전극 (25) 을 양극으로 하여 전압을 인가한다(전압을 인가하는 공정).

방식 전극 (25) 은 특히 내식성이 뛰어난 Au (금) 이나 Pt (백금), 그것들을 도금이나 스퍼터링 (sputtering) 처리한 복합재, 스테인레스강 등이 적합하다.

그리고, 방식 전극 (25) 의 면적은 전기 저항이 작아져, 인가 전압을 낮게 억제할 수 있다는 점으로부터 넓은 것이 좋지만, 너무 넓으면 가공조 (8) 내에서의 작업성의 열화나 피가공물 (1) 의 설치 스페이스의 감소를 생각할 수 있고, 방전 가공 장치 본래의 기능이 열화하기 때문에, 본 실시형태에서는 정반 (9) 을 둘러싸고 정반 측면의 표면적과 같은 표면적을 갖는 방식 전극 (25) 을 이용하고 있다.

그리고, 정반 측면과 대향하고 있지 않는 한 쪽의 표면은 도장함으로써, 정반 (9) 에 대한 전류의 유입 효율이 좋아져, 방식 효과를 발휘할 뿐만 아니라, 쓸데 없는 전력 소비를 억제할 수 있다.

여기서, 정반 (9) 은 세라믹스 등의 절연물로 이루어지는 부착대 (10) 를 통해 가공조 (8) 에 고정되고 있다.

또, 순수화 수지탑 (17) 에는 순수화 수지가 수납되고, 방식 수지탑 (18) 에는 Na⁺ 형 양이온 교환 수지와 OH^- 형 음이온 교환 수지의 혼합 수지가 수납되어 있다.

수도물을 순수화 수지탑 (17) 에 통수함으로써 가공액 (70 μS/㎝ 이하, pH = 7)을 얻고, 이 가공액의 도전율을 제어하도록 방식 수지탑 (18) 에 통수함으로써 가공액은 희박한 NaOH 수용액이 된다.

NaOH 수용액의 도전율과 pH 의 관계는 도 3 에 나타나듯이, 비례 관계가 되는 것으로부터, 본 실시형태에서는 가공액의 도전율을 제어함으로써 가공액의 pH 도 제어하는 것이다.

덧붙여 방식 수지는 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지의 혼합일 필요는 없고, 각각 다른 이온 교환 수지탑에 봉입한 2 개의 이온 교환 수지탑이어도 되고, 양이온 교환 수지로서 Na⁺ 형 이외에 K⁺ 형이나 Ca²⁺ 형을 생각할 수 있고, 적어도 1 종류를 사용하며, 음이온 교환 수지로서 OH^- 형 이외여도 되고, 적어도 1 종류를 사용할 수 있다.

또, 순수화 수지탑 (17) 에 통수한 물의 불순물 양이온의 대부분이 Na⁺ 이므로, 도전율과 pH 의 상관 정도는 뒤떨어지지만, 방식 수지로서 OH^- 형 음이온 교환 수지만을 사용하여도 된다.

가공액질 제어 수단의 제어 동작에 대해 도 4 를 이용해 설명하면(가공액의 pH를 제어하는 공정의 상술), 예를 들면 가공액의 설정 도전율이 6.2 μS/㎝ 일 때, pH 는 9.0 이 되므로 도전율계 (22) 에 의해 측정된 측정값이 설정값보다 높은지의 여부를 판단하여 (ST1), 높은 도전율 (pH 값)인 경우에는 순수화 수지용 전자 밸브 (20) 를 작동시켜 청액조 (15) 의 가공액을 배관 경로 경유로 순수화 수지탑 (17) 에 보내고, 방전 가공에 의해 생긴 금속 이온이나 대기 중의 탄산 가스에 의한 탄산 이온 등을 없애 가공액의 도전율 (pH 값)을 저하시킨다 (ST2).

또, 가공액의 도전율 (pH 값)이 미리 설정한 값보다 낮아지면, pH 값을 유지해 가공액의 방식 특성을 해치지 않도록 하기 위해, 방식 수지용 전자 밸브 (21) 를 작동시키고, 청액조 (15) 의 가공액을 배관 경로 경유로 방식 수지탑 (18) 에 보내 가공액의 도전율 (pH 값)을 상기의 미리 설정한 설정값 부근으로 유지하도록 하고 있다 (ST3).

다음에 본 실시형태에서의 가공 조건에 대해 설명한다.

본 발명자들의 실험에 의해, 초경 재료 (superhard material) (WC-Co 등), Cu (구리), 철계 재료 (SKD-11), 아연 (Zn) 등의 피가공물 (1) 을 가공할 때에 pH 8.0 의 가공액에 상기의 피가공물을 100 시간 침지한 경우에는 부식이 발생하고, pH 8.5 의 가공액의 경우에서는 부식이 발생하지 않았기 때문에, pH 8.5 이상이면 방식 효과를 발휘할 수 있는 것을 알아냈다.

또, 가공액을 pH 8.5 이하로 유지하려면 가공액의 도전율을 2.0 μS/㎝ 이하로 할 필요가 있고, 이온 교환 수지의 수명을 현저하게 저하시켜 버려 실용적이지 않기 때문에, pH 의 하한을 8.5 로 하는 것이 바람직하다.

또, pH 가 상승하면 가공액의 도전율이 증가해 누설 전류가 증가해 절연 회복 시간을 확보할 수 없게 됨으로써 방전 가공 성능을 저하시켜 버리므로, pH 의 상한을 10.5 로 하는 것이 바람직하다.

즉, 본 실시형태에서는 도전율계 (22) 를 이용해 미리 설정된 pH 9.0 이 되도록 방식 수지용 전자 밸브 (21) 를 작동시켜 청액조의 가공액을 방식 수지탑 (18) 에 보내 가공액의 도전율을 pH 9.0 부근이 되도록 한 후, 피가공물 (1) 과 와이어 전극 (2) 의 간격에 공급하면서 방전 가공을 실시한다.

그리고, 방전 가공시 및 비가공시에 1~20 V 정도의 인가 전압을 정반 (9) 및 방식 전극 (25) 에 인가함으로써, 가공시 뿐만 아니라 비가공시에 있어서도 피가공물 (1) 의 부식을 방지한다.

일례로는, 피가공물 (1) 이 초경 재료 (WC-Co) 혹은 철계 재료 (SKD-11) 인 경우, 가공액의 도전율을 6.2 μS/㎝ (pH = 9.0 에 대응)로 제어하고, 또한 정반 (9) 과 방식 전극 (25) 의 사이에 5V 의 전압을 인가함으로써, 장시간 (100 시간 이상)의 가공 중 및 비가공 중에도 부식을 방지할 수 있었다.

본 실시형태에서는 가공액의 pH 를 8.5~10.5 로 제어하는 방법으로서, 이온 교환 수지 및 방식 수지를 이용하는 경우에 대해 설명했지만, 약품을 투입하는 방법, 전해수 생성기를 이용하는 방법도 생각할 수 있다.

또, 약품을 투입하는 방법을 이용하는 경우에는 수산화나트륨 (NaOH)이나 수산화칼슘 (Ca(OH)₂) 등의 알칼리 토류 원소를 포함하는 약품을 생각할 수 있고, 수도물을 순수화 수지에 통수시킨 후의 가공액 (70 μS/㎝ 이하, pH = 7)에 이들 약품을 투입하면 된다.

또, 전해수 생성기를 사용하는 경우에는, 수도물을 순수화 수지에 통수 시킨 후의 가공액 (70 μS/㎝ 이하, pH = 7)을 전해에 의해 pH 가 8.5~10.5 인 전해수로 하면 된다.

즉, 이들 3 개의 방법으로 액실 측정기인, 예를 들면 도전율계나 pH 계, 산화 환원 전위계 중 적어도 1 종류의 측정기를 사용해, 제어부 (23) 의 지령에 의해 pH 조정되지만, 가공 성능을 좌우하는 도전율의 제어성이나 피가공물의 방식 성능을 좌우하는 pH 의 제어성의 점으로부터, 이온 교환 수지 및 방식 수지를 사용하는 방법이 적합하다.

또, 방식 전원부의 인가 전압은 가공액의 pH 에 따라 필요한 전압치가 다른 것이 본 발명자들의 실험에 의해 발견되었다.

이것은 pH 에 따라 피가공물을 구성하는 금속 원소의 용해도가 다르기 때문이라고 생각된다.

예를 들면, 가공액의 pH 가 8.5 이하인 경우, 방식 전극 (25) 과 정반 (9) 의 형상, 대향 면적, 간격에도 좌우되지만, 본 실시형태와 같은 구조에서는 30V 이상의 전압 인가가 필요했다.

한편, 본 실시형태에서는 상술한 바와 같이, 5V 의 인가 전압으로 방식을 실시해 방식 전원 (26) 의 구조도 간략화할 수 있다.

덧붙여 인가 전압은 방식 전극 (25) 의 설치 장소, 전극 면적, 형상이나 피가공물의 형상 등을 고려해 결정하는 것이지만, 인가 전압이 1V 이하인 경우, 정반 (9)에 고정하고 있는 피가공물 (1) 의 부식을 방지하지 못하고, 30V 이상인 경우에는 가공액의 전기 분해에 의해 피가공물 표면에 수소를 발생시켜 가공 성능을 열화 시키는 것으로부터, pH 가 8.5~10.5 를 가지는 가공액 중에서 장시간 (100 시간 이상)에 걸쳐서, 가공시 및 비가공시에서의 피가공물의 부식을 방지할 수 있는 인가 전압의 범위로서 1V~20V 가 바람직하다.

따라서, 가공액의 pH 를 8.5~10.5 로 함으로써, 방식 전원부의 인가 전압을 작게 할 수 있다.

또, 종래에 비해 작은 인가 전압에서도, 방식 전극과 정반의 간격을 넓히는 것도 가능한 점으로부터, 종래와 같이 노즐 선단이나 피가공물에 근접해 방식 전극을 설치하지 않아도 되므로, 본 실시형태와 같이 정반의 주위에 방식 전극을 배치하는 등 방식 전원부의 설계 범위가 넓어지고, 방식 전원부에 좌우되지 않는 방전 가공기의 설계도 가능하다.

실시형태 2.

본 실시형태는 도 5 에 나타내는 바와 같이, 가공조 (8) 에 방식 전극으로서의 기능을 갖게 한 것이다.

이 구성에 의하면, 가공조 (8) 와 정반 (9) 은 부착대 (10) 를 통해 절연되어 양자의 간격에 가공액이 존재하는 점으로부터, 절연물 (24) 이 불필요해지는 것 외에, 전극 면적이 넓은 것으로 전기 저항이 저하해 전압 전류를 더욱 내릴 수 있다.

상술한 전압 인가에 의한 피가공물의 방식 방법을 구비한 와이어 방전 가공 장치로 가공액의 도전율을 6.2 μS/㎝ (pH = 9.0 에 대응)로 제어하고, 또한 정반 (9) 과 가공조 (8) 의 사이에 3V 의 전압을 인가함으로써, 장시간 (100 시간 이상) 의 가공 중 및 비가공 중에도 초경 재료 (WC-Co) 또는 철계 재료 (SKD-11)의 부식을 방지할 수 있었다.

즉, pH 가 8.5~10.5 인 가공액을 이용하는 방전 가공기에서는, 방식 전원부를 구비하는 것이 종래에 비해 간략하게 구성할 수 있고 또, 방식 효과도 높은 것이다.

본 발명은 수계 가공액을 이용해 방식 전원으로 전압 인가하면서 가공을 실시하는 와이어 방전 가공 장치에 적용하는 것에 적합하다.

Claims (14)

1. 가공액으로서 수계 가공액을 이용해 전극과 피가공물 사이에 형성되는 가공 간격에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전 가공 장치에 있어서,

   상기 피가공물을 음극, 절연물을 통해 대향하는 방식 전극을 양극으로 하여 소정의 전압을 인가하는 방식(防食) 전원부와,

   상기 가공액의 상태를 계측하는 가공액질 측정기와,

   이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거해 상기 가공액의 pH 를 8.5~10.5 가 되도록 제어하는 가공액질 제어 수단을 구비하며,

   상기 방식 전원부는 상기 피가공물이 놓이는 정반을 음극, 상기 정반과 절연물을 통해 대향하는 방식 전극을 양극이 되도록 접속해 소정의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공액질 측정기는 수계 가공액의 도전율을 계측하는 도전율계인 것을 특징으로 하는 방전 가공 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 방식 전원부는 가공조를 방식 전극으로서 기능시키도록, 상기 가공조를 양극이 되도록 접속하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 장치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 방식 전원부는 가공시 및 비가공시에 1~20V 의 전압 인가를 실시하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 장치.
9. 가공액으로서 수계 가공액을 이용해 전극과 피가공물의 사이에 형성되는 가공 간격에 전압을 인가하면서 상기 피가공물의 가공을 실시하는 방전 가공 방법에 있어서,

   상기 피가공물을 음극, 정반과 절연물을 통해 대향하는 방식 전극을 양극으로 하여 방식 전원부에 의해 소정의 전압을 인가하는 공정과,

   상기 가공액의 상태를 가공액질 측정기에 근거해 계측하는 공정과,

   이 가공액질 측정기의 계측 결과에 근거해, 상기 가공액의 pH 를 8.5~10.5 가 되도록 제어하는 공정을 구비하여 피가공물을 가공하며,

   상기 전압을 인가하는 공정에서 상기 방식 전원부는 상기 피가공물이 놓이는 정반을 음극, 상기 정반과 절연물을 통해 대향하는 방식 전극을 양극이 되도록 접속해 소정의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 계측하는 공정은 상기 가공액질 측정기에 근거해 수계 가공액의 도전율을 계측하고, 상기 제어하는 공정은 순수화 수지, 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 혼합된 방식 수지에 대한 통수를 제어함으로써, 가공액의 pH 를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 방법.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 계측하는 공정은 상기 가공액질 측정기에 근거해 수계 가공액의 도전율을 계측하고, 상기 제어하는 공정은 순수화 수지, OH^- 형 음이온 교환 수지로 이루어지는 방식 수지에 대한 통수를 제어함으로써, 가공액의 pH 를 제어하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 방법.
12. 삭제
13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 방식 전원부는 가공시 및 비가공시에 1~20V 의 전압 인가를 실시하는 것을 특징으로 하는 방전 가공 방법.
14. 삭제

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