KR101542114B1 - 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치 - Google Patents

샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치 Download PDF

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김관형
박종규
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동명대학교산학협력단
박종규
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Abstract

본 발명은 자동차의 트랜스미션에 적용되는 부품과 같이 일부분의 샤프트를 고주파 열처리하여 표면경화처리하기 위한 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 제공한다. 이 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치는 회전부(12), 공급부(13), 열처리부(16) 및 취출부(17)를 구비하여 이루어지고, 열처리부(16)는 열처리 지그(30) 및 구동부(50)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 회전판(20)상의 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)에서 샤프트(3)의 전체 둘레로 균일한 고주파 열처리 공정 및 냉각 공정이 이루어지도록 하여 품질의 안정성을 기대할 수 있다.

Description

샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치{HIGH FREQUENCY HEAT TREATMENT APPARATUS FOR PARTS WITH SHAFT}
본 발명은 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 자동차의 트랜스미션에 적용되는 부품과 같이 일부분의 샤프트를 고주파 열처리하여 표면경화처리하기 위한 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에 관한 것이다.
독일 게트락(Getrag)사의 건식 트랜스미션(Trans Mission)에 적용되는 샤프트(shft-rr shaft)는 동력원으로부터 전달받은 회전력을 견디기 위하여 해당제품의 기능부에는 고주파 열처리를 적용함으로써 제품의 내구성을 높여준다.
그러나, 이와 같은 샤프트의 고주파 열처리 공정은 수작업에 의존하는 공정형태 때문에 작업자의 기능 숙련도에 따라 제품의 품질이 결정되고, 수작업에 의존함으로써, 제품 품질의 균일성을 확보할 수 없어 매 로트(lot) 작업마다 품질 지수의 변화가 많다. 또한, 대부분의 열처리 공정은 수작업으로 진행하고 있어 작업자의 높은 이직률로 인하여 납기 및 생산성이 저하되고 있다.
이와 관련하여 샤프트 형태의 제품을 자동으로 고주파 열처리할 수 있도록 하기 위하여 대한민국 등록실용신안공보 등록번호 제20-0403975호인 "고주파 열처리를 위한 파이프용 지그", 등록특허공보 등록번호 제10-1284581호 "고주파 열처리장치", 등록번호 제10-1179942호 "고주파 열처리 장치" 등이 제안되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래기술은 샤프트를 길이방향으로 이송시키면서 고주파 열처리 공정을 진행하도록 하는 메커니즘이 적용되어 열처리 장비의 소요 면적이 넓어지고, 공정시간이 증가되는 문제점이 있다.
한편, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0597238호 "표면경화 열처리를 위한 자동화 생산라인"은 인덱스 메커니즘의 회전판상에 열처리를 위한 볼스터드 등의 피가열물가 놓이는 수용부를 둘레로 설치하고, 회전판이 회전되는 경로상에 공급부재, 고주파 유도가열부재, 냉각부재 및 수집부재를 순차적으로 설치하여 고주파 열처리 공정을 자동으로 실시할 수 있도록 하는 기술을 제안하고 있다.
그러나, 이와 같은 기술은 고주파 열처리공정시 수용부에 놓인 피가열물의 둘레에 대한 고주파 열처리가 균일하게 이루어지지 않고, 효과적인 냉각 처리가 이루어지지 않는 문제점이 있다. 즉, 이와 같은 종래기술은 회전판상의 수용부에 놓인 피가열물의 이동을 위해 가열부가 아치형으로 구성됨으로써 피가열물(회전판)의 회전방향의 전후측방향으로 피가열물의 가열 및 냉각이 효과적으로 이루어지지 않는 문제점이 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 독일 게트락(Getrag)사의 건식 트랜스미션(Trans Mission)에 적용되는 샤프트(shft-rr shaft)와 같이 일부분의 고주파 열처리에 필요한 공정을 자동으로 수행하도록 하는 새로운 형태의 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 회전판상의 지그에 놓인 피가공물에서 샤프트의 전체 둘레로 균일한 고주파 열처리가 이루어지도록 할 수 있는 새로운 형태의 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 회전판에 의해 회전되면서 순차적으로 고주파 열처리된 샤프트의 냉각이 균일하게 이루어지도록 하는 새로운 형태의 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 정해진 각도로 회전되는 회전판(20) 상에 피가공물(1)의 피열처리부(2)가 안착되는 고정 지그(24)가 동일 반경에서 정해진 간격으로 설치되는 회전부(12)와; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되어 상기 피가공물(1)이 상기 고정 지그(24)에 안착되도록 로딩시키는 공급부(13)와; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 공급부(13) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)의 샤프트(3)에 고주파 열처리 공정을 진행하는 열처리부(16) 및; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 열처리부(16) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)을 상기 고정 지그(24)로부터 언로딩시키는 취출부(17)를 포함하되; 상기 열처리부(16)는 상기 샤프트(3)가 통과되는 작업홀(33)이 형성되고, 상기 작업홀(33)의 둘레로 고주파 코일(34)이 배치되도록 형성되는 열처리 지그(30) 및, 상기 열처리 지그(30)가 상기 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 하는 구동부(50)를 구비한다.
이와 같은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치는 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 공급부(13)와 열처리부(16) 사이에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 상기 피가공물(1)를 검출하는 센싱부(14)를 더 구비할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치는 상기 열처리 지그(30)는 외부로부터 공급되는 냉각 유체를 상기 샤프트(3)로 분사되도록 하는 분사 노즐(36)을 더 구비하여, 고주파 열처리 공정이 완료된 후, 상기 열처리 지그(30)에서 냉각 공정이 진행되도록 할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 정해진 각도로 회전되는 회전판(20) 상에 피가공물(1)의 피열처리부(2)가 안착되는 고정 지그(24)가 동일 반경에서 정해진 간격으로 설치되는 회전부(12)와; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되어 상기 피가공물(1)이 상기 고정 지그(24)에 안착되도록 로딩시키는 공급부(13)와; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 공급부(13) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)의 샤프트(3)에 고주파 열처리 공정을 진행하는 열처리부(16) 및; 상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 열처리부(16) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)을 상기 고정 지그(24)로부터 언로딩시키는 취출부(17)를 포함하되; 상기 열처리부(16)는 상기 샤프트(3)가 통과되는 작업홀(33)이 형성되고, 상기 작업홀(33)의 둘레로 유도 코일(34)이 배치되도록 형성되는 열처리 지그(30) 및, 상기 열처리 지그(30)가 상기 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 하는 구동부(50)를 구비하고, 상기 열처리 지그(30)는 상기 작업홀(33)의 둘레로 배치되어 외부로부터 공급되는 냉각 유체가 상기 샤프트(3)로 분사되도록 하는 분사 노즐(36)을 더 구비한다.
이와 같은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에 따르면, 인덱스 구동에 의해 회전되는 회전판(20)에 의해 일정한 각도 단위로 회전되도록 하고, 각 단위 각도의 위치에 회전부(12)의 구동과 연동되어 작동되는 검출부(14), 열처리부(16) 및 취출부(17)를 설치함으로써, 독일 게트락(Getrag)사의 건식 트랜스미션(Trans Mission)에 적용되는 샤프트(shft-rr shaft)와 같이 일부분의 고주파 열처리에 필요한 공정을 자동으로 수행하도록 한다. 따라서, 고주파 열처리의 자동화를 통해 치수변형의 최소화, 표면경화 품질확보가 가능하고, 로봇을 이용한 고주파 열처리 공정을 통해 작업자의 피로도를 최소화하고, 생산 공정의 단순화 및 품질 일관성을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 회전판(20)상의 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)에서 샤프트(3)의 전체 둘레로 균일한 고주파 열처리 공정 및 냉각 공정이 이루어지도록 하여 품질의 안정성을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치가 대상으로 하는 피가공물을 설명하기 위한 도면;
도 2는 본 발명의 기술 사상에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 설명하기 위한 블록 다이어그램;
도 3은 본 발명의 기술 사상에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에서 열처리부를 설명하기 위한 도면;
도 4는 도 3에서 열처리부의 열처리 지그를 상세히 설명하기 위한 도면;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에서 열처리 지그를 설명하기 위한 사시도;
도 6은 도 5에서 보인 열처리 지그의 저면도이다.
도 1은 본 발명의 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치가 대상으로 하는 피가공물을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에서 대상으로 하는 피가공물(1)은 원판 형태의 피열처리부(2)의 중심에 샤프트(3)가 일측으로 형성되고, 중심으로 중공(4)이 형성된다. 이와 같은 피가공물(1)은 샤프트(3)에 대한 고주파 열처리가 요구된다.
도 2는 본 발명의 기술 사상에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 설명하기 위한 블록 다이어그램이고, 도 3은 본 발명의 기술 사상에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에서 열처리부를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 3에서 열처리부의 열처리 지그를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 회전부(12), 공급부(13), 열처리부(16) 및 취출부(17)를 구비하여 이루어진다.
이때, 회전부(12)는 정해진 각도로 회전되는 회전판(20) 상에 피가공물(1)의 피열처리부(2)가 안착되는 고정 지그(24)가 동일 반경에서 정해진 간격으로 설치된다. 공급부(13)는 회전부(12)의 둘레로 배치되어 피가공물(1)이 고정 지그(24)에 안착되도록 로딩시킨다. 열처리부(16)는 회전부(12)의 둘레로 배치되되 공급부(13) 다음에 위치되어 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)의 샤프트(3)에 고주파 열처리 공정을 진행한다. 그리고, 취출부(17)는 회전부(12)의 둘레로 배치되되 열처리부(16) 다음에 위치되어 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)을 고정 지그(24)로부터 언로딩시킨다.
이와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 인덱스 구동에 의해 회전되는 회전판(20)에 의해 일정한 각도 단위로 회전되도록 하고, 각 단위 각도의 위치에 회전부(12)의 구동과 연동되어 작동되는 열처리부(16) 및 취출부(17)를 설치함으로써, 독일 게트락(Getrag)사의 건식 트랜스미션(Trans Mission)에 적용되는 샤프트(shft-rr shaft)와 같이 일부분의 고주파 열처리에 필요한 공정을 자동으로 수행하도록 하여 고주파 열처리의 자동화를 통해 치수변형의 최소화, 표면경화 품질확보가 가능하고, 로봇을 이용한 고주파 열처리 공정을 통해 작업자의 피로도를 최소화하고, 생산 공정의 단순화 및 품질 일관성을 확보할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 이와 같은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)에서 열처리부(16)는 열처리 지그(30) 및 구동부(50)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 열처리 지그(30)는 샤프트(3)가 통과되는 작업홀(33)이 형성되고, 작업홀(33)의 둘레로 유도 코일(34)이 배치되도록 형성된다. 특히, 유도 코일(34)은 샤프트(3)가 삽입되어 위치되는 작업홀(33)의 둘레로 배치됨으로써, 샤프트(3) 전체 둘레로 고주파 열처리가 이루어지도록 한다. 이와 같은 유도 코일(34)은 원형 형태의 전극으로 이루어질 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예와 같이 냉각 노즐(36; 도 5 참조)를 별도로 구성하여 냉각 공정의 효율성을 높일 수 있을 것이다. 구동부(50)는 열처리 지그(30)가 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 한다. 이와 같은 구동부(50)는 실린더, 모터와 리드 스크류의 구동 등에 의해 이루어질 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 회전판(20)상의 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)에서 샤프트(3)의 전체 둘레로 균일한 고주파 열처리 공정 및 냉각 공정이 이루어지도록 하여 품질의 안정성을 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 2 내지 도 6에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에서 인덱스 기능을 적용하여 회전판을 회전시키도록 제어하는 기술, 고주파 열처리를 위한 장치 및 전극의 구성과 작업방법, 피가공물의 공급과 취출의 자동화를 위해 로봇을 적용하거나 유공압 장치를 적용하는 기술, 지그에 놓인 피가공물을 검출하는 센싱 기술 등 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하였다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)는 회전부(12), 공급부(13), 센싱부(14), 열처리부(16) 및 취출부(17)를 구비하여 이루어진다.
이때, 회전부(12)는 정해진 각도로 회전되는 회전판(20) 상에 피가공물(1)의 피열처리부(2)가 안착되는 고정 지그(24)가 동일 반경에서 정해진 간격으로 설치된다. 회전부(12)는 인덱스 기능을 갖도록 하여 모터(22)에 의해 일정한 각도로 조절되도록 한다. 회전판(20)은 4부분으로 나누어져 순차적으로 피가공물(1)에 대한 작업이 이루어진다. 회전판(20)의 둘레로 공급부(13), 센싱부(14), 열처리부(16), 취출부(17)가 측면에 각각 위치되도록 설치되고, 회전판(20)은 1회에 일정한 각도씩 회전하여 각각의 작업을 수행하게 된다. 즉, 4개의 구성부분은 회전판(20)을 중심으로 90도의 각도를 이루도록 배치되어, 회전판(20)의 4개의 피가공물(1)이 동시에 각각의 작업을 수행하게 된다. 따라서, 회전판(20) 상의 고정 지그(24)는 4의 배수에 해당하는 수만큼 배치됨이 바람직하다.
공급부(13)는 회전부(12)의 둘레로 배치되어 피가공물(1)이 고정 지그(24)에 안착되도록 로딩시킨다. 그리고, 취출부(17)는 회전부(12)의 둘레로 배치되되 열처리부(16) 다음에 위치되어 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)을 고정 지그(24)로부터 언로딩시킨다. 이와 같은 공급부(13)와 취출부(17)는 로봇, 공압 또는 유압 자동화 기기가 적용될 수 있을 것이다.
센싱부(14)는 회전부(12)의 둘레로 배치되되 공급부(13)와 열처리부(16) 사이에 위치되어 고정 지그(24)에 피가공물(1)를 검출한다. 즉, 회전판(20)상의 고정 지그(24)에 안치된 피가공물(1)은 센싱부(14)에 의해 존재여부가 감지된다. 센싱부(14)는 동 분야에서 제품이 해당 위치에 존재하는지 여부를 감지하는 다양한 기술이 적용될 수 있을 것이다. 예컨대, 센싱부(14)는 상하로 움직이는 상하 실린더의 하강에 의해 피가공물(1)을 감지하는 방법이 적용될 수 있을 것이다. 이 경우 센싱부(14)는 허용 상한값과 허용 하한값을 설정하여, 상하 실린더가 허용 하한값 이상으로 내려가면 피가공물(1)이 해당 위치에 존재하지 않는 것으로 판단하고, 상하 실린더가 허용 상한값까지 내려가지 않으면 피가공물(1)이 고정 지그(24)에 잘못 안치되어 위로 올려진 상태로 판단하며, 상하 실린더가 허용 상한값과 허용 하한값 사이로 내려갈 때만 정상상태로 인식하게 된다. 만약, 센싱부(14)에 의해 피가공물(1)이 정위치에 존재하지 않는다고 검출(허용 상하값보다 적게 내려가거나 허용 하한값보다 더 깊이 내려가는 경우)하면, 해당 위치의 고정 지그(24)에서의 고주파 열처리 공정, 냉각 공정 및 취출 공정은 이루어지지 않도록 할 수 있을 것이다.
열처리부(16)는 회전부(12)의 둘레로 배치되되 공급부(13) 다음에 위치되어 고정 지그(24)에 놓인 피가공물(1)의 샤프트(3)에 고주파 열처리 공정(유도 가열)을 진행하고, 냉각 공정을 진행한다. 그리고, 본 실시예에서 열처리부(16)는 열처리 지그(30) 및 구동부(50)를 구비한다. 여기서, 열처리 지그(30)는 샤프트(3)가 통과되는 작업홀(33)이 형성되고, 작업홀(33)의 둘레로 유도 코일(34)이 배치되도록 형성된다. 특히, 유도 코일(34)은 샤프트(3)가 삽입되어 위치되는 작업홀(33)의 둘레로 배치되되, 본 발명의 바람직한 실시예와 같이 가열 효율을 저하시키지 않는 범위내에서 관통공을 형성하여 샤프트(3) 전체 둘레로 냉각 유체의 분사가 이루어지도록 한다.
구동부(50)는 열처리 지그(30)가 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 한다. 또한, 본 실시예에서 열처리부(16)의 열처리 지그(30)에는 도 4에서 보는 바와 같이, 외부로부터 공급되는 냉각 유체를 상기 샤프트(3)로 분사되도록 하는 분사 노즐(36)이 설치되어 고주파 열처리 공정이 완료된 후, 열처리 지그(30)에서 냉각 공정이 진행되도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치에서 열처리부의 열처리 지그를 설명하기 위한 사시도이고, 도 6은 도 5에서 보인 열처리 지그의 저면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치(10)에서 열처리 지그(30)는 지지판(32), 유도 코일(34)과 분사 노즐(36)로 이루어진다. 본 실시예에서 분사 노즐(36)은 작업홀(33)의 둘레로 분사 헤드가 균일하게 배치되어 냉각 유체가 샤프트(3)의 둘레로 균일하게 분사되도록 하였다. 이와 같은 열처리 지그(30)는 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 하는 구동부(50)에 의해 작동된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
1 : 피가공물 2 : 피열처리부
3 : 샤프트
10 : 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치
12 : 회전부 13 : 공급부
14 : 센싱부 16 : 열처리부
17 : 취출부 20 : 회전판
24 : 고정 지그 30 : 열처리 지그
33 : 작업홀 34 : 유도 코일
36 : 분사 노즐 50 : 구동부

Claims (4)

  1. 정해진 각도로 회전되는 회전판(20) 상에 피가공물(1)의 피열처리부(2)가 안착되는 고정 지그(24)가 동일 반경에서 정해진 간격으로 설치되는 회전부(12)와;
    상기 회전부(12)의 둘레로 배치되어 상기 피가공물(1)이 상기 고정 지그(24)에 안착되도록 로딩시키는 공급부(13)와;
    상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 공급부(13) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)의 샤프트(3)에 고주파 열처리 공정을 진행하는 열처리부(16) 및;
    상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 열처리부(16) 다음에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 놓인 상기 피가공물(1)을 상기 고정 지그(24)로부터 언로딩시키는 취출부(17)를 포함하되;
    상기 열처리부(16)는 상기 샤프트(3)가 통과되는 작업홀(33)이 형성되고, 상기 작업홀(33)의 둘레로 고주파 코일(34)이 배치되도록 형성되는 열처리 지그(30) 및,
    상기 열처리 지그(30)가 상기 샤프트(3)와 평행하게 상하움직이도록 하는 구동부(50)를 구비하고,
    상기 회전부(12)의 둘레로 배치되되 상기 공급부(13)와 열처리부(16) 사이에 위치되어 상기 고정 지그(24)에 상기 피가공물(1)를 검출하는 센싱부(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트를 갖는 부품의 고주파 열처리 장치.
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