模具设计材料成型毕业设计说明书.docx
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模具设计材料成型毕业设计说明书
1模具设计概论
塑料是20世纪才发展起来的新材料,目前世界上塑料的体积产量已经赶上和超过了钢材,成为当前人类使用的一大类材料。
我国的塑料工业正在飞速发展,塑料制品的应用已深入到国民经济的各个部门。
塑料工程通常是指塑料制造与改性,塑料成型与制品加工。
塑料制品与模具设计是塑料工程中的重要部分,是塑料工业中不可少的环节。
模具是工业生产的重要工艺装备,它被用来成型具有一定形状和尺寸的各种制品。
在各种材料加工工业中广泛地使用着各种模具,如金属制品成型的压铸模,锻压模,浇铸模,非金属模制品成型的玻璃模,陶瓷模,塑料模等。
采用模具生产制件具有生产效率高,质量好,切削少,节约能源和原材料,成本低等一系列优点,模具成型已成为当代工业生产的重要手段,成为多种成型工艺中最具有潜力的发展方向。
模具是机械,电子等行业的基础工业,它对国民经济和社会的发展起着越来越大的作用。
一个国家模具生产能力的强弱,水平的高低,直接影响着许多工业部门的新产品开发和老产品更新换代,影响着产品质量和经济效益的提高。
我国为了优先发展模具工业,制订了一系列优惠政策,并把它放在国民经济发展十分重要的战略地位。
对塑料模具的全面要求就是能高效地生产出外观和性能均符合使用要求的制品。
塑料成型模具是成型塑料制品的工具。
塑料成型模具应能生产并满足给定的形状、尺寸、外观和内在性能要求的制品。
要求模具能被高效率的应用,且操作简便,并达到自动化水平。
要求模具有合理的结构,制造容易且成本低廉。
也要求模具有足够的使用寿命。
近年来塑料成型模具的产量和水平发展十分迅速,高效率,自动化,大型,精密,长寿命模具总产量中所占比例越来越大,在各种塑料模具中来看,注射模具在生产中占的比例是最大的,在生产中起着重要的作用。
注射成型模具是塑料先加在注塑机的加热料筒内,塑料受热熔融后,在注射机的螺杆式活塞推动下,经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔,塑料在模具型腔内固化定型,这就是注塑成型的简单过程。
注塑成型所用的模具叫注塑模具。
注塑模具主要用于热塑性塑料制品的成型,但是近几年来也越来越多的用于热固性塑料成型。
注塑成型在塑料制件成型中占有很大的比重,世界塑料成型模具产量中的约半数以上为注塑模具。
在这次设计中充分运用了所学的专业知识,将所学的知识运用到实践中来,在设计的塑料件也是利用注射模具来成型的,本套设计说明书主要放在塑件结构和模具设计这一环节,如注射机的选择和校核、分型面的选择、模具的结构设计、分流道的设计、浇注系统和冷却系统的设计等方面。
在设计过程中主要用到的设计软件有AutoCAD。
根据三维造型通过AutoCAD来设计注射模具。
在设计的过程中由于经验不足,难免会出现错误,敬请原谅,并给出指正。
2 产品工艺性分析
2.1产品材料分析
2.1.1塑件形状分析
此塑件结构比较简单,外观光滑,只是制品的凹槽涉及到的脱模必须是斜销和弹簧协助拉料顶出,塑件上有两条槽
图2-1
2.1.2材料分析
材料选用PE,是聚乙烯的简写,是由乙烯聚合而成的的聚合物,作为塑料使用时,其平均相对分子质量要在1万以上。
根据聚合物条件不同,实际平均相对分子质量可从1万到几百万不等。
生成的PE乙烯单体大部分是由石油裂解得到
聚乙烯是树脂中分子结构最简单的一种,它原料来源丰富,价格较低,具有优异的电绝缘性和化学稳定性,易于成型加工,并且品种较多,可满足不同性能要求,因此它从问世以来发展很快,是目前产量最大的树脂品种,用途极广泛
PE材料的性能特点:
质软,机械性能差,表面硬度低,化学稳定性好,但不耐强氧化剂,耐水性好
PE的成型特点:
成型前不可预热,收缩大,易变形,冷却时间长,成型效率不高,塑件有浅侧凹可强制脱模
PE材料在模具设计时应注意的事项:
浇注系统应尽快保证充型,须设系统,使用温度一般为<800C
PE材料的品种多,根据塑件的要求及特点,我们选用低密度聚乙烯来作为注塑材料
PE材料的品种很多,在此低密度聚乙烯(LDPE)作为塑件的注塑材料。
LDPE是在高温和特别高的压力下通过典型的自由基聚合过程得到的。
早在20世纪40年代初,LDPE已用于电线包覆,是PE家族中最早出现的产品。
LDPE综合了许多优良的性能,如透明性、封合性、易于加工,是当今聚合物工业中应用最广泛的材料之一。
LDPE通常可采用管式和釜式反应器两种生产工艺制备,聚合时压力为(150~350)Mpa,聚合温度在150~260℃之间,并加入适量的引发剂。
与其他工艺过程得到的线性PE不同,高压自由基聚合历程易发生链转移,得到的聚合物存在大量的支链结构,这种结构使LDPE具有透明、柔顺,易于挤出等特定性能。
通过控制平均相对分子质量(MW)、结晶度和相对分子质量分布(MWD),可以是LDPE树脂获得多种应用。
聚合物的平均相对分子质量是用组成聚合物的所有分子链的平均尺寸来表达的,为方便起见,在塑料工业中采用熔体流动速率(MFR)作为平均相对分子质量的量度,MFR的单位为g/10min,MFR的值与平均相对分子质量的大小成反比。
LDPE的结晶度与树脂中的短支链的含量有关,结晶度通常为30%~40%,结晶度的提高是LDPE的刚性、耐化学药品性、阻隔性、拉伸强度和耐热性增加。
而冲击强度、撕裂强度和耐应力开裂性能降低。
2.1.3塑件正投影面积,体积及质量计算
根据塑件,可算出体积及质量
图2-2
如图2-2所示,可把塑件分成几个部分来计算,具体计算如下:
塑件有2个槽,把相对的两个槽合起来计算就相当与计算一个圆住的体积根据图纸可以知道塑件的体积等于上端长方体的体积加上下端长方体的体积减掉凸模所形成的凹槽再减掉一个圆柱的体积:
设:
上端长方体的体积为V上则
V上=18x1.7x70=2142mm3
下端长方体的体积为V下
V下=15x67x(7.7-1.7)=6030mm3
凹槽的体积V凹=(15x1.7x2)x(7.7-1.7)x(67-1.7x2)
=4426.56mm3
根据图中所示,可设一个圆柱的长为L1=64mm体积为V1
V1=πr²L1=3.14x0.62x64=7.2345mm3
V总=2142+(6030-4426.56)-8.59=3746.49mm3
因为PE材料选用的是底密度乙烯,所以密度ρ=0.91g/cm³
m总=3746.49x10-3x0.91=3.4g
2.2塑件结构和尺寸精度分析
塑件结构工艺性,直接关系到其成形模具结构、类型、生产周期与成本。
只有符合模塑工艺要求塑件设计,才能顺利成形,确保内在与外观质量,达到高效率生产和低成本的目地。
2.2.1塑件视图
图2-3
2.2.2脱模斜度
由于制品在冷却后产生收缩,会紧紧包住型心或行腔突出的部分,为了使制件能够顺利从模具中取出或者脱模,必须对塑件的设计提出脱模斜度的要求,要求在塑件设计时或者在模具设计时给予充分的考虑,设计出脱模斜度。
目前并没有精确的计算公式,只能靠前人总结的经验资料。
塑件的脱模斜度与塑料的品种,制件形状以及模具结构均有关,一般情况下取0.5度,最小为15分到20分。
下表为常用的脱模斜度:
表2-1几种塑料的常用脱模斜度
制品斜度
聚酰胺
通用
聚酰胺
增强
聚乙稀
聚甲基丙稀酸甲脂
聚丙烯
聚碳酸脂
ABS塑料
脱模
斜度
型腔
20´-40´
20´-50´
20´-45´
20´-40´
25´-45´´
35´-1º
35´-1º30´´
型心
25´-40´
20´-40´
20´-45´
30´-1º
20´-45´
30´-50´
35´-1º
由于塑料制品的产品图可知,塑件四壁均有1º的自带斜度,此结构本身就在常用的脱模斜度范围内,此结构本身就有利于脱模,且此塑料制品的材料为ABS,故我们在脱模1º的自带斜度在经验的35´---1º30´和30´—1º之间,故无需另行设计。
2.2.3塑件壁厚
塑料制品应该有一定的厚度,这不仅是为了塑料制品本身在使用中有足够的强度和刚度,而且也是为了塑料在成型时有良好的流动状态。
塑件壁厚受使用要求、塑料材料性能、塑件几何尺寸以及成型工艺等众多因素的制约。
根据成型成型工艺的要求,应尽量使制件各部分壁厚均匀,避免有的部位太厚或者太薄,否则成型后会因收缩不均匀而使制品变形或产生缩孔,凹陷烧伤或者填充不足等缺陷。
热塑性塑料的壁厚应该控制在1mm—4mm之间。
太厚,会产生气泡和缺陷,同时也不易冷却。
由产品图可知,其形状较为规则,结构不太复杂:
从产品的壁厚上来看,壁厚最大处为2.0mm,最小处为1.0mm,壁厚较均匀,有利于零件的成型;为便于脱模,产品内表面设30′的脱模斜度,这里采用half模具,因此外表面不需设脱模斜度;该产品的孔边距约为2mm,符合要求。
2.2.4加强肋支撑面
为使塑件具有一定的强度和刚性,又不使塑料件截面壁太厚,而产生成型缺陷,行之有效的方法就是,在塑件结构允许的位置适当设置加强肋或者增设防止变形结构。
加强肋不仅可防止塑件变形,而且有利于改善塑件模塑成型的充模状况。
设置加强肋后,可能出现背部塌坑,但只要位置设置得当,壁厚合适,既可避免。
2.2.5圆角
塑件的边缘和边角带有圆角,可以增强塑件某部位或者整个塑件的机械强度从而改善成型时塑料在模腔内流动条件,也有利于塑件的顶出和脱模。
因此塑件除了使用上的要求采用尖角或者不能出现圆角外,应该尽量采用圆角特征。
塑件上采用还可以使模具成型零部件加强,排除成型零部件热处理或使用时可能产生的应力集中问题。
由塑件的产品图可知:
产品所有边缘均带有圆角特征,最大圆角特征R=1mm,最小圆角特征r=0.3mm
从理论分析,边缘圆角特征与塑件壁厚存在如下的关系:
图2-4
图2-5
p___外力负荷,T___厚度,R___圆角半径。
由于边缘修饰与张力集中图我们可知:
边缘圆角对塑件的影响,圆角应尽量使壁厚平滑过渡,使壁厚均匀一致,对于c03产品图季提供了圆角,考虑了塑件受应力的影响,和它的外观要求合乎模具设计和产品的要求,故而,即依据c03塑件产品图设计模具型芯和型腔,而不另行设计计算。
2.2.6尺寸精度分析
塑件的尺寸精度是指成型后所获得的塑件产品尺寸和图纸中尺寸的符合程度。
一般而言,塑件尺寸精度是取决于塑料因材质和工艺条件引起的塑料收缩率范围大小,模具制造精度、型腔型芯的磨损程度以及工艺控制因素。
而模具的某些结构特点又在相当大程度的影响塑件的尺寸精度。
故而,塑件的精度应尽量选择的低些。
对于本产品,图纸未注明尺寸精度,我们取IT10级精度。
IT8=0.72mm.
此值由下表查知:
表2-2精度等级选用推荐值:
类别
塑料品种
建议采用的等级
高精度一般精度低精度
1
PS
345
ABS
聚甲苯丙烯酸甲脂
PC
PSU聚砜
PF
氨基塑料
30%玻璃纤维增强塑料
2
聚酰胺6.666109.1010
456
氯化聚乙醚
PVC硬
3
POM
567
PP
PE低密度
4
PVC
678
PE高密度
由于没有规定制品尺寸精度,查表3-2取4-5级精度。
。
3模具结构设计
3.1总体方案拟订
对任何塑料件的模具设计都有一定的程序,首先要确定该塑件使用哪一种浇口形式,因为目前浇口的形式很多,并且用不同的浇口形式可以得到不同的塑件效果,得到的塑件表面质量也不同等,因此确定浇口形式也是至关重要的。
再就是要确定在塑件的什么地方进浇,对于这个问题我们都没有定论,只有借助PTC公司的PRO/E内的MOLDADVISOR模块来进行分析后再确定浇口位。
接着要确定一模几腔,只有把这些前期工作都做好之后才能够顺利的进行模具设计。
计算部分。
3.1.1型腔数目的确定
1)根据经济性:
n=[NYt/(60C1)]1/2
式中n--每副模具中型腔的数目
N--计划生产塑件的总量
Y--单位小时模具加工的费用
t--成型周期(min)
C1--每个型腔的模具加工费用(元)
2)根据锁模力:
n=[(Q/p)-A2]/A1
式中Q--注射机锁模力)(KN)
p--型腔内熔体的平均压力(Mpa)
A2--浇注系统在分型面上的投影面积
A1--每一个塑件在分型面上的投影面积
3)根据塑件的精度:
根据经验,在模具中每增加一个型腔,塑件的尺寸精度就要降低4%,由于没有规定制品尺寸精度,且产品较小,产量较大,所以选择采用一模一腔。
4)根基注射量:
n=(0.8G-m2)/m1
式中G--注射机的最大注射量(g)
m1--单个塑件的重量(g)
m2--浇注系统的重量(g)
根据产品需要,该塑件为一模一腔。
3.1.2型腔数目确定参数
型腔数目的确定主要参考以下几点来确定
(1)、根据经济性确定型腔数目:
根据总成型加工费用最小的原则,并忽略准备时间试生产原材料费用,仅考虑模具加工费和塑件成型加工费
(2)、根据注射机的额定锁模力确定型腔数目,当成型大型平板制件时常用这种方法
(3)、根据注射机的最大注射量确定型腔数目,根据经验,在磨具中每增加一个型腔,制品尺寸精度要降低4%,对于高精度制品,由于多型腔模具难以使各型腔的成型条件一致,故推荐型腔数目不超过4个
(4)、由于塑件的构造比较简单,只是四周多了两个槽,并可以使用限位杆来实行脱模,磨具本身的结构也很简单,塑件的质量也很轻,故可以用一模一腔注射成型
同时根据塑件体积v=3746.79mm³,初步确定注射机为SZ-40/32
注射机各参数如下:
项目SZ-40/32
结构形式立式
理论注射容量(cm³)40
螺杆直径(mm)24
注射压力(MPa)150
注射速率(g/s)
塑化能力(Kg/h)
螺杆转速(r/min)
锁模力(KN)320
拉杆内向距(mm)205
移模行程(mm)160
最大模具厚度(mm)160
最小模具厚度(mm)130
模具定位孔直径
模具定位孔直径(mm)
喷嘴球半径(mm)10
喷嘴口孔径(mm)
3.1.3型腔布局
注塑模的型腔数目,可以是一模一腔,也可以是一模多腔,在型腔数目的确定时主要考虑以下几个有关因素:
(1)塑件的尺寸精度;
(2)模具制造成本;
(3)注塑成型的生产效益;
(4)模具制造难度。
根据小批量生产要求,本模具采用一模一腔,塑件型腔位置设在模具偏中心处。
3.1.4分型面与排气系统设计
1、分型面选择:
选择分型面即是决定型腔空间在模内应占有的位置。
选择时应遵行如下原则:
1)、复合塑件脱模。
为使塑件能从模内取去,分型面的位置应设在塑件断面尺寸大的部位。
确保塑件质量。
分型面应不要选择在塑件光滑的外表面,避免影响外观质量;将塑件要求同轴度的
2)、有利于塑件脱模。
由于模具脱模机构通常只设在动模一侧,故选择分型面时应尽可能使开模后塑件留在动模一侧。
这对于自动化生产使用的模具尤其显得重要。
3)、考虑侧向轴拔距。
一般机械式抽芯机构的侧向拔距都较小,因此选择分型面时应将抽芯或分型距离长的方向置于动、定模的开合模方向上,而将短抽拔距做为侧向分型或抽芯。
并注意将侧抽芯放在动模边,避免定模抽芯。
4)、锁紧模具的要求。
侧向合模锁紧力较小,故对于投影面积较大的大型塑件,应将投影面积大的方向放在动、定模的合模方向上,而将投影面积小的方向作为侧向分型面。
5)、有利于排气。
当分型面作为主要排气渠道时,应将分型面设在塑料熔体的末端,以利于排气。
6)、模具零件易于加工。
选择分型面时,应使模具分割成便于加工的零件,以减小机械加工的困难。
根据以上分型面选择原则及塑件本身的特点,确定为一次分型(如图3-1)
图3-1
2、分型面的设计
分型面的设计在注射模的设计中占有相当重要的位置,分型面的设计可以对塑件的质量、模具的整体结构、工艺操作的难易程度及模具的制造等都有很大的影响。
分型面的设计原则:
1、分型面应选择在塑件外形的最大轮廓处。
2、分型面的选择应有利于塑件的留模及脱模。
3、保证塑件的精度要求。
4、满足塑件外观的要求。
5、便于模具的制造。
6、减小成型面积。
7、增强排气效果。
8、应使侧抽芯行程较短。
跟据该塑料制品的形状特点及以上原则,其分型面设计在塑件下端。
3.2成型零件的设计及计算
3.2.1成型零部件尺寸分析
成型零部件的设计计算主要指成型部分,与塑件接触部分的尺寸计算。
而对于塑件尺寸精度的影响因素主要有以下方面:
1)成型零部件的磨损其主要是塑料熔体在在成型行腔中的流动以及脱模时塑件与型腔或型心的摩擦,而一后者为主。
为简化设计计算,一般只考虑与塑件脱模方向平行的磨损量,对于垂直方向的不于考虑,而忽略不计。
中小形塑件我们取δc=1/6Δ。
2)成型零部件的制造误差成型零部件的制造包括成型零部件的加工误差和安装,配合误差两个方面,设计时一般将成型零部件的制造误差控制在塑件相应公差的1/3左右,δz=1/3Δ,通常取IT6—IT9级精度。
3)塑件的收缩率收缩率不仅是塑件的固有特性,而且与制品的结构,工艺条件等方面的因素有关。
生产中由于设计选取的计算收缩率与实际收缩率的差异,以及塑件成型工艺条件的波动,材料批号的变化而造成塑件收缩率的波动,由此导致塑件尺寸的变化值为:
δs=(Smax-Smin)*Ls
式中:
Smax________塑件的最大收缩率;
Smin_______塑件的最小收缩率;
Ls__________塑件的名义尺寸。
由上式可以看出,收缩率对塑件的尺寸影响较大,故而应认真对待。
4)配合间隙引起的误差δj比如:
采用活动型心时,由于型环的间隙配合,将引起塑件孔的位置误差或中心距误差等,为了满足以上因素对塑件造成的误差总和最小且小于塑件的公差值,必须满足以下条件:
δz+δc+δs+δj≤Δ
式中:
δz---------成型零部件的制造误差;
δc---------成型零部件的磨损量;
δs---------塑料的收缩率波动引起的塑件尺寸变化;
δj---------配合间隙引起的误差;
Δ---------塑件的公差。
3.2.2成型零件设计
由于成型零件直接与高温高压的塑料熔体接触,它必须有以下一些性能:
1:
必须具有足够的强度、刚度,以承受塑料熔体的高压,2:
有足够的硬度和耐磨性,以承受料流的摩擦和磨损。
通常进行热处理,使其硬度达到HRC40以上3:
对于成型会产生腐浊性气体的塑料还应选择耐腐浊的合金钢处理4:
材料的抛光性能好,表面应该光滑美观。
表面粗造度应在Ra0.4以下5:
切削加工性能好,热处理变形小,可淬性良好6:
熔焊性能要好,以便修理7:
成型部位应须有足够的尺寸精度。
孔类零件为H8~H10,轴类零件为h7~h10。
3.2.3型芯和成型杆设计
因为把手封条注塑模本身比较简单,只是塑件周边有凹槽,因此不容易脱模,为了便于脱模,把型芯和成型杆单独制作,然后将成型杆嵌入型芯中,使之成为型芯的一部分,并能单独做为顶杆,以便方便于和限位杆配合脱模
图3-2
确定型芯尺寸:
lm=[ls(1+s)+3/4△]0-δz
把ls=11.6,收缩率取s=0.009,精度等级系数取△=0.72,δz=△/3=0.24带入上式得:
lm=[11.6(1+0.009)+0.75x0.72]0-δz=12.20-0.24mm
型芯的工作高度尺寸:
hm=[hs(1+s)+2/3x△]0-δz
把hs=6,收缩率s=0.009,△=0.56,δz=△/3=0.18带入上式得
hm=[6x1.009+2/3x0.56]0-0.18=6.40-0.18mm
3.2.4凹模尺寸的计算
凹模用于成型塑件的外表面,按起结构的不同,可分为6种1:
整体式凹模2:
整体嵌入式凹模3:
局部镶嵌式凹模4:
大面积镶嵌式凹模5:
四壁拼合式凹模6:
拼块式凹模。
塑件本身比较简单,应根据塑件的结构和尺寸来确定凹模的尺寸和形状
1.径向尺寸计算:
Dm=[Ds(1+s)-3/4△]+δ0
把D1m=18D2m=15S=0.009,△=0.30δz=△/3=0.1
D1m=[18x1.009-0.75x0.3]0+0.1=17.940+0.1mm
D2m=[15x1.009-0.75x0.3]0+0.1=14.910+0.1mm
2.凹模套的高度尺寸:
Hm=[Hs(1+s)-2/3x△]+δz0
把H1m=7.7,H2m=1.7,H3m=6,s=0.009,△1=0.64,△2=0.42,△3=0.56,δz=△/3依次带入上式得:
H1m=[7.7x1.009-2/3x0.64]0+0.21=7.340+0.21mm
H2m=[1.7x1.009-2/3x0.42]0+0.42=1.440+0.21mm
H3m=[6x1.009-2/3x0.56]0+0.56=5.680+0.56mm
3.2.5凹模壁厚计算
在注射过程中,凹模套承受塑料熔体的高压作用,因此模具的凹模套应该有足够的强度。
凹模套强度不足将发生塑件变形,甚至破裂;刚度不足将产生过大弹性变形,导致凹模套向外膨胀,并产生溢料间隙。
型腔壁厚计算应以最大型腔压力为准。
一副模具要能正常生产,即不允许行腔强度不足,也不允许其刚度不足,因此行腔壁厚应该同时考虑其强度条件和刚度条件。
据分析,大尺寸行腔,刚度不足是主要矛盾,应按刚度计算,小尺寸行腔,在发生大的弹性变形前,其内应力已超过许用应力,因此强度不足是主要矛盾,应按强度计算
按刚度计算为:
S最小≥0.31L1(aPL1/EA[δ])1/3mm
E—模具材料的弹性模量(MPa),碳钢为2.1x105MPa
P—型腔压力,一般取25~45Mpa
型腔侧壁全高度mmL1—型腔长边长度mm
a—型腔侧壁受压高度mm
[δ]—刚度条件,即许用变形量(mm),由表3可查
[σ]—模具材料的许用应力(MPa),一般取1.8x103~2.2x103MPa
表3
粘度特性
塑料品种
[δ]值的许用范围(mm)
高粘度
PC、PPO、PSF、HPVC
0.06~0.08
低粘度
PA、PE、PP、POM
0.025~0.04
3.3浇注系统设计
流道设计包括主流道、冷料穴和分流道的设计。
3.3.1浇注系统的设计原则
浇注系统设计是注射模设计的一个重要环节,它对注射成型周期和塑件质量(如外观、物理性能、尺寸精度等)都有直接影响。
设计时须遵循如下原则:
1.结合型腔布局考虑,应注意以下三点:
1)尽可能采用平衡式布置,以便设置平衡式分流道。
2)型腔布置和浇口开设部位力求对称,防止模具承受偏载而产生溢料现象。
3)型腔排列要尽量可能紧凑,以减少模具外形尺寸。
2.热量及压力损失要小为此浇注系统流程应尽量短,断面尺寸尽可能大,尽量减少弯折,表面粗糙度要低。
3.确保均衡进料尽可能使塑料熔体在同一时间内进入各个型腔的深处及角落,即分流道尽可能采用平衡式布置。
4.塑料耗量要少在满足各型腔充满的前提下,浇注系统容积尽量要小,以减少塑料的耗量。
5.消除冷料浇注系统应能捕集温度较低的“冷料”,防止其进入型腔,影响塑件的质量。
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