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夹具设计实例
6.5基本夹紧机构
不论采用何种力源(手动或机动)形式,一切外力都要转化为夹紧力,这一转化过程都不得
是通过夹紧机构实现的。
因此夹紧机构是夹紧装置中的一个重要组成部分。
在各种夹紧机构
中,起基本夹紧作用的,多为斜楔、螺旋、偏心、杠杆、薄壁弹性元件等夹具元件,而其中以斜楔、螺旋、偏心以及由它们组合而成的夹紧装置应用最为普遍。
6.5.1斜楔夹紧机构
1•作用原理
A^A
JL郴
(a)
图6-38手动斜楔夹紧机构
1—斜楔2—工件3—夹具体
图6-38为一种斜楔夹紧机构。
需要在工件上钻削互相垂直的$8mm与$5mm小孔,工件装
入夹具后,在夹具体上定位后,锤击楔块大头,则楔块对工件产生夹紧力和对夹具体产生正压力,从而把工件楔紧。
加工完毕后锤击楔块小头即可松开工件。
由此可见,斜楔主要是利用其斜面的移动和所产生的压力来夹紧工件的,即楔紧作用。
2.夹紧力的计算
斜楔夹紧时的受力情况如图6-39(a)所示,斜楔受外力为Fq,产生的夹紧力为Fw
,按斜楔受力的平衡条件,可推导出斜楔夹紧机构的夹紧力计算公式:
39图
a)夹紧受力图(b)自锁受力图
图6-39斜楔的受力分析
式中:
F夹紧力,单位为N;
Fq――作用力,单位为N;
©1、©2分别为斜楔与支承面及与工件受压面间的摩擦角,常取©1=2=50〜8
0;
a—斜楔的斜角,常取a=60〜100。
3.斜楔的自锁条件
图6-39(b)所示,当作用力消失后,斜楔仍能夹紧工件而不会自行退出。
根据力的平衡条件,可推导出自锁条件:
一般钢铁的摩擦系数卩=0.1〜0.15。
摩擦角©=arctan(0.1〜0.15)=5°43'〜
8°32',故a<11°〜17°。
但考虑到斜楔的实际工作条件,为自锁可靠起见,取a=
6°〜8°。
当a=6°时,tana〜0•仁
因此斜楔机构的斜度一般取1:
10。
4.斜楔机构的结构特点
(1)斜楔机构具有自锁的特性当斜楔的斜角小于斜楔与工件以及斜楔与夹具体之间的摩擦角之和时,满足斜楔的自锁条件。
(2)斜楔机构具有增力特性
斜楔的夹紧力与原始作用力之比称为增力比
iF(或称为增力系数)。
即:
当不考虑摩擦影时,
,此时a愈小,增力作用愈大。
(3)斜楔机构的夹紧行程小
工件所要求的夹紧行程h与斜楔相应移动的距离s之比称为行程比is
故斜楔理想增力倍数等于夹紧行程的缩小倍数。
因此,选择升角a时,必须同时考虑增力
比和夹紧行程两方面的问题。
(4)斜楔机构可以改变夹紧力作用方向
由图6-39可知,当对斜楔机构外加一个水平方向的作用力时,将产生一个垂直方向的夹紧力。
5.适用范围
由于手动斜楔夹紧机构在夹紧工件时,费时费力,效率极低所以很少使用。
因其夹紧行程较
小,因此对工件的夹紧尺寸(工件承受夹紧力的定位基准至其受压面间的尺寸)的偏差要求
很高,否则将会产生夹不着或无法夹紧的状况。
因此,斜楔夹紧机构主要用于机动夹紧机构
中,且毛坯的质量要求很高。
6.5.2螺旋夹紧机构
螺旋夹紧机构螺钉、螺母、螺栓或螺杆等带有螺旋的结构件与垫圈、压板或压块等组成。
他不仅结构简单、制造方便,而且由于缠绕在螺钉面上的螺旋线很长,升角小。
所以螺旋夹紧机构的自锁性能好,夹紧力和夹紧行程都较大,是目前应用较多的一种夹紧机构。
1•作用原理
螺旋夹紧机构中所用的螺旋,实际上相当于把斜楔绕在圆面积柱体上,因此,其作用原理与
斜楔是一样的。
只不过是这时通过转动螺旋,使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化,而产生夹紧力来夹紧工件。
2.结构特点
40图
图6-40典型螺旋压板机构
螺旋夹紧机构的结构形式很多,但从夹紧方式来分,可分为单个螺栓夹紧机构和螺旋村板夹紧机构两种。
图6-40(a)为压板夹紧形式,图6-40(b)为螺栓直接夹紧形式,在夹紧机构中,螺旋压板的使用是很普遍的。
图6-41为最简单的单个螺栓夹紧机构。
图6-41(a)为直接用螺钉压在工件表面,易损伤
工件表面;图6-41(b)为典型的螺栓夹紧机构,在螺栓头部装有摆动压块,可以防止螺钉转动损伤工件表面或带动工件旋转。
典型压块的如图6-42所示。
图6-42(a)为光面压块,
用于用于压紧已加工过的表面;图6-42(b)为槽面压块,用于未加工过的毛坯表面;图6-42
(c)为球面压块,可自动调心。
压紧螺钉及压块已标准化,可查阅相关手册。
图6-41单个螺旋夹紧机构
图6-42摆动压块
螺旋夹紧机构中,螺旋升角a<4°,因此自锁性能好,能耐振动。
由于螺旋相当于长斜楔
绕在圆柱体上,所以夹紧行程不受限制,可以任意加大,不会使机构增大。
设计螺旋夹紧机构时应根据所需的夹紧力的大小选择合适的螺纹直径。
3.适用范围由于螺旋夹紧机构结构简单、制造方便,增力比大,夹紧行程不受限制,所以在手动夹紧机构中应用广泛。
但其夹紧动作慢、辅助时间长,效率低。
为了克服螺旋夹动作紧慢,效率缺点,出现了各种快速夹紧机构。
如图6-43所示。
输入法
6-43(a)中,在螺母一方的增加开口垫圈,螺母的外径小于工件内孔直径,只要稍微放松螺母,即可抽出垫圈,工件便可螺母取出。
图6-43(b)为快卸螺母,螺母孔内钻有光孔,
其孔径略大于螺纹的外径,螺母斜向沿光孔套入螺杆,然后将螺母摆正,使螺母的螺纹与螺杆啮合,再拧动螺母,便可夹紧工件。
但螺母的螺纹部分被切去一部分,因此啮合部分减小,夹紧力不能太大。
图6-43快速螺旋夹紧机构
6.6.3偏心夹紧机构用偏心元件直接夹紧或与其它元件组合而实现对工件的夹紧机构称为偏心夹紧机构,它是利
用转动中心与几何中心偏移的圆盘或轴等为夹紧元件。
图6-40所示为常见的各种偏心夹紧机构,其中图6-40(a)是偏心轮和螺栓压板的组合夹紧机构;图6-40(b)是利用偏心轴夹紧工件的。
图6-44偏心夹紧机构实例
1.偏心夹紧的工作特性
图6-45圆偏心特性及工作段
如图6-45(a)所示的圆偏心轮,其直径为D,偏心距为e,由于其几何中心C和回转
中心O不重合,当顺时针方向转动手柄时,就相当于一个弧形楔卡紧在转轴和工件受压表
面之间而产生夹紧作用。
将弧形楔展开,则得如图6-45(b)所示的曲线斜楔,曲线上任意
一点的切线和水平线的夹角即为该点的升角。
设ax为任意夹紧点X处的升角,其值可
由△OxC中求得:
升角a为最大值,此时:
因a很小,故取amax~2e/D。
当$x继续增大时,ax将随着$x的增大而减小,$x=1800,即n点处,此处的
an=00。
偏心轮的这一特性很重要,因为它与工作段的选择,自锁性能,夹紧力的计算以及主要结构尺寸的确定关系极大。
2.偏心轮工作段的选择从理论上讲,偏心轮下半部整个轮廓曲线上的任何一点都可以用来做夹紧点,相当于偏心轮
转过1800,夹紧的总行程为2e,但实际上为防止松夹和咬死,常取P点左右圆周上的1/6〜1/4圆弧,即相当于偏心轮转角为600〜900的范围所对应的圆弧为工作段。
如图
6-45(C)所示的AB弧段。
由图6-45(c)可知,该段近似为直线,工作段上任意点的
升角变化不大,几乎近于常数,可以获得比较稳定的自锁性能。
因而,在实际工作中,多按这种情况来设计偏心轮。
3.偏心轮夹紧的自锁条件使用偏心夹紧时,必须保证自锁,否则将不能使用。
要保证偏心轮夹紧时的自锁性能,和前述斜楔夹紧机构相同,应满足下列条件
amaxW计$2
式中amax――偏心轮工作段的最大升角;
$1――偏心轮与工件之间的摩擦角;
$2——偏心轮转角处的摩擦角。
因为ap=amax,tanap 为可靠起见,不考虑转轴处的摩擦,又tan$1=卩1,故得偏心轮夹紧点自锁时的外径D和偏心量e的关 系: 2e/Dw卩1 当卩1=0.10时, D/e> 20; 1=0.15时,D/e》14 称D/e之值为偏心率或偏心特性。 按上述关系设计偏心轮时,应按已知的摩擦系数和需要的工作行程定出偏心量e及偏心轮的直径D。 一般摩擦系数取较小的值,以使偏心轮的自 锁更可靠。 4.适用范围偏心夹紧机构的特点是结构简单、动作迅速,但它的夹紧行程受偏心距e的限制,夹紧力较小,故一般用于工件被夹压表面的尺寸变化较小和切削过程中振动不大的场合,多用于小型工件的夹具中。 对于受压面的表面质量有一定的要求,受压面的位置新变化也要较小。 6.4夹紧机构原理 6.4.1对夹紧装置的基本要求机械加工过程中,为保持工件定位时所确定的正确加工位置,防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动,机床夹具应设有夹紧装置,将工件压紧夹牢。 夹紧装置是否合理、可靠及安全,对工件加工的精度、生产率和工人的劳动条件有着重大的影响,因此,夹紧机构应满足下面要求: 1.夹紧过程中,必须保证定位准确可靠,而不破坏原有的定位。 2.夹紧力的大小要可靠、适应,既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小,又要使工件不产生过大的夹紧变形。 3.夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产类型相适应,在保证生产效率的前提下,其结构要力求简单,工艺性好,便于制造和维修。 4.夹紧装置应具有良好的自锁性能,以保证在源动力波动或消失后,仍能保持夹紧状态。 5.夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。 6.4.2夹紧装置的组成 1.力源装置产生夹紧作用力的装置称为力源装置。 常用的力源有人力和动力。 力源来自人力的称为手动夹紧装置;力源来自气压、液压、电力等动力的称为动力传动装置。 如图 6-30所示为气压传动装置。 图6-30气动铣床夹具 1-配气阀2-管道3-气缸4-活塞 5-活塞杆6-单铰链连杆7-压板 2.夹紧部分接受和传递原始作用力使之变为夹紧力并执行夹紧任务的部分。 一般由下列元件或机构组成。 (1)夹紧元件是实现夹紧作用的最终执行元件。 如各种螺钉、压板等。 (2)中间递力机构通过它将力源产生的夹紧力传给夹紧元件,然后由夹紧元件最终完成对工件的夹紧。 一般中间递力机构可以在传递夹紧力的过程中,改变夹紧力的方向和大小,保证夹紧机构的工作安全可靠,并具有一定的自锁性能。 如图6-30中的单铰链连杆6作为中间递力机构,当利用螺钉直接夹紧工件时,就没有中间递力元件。 (3)夹紧机构是指手动夹紧时所使用的,由中间递力机构和夹紧装置组成,如手柄、 6-31所示。 螺母、压板等。 以上各部分之间的关系,可用框图表示,如图 图6-31夹紧装置组成框图 6.4.3夹紧力的确定原则确定夹紧力必须从力的三要素考虑,即力的大小、方向和作用点。 它是一个综合性问题,必须结合工件的形状、尺寸、重量和加工要求,定位元件的结构及其分布方式,切削条件及切削力的大小等具体情况来确定。 1.夹紧力方向的确定原则夹紧力的作用方向不仅影响加工精度,而且还影响夹紧的实际效果。 具体应考虑如下几点: (1)夹紧力的作用方向应保证定位准确可靠,而不破坏工件的原有定位精度工件在夹紧力作用下,应确保其定位基面贴在定位元件的工作表面上。 为此要求主夹紧力的方向应指向主要定位基准面,其余夹紧力方向应指向工件的定位支承。 如图6-32所示,在角铁形工件上镗孔。 加工要求孔中心线垂直A面,因此应以A面为主要定位基面,并使夹紧力垂直于A面,如图6-32(a)所示。 但若使夹紧力指向B面,如图6-32(b)所示,则由于A与B面间存在垂直度误差,就无法满足加工要求。 当夹紧力垂直指向A面有困难而必须指向B面时,则必须提高A与B面间的垂直度精度。 图6-32夹紧力垂直指向主要定位支承表面示例 (2)夹紧力的作用方向应使工件的夹紧变形尽量小 如图6-33所示为加工薄壁套筒,由于工件的径向刚度很差,用图6-33(a)的径向夹紧方式将产生过大的夹紧变形。 若改用图6-33(b)的轴向夹紧方式,则可减少夹紧变形,保 证工件的加工精度。 图6-33夹紧力的作用方向对工件变形的影响 (3)夹紧力作用方向应使所需夹紧力尽可能小 如图6-34所示为夹紧力Fw工件重力G和切削力F三者关系的几种典型情况。 为了安装方便及减少夹紧力,应使主要定位支承表面处于水平朝上位置。 如图6-34(a)、6-34(b) 所示工件安装既方便又稳定,特别是图6-34(a),其切削力F与工件重力G均朝向主 要支承表面,与夹紧力Fw方向相同,因而所需夹紧力为最小。 此时的夹紧力Fw只要防止工件加工时的转动及振动即可。 图6-34(c)、6-34(d)、6-34(e)、6-34(f)所示的情况就较差,特别是6-34(d)所示情况所需夹紧力为最大,一般应尽量避免。 2.选择夹紧力作用点的原则 夹紧力作用点的位置、数目及布局同样应遵循保证工件夹紧稳定、可靠、不破坏工件原来的 定位以及夹紧变形尽量小的原则,具体应考虑如下几点: (1)夹紧力作用点应能保持工件定位稳固而不至引起工件发生位移或偏转。 根据这一原则,夹紧力作用点必须作用在定位元件的支承表面上或作用在几个定位元件所形成的稳定受力区域内。 如图6-35(b)的作用点,会使原定位受到破坏。 图6-35作用点与定位支承的位置关系 (2)夹紧力作用点应使夹紧变形尽量小夹紧力应作用在工件刚性好的部位上。 对于壁薄易变形的工件,应采用多点夹紧或使夹紧力均匀分布,以减少工件的夹紧变形。 如图6-36(a)、(b)为合理方案。 如采用图6-36(c)、 图6-36(d)的夹紧方案,将使工件产生变形。 图6-36作用点应在工件刚度好的部位 (3)夹紧力的作用点应保证定位稳定、夹紧可靠。 夹紧力的作用点应尽可能靠近被加工表面,以提高定位的稳定性和夹紧的可靠性。 如图6-37所示。 有的工件由于结构形状所限,加工表面与夹紧力作用点较远且刚性又较差时,应在加工表面附近增加辅助支承及对应的附加夹紧力。 如图6-37(c)所示,在加工表面附近增加了辅助支承,而Fw1为对应的附加夹紧力。 图3-37作用点应靠近工件加工部位 3.夹紧力大小的确定原则当夹紧力的方向和作用点确定后,就应计算所需夹紧力的大小。 夹紧力的大小直接影响夹具使用的安全性、可靠性。 夹紧力过小,则夹紧不稳固,在加工过程中工件仍会发生位移而破坏定位。 结果,轻则影响加工质量,重则千万安全事故。 夹紧力过大,无必要,反而增加夹紧变形,对加工质量不利,同时夹紧机构的尺寸也会相应加大。 所以夹紧力的大小应适当。 在实际设计工作中,夹紧力的大小可根据同类夹具的实际使用情况,用类比法进行经验估计,也可用分析计算方法近似估算。 分析计算法,通常是将夹具和工件视为刚性系统,找出在加工过程中,对夹紧最不利的瞬时状态。 根据该状态下的工件所受的主要外力即切削力和理论夹紧力(大型工件要考虑工件的 重力,调整运动下的工件要考虑离心力或惯性力),按静力平衡条件解出所需理论夹紧力, 再乘以安全系数作为实际所需夹紧力,以确保安全。 即: Fsw=KFw 式中Fsw――所需实际夹紧力,单位为N; Fw――按静力平衡条件解出的所需理论夹紧力,单位为N; K――安全系数,根据经验一般粗加工时取2.5〜3;精加工时取1.5〜2。 实际所需夹紧力的具体计算方法可参照机床夹具设计手册等资料。 6.2工件定位方法及定位元件 在设计零件的机械加工工艺规程时,工艺人员根据加工要求已经选择了各工序的定位基准和确定了各定位基准应当限制的自由度,并将它们标注在工序简图或其它工艺文件上。 夹具设计的任务首先是选择和设计相应的定位元件来实现上述定位方案。 为了分析问题的方便,引入“定位基面“的概念。 当工件以回转表面(如孔、外圆等)定位时,称它的轴线为定位基准,而回转表面本身则称为定位基面。 与之相对应,定位元件上与定位基面相配合(或接触)的表面称为限位基面,它的理论轴线则称为限位基准。 如工件以圆孔在心轴上定位时,工件内孔称为定位基面,其轴线称为定位基准。 与之相对应,心轴外圆表面称为限位基面,其轴线称为限位基准。 工件以平面定位时,其定位基面与定位基准,限位基面和限位基准则是完全一致的。 工件在夹具上定位时,理论上定位基准与限位基准应该重合,定位基面与限位基面应该接触。 6.2.1工件以平面定位 1.主要支承主要支承用来限制工件的自由度,起定位作用。 (1)固定支承固定支承有支承钉(GB/T2226-91)和支承板(GB/T2236-91)两种型式。 如图6-4、6-5所示。 在使用过程中,它们都是固定不动的。 图6-4支承钉(GB/T2226-91) 图6-5支承板(GB/T2236-91) A型支承钉是标准平面支承钉,常用于已经加工后的表面定位;当定位基准面是粗糙不平的毛坯表面时,应采用B型球头支承钉,使其与粗糙表面接触良好;C型所示齿纹型支承钉常用于侧面定位,它能增大摩擦系数,防止工件受力后滑动。 大中型工件以精基准面定位时,多采用支承板定位,可使接触面增大,避免压伤基准面,减少支承的磨损。 A型支承板,结构简单,便于制造。 但沉头螺钉处的积屑难于清除,宜作侧面或顶面支承;B型是带斜槽的支承板,因易于清除切屑和容纳切屑,宜作底面支承,常用于以推拉方式装卸工件的夹具和自动线夹具。 支承钉、支承板均已标准化,其公差配合、材料、热处理等可查阅机床夹具零件及部件国家标准。 工件以平面定位时,除采用上面介绍的标准支承钉和支承板之外,还可根据工件定位平面的具体形状设计相应的支承板,工件批量不大时,也可直接以夹具体作为限位平面。 (2)可调节支承(GB/T2227-91-GB/T2230-90)在工件定位过程中,支承钉的高度需要调整时,采用图6-12所示的可调支承。 图6-7(a)中工件为砂型铸件,加工过程中,一般先铳B面,再以B面为基准镗双孔。 图6-7可调节支承的应用 为了保证镗孔工序有足够和均匀的余量,最好先以毛坯孔为粗基准,但装夹不太方便。 此时可将A面置于调节支承上,通过调整调节支承的高度来保证B面与两毛坯中心的距离尺 寸H1、H2,对于毛坯尺寸比较准确的小型工件,有时每批仅调整一次,这样对于一批工件来说,调节支承即相当于固定支承。 在同一夹具上加工形状相似而尺寸不等的工件时,也常采用调节支承。 如图6-7(b)所示, 在轴上钻径向孔。 对于孔至端面的距离不等的几种工件,只要调整支承钉的伸出长度,该夹具便都可适用。 (3)浮动支承(自位支承)在工件定位过程中,能自动调整位置的支承称为浮动支承。 浮动支承的结构如图6-8所示,它们与工件的接触点数虽然是二点或三点或更多点,但仍只限制工件的一个自由度。 浮动支承点的位置随工件定位基准面的变化而自动调节,当基面 有误差时,压下其中一点,其余各点即上升,直到全部接触为止。 由于增加了接触点数, 图6-8浮动支承 可提高工件的安装刚性和定位的稳定性,但夹具结构较复杂。 浮动支承适用于工件以毛坯定位或刚性不足的场合。 2.辅助支承生产中,由于工件形状以及夹紧力、切削力、工件重力等原因可能使工件在定位后还产生变形或定位不稳定。 常需要设置辅助支承。 辅助支承是用来提高工件的支承刚度和稳定性的,起辅助作用,决不允许破坏主要支承的主要定位作用。 图6-9为几种常用 的辅助结构。 图6-9辅助支承 各种辅助支承在每次卸下工件后,必须松开,装上工件后再调整和锁紧。 由于采用辅助支承会使夹具结构复杂,操作时间增加,因此当定位基准面精度较高,允许重复定位时,往往用增加固定支承的方法增加支承刚度。 6.2.2工件以内孔表面定位 在生产中常常遇到套筒、盘盖类零件,加工时是以内孔为定位基准的。 工件以内孔定位是一种中心定位。 定位面为圆柱孔,定位基准为中心轴线,通常要求内孔基准面有较高的精度。 工件中心定位的方法是用定位销或心轴等与孔的配合实现的。 有时采用自动定心定位。 粗基准很少采用内孔定位。 1.圆柱销(定位销) 定位销可分为固定式和可换式两种。 图6-10(a)(b)(c)为固定式定位销,固定式定位销 是直接用过盈配合装在夹具体上。 图6-10(d)为可换式定位销。 当定位销直径D为3〜10mm时,为增加刚性避免使用中折断或热处理时淬裂,通常把 图6-10定位销 部倒成圆角R。 夹具体上应设有沉孔,使定位销的圆角部分沉入孔内而不影响定位。 在大量生产时,工件更换频繁,定位销易于磨损丧失定位精度,需要定期更换,可采用图6-10(d)所示的快换式定位销,衬套外径与夹具体为过渡配合,衬套内径与圆柱销为间隙配合,此两者存在的定位间隙会影响定位精度。 但这种方式可就地更换定位销,快速方便。 为便于工件装入,定位销的头部有150倒角。 定位销的有关参数可查阅有关国家标准。 2.定位心轴 图6-11常用定位心轴结构 图6-17为常用定位心轴的结构形式。 图6-11(a)为间隙配合心轴。 心轴的基本尺寸取工 件孔的最小极限尺寸,公差一般按h6、g6或f7制造,这种心轴装卸工件方便,但定心精 度不高。 加工中为能带动工件旋转,工件常以孔和端面联合定位,因而要求工件定位孔与定位端面之间、心轴限位圆柱面与限位端面之间都有较高的垂直度,最好能在一次装夹中加工出来。 图6-11(b)为过盈配合心轴,由引导部分、工作部分、传动部分组成。 弓I导部分3的作用 是使工件迅速而准确地套入心轴,其直径D3 的基本尺寸取孔径的最小值,公差按e8制造,其长度约为工件定位孔长度的一半。 工作部分2的直径的基本尺寸取孔径的最大值,公差按r6制造。 当工件定位孔的长度与直径之 比L/D>1时,心轴的工作部分应稍带锥度,直径D2取基准孔直径的最小值,公差按h6 确定;D1取基准孔直径的最大值,公差按r6确定。 这种心轴制造简单,定心精度高,不用另设夹紧装置,但装卸工件不方便,易损伤定位孔。 多用于定心精度要求高的精加工。 图6-11(c)是花键心轴,用于加工以花键孔定位的工件。 当工件的定位孔长度L/D>1时, 工作部分可稍带锥度。 设计花键心轴时,应根据工件的不同定心方式来确定心轴的结构,其配合可参考上述两种心轴 图6-11(d)为锥度心轴(小锥度心轴),工件在小锥度心轴上定位,并靠工件定位圆孔与心 轴限位圆锥面的弹性变形夹紧工件。 这种定位方式的定心精度较高,同轴度可达$0.01 00.02mm但工件的轴向位移较大,不适于轴向定距加工,广泛适用于短小工件高精度定心
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