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第二章主轴机构的调整与装配
主轴机构是机床的关键部件,它担负着机床的主要切削运动。
例如车床主轴直接带动关键旋转、镗床和铣床主轴直接带动刀具旋转,对工件进行切削加工。
由于主轴机构上直接安装刀具或工件,所以,机床主轴几个的精度对加工工件的精度和表面粗糙度产生直接影响。
下面我们着重讨论主轴机构的精度和典型主轴机构的装配方法。
第一节主轴机构的精度
机床装配精度中,起重要作用的是机床导轨精度和主轴回转精度。
主轴回转精度,从本质上讲取决于它在装配调整之后的旋转精度,包括主轴轴线的径向跳动、轴向窜动以及主轴旋转的均匀性和平稳性。
要想得到理想的主轴旋转精度,必须把各方面的条件都配合好,例如除了对主轴和主轴轴承本身要求较高的精度外,还要求采用正确的装配与调整方法,以及良好的润滑条件等,所有这些都对主轴机构的精度产生直接影响。
一、主轴轴线在装配前后的变化情况
图2-1a所示为主轴在装配前本身的轴线,即主轴前后顶针孔所决定的中心线,也是加工主轴
图2-1主轴轴线
时的回转轴线,但是,如果主轴安装在滚动轴承中,如图2-1b所示,情况就不同了。
这时,主轴的旋转基准发生了变化,即由主轴前后顶针孔变为主轴前后轴承的内滚道表面,主轴的旋转轴线将由前后轴承内滚道面的瞬时中心点的连线来决定,对于安装在滑动轴承中的主轴来讲,其旋转轴线决定于主轴前后轴颈表面的瞬时中心点的连线。
实际上,主轴在工作中,安装在主轴机构上的刀具或工件,并不是绕主轴本身的轴线来旋转,而是绕轴承内滚道所决定的瞬时轴线来旋转,这才是实际的主轴机构的旋转轴线,并对工件的加工精度起决定性影响。
从理论上弄清这一事实,对我们在主轴机构的修理与调整中,如何提高主轴机构的精度,具有很大意义。
二、影响主轴机构旋转精度的基本因素
一般说来,影响主轴机构旋转精度的因素很多,必须在修理与调整中作具体的分析。
1、影响主轴机构径向跳动的因素:
1)主轴本身的精度:
如主轴轴颈的同轴度、圆柱度、圆度等。
主轴轴颈的同轴度将直接引起主轴径向跳动;而主轴轴颈的圆柱度、圆度在装配时将引起滚动轴承内滚道变形,破坏其精度。
2)轴承本身的精度:
其中最重要的是轴承内滚道表面的圆度、表面粗糙度及滚动体的尺寸差。
3)主轴箱壳体前后轴承孔的同轴度、圆柱度、圆度等:
轴承孔的圆柱度、圆度将引起轴承外座圈的变形,影响轴承内圈旋转精度。
2、影响主轴机构轴向窜动的因素:
1)主轴轴颈肩台面的垂直度、端面跳动误差。
2)紧固轴承的螺母、衬套.垫圈等的端面跳动误差和平行度误差。
3)轴承本身的端面跳动误差和轴向窜动,
4)主轴箱壳体轴承孔的端面跳动误差。
上述这些零,部件轴肩台面的振摆差在收紧轴承时,使轴承滚道面产生不规则的变形,不只是引起轴向窜动,而且使主轴产生径向跳动,同时还会引起主轴在旋转一周的过程中,产生轻重不匀的现象甚至引起主轴机构发热。
3、影响主轴机构旋转均匀性和平稳性的因素;
影响主轴旋转均匀性和平稳性的因素除了主轴传动链的零件如齿轮、皮带轮、链轮等的精度和装配质量之外,其他外界振源如电动机、冲压机、锻锤等将引起主轴振动,也是其中的重要原因。
三、主轴零件的精度检验
在V形铁上检查:
如图2-2所示,在平板上,将主轴前后轴颈I、2分别置于固定V形铁和可调V形铁上,在主轴后端顶针孔内放一钢球,顶住角铁控制主轴轴向移动。
用百分表或千分表分别检查中间轴颈、装配齿轮的轴顼、飞轮轴颈,法兰表面,以及主轴锥孔、肩台面等相对于主轴颈1、2处的径向跳动和端面跳动。
图2-2主轴单件的精度检验
图2-3用标准锥度芯轴检查主轴锥孔的径向跳动
四、主轴装配后的精度检查与分析
用标准锥度芯轴检查主轴锥孔的径向跳动:
如图2-3所示,在主轴机构装配调整完毕之后将标准的锥度心棒插入主轴锥孔,注意装正,并要揩净,防止碎屑及垃圾进入配合表面。
用百分表或千分表触及锥度心棒表面,使主轴旋转,在近主轴端相距主轴端300毫米处分别测量主轴锥孔径向跳动,对其测量误差分析如下:
1、当装配后的主轴承内滚道表面对主轴锥孔出现偏心,而其他误差接近于0时,千分表或百分表记录的误差曲线如图2-4a所示,曲线接近于正弦变化,主轴每转一转,千分表出现一次最大值和一次最小值,最大值与最小值之差,便是主轴锥孔的径向跳动量。
在锥度心棒靠近主轴端测得的径向跳动量,接近于锥孔偏心量△Ha的二倍。
图2-4主轴径向跳动曲线
2、当装配后的主轴承内滚道出现椭圆,而锥孔偏心和其他误差接近于0时,千分表上记录的误差曲线如图2-4b所示,为正弦曲线变化,但是,主轴每转一转,千分表上出现二次最大与最小值,即主轴每转180。
出现一次最大值与最小值,曲线的节距缩短一半。
在近主轴端测得的径向跳动△Hb接近于椭圆最大半径与最小半径之差。
3、在一般情况下,装配后的主轴既有轴承内滚道的偏心椭圆和不圆度,也有主轴锥孔的偏心,以及滚动体尺寸大小等误差可能同时存在,还包括锥度心棒的安装误差以及心棒本身的几何误差等,所有这些因素都将反映到千分表上来。
因此,一般测量记录的实际误差曲线如图2-4c所示,为不规则的曲线,最大值与最小值之差△Hc便是主轴锥孔综合径向跳动误差。
4主轴定心轴颈径向跳动的检查在检查主轴定心轴颈时(如车床主轴的卡盘轴颈),可用百分表等的触头直接触及轴颈表面,百分表最大值与最小值之差便是主轴定心轴颈的径向跳动。
五、主轴机构的精度对加工精度的影响
从上面的讨沦中,我们知道,实际上在车床或镗床上,采用车刀或镗刀加工工件时,主轴定心轴颈和锥孔的偏心,并不影响加工工件的圆度,起决定作用的是主轴旋转轴线的实际跳动量(由主轴前、后轴承的内滚道决定),这个跳动量将引起安装在主轴上的工件或刀具的非园运动,使被加工工件产生圆度误差;在主轴锥孔中安装定尺寸刀具(如铰刀、钻头等)加工内孔时,主轴锥孔的偏心将会产生扩孔现象;在主轴定心袖颈上安装自动定心卡盘(如三爪卡盘)加工工件时,如果定心轴颈偏心,将会引起加工表面对其装卡基准的偏心;主轴的轴向窜动,将直接影响加工工件的端面振摆,同时径向跳动和轴向窜动还会影响加工工件的表面粗糙度。
第二节滚动轴承
一、滚动轴承的基本概念
滚动轴承由内圈、外圈、滚动体、保持架组成。
滚动轴承的游隙分为径向游隙和轴向游隙。
如图2-5所示。
游隙指一个座圈固定另一个座圈沿径向、轴向的最大移动量。
游隙影响轴承的运动精度、寿命、噪声、承载能力。
图2-5滚动轴承的游隙
滚动轴承的接触角如图2-6所示。
滚动体与套圈滚道接触处的公法线与轴承径向平面(垂直于轴承轴心线的平面)之间的夹角称为接触角。
接触角愈大,轴承承受轴向负荷的能力也愈大。
图2-6滚动轴承的接触角
调心轴承的偏位角如图2-7所示,轴承外圈的内滚道是球面,球心在轴承中心,因而内圈轴线相对于外圈轴线允许有一定的偏位角θ,由于这类轴承具有自动调心作用.故称为调心轴承。
调心轴承能补偿由于加工、安装误差和轴的变形造成的偏斜,使轴承保持正常工作。
图2-7调心轴承的偏斜角
二、滚动轴承的分类
1、按承受载荷的方向或接触角的不同可分为向心轴承和推力轴承。
向心轴承——主要承受径向载荷,公称接触角0≤α≤45。
根据接触角的的大小又可分为:
径向接触轴承:
公称接触角α=0,图2-6a;主要承受径向载荷。
向心角接触轴承:
公称接触角0≤α≤45。
图2-6b;同时承受径向载荷和轴向载荷。
推力轴承——主要承受轴向载荷,公称接触角45≤α≤90。
根据接触角的的大小又可分为:
推力角接触轴承:
公称接触角45<α<90图2-6c;主要承受轴向载荷,也可以承受较小的径向载荷。
轴向接触轴承:
公称接触角α=90图2-6d;只能承受轴向载荷。
2、按滚动体的形状可分为球轴承和滚子轴承。
滚子轴承又分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承(球面滚子轴承)。
球轴承为点接触,摩擦力小高速性能好。
滚子轴承为线接触,承载能力和耐冲击能力高。
3、是否具有调心性分调心轴承和非调心轴承
调心轴承:
滚道为球面,能适应两滚道轴心线间的较大的偏位角;
非调心轴承:
能阻抗两滚道轴心线间的位移。
4、按安装时轴承内、外圈部件能否分离可分离轴承和不可分离轴承。
三、滚动轴承的代号:
国家标准:
GB/T272-93
1、类型代号:
见表2-1。
表2-1轴承类型代号
轴承类型
新代号
旧代号
轴承类型
新代号
旧代号
双列角接触球轴承
调心球轴承
调心滚子轴承和推力调心滚子轴承
圆锥滚子轴承
双列深沟球轴承
推力球轴承
0
1
2
3
4
5
6
1
3和9
7
0
8
深沟球轴承
角接触球轴承
推力圆柱滚子轴承
圆柱滚子轴承
外球面球轴承
四点接触球轴承
6
7
8
N(NN)
U
QJ
0
6
9
2
0
6
2、公差等级代号:
即为不同的尺寸精度和旋转精度的特定组合。
按2级、4级、5级、6级、6x级、0级的顺序,依次由高到低,代号为/P2,/P4,/P5,/P6,/P6x,/PO。
(2,4,5,6,O级相当于旧标准的B,C,D,E,G级精度)。
O级是普通级,在轴承代号中不标出。
6x级仅用于圆锥滚子轴承。
3、配置代号:
见表2-2配置代号。
表2-2配置代号
代号
含义
示例
/DB
/DF
/DT
成对背对背安装
成对面对面安装
成对串联安装
7210C/DB
32208/DF
7210C/DT
四、常用滚动轴承的特性
1、深沟球轴承:
见图2-8。
最具代表性的滚动轴承,用途广泛可承受径向负荷与
双向轴向负荷适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场
合。
带钢板防尘盖或橡胶密封圈的密封型轴承内预先充填
了适量的润滑脂。
外圈带止动环或凸缘的轴承,即容易轴
向定位,又便于外壳内的安装。
最大负荷型轴承的尺寸与
标准轴承相同,但内、外圈有一处装填槽,增加了装球数,图2-8深沟球轴承
提高了额定负荷。
2、角接触球轴承:
见图2-9。
套圈与球之间有接触角,标准的接触角为15°(c)、
30°(ac)和40°(b)。
接触角越大轴向负荷能力也越大。
接触角越小则越有利于高速旋转。
单列轴承可承受径向
负荷与单向轴向负荷。
DB组合、DF组合及双列轴承可承图2-9角接触球轴承
受径向负荷与双向轴向负荷。
DT组合适用单向轴向负荷
较大,单个轴承的额定负荷不足的场合。
角接触球轴承适用于高速及高精度旋转。
结构上为背面组合的两个单列角接触球轴承共用内圈与外圈,可承受径向负荷与双向轴向负荷。
无装填槽轴承也有密封型。
为了保证轴承正常工作,向心角接触轴承通常成对使用。
成对布置的方式有:
面对面的安装称为正装如图2-10(a)。
背对背的安装称为反装如图2-10(b)。
同向安装如图2-10(c)。
(a)背对背(b)面对面(c)同向安装
图2-10成对角接触轴承装配
3、调心轴承:
见图2-11。
双排球或滚子,由于外圈滚道面呈球面,具有调心性能,因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正。
主要承受径向载荷,可以承受较小的轴向载荷。
图2-11调心球轴承图2-12圆柱滚子轴承
4、圆柱滚子轴承:
见图2-12。
圆柱滚子与滚道呈线接触,径向负荷能力大,即适用于承受重负荷与冲击负荷,也适用于高速旋转。
N型及NU型可轴向移动,能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化,最适宜用作自由端轴承,轴承内圈或外圈可分离,便于装拆。
NNU型及NN型抗径向负荷的刚性强,大多用于机床主轴。
5、圆锥滚子轴承:
见图2-13。
该类轴承装有圆台形滚子,滚子由内圈大挡边引导。
设计上使得内圈滚道面、外圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点。
接触角α=11°~16°,外圈可分离便于调整游隙。
单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷,双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷。
图2-13圆锥滚子轴承图2-14推力球轴承
6、推力球轴承:
见图2-14。
由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成。
与轴配合的滚道圈称做轴圈,与外壳配合的滚道圈称做座圈。
双向轴承则将中圈和轴配合。
单向轴承可承受单向轴向负荷,双向轴承可承受双向轴向负荷(二者均不能承受径向负荷)。
高速时离心力大,故极限转速低。
五、滚动轴承的预紧
滚动轴承的预紧,就是在安装轴承时使轴承受到一定的轴向力,消除轴承的游隙并且使滚动体和轴承内、外圈接触处产生弹性预变形。
预紧的目的在于提高轴承的刚度和旋转精度。
成对并列使用的圆锥滚子轴承、角接触球轴承,对旋转精度和刚度有较高要求的轴系通常都采用预紧方法。
轴承的预紧分轴向预紧和径向预紧。
1、轴向预紧
常用轴向预紧的方法有,将一对轴承的外圈或内圈磨去一定厚度或在其间加装垫片,或在两轴承端面间加装厚度不登的隔圈,使轴承在一定的轴向负荷作用下产生相对轴向位移并控制预紧力大小。
参图2-15和图2-16。
图2-15轴向预紧
图2-16轴向预紧
2、径向预紧
利用轴承和轴颈的过盈配合使轴承内圈膨胀,以消除径向游隙并产生一定预变形的方法,称轴承的径向预紧。
通常,这种预紧可以通过带锥孔的轴承内圈,在带锥面的套筒或轴颈上轴向移动来实现。
如图2-18。
a)-单螺母预紧b)-双螺母预紧c)-用螺母和对开垫圈调整
图2-18径向预紧
第三节
滚动轴承装配
一、滚动轴承的配合要求
滚动轴承的配合是指内圈与轴颈及外圈
与座孔的配合,这种配合状况影响着轴承的
工作可靠性,因此必须根据轴承的不同结构
特点及工作情况进行合理的选择。
以图2—19
为例,其内座圈随着转轴旋转,各部分均匀
承受“循环载荷”。
为保证这种受力的均匀性
和防止座圈与轴产生相对运动而导致轴颈磨
损不良影响,此配合要求为过盈配合或过渡图2-19滚动轴承受力情况
配合。
如图2—19中所示,处于静止状态的外座圈只有下半部承受载荷,即为“局部负荷”。
为了使外圈各部位也能均匀承受裁荷,可以使其相对于座孔产生非常缓慢的移动——“爬行”。
为此外圈与座孔选用过渡配合或动配合。
当轴为定轴,轴承外座圈是随外壳而转动时,则要求外座圈与座孔为过盈配合或过渡配合,而内座圈与轴则应为过渡配合或动配合。
以上配合的具体要求还与下列因素有关:
a)当载荷轻而较平稳时,内、外圈均可用较松的配合;而当载荷较大,且有振动或冲击时,配合面较容易产生松动,因而要选用较紧的配合。
b)由于轴承运转时必然发热,当载荷大、速度高时,发生的热量也相应增多,内、外圈会同时受热膨胀。
内圈发热膨胀易引起配合松动;外圈发热膨胀会失去与座孔作相对运动(周向缓慢滑动和轴向游动)的可能。
这一因素与热传导的状况有关,选择配合时必须考虑。
c)轴承的旋转精度要求很高时,为了避免振动的影响,应避免采用带间隙的配合。
二、轴承座圈的轴向固定
1、内圈在轴上的固定
轴承内圈通常是采用较紧的过渡配合或过盈配合与轴相配,但由于工作中的振动、冲击、发热、特别是有轴向力作用时,轴承内圈可能在轴上发生位置错动,因此需要在轴向的两个方向上可靠地固定在轴上。
轴承内圈的固定通常以轴肩作为定位面,而在另一侧加设定位装置。
如图2—20。
其中:
图2—20(a)为用开口弹性挡圈固定。
这种方式结构简单适用于轴向力不大、转速不高的场合。
图2—20(b)为用圆螺母固定。
采用细牙螺纹,并用止退垫圈防松,因此轴上需车削螺纹和切出止退垫圈槽。
这种结构较复杂,适用于轴向力较大和转速较高的场合。
图2—20(c)为用端面止推挡盘固定。
挡盘用螺钉固定在轴的端面上,可以是单螺钉固定,但多数情况下采用双螺钉固定。
螺钉要用防松装置锁定。
这种方法适用于受双向中等轴向力和转速较高的场合。
图2-20轴承内座圈在轴上的固定方法
2、外圈的轴向固定
轴承外圈的轴向固定与内座圈的固定相同,可参考图2-21的结构形式。
图2-21轴承外圈的固定形式
三、轴和轴承组件在支座上的安装
轴和轴承组件为了满足传动件位置的要求,必须有固定的轴向位置,不允许产生轴向移动,其不同的结构形式与轴承座圈的固定方式相联系。
它主要有以下两种形式:
1、双支点单向固定
如图2—22,是利用内圈和轴肩、外圈和轴承盖来完成轴的位置的双向固定。
其中每个支承限制一个方向的移动,由两个支承共同完成双向定位的任务。
这种固定方式结构简单,固定可靠,因而广泛应用于受温度变化引起长度变化不大的短轴上。
考虑到机器工作温度升高使轴受热伸长的影响,对轴向间隙不可调整的轴承(如向心球轴承)需要在轴承外圈和轴承盖之间留出少量的膨胀间隙(一般为0.25~0.4mm)。
对于轴向间隙可调的角接触轴承,安装时将间隙留在轴承内部。
在装配和使用过程中应调整到合适间隙。
当此间隙过小时,运转时会引起严重发热;过大时,则使运转失去平稳,噪音增大。
这种固定方式结构简单、安装方便,适用于温差不大跨距<350mm的短轴。
图2-22轴承组件的双支点单向固定
2、单支点双向固定
如图2一23是由一端的支承作双向固定以承受双向轴向负荷,而另—端可允许轴承轴向游动(称为游动支承)。
装配时游动轴承与轴承盖之间应留有一定间隙,以便轴受热伸长不受妨碍;为了使游动轴承移动灵活及减少相对移动时的摩擦,应把受径向力较小的一端的轴承取为游动支承,并且使游动轴承的内圈做成双向固定轴承而外圈与座孔的配合应取间隙配合以便当轴受热膨胀伸长时,能在孔中自由游动。
这种结构可采用向心球轴承和短圆柱滚子轴承的支承中。
但后者的外圈要做双向固定[图2-23(b)。
这种固定方式适用于输的跨距大或工作时温度较高(*>70℃)的轴。
图2-23单支点双向固定
四、轴承组合的轴向调整
图2-24所示,通过改变垫圈厚度、调整螺钉位置、拧入螺纹端盖来调整轴承的内部间隙。
而在一些机器部件中,轴上某些零件要求工作时能通过调整达到正确位置,这可以通过调整轴系的位置来达到。
例如,蜗杆传动中,为了正确啮合,要求蜗轮的中间平面通过蜗杆轴线,故在装配时要求能调整蜗轮轴的轴向位置如图2-25(a)。
又如在圆锥齿轮传动中,两齿轮啮合时要求节锥顶点重合,因此要求两齿轮轴都能进行轴向调整如图2-25(b)所示。
图2-26为小圆锥齿轮轴的具体调整结构示例,轴承端盖和套杯之间的垫片2用来调整轴承间隙,套杯和箱孔端面之间的垫片、用以调整小锥齿轮(整个轴系)的轴向位置。
图2-24轴向间隙的调整方法
(a)涡轮蜗杆传动(b)圆锥齿轮传动
图2-25轴上零件轴向位置调整
图2-26小圆锥齿轮的调整结构
(4)衬套、垫圈、园螺母的修理:
如图8-58所示,在标准平板上着色检查衬套、垫圈两面的接触率,一般不应低于85%,再用千分尺检查两端面的平行度不应超过0.005mm,若超差应在磨床上磨平或研磨至要求。
第四节机床主轴常用滚动轴承
一、机床主轴常用滚动轴承类型如图2-27所示。
图2-27(a)所示为锥孔双列圆柱滚子轴承。
它的内外圈均很薄,且内圈为1:
12锥孔,当内圈沿锥形轴径大端轴向移动时,内圈受挤涨大,用以调整轴承间隙。
双列滚柱交叉排列。
图2-27(b)所示为双列推力向心球轴承,能承受两个方向的轴向载荷。
它在两个动圈之间有一个隔套,改变隔套的轴向尺寸可调整轴承径向间隙。
该类轴承球径小、数目多轴向刚度高.且转速高,常与双列圆锥滚子轴承配套用作主轴前轴承.
图3-27(c)所示为双列圆锥滚于轴承。
它有一个公用外圈和两个内圈,靠外围的突缘在箱体上轴向定位,因而箱体可铸成通孔,孔加工方便。
内圈间的隔套用于预紧或调隙。
两列滚子数目相差一个,使振动频率不一致,从而改善轴承的动态性能。
这种轴承可同时承受径向和轴向载荷,常用作主轴前轴承。
图3-27(d)所示为带突缘的双列圆柱滚子轴承。
结构与图3-27(c)类似,但滚柱是空心的,保持架为整体结构,充满滚子间隙,因而迫使润滑油从滚子中心通过,可有效地冷却和润滑。
空心滚子在承受冲击载荷时还有吸振和缓冲作用。
这种轴承可同时承受径向和轴向载荷.常用作主轴前轴承。
图3-27(e)所示为带弹簧的单列圆锥滚子轴承。
它的特点是有16—20根弹簧,起预紧作用,均匀改变弹簧数目可改变预载力的大小。
三、主轴滚动轴承的配置形式。
主轴轴承的配置主要指前后轴承类型的选择和承受轴向力的轴承位置的布置。
配置时依据的主要是主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的复杂程度。
轴承的合理配置可提高主传动精度和质量。
图3-28所示为常见的滚动轴承配置形式。
图3-28(a)所示为承受轴问力轴承的他置在后支承的两侧,轴向载荷靠后轴承承受。
这种配置前支承结构简单,但主轴热变形后向前伸长,影响加工精度。
图3-28常见的滚动轴承配置形式
图3-28(6)所示为轴向推力轴承安置在前后轴承的外侧,为前后两端承受轴向力结构。
这种配置在主轴热变形后会改变支承的间隙.影响加工精度,一般用于较短的主轴。
图3-28(c)和(d)所示为承受轴向力轴承的位置在主轴前支承处,主轴刚性好,热变形后向后伸长,不影响加工精度。
图3-28(c)所示为有一个轴向推力轴承安装在主轴径向前轴承的前端,因而会增加主轴前端悬伸长度,影响主轴刚度。
图3-28(d)所示为两个轴向推力轴承都安置在前轴承的内侧,主轴前端悬伸小,但前支承结构的复杂程度增加了。
希望以上资料对你有所帮助,附励志名言3条:
1、要接受自己行动所带来的责任而非自己成就所带来的荣耀。
2、每个人都必须发展两种重要的能力适应改变与动荡的能力以及为长期目标延缓享乐的能力。
3、将一付好牌打好没有什么了不起能将一付坏牌打好的人才值得钦佩。
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