加載條件下滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)研究*

劉佳耀，尹 曦，陶衛(wèi)軍，米繼鋒

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.陜西漢江機(jī)床有限公司 滾珠絲杠副研究室，陜西 漢中 723003)

加載條件下滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)研究*

劉佳耀1，尹 曦1，陶衛(wèi)軍1，米繼鋒2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.陜西漢江機(jī)床有限公司 滾珠絲杠副研究室，陜西 漢中 723003)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副產(chǎn)品在精度保持性與耐磨性方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏、性能研究不足的問(wèn)題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)方法并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。與合作單位合作開(kāi)發(fā)了配套的試驗(yàn)系統(tǒng)；給出了精密滾珠絲杠副各精度指標(biāo)的求解方法、精度與摩擦力喪失判斷依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示了參與試驗(yàn)的兩種型號(hào)精密滾珠絲杠副的精度保持性和摩擦力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，對(duì)比分析出它們的優(yōu)劣勢(shì)并推測(cè)原因，符合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置的有效性，為國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗(yàn)方法與有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

精密滾珠絲杠副；精度保持性；耐磨性；對(duì)比試驗(yàn)

0 引言

精密滾珠絲杠副的優(yōu)勢(shì)在于傳動(dòng)性好、精度高、耐磨損和可承受重載等[1-3]，在組合機(jī)床、航空裝備、半導(dǎo)體元件、醫(yī)療器械及工業(yè)流水線等領(lǐng)域，精密滾珠絲杠副的應(yīng)用率很高[4]。對(duì)于各類組合機(jī)床與加工中心而言，精密滾珠絲杠副是一種基礎(chǔ)性組件，其傳動(dòng)精度直接影響到設(shè)備總體性能與加工精度[5]，在選用精密滾珠絲杠副時(shí)，其精度和精度保持性指標(biāo)非常重要。

滾珠絲杠副精度保持性是指精密滾珠絲杠副保持其設(shè)備傳動(dòng)精度的特性[6]?，F(xiàn)階段，在精度保持性這一指標(biāo)上，國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副和國(guó)外同類產(chǎn)品相比有一定差距[7-8]，國(guó)內(nèi)滾珠絲杠副廠家缺乏有關(guān)試驗(yàn)手段和方法，因而很少進(jìn)行精度保持性試驗(yàn)，導(dǎo)致相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯欠缺，甚至很難定量分析自身與國(guó)外產(chǎn)品在精度保持性上的差距及其原因，這也是國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副行業(yè)亟待解決的核心技術(shù)問(wèn)題之一[9]。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)方法，利用與合作單位共同開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)兩種典型精密滾珠絲杠副進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置的有效性，為國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗(yàn)方法與有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 基于恒定加載的滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

精度保持性試驗(yàn)主要通過(guò)檢測(cè)兩種典型精密滾珠絲杠副的精度和摩擦力來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由恒定加載跑合試驗(yàn)臺(tái)、精度測(cè)量?jī)x與摩擦力測(cè)量?jī)x三部分組成。恒定加載跑合試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)精密滾珠絲杠副的跑合工況進(jìn)行模擬；精度測(cè)量?jī)x是利用光學(xué)元器件對(duì)跑合之后絲杠的各精度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量；摩擦力測(cè)量?jī)x是利用力傳感器對(duì)跑合時(shí)螺母與絲杠間的摩擦力進(jìn)行測(cè)量。

圖1 滾珠絲杠副精度保持性對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)

其中，恒定加載跑合試驗(yàn)臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，它的工作原理為：首先將精密滾珠絲杠副豎直放置于恒定加載跑合試驗(yàn)臺(tái)上，將絲杠加工有螺紋的一端插入連接件內(nèi)孔并擰緊，然后通過(guò)螺釘組將螺母與旋轉(zhuǎn)輪固連在一起；設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)軸通過(guò)同步帶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠就會(huì)帶動(dòng)配重塊沿著導(dǎo)軌開(kāi)始往復(fù)運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)控制著電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng)配重塊向上運(yùn)動(dòng)觸碰到上方的行程開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)軸就變?yōu)榉聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)，絲杠就開(kāi)始帶動(dòng)配重塊向下運(yùn)動(dòng)，反之亦然。

1.2 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)選擇了兩種典型精密滾珠絲杠副進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法時(shí)，要盡量模擬現(xiàn)實(shí)工況，同時(shí)由于正常工作條件下精密滾珠絲杠副的工作壽命較長(zhǎng)，為了使試驗(yàn)結(jié)論更加可靠并減少試驗(yàn)時(shí)間，選擇基于恒定加載的對(duì)比試驗(yàn)方法。具體步驟如下：

步驟1：每根精密滾珠絲杠副在進(jìn)行加載跑合之前，要檢測(cè)一次它們的初始精度與摩擦力，以便進(jìn)行更加全面、有效地對(duì)比；

步驟2：在恒定加載跑合試驗(yàn)臺(tái)上安裝精密滾珠絲杠副，開(kāi)始模擬跑合，加載方向?yàn)檩S向，配重塊質(zhì)量為3220N，單程跑合長(zhǎng)度為600mm，室溫16℃～26℃，潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑，電機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min；

步驟3：每隔6h對(duì)精密滾珠絲杠副的精度與摩擦力進(jìn)行一次檢測(cè)，注意在檢測(cè)之前要將精密滾珠絲杠副放置于室溫為20℃的環(huán)境當(dāng)中冷卻2h；

步驟4：如果檢測(cè)結(jié)果顯示精密滾珠絲杠副的精度與摩擦力中的任一項(xiàng)喪失，那么停止試驗(yàn)，更換新的樣品繼續(xù)試驗(yàn)，直至全部精密滾珠絲杠副的試驗(yàn)完成。

單根精密滾珠絲杠副精度保持性對(duì)比試驗(yàn)的具體步驟如圖3所示。

圖3 精度保持性對(duì)比試驗(yàn)步驟

2 精度保持性評(píng)估方法

2.1 摩擦力喪失依據(jù)

精密滾珠絲杠副跑合過(guò)程中，滾珠和反向器不會(huì)產(chǎn)生較大沖擊，若其軸向未被施加外力，那么滾珠絲杠副的摩擦力和預(yù)緊力可視為一致。圖4顯示了滾珠絲杠副被施加預(yù)緊力時(shí)滾珠的受力分布。

圖4 施加預(yù)緊力時(shí)滾珠受力分布

根據(jù)圖4可知滾珠絲杠副被施加預(yù)緊力時(shí)，法向壓力P會(huì)出現(xiàn)在滾珠和滾道接觸面上，此時(shí)單個(gè)螺母中全部滾珠受到法向壓力的軸向分量總和應(yīng)與預(yù)緊力一致。圖5顯示了單個(gè)滾珠的受力分布。

圖5 單個(gè)滾珠受力分布

根據(jù)圖4與圖5可知單個(gè)螺母預(yù)緊力Fp的表達(dá)式為：

Fp=zPa

(1)

Pa=Psinαcosγ

(2)

Fp=zPsinαcosγ

(3)

式中，z表示滾珠個(gè)數(shù)，α表示接觸角，γ表示螺旋升角。

因此在空載狀態(tài)下測(cè)量絲杠與螺母滾珠間的預(yù)緊力，就能反映出滾珠絲杠副的摩擦力。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)測(cè)量數(shù)值出現(xiàn)1～2N時(shí)，就能得出此精密滾珠絲杠副的摩擦力喪失的結(jié)論。

2.2 精度指標(biāo)計(jì)算原理與精度喪失依據(jù)

在精密滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)中，最重要的數(shù)據(jù)是被測(cè)樣品的精度指標(biāo)，即有效行程內(nèi)平均行程偏差E、2π弧長(zhǎng)內(nèi)行程變動(dòng)量V2π、任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量V300和有效行程內(nèi)行程變動(dòng)量Vu這四大指標(biāo)，精度保持性主要由上述指標(biāo)隨時(shí)間改變的水平而決定。根據(jù)國(guó)標(biāo)[10]中對(duì)精度保持性的規(guī)定，可利用回歸直線方程來(lái)計(jì)算上述指標(biāo)，即：

E=a+bγ

(4)

(5)

(6)

式中，n表示測(cè)量點(diǎn)總數(shù)；ei表示第i個(gè)點(diǎn)的行程變動(dòng)量；γi表示第i個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角；γ表示絲杠的總旋轉(zhuǎn)角。

第i個(gè)點(diǎn)的行程變動(dòng)量Yi的表達(dá)式為：

Yi=A+B·C·i

(7)

(8)

(9)

式中，N表示測(cè)量點(diǎn)總數(shù)；C表示單位采樣周期中的轉(zhuǎn)角、為常數(shù)。則V2π、V300、Vu的表達(dá)式為：

Zi=Yi-(A+B·i)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中，N2、N3分別代表了2π 弧度、300mm內(nèi)的采樣點(diǎn)總數(shù)。

因此精密滾珠絲杠副在加載跑合之后，利用精度測(cè)量?jī)x對(duì)絲杠進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)以上公式換算，就能得到量化的精度指標(biāo)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)E、V2π、V300、Vu中的任意一個(gè)超過(guò)其規(guī)定的最大值時(shí)，就能得出絲杠精度喪失的結(jié)論。

3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)處理

此次試驗(yàn)選用的兩種典型精密滾珠絲杠副型號(hào)分別是漢江GS052型與日本THK4006型。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)比分析結(jié)果具備可靠性和有效性，確定參與試驗(yàn)的漢江GS052型與日本THK4006型滾珠絲杠副數(shù)量分別為3根與2根。將3根漢江GS052型滾珠絲杠副編號(hào)成GS052-1、GS052-2、GS052-3，將2根日本THK4006型滾珠絲杠副編號(hào)成THK4006-1、THK4006-2。

所有精密滾珠絲杠副在加載跑合之前，均要對(duì)它們的初始精度與摩擦力進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選用的此兩種型號(hào)精密滾珠絲杠副的各精度指標(biāo)，即E、V2π、V300、Vu規(guī)定的最大值依次是25、7、16、22μm，若檢測(cè)結(jié)果中的任意一個(gè)超出其對(duì)應(yīng)的最大值，則認(rèn)定此根滾珠絲杠副為不合格產(chǎn)品，不可參與試驗(yàn)，需要將其更換。

為了對(duì)國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副的耐磨性進(jìn)行更加全面地研究，將GS052-1、GS052-2、THK4006-1和THK4006-2號(hào)四根滾珠絲杠副的初始摩擦力調(diào)整成10N，將GS052-3號(hào)的初始摩擦力調(diào)整成20N，從而獲得兩組對(duì)比樣本。

3.1.1 摩擦力數(shù)據(jù)處理

圖6顯示了2根日本THK4006型滾珠絲杠副的摩擦力隨跑合時(shí)間變化趨勢(shì)，可見(jiàn)THK4006-1、THK4006-2號(hào)的摩擦力有著比較類似的變化趨勢(shì)，在跑合0～18h內(nèi)摩擦力下降趨勢(shì)明顯；在18～24h內(nèi)摩擦力處于平穩(wěn)期，未出現(xiàn)明顯的變化；在24～42h內(nèi)又持續(xù)下降，直至喪失。

圖6 日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢(shì)

圖7顯示了3根漢江GS052型滾珠絲杠副的摩擦力隨跑合時(shí)間變化趨勢(shì)。GS052-1、GS052-2號(hào)的初始摩擦力均為10N，但是它們有著不同的變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)GS052-1號(hào)的摩擦力在跑合0～18h內(nèi)下降趨勢(shì)明顯；在18～24h內(nèi)處于平穩(wěn)期，未出現(xiàn)明顯的變化；在24～42h內(nèi)又持續(xù)下降，直至喪失，其與2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢(shì)類似。GS052-2號(hào)的摩擦力在跑合0～30h內(nèi)下降趨勢(shì)明顯；在30～48h內(nèi)處于平穩(wěn)期，未出現(xiàn)明顯的變化；在48～66h內(nèi)又持續(xù)下降，直至喪失。GS052-3號(hào)的初始摩擦力為20N，在跑合0～60h內(nèi)其摩擦力下降趨勢(shì)明顯，而在60～96h內(nèi)處于平穩(wěn)期，始終保持在10N左右，在此期間其精度已喪失，因此其試驗(yàn)時(shí)間停止在96h。

圖7 漢江GS052型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢(shì)

3.1.2 精度指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

圖8顯示了THK4006-1、THK4006-2號(hào)各精度指標(biāo)隨跑合時(shí)間變化趨勢(shì)。可見(jiàn)在其摩擦力喪失的42h內(nèi)，兩者的E、V2π、V300、Vu均未出現(xiàn)超出對(duì)應(yīng)最大值的情況，即兩者精度均未喪失。其中，THK4006-1號(hào)的E、V2π、V300、Vu的平均值分別是14.088、2.775、5.701、5.808μm，THK4006-2號(hào)的E、V2π、V300、Vu的平均值分別是13.936、2.623、5.808、5.841μm，可知兩者各精度指標(biāo)的平均值差距很小。

(a) THK4006-1

(b) THK4006-2

圖9顯示了GS052-1、GS052-2、GS052-3號(hào)各精度指標(biāo)隨跑合時(shí)間變化趨勢(shì)。根據(jù)圖9a可知，GS052-1號(hào)在其摩擦力喪失的42h內(nèi)，各精度指標(biāo)未超出對(duì)應(yīng)的最大值，精度未喪失，E、V2π、V300、Vu的平均值分別是15.865、3.068、7.454、7.516μm。根據(jù)圖9b可知，GS052-2號(hào)在其摩擦力喪失的66h內(nèi)，54h時(shí)檢測(cè)的E值超出了其對(duì)應(yīng)的最大值，但后兩次檢測(cè)的E值又降低到25μm以下，所以在54h時(shí)并未停止試驗(yàn)，其E、V2π、V300、Vu的平均值分別是15.582、2.742、7.692、7.737μm。根據(jù)圖9c可知，GS052-3號(hào)在跑合75h之后E值已超過(guò)25μm，并且之后的四次檢測(cè)結(jié)果顯示E值沒(méi)有降低到25μm以下，說(shuō)明其精度已喪失。

(a) GS052-1

(b) GS052-2

(c) GS052-3圖9 漢江GS052型滾珠絲杠副精度指標(biāo)變化趨勢(shì)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 對(duì)比分析

在初始摩擦力均為10N的情況下，2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力喪失時(shí)間均為42h，而2根漢江GS052型滾珠絲杠副摩擦力喪失時(shí)間分別是42、66h，這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品在耐磨性方面，一定程度上還要優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。但是2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力喪失趨勢(shì)和2根漢江GS052型產(chǎn)品相比，前者相似度更高，這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副在一致性、穩(wěn)定性方面和國(guó)外同類產(chǎn)品還存在一定差距。GS052-3號(hào)初始摩擦力被調(diào)整成20N，和GS052-1、GS052-2號(hào)相比，前者摩擦力下降速度更慢，這說(shuō)明適當(dāng)增大滾珠絲杠副的初始摩擦力或預(yù)緊力，有利于延長(zhǎng)其摩擦力喪失的時(shí)間，改善耐磨性。

初始摩擦力是10N的四根滾珠絲杠副，即GS052-1、GS052-2、THK4006-1和THK4006-2號(hào)的各精度指標(biāo)具有可比性。對(duì)E、V2π、V300、Vu的平均值進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，2根日本THK4006型滾珠絲杠副各精度指標(biāo)檢測(cè)值要低于2根漢江GS052型滾珠絲杠副相應(yīng)檢測(cè)值，并且前者各精度指標(biāo)的差值與后者對(duì)應(yīng)差值相比均更小，這說(shuō)明日本產(chǎn)品在跑合時(shí)磨損的更加均勻，行程變動(dòng)量更小，體現(xiàn)出國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副在精度保持性、磨損均勻性方面和國(guó)外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距。

3.2.2 原因分析

在對(duì)國(guó)內(nèi)外精密滾珠絲杠副生產(chǎn)加工的各工藝步驟進(jìn)行調(diào)查研究，并結(jié)合本次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，推測(cè)國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，在精度保持性、磨損均勻性及穩(wěn)定性等方面存在差距的原因可能有：

(1)原材料性質(zhì)不同。目前國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副的原材料未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般使用GCr15、GCr155SiMn軸承鋼等材料來(lái)加工絲杠，而國(guó)外一般使用優(yōu)質(zhì)鋼材進(jìn)行加工。前者內(nèi)部組織均勻度差、易存在雜質(zhì)，并且含有較高比例的影響疲勞壽命的元素，例如H、Ti等，不利于提高精度保持性與可靠性。

(2)熱處理工藝不同。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品一般采取球化退火——中頻、超音頻感應(yīng)淬火的方式來(lái)處理絲杠，而國(guó)外產(chǎn)品一般采取高頻感應(yīng)淬火的方式。前者會(huì)影響絲杠內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致應(yīng)力集中、分布不均等現(xiàn)象，不利于提高精度保持性與耐磨性。

4 結(jié)論

針對(duì)國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副產(chǎn)品在精度保持性與耐磨性方面試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏、性能研究不足的問(wèn)題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)方法并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于同一型號(hào)的精密滾珠絲杠副，適當(dāng)增加其預(yù)緊力或初始摩擦力，可延長(zhǎng)其耐磨時(shí)間且在此期間其精度不會(huì)喪失；國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品一致性、精度保持性與磨損均勻性等方面仍存在一定差距。試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相符，證明了該試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置的有效性，為國(guó)產(chǎn)精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗(yàn)方法和有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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[10] GB /T 17587．3—1998 滾珠絲杠副第三部分: 驗(yàn)收技術(shù)條件[S]．

(編輯 李秀敏)

Experimental Study of the Precision Retaining Ability of the Precision Ball Screw Based on Loading Condition

LIU Jia-yao1, YIN Xi1, TAO Wei-jun1, MI Ji-feng2

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China；2.Ball Screw Research Office, Hanjiang Machine Tool Co., LTD, Hanzhong Shaanxi 723003, China)

In view of the problem that the domestic precision ball screw lacks of experimental data and performance research about the precision retaining ability and abrasion resistance, a precision retaining ability experimental method for precision ball screw based on constant loading is presented and executed. Cooperating with the cooperation and designing a complete set of experimental system, the calculation principles of precision indexes, the loss judgements of accuracy and friction about the precision ball screw are introduced. Two models of precision ball screw participated in the experiment, the experiment results show the changing trend of their precision retaining ability and friction’s along the time, analyze their advantages and disadvantages by comparison, speculate the reasons, the results are consistent with the actual production experience, the validity of the experimental method and system is proved, the experimental method and theoretical basis are provided for the improvement of the domestic precision ball screw’s precision retaining ability.

precision ball screw; precision retaining ability; abrasion resistance; contrast experiment

1001-2265(2017)05-0009-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.003

2016-07-21

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04002-011-02);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275244)

劉佳耀(1992—)，男，山東威海人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闈L動(dòng)功能部件試驗(yàn)技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)，(E-mail)15062209211@163.com；通訊作者：陶衛(wèi)軍(1975—)，男，南京人，南京理工大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)、精密儀器與測(cè)控工程，(E-mail)taoweijun01@163.com。

TH161；TG65

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