拉深工藝及模具設(shè)計(jì)

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1、冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),第四章 拉深工藝與模具設(shè)計(jì),冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),定義: 利用專用模具將平板毛坯制成空心件的一種沖壓工藝方法,又稱拉延、壓延、引伸等。 用途: 可以制成筒形、階梯形、錐形和其它不規(guī)則形狀的薄壁零件,如和其它沖壓成形工藝配合,還可以制造形狀極為復(fù)雜的工件。 優(yōu)點(diǎn): 拉深制造薄壁空心件生產(chǎn)效率高,材料消耗少,零件的強(qiáng)度和剛度高,而且零件的精度高。 分類: 圓筒形零件; 曲面形零件; 盒形零件; 非旋轉(zhuǎn)體曲面形狀零件。,第四章 拉深工藝與模具設(shè)計(jì),冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.1 拉深過程分析 4.2 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施 4.3 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定 4.4

2、 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算 4.5 有凸緣圓筒形件的拉深 4.6 其它零件的拉深 4.7 拉深件的工藝性 4.8 拉深中的輔助工序 4.9 其他拉深方法,第四章 拉深工藝與模具設(shè)計(jì),冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.1 拉深過程分析,一、拉深變形過程及特點(diǎn) 坐標(biāo)網(wǎng)格試驗(yàn): 同心圓水平圓圈線 越靠近筒口,間距越大 表明: 金屬的塑性流動 拉深件組成 變形區(qū):環(huán)形部分 不變形區(qū):凸模下的圓形底部 傳力區(qū):直壁部分 二、拉深過程中各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.1 拉深過程分析,一、拉深變形過程及特點(diǎn) 二、拉深過程中各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析 取平板毛坯上的一個扇形作研究 根據(jù)拉深過程中毛坯各部分的

3、應(yīng)力狀況不同,可劃分為五個部分 1、 平面凸緣部分(主要變形區(qū)) P122 公式 2、凸緣圓角部分(過渡區(qū)) 切向被壓縮,徑向被拉伸 3、筒體部分(傳力區(qū)) 單向受拉應(yīng)力(厚度變薄),筒壁上厚下薄 4、底部圓角部分(過渡區(qū)) 危險截面 5、筒體底部 雙向拉伸變薄(類似于脹形),冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計(jì)算 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 影響因素:材料的力學(xué)性能的各向異性,模具間隙分布不均,摩擦阻力不均,定

4、位不準(zhǔn)確等。 P129 表4-3 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計(jì)算 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 1、變形程度:用拉深系數(shù)表示。 2、拉深系數(shù) 定義:拉深后與拉深前的圓筒形件的直徑之比。 極限拉深系數(shù):P133表4-5、4-6 影響拉深系數(shù)的因素: 材料力學(xué)性能的影響:塑性越好,極限拉深系數(shù)越?。?材料相對厚度的影響:相對厚度越大,極限拉深系數(shù)越小; 拉深次數(shù)的影響:冷作硬化的影響,次數(shù)越多,極限拉深系數(shù)越大; 拉深方式的影響:是否使用壓邊圈則m不同。 其他影響:間

5、隙、凸凹模圓角半徑、潤滑條件等。 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計(jì)算 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 根據(jù)極限拉深系數(shù)判定能否一次拉深成形; 多次拉深的拉深次數(shù)的確定: 計(jì)算法 查表法:P135表4-8 四、工藝計(jì)算 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計(jì)算 1、確定修邊余量; 2、計(jì)算毛坯尺寸: 簡單幾何形狀拉深件的毛坯尺寸 復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體拉深件的毛

6、坯尺寸:作圖法、解析法 3、確定是否使用壓邊圈; 4、確定拉深次數(shù); 5、確定各次拉深直徑; 6、選取各次半成品底部的圓角半徑; 7、計(jì)算各次拉深高度 8、畫出工序圖 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、毛坯尺寸計(jì)算 五、以后各次拉深的特點(diǎn)和方法 特點(diǎn): 1、圓筒形件毛坯的壁厚及力學(xué)性能都不均勻:加工硬化; 2、變形區(qū)(dn-1d n)保持不變,直至拉深終了之前,拉深力一直在增加,直至變形的最后階段才下降至零; 3、破裂往往出現(xiàn)在拉深的末尾,而不是發(fā)生在初始階段; 4、穩(wěn)

7、定性較首次拉深為好: 方法: 1、正拉深: 2、反拉深: 優(yōu)點(diǎn):材料的流動方向有利于相互抵消拉深時形成的殘余應(yīng)力;材料的彎曲與反彎曲次數(shù)較少,加工硬化也少,有利于成形;毛坯與凹模接觸面大,材料的流動阻力也大,材料不易起皺,可不用壓邊圈,避免由于壓邊力不當(dāng)或不均勻引起的拉裂。 缺點(diǎn):當(dāng)拉深系數(shù)很大而凹模壁厚不大時,凹模強(qiáng)度會不足,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,一、拉深力和拉深功的計(jì)算 二、凸凹模工作部分尺寸的計(jì)算 三、凸凹模工作表面的技術(shù)要求 四、壓邊裝置,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),一、拉深力和拉深功的計(jì)算,1、壓邊力的計(jì)算 1)采用壓邊的條件:P155公式或P156表4-18 2)

8、壓邊力的計(jì)算:FQ=A p 2、拉深力的計(jì)算 無壓邊圈:FW=Kd t b 有壓邊圈:F=FW + FQ 選擇壓機(jī)時的注意事項(xiàng):注意考察壓力機(jī)的壓力曲線,防止過載。一般地: 淺拉深:F0.7-0.8 F0 深拉深:F0.5-0.6 F0 3、拉深功的計(jì)算 拉深功:W=CFmaxhEXP-3 (J) 校核壓機(jī)功率:P=k W n / 60100012,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),二、凸凹模工作部分尺寸的計(jì)算,1、凸凹模間隙 定義:單邊間隙 作用和影響:Z過小,則增加摩擦阻力,使工件易拉裂,易擦傷工件表面,降低模具壽命;Z過大,則對毛坯的校直作用小,影響工件尺寸精度。 確定原則

9、:考慮板料本身的公差,又要考慮筒形件口部的增厚現(xiàn)象。 確定值: 不用壓邊圈:Z=1-1.1 tmax 使用壓邊圈:P159表4-21; 對于精度要求高的拉深件,為了減小拉深后的回彈,降低零件的表面粗糙度,常采用負(fù)間隙拉深,Z = 09-0.95 t 最后一道拉深的間隙計(jì)算視工件尺寸標(biāo)注決定。 2、凸凹模圓角半徑 3、凸凹模工作部分尺寸的確定,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),二、凸凹模工作部分尺寸的計(jì)算,1、凸凹模間隙 2、凸凹模圓角半徑 作用 凹模圓角半徑過大,則易起皺,尤其是相對厚度較小狀態(tài)下的拉深后期;凹模圓角半徑過小,則增大變形阻力,引起拉深力增加、模具壽命降低。 凸模圓角

10、半徑影響不明顯,但過大,會引起拉深初期產(chǎn)生內(nèi)皺;過小,則降低筒壁傳力區(qū)危險截面的有效抗拉強(qiáng)度。 計(jì)算 凹模: 首次拉深:P160公式; 以后各次拉深:rdi =0.6-0.8 rdi-1 凸模: 首次拉深:rp =0.7-1.0 rd 以后各次拉深,逐步減小,最后一道拉深與工件相等。 3、凸凹模工作部分尺寸的確定,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),二、凸凹模工作部分尺寸的計(jì)算,1、凸凹模間隙 2、凸凹模圓角半徑 3、凸凹模工作部分尺寸的確定 原則:考慮模具的磨損和拉深件的回彈 計(jì)算: 最后一次拉深:P163 工件標(biāo)注外形尺寸:先確定凹模 Dd=(D-0.75) 工件標(biāo)注內(nèi)形尺寸:先

11、確定凸模 Dp=(D+0.4) 多次拉深的中間工序: 半成品的尺寸公差沒有必要予以嚴(yán)格限制,模具的尺寸只要取半成品的過渡尺寸即可。,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),三、凸凹模工作表面的技術(shù)要求,目的:提高成形質(zhì)量和成形極限,降低傳力區(qū)最大拉力值,提高危險截面的承載能力。 要求: 無論凸、凹模,表面不允許有砂眼、縮孔、裂紋和機(jī)械損傷等缺陷。 凹模和型腔工作表面一般Ra0.8,圓角處Ra0.4; 凸模工作表面特別是圓角處Ra1.6-0.8即可。,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),四、壓邊裝置,1、類型 剛性壓邊圈:主要用于大型覆蓋件的拉深模; 彈性壓邊圈:多用于中、小型拉

12、深件使用的模具;(氣壓、液壓、彈簧、橡皮等) 2、結(jié)構(gòu)型式 平面壓邊圈:首次拉深用; 帶凸邊的壓邊圈:薄料件的拉深; 錐面壓邊圈:錐面凹模用; 帶拉延肋的壓邊圈:大型覆蓋件拉深; 3、尺寸及技術(shù)要求 尺寸:與凸模單面間隙取0.2-0.5mm; 技術(shù)要求:工作表面不允許開螺孔,應(yīng)具有足夠的剛度,頂桿分布應(yīng)對稱,保證壓邊圈在工作過程中能平穩(wěn)地移動,與毛坯的接觸表面Ra0.8,其余表面 Ra6.3- Ra3.2,4.3 拉深模設(shè)計(jì)計(jì)算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,一、起皺 二、拉裂 三、拉深凸耳 四、時效開裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問

13、題及防止措施,表征:凸緣邊上材料產(chǎn)生皺折 原因:坯料凸緣在切向壓應(yīng)力的作用下,可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。 影響:輕微的起皺坯料可通過凸凹模間隙完成拉深,但在筒壁上留下皺痕,影響制件表面質(zhì)量,而嚴(yán)重的起皺會使材料不能通過凸凹模間隙而出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。 防止措施: 1) 采用壓邊裝置; 2) 改善凸緣部分的潤滑,選用屈強(qiáng)比小、屈服點(diǎn)低的材料,盡量使板料相對厚度t/D大些,增大抗失穩(wěn)能力; 3) 設(shè)計(jì)合理的壓邊形式和適當(dāng)?shù)睦罱睿?4) 采用反拉深方法,一、起皺,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征:筒壁與筒底過渡部位產(chǎn)生開裂。 原因:出現(xiàn)起皺現(xiàn)象導(dǎo)致異常;拉深變形程度太大,拉

14、深力過大導(dǎo)致該部所受拉應(yīng)力超過材料的有效抗拉強(qiáng)度。 影響:制件報(bào)廢。 防止措施: 合理選取拉深系數(shù),減小拉深變形程度,減小拉深力; 合理選用材料:屈強(qiáng)比小、屈服點(diǎn)低,硬化指數(shù)n值大; 選擇合理的凸、凹模圓角半徑; 合理進(jìn)行潤滑。,二、拉裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征: 在制件口端出現(xiàn)有規(guī)律的高低不平現(xiàn)象,凸耳的數(shù)目一般為4個; 原因: 材料的各向異性、纖維流線的影響; 影響: 制件口端不平齊,浪費(fèi)材料; 防止措施: 修邊,三、拉深凸耳,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征:制件拉深成形后,由于經(jīng)受到撞擊或振動,甚至存

15、放一段時間后出現(xiàn)的口部開裂現(xiàn)象,一般是從口端先開裂,進(jìn)而擴(kuò)展開來。 原因: 金屬組織:含有氫的作用(脫氫處理); 殘余應(yīng)力:不均勻變形導(dǎo)致附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力。 影響:零件報(bào)廢 防止措施: 拉深后及時修邊; 拉深過程中及時進(jìn)行中間退火; 在多次拉深時盡量在其口部留一條寬度較小的凸緣邊等。,四、時效開裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.5 有凸緣圓筒形件的拉深,一、帶凸緣筒形件的工藝計(jì)算與拉深方法 1、工藝計(jì)算 如能一次拉出,則無須計(jì)算與討論; 如何判定能否一次拉深成形? 2、拉深方法 窄凸緣筒形件:先拉深成無凸緣圓筒形件,然后形成錐形凸緣,再壓平; 寬凸緣筒形件: 先拉到凸緣直徑dt,以后逐步改變筒體

16、,減小直徑,增加高度,直到完成零件成形; 對大型零件,相對厚度較大時,可先形成dt和h尺寸,以后僅通過改變凸凹模圓角半徑來改變筒體直徑。 二、舉例 P137-138 工藝計(jì)算示例,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特點(diǎn) 二、階梯形件的拉深 三、半球形件的拉深 四、拋物面形拉深件 五、錐形件的拉深,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特點(diǎn) 1、凸緣變形區(qū)內(nèi)徑向拉應(yīng)力的分布是不均勻的。在圓角部分最大,直邊部分最小。(與圓筒形件相比,平均拉應(yīng)力載荷要小很多) 2、由于直邊和圓角變形區(qū)內(nèi)材料的受力情況不同,直邊處材料向凹模流動的阻力要遠(yuǎn)小于圓角處)

17、 3、在毛坯外周邊上,切向壓應(yīng)力的分布也是不均勻的,從角部到中間直邊部位,壓應(yīng)力的數(shù)值逐漸減小。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.6 其它零件的拉深,二、階梯形件的拉深 1、原理與圓筒形件拉深基本相同; 2、判斷一次拉深成形的方法:相對高度; 3、多次拉深工藝:相鄰階梯直徑的比值大于相應(yīng)的圓筒形件的極限拉深系數(shù),則按從大階梯到小階梯的順序拉深;相鄰階梯直徑的比值小于相應(yīng)的圓筒形件的極限拉深系數(shù),則該對應(yīng)的相鄰階梯拉深順序顛倒;最小的階梯超過極限時可以用脹形方法獲得;淺拉深可是用球面件(大圓角件)+整形工序;,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.6 其它零件的拉深,三、半球形件的拉深 凸緣變形區(qū)與圓筒形件拉深基

18、本相同,但中間部分比較復(fù)雜,頂點(diǎn)附近是脹形,受雙向拉伸變形(應(yīng)力),隨著與頂點(diǎn)距離的加大,逐漸過渡到壓應(yīng)力狀態(tài),存在應(yīng)力界圓); 易起皺,可采用帶校整作用的有底凹模; 拉深系數(shù)為常數(shù),常用毛坯的相對厚度作為判定拉深的難易的主要依據(jù)。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.6 其它零件的拉深,四、拋物面形拉深件 極易起皺; 淺的拋物面拉深件的拉深方法與半球形件的拉深方法相同; 深的拋物面拉深件采用多工序逐漸成形。 可采用充液拉深,效果較好。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.7 拉深件的工藝性,定義:指零件拉深加工的難易程度。 應(yīng)盡量減少拉深件的高度,使其有可能用一次或兩次拉深工序來完成。 一、拉深件結(jié)構(gòu)形狀的要求

19、 二、拉深件圓角半徑的要求 三、拉深件的公差 四、拉深件的材料,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.7 拉深件的工藝性,一、拉深件結(jié)構(gòu)形狀的要求 1、設(shè)計(jì)的拉深件應(yīng)明確標(biāo)注須保證的是內(nèi)形尺寸還是外形尺寸,不可兩者同時標(biāo)注; 2、對工藝性較差的過高或過深的空心零件應(yīng)盡量減少其高度。 3、應(yīng)盡量避免曲面空心零件的尖底或尖轉(zhuǎn)角; 4、多工序加工的復(fù)雜形狀零件,應(yīng)考慮多工序加工用的統(tǒng)一工藝基準(zhǔn); 5、應(yīng)盡量避免異常復(fù)雜或非對稱拉深件。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.7 拉深件的工藝性,二、拉深件圓角半徑的要求 凸緣圓角半徑rd:應(yīng) rd2t,一般取rd =(4-8)t,當(dāng) rd 0.5mm時,應(yīng)增加整形工序; 底部

20、圓角半徑rp :應(yīng) rp t,一般取rp (3-5)t,當(dāng) rp t 時,應(yīng)增加整形工序; 盒形拉深件壁間圓角半徑r:應(yīng) r 3t,為減少拉深次數(shù)并簡化拉深件的毛坯形狀,盡可能使盒形件的高度小于或等于7 r。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.7 拉深件的工藝性,三、拉深件的公差 拉深件橫斷面的尺寸公差,一般都在IT13級以下,如果零件公差要求高,則需增加整形工序。 四、拉深件的材料 應(yīng)具有良好的拉深性能 1、硬化指數(shù)n:越大越好; 2、屈強(qiáng)比:越小越好; 3、塑性應(yīng)變比:越大越好。反映了材料的厚向異性性能。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.8 拉深中的輔助工序,一、潤滑 二、熱處理 三、酸洗,冷沖壓工藝與

21、模具設(shè)計(jì),4.8 拉深中的輔助工序,一、潤滑 潤滑點(diǎn):凹模,壓邊圈 目的和作用:減小板料與壓邊圈、板料與凹模平面、板料與凹模圓角、板料與凹模側(cè)壁的摩擦力,防止拉裂。 切忌:不可潤滑凸模 潤滑劑要求: 1) 能形成高強(qiáng)度薄膜,以承高壓; 2) 附著性能好,摩擦系數(shù)小、均勻; 3) 對模具、零件、人體無傷害或毒副作用; 4) 便于清洗,配制方便,價格低廉。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.8 拉深中的輔助工序,二、熱處理 作用:消除加工硬化和內(nèi)應(yīng)力 方法:低溫退火(表面質(zhì)量好)或高溫退火(表面質(zhì)量差) 必須及時進(jìn)行,防止存放時間過長零件變形或裂紋。 三、酸洗 作用:去除熱處理后的氧化皮或其他污物,便于再

22、拉深或噴漆等后續(xù)工作。 過程:蘇打水去油加熱的稀酸液中浸泡冷水漂洗(或弱堿中和) 熱水洗滌烘干。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.9 其他拉深方法,一、軟模拉深 二、差溫拉深 三、脈動拉深 四、變薄拉深,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.9 其他拉深方法,一、軟模拉深 軟凸模拉深: 缺點(diǎn)是易拉偏,底部產(chǎn)生脹形變?。?優(yōu)點(diǎn)是模具簡單,甚至不需沖壓設(shè)備,常用于大零件的小批量生產(chǎn)。零件貼模性較好,對錐形件、半球形件和拋物面件,可得到尺寸精度高、表面質(zhì)量好的零件。 軟凹模拉深: 液體凹模拉深(強(qiáng)制潤滑拉深):材料變形阻力較?。涣慵撞坎灰鬃儽?;毛坯定位也較容易。 橡皮液囊凹模拉深:液體不與工件直接接觸。,冷沖壓工藝

23、與模具設(shè)計(jì),4.9 其他拉深方法,二、差溫拉深 局部加熱和局部冷卻毛坯的拉深: 加熱變形區(qū),以減小變形抗力;冷卻傳力區(qū),以提高強(qiáng)度; 適用于低塑性材料(鈦合金、鎂合金)的零件及形狀復(fù)雜的深拉深件。 深冷拉深: 傳力區(qū)冷卻到-160至-170,抗拉強(qiáng)度提高近2倍,顯著降低拉深系數(shù)。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.9 其他拉深方法,三、脈動拉深 優(yōu)點(diǎn):將壓邊圈的防皺作用改為消皺作用,可以得到更小的拉深系數(shù)。 缺點(diǎn):拉深過程復(fù)雜,需要專用設(shè)備。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),4.9 其他拉深方法,四、變薄拉深 主要是在拉深過程中改變拉深件筒壁的厚度,而毛坯的直徑變化很小。 特點(diǎn): 由于材料的變形是處于均勻壓應(yīng)力之下,材料產(chǎn)生很大的加工硬化,金屬晶粒變細(xì),增加了強(qiáng)度。 經(jīng)塑性變形后,新的表面粗糙度小,Ra可達(dá)0.2以下。 因拉深過程的摩擦嚴(yán)重,故對潤滑及模具材料的要求較高。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì),作業(yè),P176 習(xí)題3 求圖4-77所示圓筒形拉深件的毛坯直徑及各次拉深直徑。 本章結(jié)束,謝謝!,

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