CN1810427A - 涡轮叶片的电火花加工方法和装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于对涡轮叶片进行电火花加工的方法和装置,其中能高精度地形成各种形状的涡轮叶片,而不会受限于涡轮叶片的形状,并且能缩短加工时间从而提高生产率。在用于对具有沿着其圆周形成的多个叶片的涡轮进行电火花加工的方法中,该方法包括:a)准备基于对称轴线被分割成第一部分和第二部分的盘材料,b)固定该盘材料,并且第一部分面朝上,c)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第一部分形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓,以在该第一部分同时地形成粗加工空间,d)将至少两个精加工刀具电极导入粗加工空间以同时地执行叶片的精确加工,e)翻转旋转该盘材料并且固定该盘材料,并且第二部分面朝上,f)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第二部分形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓,以在该第二部分同时地形成粗加工空间,和g)将至少两个精加工刀具电极导入形成于第二部分的粗加工空间以同时地执行叶片的精确加工。
Description
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2005年1月28日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请No.10-2005-0007958的优先权,该申请的全部内容在此以参考的方式结合入本申请。
技术领域
本发明涉及涡轮叶片的电火花加工(electric-dischargemachining),并且更具体地,涉及电火花加工涡轮叶片的方法和装置,其不受限于涡轮叶片的形状,扩展了可应用的范围,并且提高了生产率和加工精度。
背景技术
通常,电火花加工工艺利用电火花现象熔融工件的一部分并且将熔融部分从非熔融部分移除以便加工出预期形状的工件。具体地,在电火花加工中,工件和适合于预期形状的刀具形电极(作为切削刀具)在绝缘加工油剂中分开地布置。在它们之间施加大约100V的电压,同时它们之间的距离逐渐缩小。此时,在电极或工件的表面上发生火花放电。工件的材料在发生火花放电的放电点处熔融或汽化,并且邻近放电点的工件通过绝缘油剂的压力而移走。通过放电连续地形成精细的火口(crater)从而进行切削。
用在工业领域或飞机的发动机中的涡轮是通过压缩气体而由燃烧气体或受压气体获得旋转力的机械部件。这种涡轮可以通过上述电火花工艺来制造。通过电火花加工制造涡轮叶片的方法的一个例子在韩国专利说明书No.2004-9436(“9436号申请”)中公开。根据9436号申请提供的涡轮在图1中示出。这种涡轮包括圆盘10和多个以规则间隔分开的叶片20。根据9436号申请,多个基准细长槽15沿着盘材料1的凸缘形成,如图2所示。右上表面11和左上表面12基于细长槽15而形成,如图3所示,从而形成相对于对称轴线S的上部。在翻转并固定盘材料之后,第二右表面13和第二左表面14基于细长槽15而形成以便形成相对于对称轴线S的第二部分。
根据9436号申请,在叶片20之间没有重叠的情况下,如图4A所示,换言之,也就是在a>b的情况下,基准细长槽可形成在叶片间隙10处,并且刀具电极可垂直地移动以执行切削工作,如图4A中符号P所示。然而,当叶片20之间有重叠时,如图4B所示,换言之,当a≤b时,由于叶片20之间的间隙不够,就不能形成基准细长槽。另外,刀具电极就不能垂直地移动以执行切削工作。
具有叶冠的涡轮(其中叶冠整体地形成于叶片的外侧)不能通过将刀具电极如图2所示那样从盘材料1的横截面移动至内侧而形成基准细长槽15的常规方法来制造。
同时,由于涡轮叶片以C形状形成,通过一次电火花加工不能获得一组完整的叶片。于是,叶片通过电火花加工基于对称轴线(图3中的S)分成上部和第二部分而形成。在这种情况下,就存在着上部和第二部分之间出现不匹配的问题,如图5所示。没有平滑地接合上部和第二部分之间边界处的电火花加工部分并且在上部和第二部分之间的加工面处形成了凸起或台阶部分。这就阻碍了经过叶片的流体(比如燃烧气体)流动,因而导致涡轮效率的降低。
另外,一个叶片由一个刀具电极形成,并且在盘材料在圆周方向旋转之后,下一个叶片由该刀具电极形成。涡轮就是通过上述工序重复和叶片数目一样的次数而电火花加工出来。因此,需要过多的加工时间来形成多个叶片。而且,还有另一个问题:由于难以保持每个叶片的布置一致;加工精度就很次。
发明内容
本发明提供用于电火花加工涡轮叶片的方法和装置,其能制造各种形状的涡轮叶片,而不受限于涡轮叶片的形状。
本发明的另一目标是提供用于电火花加工涡轮叶片的方法和装置,其能提高生产率和加工精度。
本发明的再一目标是提供用于电火花加工涡轮叶片的方法和装置,其能防止涡轮叶片上部和第二部分之间的不匹配。
根据本发明的一个方面,提供一种用于电火花加工涡轮的方法,该涡轮具有多个沿着其圆周形成的叶片,该方法包括:a)准备基于对称线被分成第一部分和第二部分的盘材料;b)固定该盘材料,并且第一部分面朝上;c)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第一部分形成该叶片的初始轮廓,以在该第一部分同时地形成粗加工空间;d)将至少两个精加工刀具电极导入粗加工空间以同时地执行叶片的精确加工;e)翻转该盘材料并且固定该盘材料,并且第二部分面朝上;f)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第二部分形成该叶片的初始轮廓,以在该第二部分同时地形成粗加工空间;和g)将至少两个精加工刀具电极导入形成于第二部分的粗加工空间以同时地执行叶片的精确加工。
在c和f形成操作中,粗加工刀具电极沿着预期的粗加工导入角移动以执行加工。
d和g导入操作可包括:首先沿着预期的精加工导入角移动该精加工刀具电极以执行加工;并且然后在该盘材料的圆周方向往复运动该精加工刀具电极以执行加工。
在d和g导入操作中,该盘材料可相对于对称线被更深地切削0.1mm至0.3mm。
粗加工刀具电极和精加工刀具电极可与叶片的形状相应地成形,但以彼此不同的形状成形。
根据本发明的另一个方面,提供一种用于电火花加工涡轮的装置,该涡轮具有多个沿着其圆周形成的叶片,该装置包括:电极保持器,至少两个相应于叶片的刀具电极在叶片的圆周方向上布置和安装至其上;和安装框架,其与电极保持器相对以支承一盘材料。
刀具电极可布置为与叶片的数目相应,并且彼此间隔分布,其间距相当于叶片的一个节距。
该装置还包括:用于将放电电压施加于刀具电极的放电电压发生单元;用于在垂直方向和圆周方向上移动电极保持器的刀具电极传送单元;和用于控制放电电压发生单元和刀具电极传送单元的数控单元。
附图说明
通过结合附图对其示例性实施例进行详细描述,本发明的以上和其它特点和优点将会变得更加明显,在附图中:
图1是示出由常规方法制造的涡轮叶片的透视图;
图2和3是示出常规电火花加工方法的说明图;
图4A和4B是示出常规电加工工艺的限制的说明图;
图5是示出由常规电火花加工方法制造的涡轮叶片的不匹配状态的照片;
图6是由本发明制造的涡轮叶片的局部剖面透视图;
图7是根据本发明实施例的电火花加工装置的横截面视图;
图8是图7所示电极保持器的透视图;
图9A至9C是粗加工刀具电极和精加工刀具电极的说明图;
图10是刀具电极的基准高度和导入角的说明图;
图11A至11D是示出第一次粗加工工艺顺序的视图;
图12是示出通过第一次粗加工工艺形成的盘材料的形状的横截面视图;
图13A至13G是示出第一次精加工工艺顺序的视图;
图14是示出通过第一次精加工工艺形成的盘材料的形状的横截面视图;
图15A至15D是示出第二次粗加工工艺顺序的视图;
图16是示出通过第二次粗加工工艺形成的盘材料的形状的横截面视图;
图17A至17G是示出第二次精加工工艺顺序的视图;
图18是示出通过第二次精加工工艺形成的盘材料的形状的横截面视图;
具体实施方式
现在将结合附图更详细地描述本发明,附图中示出了本发明的优选实施例。然而,本发明可以以很多不同的形式具体化并且不应当限制于这里所阐述的实施例。更确切地说,这些实施例只是为了使本申请的公开彻底和完全以及将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员的目的而提供。在整个说明书中,同样的数字指示同样的部件。
图6是利用本发明的电火花加工方法制造的涡轮10的局部剖面透视图。涡轮100包括具有转轴150的圆盘110、多个沿着盘110的外周边以规则间隔分开的叶片120、以及连接叶片120从而形成涡轮100外周边的叶冠130。根据本发明的电火花加工方法,其能制造由盘-叶片-叶冠整体形成的整体涡轮100,如图6所示。
图7示出了能应用于根据本发明的涡轮叶片的电火花加工的电火花加工装置的一个例子。电火花加工装置包括电极保持器210以及与电极保持器相对的安装框架220。作为工件的盘材料300平放在安装框架220上并且固定在电极保持器210和安装框架220之间。电极保持器210在其第一部分的中心设有主轴安装部分211。电极保持器210通过主轴安装部分211连接至刀具电极传送器240。在数控单元260的控制之下,刀具电极传送器240将电极保持器210传送至垂直方向(Z方向)和圆周方向(C方向)。为此,数控单元260接收关于加工路线的数据。安装至电极保持器210的刀具电极230沿着输入的加工路线传送以对盘材料300进行加工。主轴安装部分211电连接至放电电压发生单元250,以便把放电脉冲施加至刀具电极230。刀具电极230由安装元件213固定至电极保持器210的圆周。附图标记212标识结合至刀具电极传送器240的连接物。
图8示出了图7中的电极保持器,其中电极保持器210在其圆周方向上形成有多个安装槽215,并且刀具电极230布置在安装槽215中。刀具电极230彼此之间以相当于待形成涡轮的叶片节距的间隙间隔开来。刀具电极230通过主轴安装而施加预期水平的放电电压从而在电极和工件之间产生电火花。电极保持器210形成有多个径向通孔210’,以减轻电极保持器210并且提高电极保持器210的驱动效率。
图9A至9C是粗加工刀具电极213和精加工刀具电极232的侧视图,其中电极231和232沿着叶片120的轮廓成形。粗加工刀具电极231主要在盘材料上执行浅切削,从而形成精加工刀具电极232进入其中的粗加工空间。精加工刀具电极232通过粗加工空间进入盘材料中以便执行深切削并且从而完成叶片120的形状。电极231和232可以由例如具有高导电性和高温强度的铬和铜合金制成。
图10示出了在粗加工刀具电极231和精加工刀具电极232安装到电极保持器之后给电极231和232设置基准高度h1和h2的过程。基准高度h1和h2从盘材料的第一表面U向上测量。粗加工刀具电极231和精加工刀具电极232从基准高度h1和h2向下传送以执行加工。基准高度h1和h2根据粗加工和精加工不同地设置。为了易于设置,在粗设置块(setting block)501和精设置块502放在盘材料上之后,粗加工基准高度h1和精加工基准高度h2可以基于块的高度进行设置。附图标记d1和d2分别表示已经完成粗加工和精加工时的粗加工深度和精加工深度。深度d1和d2从基准高度h1和h2向下测量。有关深度d1和d2的信息事先分别输入电火花加工装置。如果刀具电极231和232达到深度d1和d2,就完成了电火花加工。例如,在精加工放电中,精加工刀具电极232以旋转轴Co为中心旋转θ角度并且同时从基准高度h2向下移动深度d2,从而完成精加工。叶片120通过这些传动工序而被加工。
现在将详细描述根据本发明实施例的涡轮叶片的电火花加工工艺。
如图11A所示,预备盘材料300,并且随后固定至电火花加工装置。参考地,根据本发明的电火花加工涡轮的装置通过基于对称轴线区分第一部分310和第二部分来进行对盘材料300的电火花加工。在安装了盘材料之后,把至少两个粗加工刀具电极231安装至电极保持器。优选地,要安装的粗加工刀具电极231的数目与要形成的叶片数目一致,从而可用每个粗加工刀具电极231同时加工每个叶片120。如果多个叶片120同时地沿着盘材料的周边形成,那么就缩短了加工时间,并且省略了重复的工序。另外,消除了由于多次而带来的设置误差,从而提高了加工精度。
在刀具电极231安装到电极保持器之后,设置粗加工刀具电极的基准高度h1,以上已经结合图10说明了这个基准高度。然后,将有关刀具电极加工路线的信息输入电火花加工装置,其中有关粗加工导入角α1的信息在粗加工中输入。导入角α1表示刀具电极231的传送角度,如图11A所示,其限定为相对于盘材料300的垂直轴线的角度。此时,导入角α1可以根据要形成的涡轮叶片的倾斜部分120a的角度设置为介于0°至90°之间的期望角度。刀具电极231在圆周和垂直方向上同时地受控从而如下所述那样沿着期望的导入角α1移动。
接着,如图11B至11D所示,粗加工刀具电极231以输入的导入角移动从而执行电加工工艺。电极保持器210在盘材料的垂直方向(Z方向)和圆周方向(C方向)同时地受控,以使得粗加工刀具电极231沿着期望的导入角移动。粗加工工艺一直进行到刀具电极231达到事先输入的粗加工深度d1,如图11D所示。盘材料300的第一部分310通过粗加工工序形成期望的粗加工空间310’,如图12所示。精加工刀具电极被导入粗加工空间310’以执行精加工。
参考图13A,安装至电极保持器的粗加工电极被精加工刀具电极232替换,并且将有关精加工基准高度h2的信息输入电火花加工装置。此时,精加工基准高度h2可以如同以下结合图10所述的那样进行设置。然后,将有关第一精加工工序中的精加工导入角α2和第二精加工工序中的圆周传送量1(图13F)的信息输入电火花加工装置。导入角α2设置为相对于粗加工导入角α1的锐角,如图11A和13A所示,从而通过刀具电极导入粗加工空间来执行对工件的电火花加工。
并且,如图13B和13E所示,执行第一次精加工电火花加工。精加工刀具电极232以设置的导入角α2移动从而执行电加工。精加工刀具电极232所安装至的电极保持器在盘材料的垂直方向(Z方向)和圆周方向(C方向)上同时地受控,以使得精加工刀具电极232沿着期望的导入角移动。第一次精加工工序一直进行到精加工电极232达到事先输入的粗加工深度d2,如图13E所示,并且随后进行到第二次精加工工序。
在第二次精加工工序中,精加工刀具电极232固定在垂直方向,如图13F和13G所示,同时在圆周方向(C方向)上以设定的传送量1往复运动从而形成凸部和凹部。更具体地,精加工刀具电极232在圆周方向(C方向)上移动,如图13F所示,从而形成叶片的凸部120b。然后,精加工刀具电极232在相反的圆周方向(C方向)上移动,如图13G所示,从而形成叶片的凹部120C。通过将电极保持器固定在垂直方向(Z方向)并且使电极保持器在数控单元的控制之下在圆周方向(C方向)上往复运动来进行精加工刀具电极232的传送。盘材料的第一部分310通过精加工工序进行加工,如图14所示。优选地,第一加工部分的第二端L1用相对于对称轴线S的深度容许偏差e成形。优选地,容许偏差处于0.1mm至0.3mm的范围内。于是,盘材料300的第一和第二部分310、320被重叠且被加工,从而消除了第一和第二部分310、320之间的不匹配(参阅图5)。
在盘材料的第一部分310的加工之后,进行盘材料的第二部分320的加工工序。
如图15A所示,翻转盘材料并将其固定至安装框架,第一部分320面朝上。将粗加工刀具电极231安装至电极保持器,并且将有关基准高度h3和导入角α3的信息输入电火花加工装置。应当说明的是,基准高度h3和导入角α3与第一部分310的加工相同地设置。接着,根据输入信息开始粗加工工序。如图15B至15D所示,以导入角把粗加工刀具电极231导入盘材料300以进行电加工。粗加工工序一直进行到刀具电极231达到粗加工深度d3,如图15D所示。盘材料的第二部分320通过粗加工工序形成期望的粗加工空间310’,如图16所示。
然后,进行第二部分的精加工工序。参考图17A,安装至电极保持器的粗加工电极被精加工刀具电极232替换,并且如以上结合图10所描述的那样设置精加工基准高度h4。输入有关精加工路线的信息,其中将有关第一精加工工序中的精加工导入角α4和第二精加工工序中的圆周传送量2(图17F)的信息输入电火花加工装置。优选地,导入角α4和圆周传送量2的设置方式与在第一部分的加工工序中设置精加工导入角α2(图13A)和圆周传送量1(图13F)的方式相同。
并且,如图17B至17E所示,执行第一次精加工电火花加工。精加工刀具电极232以设置的导入角α4移动从而执行电加工。精加工刀具电极232所安装至的电极保持器在盘材料的垂直方向(Z方向)和圆周方向(C方向)上同时地受控,以使得精加工刀具电极232沿着期望的导入角移动。第一次精加工工序一直进行到精加工电极232达到事先输入的粗加工深度d2,如图17E所示,并且随后进行第二次精加工工序。
在第二次精加工工序中,精加工刀具电极232固定在垂直方向,如图17F和17G所示,同时在圆周方向(C方向)上以设定的传送量2往复运动从而形成凸部和凹部。更具体地,精加工刀具电极232在圆周方向(C方向)上移动,如图17F所示,从而形成叶片的凸部120b。然后,精加工刀具电极232在相反的圆周方向(C方向)上移动,如图17G所示,从而形成叶片的凹部120C。通过将电极保持器固定在垂直方向(Z方向)并且使电极保持器在数控单元的控制之下在圆周方向(C方向)上往复运动来进行精加工刀具电极232的传送。盘材料的第二部分320通过精加工工序进行加工,如图18所示。优选地,第二加工部分的下端L2用相对于对称轴线S的深度容许偏差e成形。优选地,容许偏差处于0.1mm至0.3mm的范围内。于是,盘材料的第一和第二部分310、320之间的周边部分120b被重叠且被加工,从而消除了第一和第二部分310、320之间的不匹配(参阅图5)。
根据本发明用于电火花加工涡轮叶片的装置和方法具有以下优点。
首先,根据本发明用于电火花加工涡轮叶片的方法包括了保证刀具电极导入空间的粗加工工序和执行叶片精确加工的精加工工序,因此就不存在着对涡轮叶片形状的限制。例如,可以制造出在叶片或涡轮叶片和整体叶冠之间具有狭缝的涡轮叶片。
其次,该方法按照间隙重叠地加工第一部分和第二部分,从而防止了在第一和第二部分之间出现不匹配。
最后,该方法利用至少两个刀具电极同时地加工叶片的形状,因此,与其中每个叶片在圆周方向上移动从而一个个地形成叶片的常规加工方法相比,缩短了加工时间并且从而提高了生产率。另外,在设置过程中不再累积误差,从而能高精度地制造涡轮叶片。
虽然已经具体地示出了本发明并且结合其示例性实施例进行了描述,但是本领域的普通技术人员能理解到,在不偏离本发明如下述权利要求所限定的精神和范围的前提下能作出形式和细节上的各种变化。
这里所引用的所有参考文献,包括出版物、专利申请以及专利,在此以参考的方式引入,其程度如同每个参考文献都分别地且具体地指示为以参考的方式引入并且其整体在此进行阐述。
描述本发明的内容(尤其是下述权利要求内容)中使用的术语“一个”和“所述”以及类似词语被构造为覆盖单个和多个,除非其中另有说明或与内容明显地抵触。这里数值范围的列举仅仅是用作分别涉及每个落入其范围内的单独数值的简化方法,除非其中另有说明,并且每个单独的数值结合入说明书,如同该数值在其中单独说明一样。这里描述的所有方法能以任何适当的顺序进行,除非其中另有说明或与内容明显地抵触。这里任何以及所有例子或示例性语言(例如“比如”)的使用只是为了更好地说明本发明,而不是对本发明的范围进行限定,除非另有说明。说明书中的任何语言不应当视为:指示任何未说明的元件对本发明的实践来说是必要的。
这里描述了本发明的优选实施例,包括发明者已知的实施本发明的最佳模式。应当理解的是,所示实施例仅仅是示例性的,不应当视为对本发明范围的限制。
Claims (16)
1.一种用于电火花加工涡轮的方法,该涡轮具有多个沿着其圆周形成的叶片,该方法包括:
a)准备基于对称线被分割成第一部分和第二部分的盘材料;
b)固定该盘材料,并且第一部分面朝上;
c)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第一部分形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓,以在该第一部分同时地形成粗加工空间;
d)将至少两个精加工刀具电极导入该粗加工空间以同时地加工该多个叶片中的所述至少一个;
e)旋转该盘材料并且固定该盘材料,并且第二部分面朝上;
f)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第二部分形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓以在该第二部分同时地形成粗加工空间;和
g)将至少两个精加工刀具电极导入形成于第二部分的粗加工空间以同时地加工该多个叶片中的所述至少一个。
2.根据权利要求1的方法,其中在形成操作中,该至少两个粗加工刀具电极沿着预期的粗加工导入角移动以执行加工。
3.根据权利要求1的方法,其中导入操作包括:
沿着预期的精加工导入角移动该至少两个精加工刀具电极以执行加工;和
在该盘材料的圆周方向往复运动该至少两个精加工刀具电极以执行加工。
4.根据权利要求1的方法,其中在导入操作中,该盘材料相对于对称线被切割0.1mm至0.3mm。
5.根据权利要求1的方法,其中该至少两个粗加工刀具电极和该至少两个精加工刀具电极与叶片的形状相应地成形,但以彼此不同的形状成形。
6.根据权利要求1的方法,其中涡轮包括沿着该盘材料的圆周与该盘材料整体地形成的叶冠。
7.一种用于电火花加工涡轮的装置,该涡轮具有多个沿着其圆周形成的叶片,该装置包括:
一个电极保持器,至少两个相应于叶片的刀具电极在涡轮的圆周方向上布置和安装至其上;和
一个安装框架,其与电极保持器相对以支承一盘材料。
8.根据权利要求7的装置,其中:
多个刀具电极与该多个叶片相应地布置;并且
该多个刀具电极彼此以一个间隙间隔分布,该间距相当于该多个叶片中的至少一个的一个节距。
9.根据权利要求7的装置,还包括:
用于将放电电压施加于该至少两个刀具电极的放电电压发生单元;
用于在垂直方向和圆周方向上移动电极保持器的刀具电极传送单元;和
用于控制放电电压发生单元和刀具电极传送单元的数控单元。
10.根据权利要求7的装置,其中:
电极保持器包括多个安装槽;并且
多个刀具电极布置在该安装槽中。
11.根据权利要求7的装置,其中电极保持器在垂直和圆周方向上同时受控。
12.一种用于电火花加工涡轮的方法,该涡轮具有多个沿着其圆周形成的叶片,该方法包括:
a)准备具有第一侧面和第二侧面的盘材料;
b)定位该盘材料,并且第一侧面面对加工设备;
c)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第一侧面上形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓,以在该第一侧面同时地形成粗加工空间;
d)将至少两个精加工刀具电极导入该粗加工空间以同时地加工该多个叶片中的所述至少一个;
e)旋转并定位该盘材料,并且第二侧面面对加工设备;
f)利用至少两个粗加工刀具电极在该盘材料的第二侧面上形成该多个叶片中的至少一个的初始轮廓,以在该第二侧面上同时地形成粗加工空间;和
g)将至少两个精加工刀具电极导入形成于第二侧面上的粗加工空间以同时地加工该多个叶片中的所述至少一个。
13.根据权利要求12的方法,其中在形成操作中,该至少两个粗加工刀具电极沿着预期的粗加工导入角移动以执行加工。
14.根据权利要求12的方法,其中导入操作包括:
沿着预期的精加工导入角移动该至少两个精加工刀具电极以执行加工;和
在该盘材料的圆周方向往复运动该至少两个精加工刀具电极以执行加工。
15.根据权利要求12的方法,其中在导入操作中,该盘材料相对于对称线被切割0.1mm至0.3mm。
16.根据权利要求12的方法,其中该至少两个粗加工刀具电极和该至少两个精加工刀具电极与叶片的形状相应地成形,但以彼此不同的形状成形。
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