CN110621429A - 加工齿部的方法和为其设计的切齿机，以及相关计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加工具有旋转轴(C)的齿部(2)的方法，在所述方法中，围绕旋转轴(B)被旋转驱动的加工刀具(4)在实施加工刀具与齿部之间的相对运动以生成所述齿部的在所述整个齿部宽度上预设的齿面几何形状的情况下，在加工啮合中从齿部移除材料，其中所述预设的齿面几何形状与相对所述齿部旋转轴确定所述刀具中心的运动轨迹的运动控制相匹配，所述运动控制具有在经定义的加工刀具和齿部之间的进给运动中的经定义的不等于零的轴向进刀，其中在第一加工中，仅为制造所述齿面几何形状的特别是主要部分(5)而根据所述运动控制实施相对运动，而在第二加工中制造齿面几何形状的其他特别是剩余部分(6)，在所述第二加工中，所述刀具中心与所述齿部旋转轴的距离以使得所述刀具中心远离所述齿部的方式相对所述固定的运动轨迹被改变，并且在所述方式中，所述加工啮合的由此发生的变化通过相对运动的相对第一加工的运动控制而言附加地实施的运动变化而被抵消。

Description

加工齿部的方法和为其设计的切齿机，以及相关计算机程序 产品
本发明涉及一种加工具有旋转轴的齿部的方法，在所述方法中，围绕旋转轴被旋转驱动的加工刀具在实施加工刀具与齿部之间的相对运动以生成所述齿部的在所述整个齿部宽度上预设的齿面几何形状的情况下，在加工啮合中从齿部移除材料，其中所述预设的齿面几何形状与相对所述齿部旋转轴确定所述刀具中心的运动轨迹的运动控制相匹配，所述运动控制具有在经定义的加工刀具和齿部之间的进给运动中的经定义的不等于零的轴向进刀，以及涉及一种用于实施所述方法的受控的切齿机。
多个不同的方法设计方案揭示过这类方法，就此而言，例如在下文中采用刮齿。
在刮齿中，剥离轮在滚动式加工啮合中去除齿部坯件的材料，并且在此过程中，通常在数个操作中产生具有预设的齿面几何形状的齿部，其中齿部和刀具在每个操作中均实施一个轴向的进刀运动，直至全部齿面区域均经过加工。在最后的操作后，实现(剥离)加工力求达到的(最终)几何形状。相对于随后的成品工件的最终几何形状而言，这个几何形状通常还具有加工余量，以便即使在淬火变形的情况下，也在通常后续的硬态/精加工后实现正确的最终几何形状。刮齿的最后的操作通常实施为精切加工，以制造尽可能光滑的齿面表面。
在滚动啮合中，剥离轮与齿部的运动条件相当于螺旋齿轮传动装置的运动条件。也就是说，剥离轮的旋转轴在相对于轴距轴的法向平面内相对于齿部旋转轴以一个轴交叉角的程度倾斜，并且切割速度与此轴交叉角相关。根据待加工的工件的几何形状来选择轴交叉角和设计刀具，以便借助匹配的运动控制在切齿机上制造齿部的齿面几何形状。
本发明的目的在于，特别是在灵活和快速的齿部加工方面改进本文开篇所述类型的方法。
本发明用以达成上述目的的解决方案为，在工艺技术方面进一步改进所述方法，所述进一步改进的特征大体在于，在第一加工中，仅为制造齿面几何形状的特别是主要部分而根据所述运动控制实施相对运动，而在第二加工中制造齿面几何形状的其他特别是剩余部分，在所述第二加工中，刀具中心与齿部旋转轴的距离以使得刀具中心远离齿部的方式相对固定的运动轨迹被改变，并且在所述方式中，加工啮合的由此发生的变化通过相对运动的相对第一加工的运动控制而言附加地实施的运动变化而被抵消。
其中，本发明首先基于以下认识：沿经过加工的齿部的轴向观察，所述剥离轮基于所设置的轴交叉角和所述剥离轮的包络切割的确定齿面加工进度的走向，在工作操作结束后在左右齿面上伸出所述轴向齿部末端，所述轴向的进给方向在所述加工中朝向所述齿部末端。在呈盘形的齿部中，这种工件最终位置相比齿部而言不明显，而在制造除齿部本身外还具有其他布置在齿部的轴向上的结构的齿部时则需要考虑到这个最终位置，这些结构就齿部的加工而言被视为潜在的干扰轮廓。若干扰轮廓与齿部本身的距离过近，则视情况不再考虑将刮齿作为加工工艺，并且在此情况下例如需要通过插齿来制造相应的齿部。但视情况也可能通过设置尽可能小的轴交叉角来实现更加有利的最终位置定位，这样就能刚好不与干扰轮廓发生碰撞。本发明进一步基于以下认识：在制成所力求达到的在齿部宽度上具有大体相同的齿部深度的齿面几何形状后，所述加工刀具相对于齿部的最终位置由两个不同的分量组成，一方面，由在完成对左右齿面中的一个的加工后直至完成对另一齿面的加工为止所需的刀具的轴向超行程运动组成，因为具有左右齿面的齿面几何形状的包络切割就齿部轴的法向平面而言不对称。另一分量为纯粹的几何分量，其由如下方式产生：基于轴交叉角，即使是在两个齿面上的全部加工均已完成的位置中，与加工接触在超行程末尾所处于的齿部轴法向平面相比，旋转式加工刀具的包络线的轴向伸出程度也更大。包络线在相对运动期间的运动跟随刀具中心的运动轨迹。
通过本发明可以减少甚至完全避免由超行程所产生的这些分量，具体方式是，在保持进给的情况下进行轴向进刀的常规加工并不实施至齿面几何形状制造完成，而是仅在几何形状制造的一部分中实施该加工，优选以至少使得左右齿面被加工成预设的齿面几何形状的程度实施该加工。针对其他特别是剩余的齿面部分而言则偏离这个第一加工，也就是说，该加工并非如常规那样继续实施，直至在完成超行程后达到传统的最终位置。确切而言，例如以某种方式改变加工刀具与齿部之间的相对运动，从而减少甚至停止轴向进刀，并且使得刀具例如在径向上远离齿部。但其他部分上的并未在第一加工中实现的预设齿面几何形状还是通过如下方式实现：在第二加工中实施反作用的且大体为补偿式的修正运动，该修正运动实施至少一个与轴向的进刀轴不一致的运动轴的相对第一加工而言经额外改变的运动。因此，例如通过形式为围绕齿部旋转轴(或刀具旋转轴)(附加运动轴)的附加旋转与通过径向运动轴进行的运动的叠加运动来在第二加工中产生齿面。相对直至通常实施的超行程运动结束为止通常保持恒定的进给而言，加工刀具远离经过加工的齿部。这两个(第一和第二)加工属于相同的操作。
因此，也可以以在齿部宽度上大体保持不变的齿部深度来制造预设的齿面几何形状，即使加工刀具无需为此完整地实施传统的超行程，而是在关键区域内在另一运动轨迹上相对齿部运动，该运动轨迹可以从承载齿部的工件的干扰轮廓旁边经过。齿部可以在运动接近终了的末端上以不形成下垂的方式敞开。
特定而言，加工刀具不再处于在第一加工继续进行直至完成超行程时将会达到的相对齿部的最终位置。在最终位置上，径向([x2+y2]1/2)距离更大。在任何情形下，本发明的加工优选均在最后的(最深的)加工操作(剥离操作)中实施。
因此，本发明使得在例如用于刮齿的情况下，与传统加工中因干扰轮廓而采用的轴交叉角相比，能够以更大的轴交叉角加工工件，从而实现更快的切割速度和更短的加工时间。另一方面，基于本发明，能够将刮齿更加灵活地应用于否则将只能通过插齿加工的工件类别。
第一加工优选在双齿面工艺(Zweiflankenverfahren)中实施。第二加工优选在单齿面工艺(Einflankenverfahren)中实施，因此，优选在左右齿面中的一个就预设的齿面几何形状而言完成加工的情况下实施从第一朝第二加工的过渡。
刀具侧的加工啮合范围在这两个加工中优选为相同的。
原则上无法排除在第一加工前实施第二加工(运动学上的运动逆转)。但第二加工特别优选在时间上紧接着第一加工。
在一种特别优选的实施方式中，通过所述径向的(进给)轴来改变所述刀具中心的运动轨迹。以这种方式就能将起反作用的附加运动与径向的移出运动(Austauchbewegung)结合在一起。但(首要是就外齿而言)原则上也可以采用切向的移出运动，视情况还与径向的移出运动叠加。
在另一特别优选的设计方案中，所述起附加反作用的运动轴是通过齿部旋转轴和/或加工旋转轴的相对的附加旋转而实现。这个用于对因从第一朝第二加工的转移运动而改变的啮合进行补偿的附加旋转特别易于实施，因为机器侧的附加旋转原本就可以设置或被设置为用于旋转轴的纯粹的同步滚动耦合，以便例如在螺旋齿和轴向进刀中保持滚动切齿。
视情况也可以改变其他从第一朝第二加工的运动轴设置，例如切向轴(与轴距轴(也就是径向的进给轴)正交且具有正交分量或垂直于齿部旋转轴)。同样可以考虑到，轴交叉角或运动轴参与补偿式的更改运动以进行设定。
齿部与加工工件优选在相对运动期间相互滚动啮合，从而特别是实施连续的加工。这也有助于提供较短的加工时间。
在另一特别优选的技术方案中，齿部与加工刀具的所述旋转轴以不等于零的轴交叉角布置。因此，本发明特别是适于如下方法：其基础运动***为螺旋齿轮传动的运动***，且所述方法类型包括刮齿，但也包括珩磨或硬齿面刮削的硬加工工艺。就此而言，刚好优选地采用这个加工工艺，其中加工中的切割速度与轴交叉角有关。
本发明既可以用于软加工又可以用于硬加工。在优选的应用中，所述加工刀具为具有特定几何尺寸的刀刃的刀具，特别是剥离轮。本发明的特别优选的应用在于刮齿工艺。剥离轮可以作为单个刀具而存在。但其也可以是组合式或串联式刀具的一部分，该组合式或串联式刀具例如共轴地载有另一剥离轮，该剥离轮可以用来实施附加的加工，例如去毛刺、倒棱或加入锉削(Hinterlegungen)。
如上所述，在本发明中，可以在第二加工中停止(不再继续执行)第一加工中的轴向进刀。这一点特别是适于径向延伸程度较大的干扰轮廓。但同样可以继续执行轴向进刀，一方面以较小的程度(相对第一加工而言约小于70％，优选小于40％，特别是小于20％)执行，这一点最终使得超行程相应地缩短。视干扰轮廓的具体径向延伸而定，沿轴向观察，在该进给相对第一加工中的进给发生足够的程度的变化的情况下，进刀运动也可以执行至结束。这样就能视情况仅通过改变径向和/或切向的进给位置来引起相对运动的变化，该相对运动可以沿干扰轮廓伸展。与在保持径向进刀期间通过实施移出运动而期望地减小齿部深度不同，在本发明中，特别是以大体均匀的齿部深度进一步制造力求达到的齿面几何形状，因为该齿部深度在第二加工中通过对机轴的附加的起反作用的设置而实现。表述“大体”在此处表示，不将齿部深度的可能因齿面改变(如凸度、交错的设置或视情况而定在加工工艺中原本就要实施的其他齿面改变)而造成的最小程度的变化考虑在内。预设的齿面几何形状本身优选为渐开线齿部，但本发明同样可以应用于更加复杂的齿面形状。
根据本发明的一种具有特别优势的方法设计方案，所述齿部为具有另一结构的轴体状工件的部分，所述结构以与轴向的齿部末端中的一个轴向间隔一定距离的方式具有特别是大于齿部本身的径向延伸度。在径向延伸度相应较大的情况下，可将轮廓视作在传统方法中需要考虑在内的干扰轮廓。。
通过应用本发明的方法就能有利地影响与这种干扰轮廓的距离/安全距离。其中，加工刀具和/或轴交叉角以某种方式设计/设置，使得在以维持第一加工的相对运动的方式制造齿面几何形状的其他部分的情形中，加工刀具将不再遵循与另一结构的安全距离，且特别是会与这个结构发生碰撞。
在一个优选的方法设计方案中，所述第一和/或第二加工的轴交叉角为至少8°，优选至少12°，特别是至少16°。这样就能实现适当的切割速度，可以在更短的时间内制造在传统的方法中仅能以极小的轴交叉角加工的工件。但本发明并非如此地明确限制于这么大的轴交叉角，且在采用5°或以上的较小轴交叉角时同样可以实施本发明，从而仍然能够在刮齿中在利用可根据本发明所实现的优点的情况下制造工件，这样就无需转而采用较慢的加工工艺，例如插齿。也可以采用20°或以上的轴交叉角。
所述方法既可以应用于外齿的加工，又可以应用于内齿的加工。
在装置技术方面，本发明主张相应地设计的切齿机和切齿控制装置，例如计算机程序产品，所述计算机程序产品在切齿机上被执行时对切齿机进行控制使其实施根据上述方面中的任一项所述的方法。
本发明还主张一种切齿机，其具有用于以可旋转的方式支承具有旋转轴的齿部的工件容置部、具有用于以围绕旋转轴被旋转驱动的方式支承加工刀具的刀具容置部，以及具有机轴，其实现加工刀具与齿部之间的径向进给运动和具有平行于齿部旋转轴的运动分量的轴向进刀运动，以及控制装置，其被设计和编程为在所述切齿机上实施根据上述方面中的任一项所述的方法。
下面结合附图对本发明的更多特征、细节和优点进行说明，图中：
图1示出齿部加工的接触线的示意图，
图2示出加工齿部的剥离轮，
图3示出在刮齿中的包络切割过程，
图4示出齿面视图的与图3匹配的过程，
图5示出不同的实施方式中的轨迹偏差，以及
图6示出刮齿机。
图1示出齿部的齿槽的示意图，用LF表示左齿面且用RF表示右齿面，在其间绘示有槽底。其中包含的具有两个涂黑的四分之一圆区表示刀具系中的零点N，例如剥离轮齿部的齿的齿尖的轴向位置(的高度上的刀具中心轴)。图1中用K表示的线为接触线，其在强力刮齿(Power-Skiven)中的齿廓形成中产生，且该接触线沿径向以及轴向的长度延伸。接触线相当于在加工啮合的某个固定时刻，加工刀具与齿部之间的接触，因而对应于刀具零点的某个定义的轴向位置。在刀具零点的所示位置上看出，(在图1中从上往下的轴向进刀中，)左齿面LF的齿面几何形状的制造的进度快于右齿面RF。在将穿过刀具零点的水平线视为齿部的轴向端部E的情况下，在所示位置上，左齿面已构建完毕，但对在接触线与轴向齿部末端E之间的区域内的右齿面的加工尚未完成。图1右侧所示的双箭头示出必须实施刀具与齿部的哪些附加的轴向相对运动才会将右齿面加工完毕。这个轴向距离为在传统的加工中，在相应的加工过程结束前进一步轴向进刀所走过的超行程路径，直至右齿面上的齿部加工完成。
图2示出剥离轮4和用剥离轮4制成的内齿2的示意图。图2中的视向是径向(进给)轴的视向。可以看出，剥离轮的旋转轴B相对齿部旋转轴C以轴交叉角Σ的程度倾斜。图2所示位置相当于借助传统的刮齿完成齿部加工的位置，刀具零点处于齿部的轴向端部的下方，轴向间隔为超行程S。
所示载有齿部2的工件3在轴向上在齿部末端下方还具有另一轮廓，其在下文中被称为干扰轮廓。图2中绘示的双向箭头给出在轴向上与刀具中心的距离ZS，必须遵循该距离才能在具有干扰轮廓的情况下形成无干扰的加工。
图3a-d在与齿部轴正交的剖面内示出齿槽轮廓以及剥离轮的切割运动的包络切割，在本发明的技术方案中，在第二加工中采用这些包络切割，其中在刀具零点的图1所示位置中停止轴向进刀，并且加工刀具以单齿面切割的方式径向地从齿部的齿槽移出。
图4a-d中与图3a-d中的视图同步地示出齿部的齿廓在第二加工中是如何发生变化的。在此过程中，处于可以在图4a-c中看出的斜穿的接触线Ka、Kb、Kc上方的区域给出齿面区域，该区域已按照力求达到的齿面几何形状制造完毕，在处于下方的区域内还存在相对力求达到的齿面几何形状而言的加工余量。因此，图4的图a)示出与图1的情形相匹配的处于接触线下方的加工余量情形。在这个相当于第一与第二加工的过渡区的视图中，如图3的图a)所示，还存在第一加工的完整的径向进给深度。
如从包络线沿径向轴方向X从图3中的左图a)至右图d)的相对移动中可以看出，在所示加工示例中实施径向的移出运动。但此外，也可以看出，包络线的位置相对齿槽的位置在切向Y上基于相应地设计的附加运动而有所改变。其中，径向移出运动与附加运动的叠加如此地相协调，使得包络线沿待制造的齿面几何形状运动，从而在无需为此实施另一轴向进刀的情况下将齿面构建完成。因此，在这个实施例中，第二加工中的进刀为径向/切向的进刀。在不实施切向的附加运动的情况下，加工余量以及与力求达到的齿面几何形状的显著偏差会保留下来。
借此特别是完全无需如图2所示的超行程路径，从而相对所需的轴向距离ZS获得轴向的间隙，以防止与干扰轮廓发生碰撞。在还实施轴向的进刀运动，但以较低的速率实施的情况下，优选以最大的程度设置上述轴向的间隙，但保留一个相应地较小的间隙，因此，与传统方案相比，在更早的轴向位置上实施径向的移出运动。换言之，在第二加工中还采用一个(较小程度的)轴向进刀的情况下，也能实现图3和图4中所绘示的加工。齿部深度直至轴向的齿部末端E保持不变。
叠加运动的为实现图3b-c所示包络切割过程而相对齿部所采用的与切向轴Y相关的部分可以以多种方式实现。其可以通过齿部旋转轴的附加旋转ΔC实现，但也可以通过围绕刀具旋转轴的附加旋转ΔB，或二者的叠加来实现。但也可以设置相对第一加工有所变化的切向机轴Y。视情况也可以将轴交叉角Σ的变化包含在内。
但优选方案在于径向进刀的叠加，其借助特别是齿部旋转轴C的附加旋转提供相对第一加工而言不断变化的径向进给。
特别是在加工外齿时可以考虑通过机轴Y来实现切向的移出运动，并且再次使用齿部旋转轴(B)和/或齿部旋转轴(C)的附加旋转作为用于制造齿面几何形状的反作用的附加运动轴。
图5还示出与假设根据第一加工的运动控制继续加工的情况下的第一加工的运动轨迹相比，刀具中心的运动轨迹的变化的示例。其中，图5a相当于在未实施进一步轴向进刀的情况下，移出运动的优选实施例。而图5b的技术方案示出一种方案，其中虽然保留了轴向进刀，但这个轴向进刀与径向的移出运动叠加。例如可以在如下情形中应用这个方案：干扰轮廓仅具有某个径向延伸度，使得碰撞危险大体只有在刀具在完成超行程后还以全部的径向深度进给的情况下才会产生。图5c示出具有较少的超行程的另一方案。
通过节省超行程所获得的间隙可以被多次利用。一方面可以可以针对具有干扰轮廓的工件的加工采用更大的轴交叉角Σ，并且针对这个更大的轴交叉角实施刀具设计。在以如此设计的刀具进行传统加工时，在通过第一加工的运动轴控制在整个轴向宽度上进行的工件加工中要么不再遵循相对干扰边缘的安全距离，要么已经导致与干扰轮廓发生碰撞，但实际上在本发明中，通过朝第二加工的过渡予以避免。切割速度基于设置得更大的轴交叉角而增大且可以实现加工时间的缩短。
另一方案在于，并不将间隙用于改变刀具设计以及用于增大轴交叉角和切割速度，而是将其用于以轴向的齿部末端与干扰轮廓之间的较小的轴向距离在刮齿中加工工件，否则这些工件无法再通过刮齿加工，而是仅通过插齿加工。
图6示出另一具有示意性地示出的控制装置99的刮齿机100。机轴X(径向)、Y(切向)、Z(轴向)、A(用于设定轴交叉角Σ的偏转轴)、C2(刀具旋转轴)和C(刀具旋转轴)实现所需的相对运动，这样控制装置99就能控制刮齿机100以实施上述方法。布置在(用于Y的)切向滑座上的刀具头以能够借助切向滑座偏转的方式布置在(用于X和Z的)十字滑座装置上。图6仅示出适宜的机床的一个示例，同样可以采用其他设计，例如悬挂式主轴、拾取(pick-up)***等。
本发明并非仅限于上述示例中所阐述的技术规范。确切而言，权利要求书和说明书中的各特征可以在其不同实施方式中对实现本发明具有重要意义。

Claims (15)

1.一种加工具有旋转轴(C)的齿部(2)的方法，在所述方法中，围绕旋转轴(B)被旋转驱动的加工刀具(4)在实施加工刀具与齿部之间的相对运动以生成所述齿部的在所述整个齿部宽度上预设的齿面几何形状的情况下，在加工啮合中从齿部移除材料，其中所述预设的齿面几何形状与相对所述齿部旋转轴确定所述刀具中心的运动轨迹的运动控制相匹配，所述运动控制具有在经定义的加工刀具和齿部之间的进给运动中的经定义的不等于零的轴向进刀，
其特征在于，在第一加工中，仅为制造所述齿面几何形状的特别是主要部分(5)而根据所述运动控制实施相对运动，而在第二加工中制造齿面几何形状的其他特别是剩余部分(6)，在所述第二加工中，所述刀具中心与所述齿部旋转轴的距离以使得所述刀具中心远离所述齿部的方式相对所述固定的运动轨迹被改变，并且在所述方式中，所述加工啮合的由此发生的变化通过相对运动的相对第一加工的运动控制而言附加地实施的运动变化而被抵消。
2.根据权利要求1所述的方法，其中相对所述第一加工的运动控制而言有所变化的相对运动轴为径向轴(X)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述附加的运动变化至少部分地通过齿部旋转轴(C)和/或加工旋转轴(B)的相对的附加旋转而实现。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述第二加工中，切向轴(Y)的设置和/或围绕所述轴距轴在所述旋转轴之间的旋转相对所述第一加工而言有所变化。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述齿部与所述加工刀具在所述相对运动期间相互滚动啮合。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中齿部与加工刀具的所述旋转轴以不等于零的轴交叉角(Σ)布置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述加工中，所述切割速度与所述轴交叉角有关。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加工刀具为具有特定几何尺寸的刀刃的刀具，特别是剥离轮(4)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中相对所述第一加工中的轴向进刀而言，将所述第二加工中的轴向进刀减少至少于70％，优选少于40％，特别是少于20％，且特别是停止所述轴向进刀。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中完整地在所述第一加工中制造所述左齿面或者右齿面上的齿面几何形状，且所述齿面几何形状的其他部分属于所述另一齿面。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述齿部为具有另一结构的工件(3)的一部分，所述结构以与所述轴向的齿部末端中的一个轴向间隔一定距离的方式具有径向的延伸度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述加工刀具和/或所述轴交叉角以某种方式设计/设置，使得在以维持所述第一加工的相对运动的方式制造所述齿面几何形状的其他部分的情形中，所述加工刀具将不再遵循与所述另一结构的安全距离，且特别是会与所述结构发生碰撞。
13.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，其中所述第一和/或第二加工中的轴交叉角为至少8°，优选至少12°，特别是至少16°。
14.一种计算机程序产品，其在切齿机上被执行时，对所述切齿机进行控制使其实施根据上述权利要求中的任一项所述的方法。
15.一种切齿机，其具有用于以可旋转的方式支承具有旋转轴的齿部的工件容置部，以及具有用于以围绕旋转轴被旋转驱动的方式支承加工刀具的刀具容置部，以及具有机轴，其实现加工刀具与齿部之间的径向进给运动和具有平行于所述齿部旋转轴的运动分量的轴向进刀运动，以及具有控制装置，其被设计和编程为在所述切齿机上实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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