CN113369551A - 一种立铣刀及基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立铣刀及基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，所述立铣刀适用于小曲率双曲面的高效加工成形，刀具底刃加工中刀具与材料接触点的弧度增加，从而可增大切削行距，有效解决大R牛鼻铣刀定轴加工曲面时的行距小问题，成倍的提高了零件加工效率，同时消除了钳工大量手工打磨。本发明在铣削转轴梁翼面曲面时，在切削线速度、每齿进给量、切削残余高度不变的条件下，比原工艺使用5齿整体硬质合金铣刀的切削效率提高约5倍，行切零件表面时间约40min，同时切削表面质量提高，表面纹理均匀、光滑无粘屑，加工后的曲面尺寸精度完全符合检验要求，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。

Description

一种立铣刀及基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法

技术领域

本发明属于航空精密制造加工的技术领域，具体涉及一种立铣刀及基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法。

背景技术

飞机上的复杂回转构件既具备回转结构的高精度特性，又具有非回转件结构复杂的特点，且尺寸较大。飞机转轴梁属于典型的复杂回转结构件，其零件由圆轴段和翼盒段构成，圆轴段主要采用车削工艺加工，翼盒段则主要采用铣削工艺加工。而其翼盒段的翼面属于典型的双曲面，形状成凸形弧面，如图1所示，翼面的曲面的曲率较小，但曲面表面积较大（500×400）。目前加工工艺：使用φ40机夹铣刀粗加工后留0.2mm余量，再使用φ20R8牛鼻铣刀在数控机床上采用定轴进行行切加工曲面，行切间距2mm（残脊高度0.05mm），刀路轨迹如图2所示，零件一个面行切加工需时间3h以上。同时，转轴梁零件广泛使用TC21钛合金难切削材料，此过程中，存在诸多制约转轴梁翼面高效加工的困难和问题：

（1）大R牛鼻铣刀加工，虽然避免了球头铣刀加工时的切削点切削速度趋于0、影响工件表面加工质量等问题；但是刀具底刃有效切削长度短，φ20R8底刃有效切削长度短约4.5mm，导致行切间距小，曲面表面积越大，加工时间越长；

（2）在数控机床上采用定轴行切加工曲面，刀具底切削刃不能很好的与曲面形成几何啮合，曲面表面存在局部过切或欠切现象，需要通过钳工进行手工打磨抛光曲面表面，产品的加工质量很大程度上依赖于工人的经验，对工人的技术水平要求极高，产品质量稳定性差。

航空精密制造对曲面的加工质量和加工效率提出了越来越高的要求，传统立铣刀行切与人工打磨的制造工工艺已远远不能满足飞机转轴梁翼面双曲面切削加工的需要，急需探索一种高效、优质的型面铣削加工方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立铣刀及基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，旨在解决上述问题。

本发明通过设计了一种呈凹面结构的超密齿端刃的立铣刀，在加工小曲率双曲面时，有效增加了刀具底刃与材料接触点的弧度，从而增大了切削行距，成倍的提高了零件加工效率，提高切削表面质量，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。另一方面，本发明通过依次进行的大直径快进给可转位铣刀大余量粗铣、超密齿端刃成凹面结构立铣刀大行距五轴半精加工、大行距五轴精加工的工艺，实现了对TC21钛合金转轴梁翼面双曲面的高效铣削。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种立铣刀，包括刀杆和设置在刀杆一端的端刃，所述端刃为凹面结构，所述端刃设置有若干个切削刃，且沿周侧设置有若干个螺旋状侧刃，所述切削刃包括呈内凹弧形结构的底刃，所述底刃与底刃旋转平面之间间隙为H，所述底刃的两端分别通过圆弧段与螺旋状的侧刃连接。

本发明通过凹面结构的端刃有效增大了加工中刀具与材料接触点的弧度，即增大切削间距，同时，立铣刀底刃凹面与刀具底刃旋转平面形成间隙H，避免刀具在加工凸形曲面时过切曲面。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述端刃上设置有14个切削刃，所述切削刃的底刃刃宽B为0.6mm～0.8mm，H为0.5mm。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述端刃的前角β为10°～12°、底刃后角γ为5°～8°、底刃大后角κ为12°～15°。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述侧刃与切削刃形成锥角α为8°～10°，所述端刃的侧刃的螺旋角λ为30°～35°。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述端刃的心部直径为刀杆直径的70%。

本发明在使用过程中，在切削过程中，主要使用大圆弧的底刃进行切削，增大加工中刀具与材料接触点的弧度，减小精加工留下残脊的高度，减少精加工所需刀路数量，极大缩短加工时间。所述该立铣刀的端刃设置有较多切削刃，以相同每齿进给量的情况下进一步提升加工效率。所述该立铣刀仅用于曲面精加工，切削量少，刀体心部直径D2约为刀体直径D1的70%，提高刀具刚性，提高刀具加工稳定性。所述该立铣刀的螺旋槽的螺旋角λ设计为30°～35°，有利于切削力的降低。所述该立铣刀中心开有2个内冷中心孔，利于充分冷切。所述该立铣刀刀体成锥形，切削刃与侧刃形成锥角α为8°～10°，以便于切削过程中的排屑。

本发明主要通过以下技术方案实现：

基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，包括以下步骤：

步骤S100：将转轴梁零件固定在工作台上，使转轴梁翼面完全暴露，处于可加工的状态；

步骤S200：粗加工转轴梁翼面，采用可转位铣刀进行快速大余量粗铣，将转轴梁翼面粗加工为梯形小台阶面；

步骤S300：半精加工转轴梁翼面，采用立铣刀以变摆角往复走刀的方式大行距半精铣型面；

步骤S400：精加工转轴梁翼面，采用立铣刀以小切深大切宽、高进给的方式大行距精铣型面到位。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S200中可转位铣刀大余量粗铣时，切深ap=0.8mm、切宽ae=65%D、线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.8mm/z；所述步骤S200中可转位铣刀的直径D≥50mm、底角R≥1mm、齿数Zn≥5。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S300中，在行切曲面时，铣削方向与零件U向平行，进退刀点、变向点及加减速点均设置在零件结构之外。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S300中行切曲面时，使用CAM编程软件的可变轮廓铣加工操作，采用曲面驱动刀具，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，使刀具变摆角行加工曲面。

本发明在使用过程中，采用UG NX软件进行CAM编程，首先，转轴梁零件翼面曲面轮廓外形不规则，为使刀路轨迹更归整流畅，重新构建方形曲面轮廓。接着，进入软件CAM模块进行五轴变摆角曲面行切编程：

第一步，创建可变轮廓铣（VARIABLE_CONTOUR）加工操作。

第二步，创建加工刀具。

第三步，设置加工坐标系。

第四步，设置编程参数，指定新构建的“方形曲面轮廓”为被加工零件，刀轴为“垂直于部件”，驱动方法为“曲面驱动”，切削模式为“往复”，步距为“残余高度-最大残余高度＝0.5mm”。采用本专利所述精加工刀具底齿半精加工型面，形成走刀轨迹，如图9所示，零件原曲面驱动所形成刀路轨迹刀路拐点多、跳刀多，影响刀具寿命及零件表面质量；如图10所示，由新构建曲面驱动所形成刀路轨迹，中途无跳刀、刀路拐点在零件外，加工零件表面质量好。

第五步，设置切削参数：部件余量0.1mm，线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.1mm/z。

精加工转轴梁翼面，复制上述半精加工编程操作，调整局部参数：步距设置为“残余高度-最大残余高度＝0.005mm”，部件余量为0，并进一步优化切削参数，即线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.12mm/z，将型面加工到位。

为了更好地实现本发明，进一步地，在半精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.1mm/z；在精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.12mm/z。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S200中余量为0.3mm，所述步骤S300中余量为0.1mm。

本发明的有益效果：

（1）本发明设计了一种呈凹面结构的超密齿端刃的立铣刀，适用于小曲率双曲面的高效加工成形，刀具底刃加工中刀具与材料接触点的弧度增加，从而可增大切削行距，有效解决大R牛鼻铣刀定轴加工曲面时的行距小问题，成倍的提高了零件加工效率；

（2）本发明所采用的端刃成凹面结构立铣刀在五轴机床上进行大行距变摆角行切方式，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，能够消除大R牛鼻铣刀定轴加工曲面时局部过切或欠切等问题，保证了双曲面表面质量的完整性；

（3）本发明通过依次进行的大直径快进给可转位铣刀大余量粗铣、超密齿端刃成凹面结构立铣刀大行距五轴半精加工、大行距五轴精加工的工艺，实现了对TC21钛合金转轴梁翼面双曲面的高效铣削；

（4）本发明在铣削转轴梁翼面曲面时，在切削线速度、每齿进给量、切削残余高度不变的条件下，比原工艺使用5齿整体硬质合金铣刀的切削效率提高约5倍，行切零件表面时间约40min，同时切削表面质量提高，表面纹理均匀、光滑无粘屑，加工后的曲面尺寸精度完全符合检验要求，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。

附图说明

图1为现有转轴梁零件的结构示意图；

图2为现有技术定摆角大R牛鼻铣刀行切加工的走刀轨迹示意图；

图3为转轴梁零件在五坐标机床工作台上的装夹示意图；

图4为立铣刀的结构示意图；

图5为图4中A处的放大示意图；

图6为立铣刀端刃的结构示意图；

图7为立铣刀加工示意图；

图8为图7中Ⅰ处的放大示意图；

图9为零件原曲面驱动所形成刀路轨迹示意图。

图10为新构建曲面驱动所形成刀路轨迹示意图。

其中：1-工作台、2-装夹工装、3-转轴梁零件、4-立铣刀、5-加工刀轨。

具体实施方式

实施例1：

一种立铣刀，包括刀杆和设置在刀杆一端的端刃，如图4-图8所示，所述端刃为凹面结构，所述端刃设置有若干个切削刃，且沿周侧设置有若干个螺旋状侧刃，所述切削刃包括呈内凹弧形结构的底刃，所述底刃与底刃旋转平面之间间隙为H，所述底刃的两端分别通过圆弧段与螺旋状的侧刃连接。

进一步地，所述端刃上设置有14个切削刃，所述该立铣刀4的端刃设置有较多切削刃，以相同每齿进给量的情况下进一步提升加工效率。

进一步地，所述切削刃的底刃刃宽B为0.6mm～0.8mm，H为0.5mm。

进一步地，所述端刃的前角β为10°～12°、底刃后角γ为5°～8°、底刃大后角κ为12°～15°。

进一步地，所述侧刃与切削刃形成锥角α为8°～10°，所述端刃的侧刃的螺旋角λ为30°～35°。所述该立铣刀4刀体成锥形，切削刃与侧刃形成锥角α为8°～10°，以便于切削过程中的排屑。所述该立铣刀4的螺旋槽的螺旋角λ设计为30°～35°，有利于切削力的降低。

进一步地，所述端刃的心部直径为刀杆直径的70%。刀体心部直径D2约为刀体直径D1的70%，提高刀具刚性，提高刀具加工稳定性。

本发明通过设计了一种呈凹面结构的超密齿端刃的立铣刀4，在加工小曲率双曲面时，有效增加了刀具底刃与材料接触点的弧度，从而增大了切削行距，成倍的提高了零件加工效率，提高切削表面质量，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。本发明通过凹面结构的端刃有效增大了加工中刀具与材料接触点的弧度，即增大切削间距，同时，立铣刀4底刃凹面与刀具底刃旋转平面形成间隙H，避免刀具在加工凸形曲面时过切曲面。

实施例2：

基于立铣刀4的转轴梁翼面双曲面铣削方法，包括以下步骤：

步骤S100：如图3所示，将转轴梁零件3固定在工作台1上，使转轴梁翼面完全暴露，处于可加工的状态；

步骤S200：粗加工转轴梁翼面，采用可转位铣刀进行快速大余量粗铣，将转轴梁翼面粗加工为梯形小台阶面；

步骤S300：半精加工转轴梁翼面，采用立铣刀4以变摆角往复走刀的方式大行距半精铣型面；

步骤S400：精加工转轴梁翼面，采用立铣刀4大行距精铣型面到位。

本发明通过依次进行的大直径快进给可转位铣刀大余量粗铣、超密齿端刃成凹面结构立铣刀4大行距五轴半精加工、大行距五轴精加工的工艺，实现了对TC21钛合金转轴梁翼面双曲面的高效铣削。本发明所采用的端刃成凹面结构立铣刀4在五轴机床上进行大行距变摆角行切方式，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，能够消除大R牛鼻铣刀定轴加工曲面时局部过切或欠切等问题，保证了双曲面表面质量的完整性。

实施例3：

本实施例是在实施例2的基础上进行优化，所述步骤S200中可转位铣刀大余量粗铣时，切深ap=0.8mm、切宽ae=65%D、线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.8mm/z。

进一步地，所述步骤S200中可转位铣刀的直径D≥50mm、底角R≥1mm、齿数Zn≥5。

本实施例的其他部分与上述实施例2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例是在实施例2或3的基础上进行优化，如图3、图10所示，所述步骤S300中，在行切曲面时，加工刀轨5为U型形结构，铣削方向与零件U向平行，进退刀点、变向点及加减速点均设置在零件结构之外。

进一步地，所述步骤S300中行切曲面时，使用CAM编程软件的可变轮廓铣加工操作，采用曲面驱动刀具，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，使刀具变摆角行加工曲面。

进一步地，在半精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.1mm/z；在精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.12mm/z。

本发明所采用的端刃成凹面结构立铣刀4在五轴机床上进行大行距变摆角行切方式，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，能够消除大R牛鼻铣刀定轴加工曲面时局部过切或欠切等问题，保证了双曲面表面质量的完整性。

本发明在铣削转轴梁翼面曲面时，在切削线速度、每齿进给量、切削残余高度不变的条件下，比原工艺使用5齿整体硬质合金铣刀的切削效率提高约5倍，行切零件表面时间约40min，同时切削表面质量提高，表面纹理均匀、光滑无粘屑，加工后的曲面尺寸精度完全符合检验要求，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。

本实施例的其他部分与上述实施例2或3相同，故不再赘述。

实施例5：

一种转轴梁翼面双曲面铣削方法，包括以下步骤：

第一步：如图3所示，通过装夹工装2，将转轴梁零件3固定在五坐标数控机床工作台1上。所述装夹工装2能够使转轴梁翼面完全暴露，处于可加工的状态。

第二步，粗加工转轴梁翼面，将转轴梁翼面粗加工为梯形小台阶面；

第三步，半精加工转轴梁翼面，通过CAM编程，采用变摆角往复走刀的方式，铣削过程中，五坐标机床的主轴摆角根据转轴梁翼面的型面变化而变化，通过刀具底刃实现切宽Ae≥40%D的高效铣削。

第四步，精加工转轴梁翼面，复制半精加工编程操作，调整局部参数：步距设置为“残余高度-最大残余高度＝0.005mm”，部件余量为0，并进一步优化切削参数，即线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.12mm/z，将型面加工到位。

进一步地，在第一步中，如图3所示，所述装夹工装2采用3段V型面分别与转轴的圆轴段及与转轴梁翼盒段端面圆工艺凸台相接触配合，保证转轴梁翼零件轴线重合。同时，通过转轴梁翼盒段端面方形工艺凸台与装夹工装2配合，限制零件在夹具上的转动自由度，最后使用压板压紧零件。

进一步地，在第二步中，采用刀具直径D≥50mm、底角R≥1mm、齿数Zn≥5的可转位铣刀。

进一步地，优选D＝66mm、底角编程R＝1.5mm，Zn＝7快进给可转位铣刀。

进一步地，采用等高线粗加工，底面和侧面留0.3mm余量。

进一步地，型腔开粗编程，铣削参数设置为：切深ap=0.8mm，切宽ae=65%D，线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.8mm/z。

进一步地，在第三步中，采用刀具直径D≥20mm、底角R≥1mm、齿数Zn≥5的立铣刀4进行半精加工。

进一步地，采用UG NX软件进行CAM编程，首先，转轴梁零件3翼面曲面轮廓外形不规则，为使刀路轨迹更归整流畅，重新构建方形曲面轮廓。接着，进入软件CAM模块进行五轴变摆角曲面行切编程：

第一步，创建可变轮廓铣（VARIABLE_CONTOUR）加工操作；

第二步，创建加工刀具；

第三步设置加工坐标系；

第四步设置编程参数，指定新构建的“方形曲面轮廓”为被加工零件，刀轴为“垂直于部件”，驱动方法为“曲面驱动”，切削模式为“往复”，步距为“残余高度-最大残余高度＝0.5mm”，采用本专利所述精加工刀具底齿半精加工型面，形成走刀轨迹。

图9为零件原曲面驱动所形成刀路轨迹，刀路拐点多、跳刀多，影响刀具寿命及零件表面质量；如图10所示，由新构建曲面驱动所形成刀路轨迹，中途无跳刀、刀路拐点在零件外，加工零件表面质量好。

第五步设置切削参数：部件余量0.1mm，线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.1mm/z。

进一步地，如图4-图8所示，所述立铣刀4设计为端刃成凹面结构的超密齿结构，所述立铣刀4包括刀杆和同轴设置于刀杆端部的端刃，所述端刃为凹面结构且具有超密切削刃。与现有立铣刀4相比，所述立铣刀4的端面切削刃由一段大圆弧Ra（底刃）和相切的小圆弧Rb组成，刀具底刃凹面大圆弧Ra与刀具底刃旋转平面设置有间隙H，以避免刀具在加工凸形曲面时过切曲面。

进一步地，本实例中，切削刃由R80和R1相切的圆弧形成，且间隙H为0.5mm，在切削过程中，主要使用大圆弧的底刃进行切削，增大加工中刀具与材料接触点的弧度，减小精加工留下残脊的高度，减少精加工所需刀路数量，极大缩短加工时间。

进一步地，所述该立铣刀4刀体部分开有较多切削刃，本实例切削刀体设置有14个切削刃，以相同每齿进给量的情况下进一步提升加工效率。

进一步地，所述该立铣刀4仅用于曲面精加工，切削量少，刀体心部直径D2约为刀体直径D1的70%，提高刀具刚性，提高刀具加工稳定性。

进一步地，所述该立铣刀4的螺旋槽的螺旋角λ设计为30°～35°，有利于切削力的降低。

进一步地，所述该立铣刀4中心开有2个内冷中心孔，利于充分冷切。

进一步地，所述该立铣刀4刀体成锥形，切削刃与侧刃形成锥角α为8°～10°，以便于切削过程中的排屑。

进一步地，所述该立铣刀4的前角β设计为10°～12°、底刃后角γ设计为5°～8°、底刃大后角κ设计为12°～15°，底刃刃宽B设计为0.6mm～0.8mm。

本发明通过设计了一种呈凹面结构的超密齿端刃的立铣刀4，在加工小曲率双曲面时，有效增加了刀具底刃与材料接触点的弧度，从而增大了切削行距，成倍的提高了零件加工效率，提高切削表面质量，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。另一方面，本发明通过依次进行的大直径快进给可转位铣刀大余量粗铣、超密齿端刃成凹面结构立铣刀4大行距五轴半精加工、大行距五轴精加工的工艺，实现了对TC21钛合金转轴梁翼面双曲面的高效铣削。

本发明在铣削转轴梁翼面曲面时，在切削线速度、每齿进给量、切削残余高度不变的条件下，比原工艺使用5齿整体硬质合金铣刀的切削效率提高约5倍，行切零件表面时间约40min，同时切削表面质量提高，表面纹理均匀、光滑无粘屑，加工后的曲面尺寸精度完全符合检验要求，消除了钳工大量手工打磨，具有较好的实用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种立铣刀，其特征在于，包括刀杆和设置在刀杆一端的端刃，所述端刃为凹面结构，所述端刃设置有若干个切削刃，且沿周侧设置有若干个螺旋状侧刃，所述切削刃包括呈内凹弧形结构的底刃，所述底刃与底刃旋转平面之间间隙为H，所述底刃的两端分别通过圆弧段与螺旋状的侧刃连接。

2.根据权利要求1所述的一种立铣刀，其特征在于，所述端刃上设置有14个切削刃，所述切削刃的底刃刃宽B为0.6mm～0.8mm，H为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种立铣刀，其特征在于，所述端刃的前角β为10°～12°、底刃后角γ为5°～8°、底刃大后角κ为12°～15°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种立铣刀，其特征在于，所述侧刃与切削刃形成锥角α为8°～10°，所述端刃的侧刃的螺旋角λ为30°～35°。

5.根据权利要求1所述的一种立铣刀，其特征在于，所述端刃的心部直径为刀杆直径的70%。

6.基于权利要求1-5任一项所述的立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：将转轴梁零件固定在工作台上，使转轴梁翼面完全暴露，处于可加工的状态；

步骤S200：粗加工转轴梁翼面，采用可转位铣刀进行快速大余量粗铣，将转轴梁翼面粗加工为梯形小台阶面；

步骤S300：半精加工转轴梁翼面，采用立铣刀以变摆角往复走刀的方式大行距半精铣型面；

步骤S400：精加工转轴梁翼面，采用立铣刀大行距精铣型面到位。

7.根据权利要求6所述的基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，其特征在于，所述步骤S200中可转位铣刀大余量粗铣时，切深ap=0.8mm、切宽ae=65%D、线速度Vc=45m/min，每齿进给量fz=0.8mm/z；所述步骤S200中可转位铣刀的直径D≥50mm、底角R≥1mm、齿数Zn≥5。

8.根据权利要求6所述的基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，其特征在于，所述步骤S300中，在行切曲面时，铣削方向与零件U向平行，进退刀点、变向点及加减速点均设置在零件结构之外。

9.根据权利要求8所述的基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，其特征在于，所述步骤S300中行切曲面时，使用CAM编程软件的可变轮廓铣加工操作，采用曲面驱动刀具，能使刀具与被加工曲面之间形成几何啮合，使刀具变摆角行加工曲面。

10.根据权利要求6-9任一项所述的基于立铣刀的转轴梁翼面双曲面铣削方法，其特征在于，在半精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.1mm/z；在精加工转轴梁翼面时，线速度Vc=45m/min、每齿进给量fz=0.12mm/z。

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