JP2013113423A - ボールねじ、射出成形機 - Google Patents
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Abstract
【課題】要求寿命が長い電動射出成形機用として好適なボールねじを提供する
【解決手段】ねじ軸1およびナット2の溝11,21の断面をゴシックアーク状とする。ボール3の直径(D)に対する各溝11,21の断面円弧の半径(R)の比(R/D)を51.8%以上52.8%以下とする。ラジアル隙間(S)のボール3の直径(D)に対する比(S/D)を1/300以下とする。ラジアル隙間が0の状態でのボール3と溝11,21との初期接触角(α)を38°以上48°以下とする。溝11,21の表層部での残留オーステナイト量を20体積%以上30体積%以下にする。
【選択図】図1
【解決手段】ねじ軸1およびナット2の溝11,21の断面をゴシックアーク状とする。ボール3の直径(D)に対する各溝11,21の断面円弧の半径(R)の比(R/D)を51.8%以上52.8%以下とする。ラジアル隙間(S)のボール3の直径(D)に対する比(S/D)を1/300以下とする。ラジアル隙間が0の状態でのボール3と溝11,21との初期接触角(α)を38°以上48°以下とする。溝11,21の表層部での残留オーステナイト量を20体積%以上30体積%以下にする。
【選択図】図1
Description
この発明は、射出成形機用等の高荷重用途のボールねじに関する。
射出成形機は従来、油圧式が主流であったが、最近では電動式が増加している。電動射出成形機では、サーボモータの回転運動を直線運動に変換する機械要素として、ボールねじが用いられている。具体的には、射出部、型開閉部、エジェクタ部、ノズルタッチ部などで、ボールねじが使用されている。
電動射出成形機においては、サーボモータでボールねじのねじ軸を、1ショット当たり(1回の射出成形で)数〜数十回転することにより、ナットを駆動させるが、その間にボールねじに大きな荷重が加わる。そして、電動射出成形機の寿命はショット数(型締めや射出の回数)で設定される。
電動射出成形機においては、サーボモータでボールねじのねじ軸を、1ショット当たり(1回の射出成形で)数〜数十回転することにより、ナットを駆動させるが、その間にボールねじに大きな荷重が加わる。そして、電動射出成形機の寿命はショット数(型締めや射出の回数)で設定される。
特許文献1には、板金などの曲げ加工や打ち抜き加工などのプレス機用として好適なボールねじが記載されている。このボールねじでは、ボールとねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の1/300〜1/1200にすると共に、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールとねじ溝との初期接触角を35°〜43°とし、かつ前記ねじ溝を2つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して51.5%〜54.0%としている。これにより、ボールねじの許容荷重(ボール乗り上げ限界荷重)と寿命のバランスをとっている。
しかし、特許文献1に記載されたボールねじは、電動射出成形機用よりも高負荷を受けるストロークが短いプレス機用としては好適であるが、電動射出成形機用としては不十分なものである。すなわち、プレス機用のボールねじの場合は、高荷重域の許容荷重を大きくする設計を行う(初期接触角を小さくして、乗り上げ限界荷重を上げる)が、このような設計では全体的な負荷容量が小さくなる。そのため、特許文献1に記載されたボールねじを電動射出成形機用ボールねじとして使用すると、当然のことながら要求寿命が満たされない。
この発明の課題は、電動射出成形機用として好適な(ボールがねじ溝肩部に乗り上がりにくく、ボール転動面の剥離寿命が長い)ボールねじを提供することである。
この発明の課題は、電動射出成形機用として好適な(ボールがねじ溝肩部に乗り上がりにくく、ボール転動面の剥離寿命が長い)ボールねじを提供することである。
上記課題を解決するために、この発明のボールねじは、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有するボールねじであって、下記の構成(1) 〜(4) を有することを特徴とする。
(1) ラジアル隙間(S)の前記ボールの直径(D)に対する比(S/D)が1/300以下である。
(2) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の断面がゴシックアーク状(半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状)であり、前記ボールの直径(D)に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径(R)の比(R/D)が51.8%以上52.8%以下である。
(1) ラジアル隙間(S)の前記ボールの直径(D)に対する比(S/D)が1/300以下である。
(2) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の断面がゴシックアーク状(半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状)であり、前記ボールの直径(D)に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径(R)の比(R/D)が51.8%以上52.8%以下である。
(3) 前記ねじ軸およびナットは、ラジアル隙間が0の状態で、前記ボールと前記溝との初期接触角(α)が38°以上48°以下である。
(4) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の表層部(ボール直径の0.1〜0.3%の深さ位置:概ね10〜30μmの深さ位置)の残留オーステナイト量(γR )が20体積%以上30体積%以下である。
ボールねじに大きな荷重が加わると、ボールがねじ溝肩部に乗り上がり、ねじ溝肩部を損傷する恐れがあるため、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止する必要がある。この乗り上げは、前記比(R/D)が大きいほど生じにくく、前記初期接触角(α)が小さいほど生じにくい。また、前記比(S/D)が小さいほど前記初期接触角(α)が小さくなるため、前記比(S/D)を小さくすることが、乗り上げが生じにくくなることに繋がる。
(4) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の表層部(ボール直径の0.1〜0.3%の深さ位置:概ね10〜30μmの深さ位置)の残留オーステナイト量(γR )が20体積%以上30体積%以下である。
ボールねじに大きな荷重が加わると、ボールがねじ溝肩部に乗り上がり、ねじ溝肩部を損傷する恐れがあるため、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止する必要がある。この乗り上げは、前記比(R/D)が大きいほど生じにくく、前記初期接触角(α)が小さいほど生じにくい。また、前記比(S/D)が小さいほど前記初期接触角(α)が小さくなるため、前記比(S/D)を小さくすることが、乗り上げが生じにくくなることに繋がる。
S/D≦1/300とα≦48°は、この乗り上げ防止の観点から設定されている。R/D≧51.8%は、この乗り上げ防止の観点と、前記溝の加工精度を確保する観点から設定されている。R/Dが小さすぎると前記溝を精度良く加工することが難しい。
なお、S/Dの下限値は特に規定しないが、部分予圧になってしまう可能性があるために、S/D≧1/1200であることが好ましい。
R/D≦52.8%とα≧38°は、ボールねじの寿命を長くする観点から設定されている。
比(S/D)の好ましい値は1/500以下である。比(R/D)の好ましい値は52.0%以上52.5%以下である。初期接触角(α)の好ましい値は40°以上45°以下である。
なお、S/Dの下限値は特に規定しないが、部分予圧になってしまう可能性があるために、S/D≧1/1200であることが好ましい。
R/D≦52.8%とα≧38°は、ボールねじの寿命を長くする観点から設定されている。
比(S/D)の好ましい値は1/500以下である。比(R/D)の好ましい値は52.0%以上52.5%以下である。初期接触角(α)の好ましい値は40°以上45°以下である。
γR ≧20体積%は、ボール転動面(前記溝の表面)に生じた圧痕に起因して亀裂が発生したり、亀裂が進展したりすることを抑制する観点から設定されている。電動射出成形機用のボールねじは、ボール転動面に圧痕が生じ易い使用環境にある。
γR ≦30体積%は、ボール転動面の硬さを確保してボールねじの転動寿命を長くする観点と、ねじ軸およびナットの寸法安定性の観点から設定されている。ねじ軸およびナットの溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が多すぎると、ボール転動面(前記溝の表面)の硬さが不十分となるばかりでなく、芯部を含めた全体の残留オーステナイト量が多くなることで寸法安定性が不十分となる。
γR ≦30体積%は、ボール転動面の硬さを確保してボールねじの転動寿命を長くする観点と、ねじ軸およびナットの寸法安定性の観点から設定されている。ねじ軸およびナットの溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が多すぎると、ボール転動面(前記溝の表面)の硬さが不十分となるばかりでなく、芯部を含めた全体の残留オーステナイト量が多くなることで寸法安定性が不十分となる。
この発明のボールねじは、ボールがねじ溝肩部に乗り上がりにくく、ボール転動面の剥離寿命が長いため、電動射出成形機用として好適なものとなる。
以下、この発明の実施形態について説明する。
この実施形態のボールねじは、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有する。
図1を使用して、この実施形態のボールねじを構成する、ねじ軸1の螺旋溝11とナット2の螺旋溝21とボール3との関係を説明する。図1には、ねじ軸1およびナット2の螺旋溝11,21が溝直角断面で表示されている。
この実施形態のボールねじは、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有する。
図1を使用して、この実施形態のボールねじを構成する、ねじ軸1の螺旋溝11とナット2の螺旋溝21とボール3との関係を説明する。図1には、ねじ軸1およびナット2の螺旋溝11,21が溝直角断面で表示されている。
図1(a)に示すように、この実施形態のボールねじにおいて、ねじ軸1の外周面に形成された螺旋状の溝11の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径RS が同じで中心OS1,OS2が異なる二つの円弧11a,11bが連結された形状である。また、ねじ軸1の外周面12と溝11との境界が面取りされて、ねじ溝肩部13が形成されている。ボール3の直径(D)に対する溝11の断面円弧の半径(R)の比(R/D)は、51.8%以上52.8%以下である。
ナット2の溝21の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径RN が同じで中心ON1,ON2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ナット2の内周面22と溝21との境界が面取りされて、ねじ溝肩部23が形成されている。ボール3の直径(D)に対する溝21の断面円弧の半径(R)の比(R/D)は、51.8%以上52.8%以下である。
ナット2の溝21の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径RN が同じで中心ON1,ON2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ナット2の内周面22と溝21との境界が面取りされて、ねじ溝肩部23が形成されている。ボール3の直径(D)に対する溝21の断面円弧の半径(R)の比(R/D)は、51.8%以上52.8%以下である。
図1(a)はボールねじの組立直後の状態を示す。この状態で、この実施形態のボールねじにはラジアル隙間Sが存在している。このラジアル隙間Sのボール3の直径(D)に対する比(S/D)が1/300以下になっている。
ボールねじの使用時には、図1(a)の状態からボールねじに、予圧(例えばナット2が紙面の右向きに相対移動する力)を付与して図1(b)に示す状態とする。この状態で、ラジアル隙間が0となり、ボール3と溝11,21との初期接触角(α)が38°以上48°以下となっている。また、ボール3は円弧11b,21bと2点接触状態となっている(接触点P1 ,P2 )。
ボールねじの使用時には、図1(a)の状態からボールねじに、予圧(例えばナット2が紙面の右向きに相対移動する力)を付与して図1(b)に示す状態とする。この状態で、ラジアル隙間が0となり、ボール3と溝11,21との初期接触角(α)が38°以上48°以下となっている。また、ボール3は円弧11b,21bと2点接触状態となっている(接触点P1 ,P2 )。
さらに、溝11,21の表層部、すなわち、表面から所定深さの位置(ボール3の直径の0.1〜0.3%に相当する寸法だけ内部の位置、例えば深さ10〜30μmの位置)での残留オーステナイト量が20体積%以上30体積%以下に調整されている。
よって、この実施形態のボールねじは、ボール3がねじ溝肩部13,23に乗り上がりにくく、溝11,21の表面(ボール転動面)の剥離寿命が長いため、電動射出成形機用として好適なものとなる。
よって、この実施形態のボールねじは、ボール3がねじ溝肩部13,23に乗り上がりにくく、溝11,21の表面(ボール転動面)の剥離寿命が長いため、電動射出成形機用として好適なものとなる。
以下、この発明の実施例について説明する。
日本精工(株)製のシングルナットチューブ式ボールねじ(「JIS B 1192」に基づく表記で「63×16×300−Ct7」に相当するもの、呼び番号BS6316−10.5)を構成する、ねじ軸およびナットの各サンプルを以下のように作製した。このボールねじは保持ピースを備えている。
ボールは、SUJ2製でずぶ焼きがなされた、呼び径(D)が12.7mmのものを用意した。
日本精工(株)製のシングルナットチューブ式ボールねじ(「JIS B 1192」に基づく表記で「63×16×300−Ct7」に相当するもの、呼び番号BS6316−10.5)を構成する、ねじ軸およびナットの各サンプルを以下のように作製した。このボールねじは保持ピースを備えている。
ボールは、SUJ2製でずぶ焼きがなされた、呼び径(D)が12.7mmのものを用意した。
ねじ軸およびナットの各サンプルを、SCM420Hからなる素材を用い、通常の方法で加工することにより、軌道溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径(R)が、6.50mm(R/D=51.2%)、6.54mm(R/D=51.5%)、6.58mm(R/D=51.8%)、6.60mm(R/D=52.0%)、6.67mm(R/D=52.5%)、6.71mm(R/D=52.8%)、6.73mm(R/D=53.0%)となるようにした。
このようにして得られた、比(R/D)が異なる7種類のねじ軸およびナットのサンプルに対して、下記の熱処理(浸炭、焼入れ、焼戻し)を施すことにより、7種類それぞれについて、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が、それぞれ15体積%、20体積%、25体積%、30体積%、35体積%であるサンプルを得た。
このようにして得られた、比(R/D)が異なる7種類のねじ軸およびナットのサンプルに対して、下記の熱処理(浸炭、焼入れ、焼戻し)を施すことにより、7種類それぞれについて、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が、それぞれ15体積%、20体積%、25体積%、30体積%、35体積%であるサンプルを得た。
<熱処理条件>
浸炭処理:保持温度930〜960℃、保持時間15〜25時間
焼入れ:保持温度830〜900℃、保持時間2〜4時間
焼戻し:保持温度160〜200℃、保持時間2〜4時間
このようにして得られた35種類のねじ軸およびナットのサンプルと、呼び径(D)が12.7mmであるボールを用い、初期接触角(α)が36°、38°、40°、43°、45°、48°、50°である245(35×7)種類のボールねじを組み立てた。ねじ軸とナットは同じ種類のサンプルを組み合わせた。
浸炭処理:保持温度930〜960℃、保持時間15〜25時間
焼入れ:保持温度830〜900℃、保持時間2〜4時間
焼戻し:保持温度160〜200℃、保持時間2〜4時間
このようにして得られた35種類のねじ軸およびナットのサンプルと、呼び径(D)が12.7mmであるボールを用い、初期接触角(α)が36°、38°、40°、43°、45°、48°、50°である245(35×7)種類のボールねじを組み立てた。ねじ軸とナットは同じ種類のサンプルを組み合わせた。
また、呼び径(D)が12.7mmであって、微妙に寸法が異なるボール(12.703mm、12.695mm等のボール)を組み込むことで、全てのサンプルでラジアル隙間が42μmとなるようにした。ラジアル隙間が42μmはボール直径(12.7mm)の1/300に相当する。すなわち、全てのサンプルでS/D=1/300になっている。
先ず、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が15体積%であるねじ軸およびナットを用いて組み立てた、αとR/Dの組み合わせが異なる47種類のボールねじについて、乗り上げが生じるかどうかを調べる試験を行った。
先ず、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量(γR )が15体積%であるねじ軸およびナットを用いて組み立てた、αとR/Dの組み合わせが異なる47種類のボールねじについて、乗り上げが生じるかどうかを調べる試験を行った。
つまり、各ボールねじを日本精工(株)製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重(軸方向荷重):250kN、ストローク:80mm、最高回転速度:3200min-1、試験温度:室温、潤滑剤:(株)リューベ製の「YS2グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命である1000万ショット行い、その間に乗り上げが生じるかどうか調べた。
その結果を下記の表1に示す。乗り上げが生じた場合を○、乗り上げが生じなかった場合を×で示した。
その結果を下記の表1に示す。乗り上げが生じた場合を○、乗り上げが生じなかった場合を×で示した。
表1の結果から、γR =15体積%、S/D=1/300、R/D≧51.8%の場合は、α≦48°とすることで乗り上げが生じないことが分かる。
次に、全サンプル245(35×7)種類のボールねじについて、下記の方法で耐久試験を行った。
つまり、各ボールねじを日本精工(株)製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重(軸方向荷重):250kN、ストローク:80mm、最高回転速度:3200min-1、試験温度:室温、潤滑剤:(株)リューベ製の「YS2グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を行った。
この試験は、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命である1000万ショット行い、途中でねじ軸またはナットのねじ溝、あるいはボールのいずれかに剥離が生じた場合は不合格「×」、1000万ショットまで問題なく回転を続けた場合を合格「○」とした。
表2〜6は、全てのサンプルの寿命試験の結果を、ボール転動面の残留オーステナイト毎にまとめたものである。
次に、全サンプル245(35×7)種類のボールねじについて、下記の方法で耐久試験を行った。
つまり、各ボールねじを日本精工(株)製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重(軸方向荷重):250kN、ストローク:80mm、最高回転速度:3200min-1、試験温度:室温、潤滑剤:(株)リューベ製の「YS2グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を行った。
この試験は、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命である1000万ショット行い、途中でねじ軸またはナットのねじ溝、あるいはボールのいずれかに剥離が生じた場合は不合格「×」、1000万ショットまで問題なく回転を続けた場合を合格「○」とした。
表2〜6は、全てのサンプルの寿命試験の結果を、ボール転動面の残留オーステナイト毎にまとめたものである。
表2〜6の結果から、γR が30体積%以下の場合は、γR が増えるに従って要求寿命を満たすαとR/Dの組み合わせが多くなることが分かる。また、要求寿命を満たすαとR/Dの組み合わせが、γR が20〜30体積%の場合は25/49〜27/49(=53〜55%)であるのに対して、γR が15体積%と35体積%の場合は10/49(=20%)、16/49(=33%)と少ないことが分かる。
表3〜5に示すγR が20〜30体積%の結果を、全ての結果が合格である場合を合格「○」、それ以外の場合を不合格「×」として、表7に示す。
表3〜5に示すγR が20〜30体積%の結果を、全ての結果が合格である場合を合格「○」、それ以外の場合を不合格「×」として、表7に示す。
表7の結果から、S/D=1/300、γR が20〜30体積%、αが38°以上48°以下、R/Dが51.8%以上52.8%以下とすることで、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命を満たし、ボールがねじ溝肩部に乗り上がらないようにできることが分かる。
1 ねじ軸
11 ねじ軸の螺旋溝
11a ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
11b ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
12 ねじ軸の外周面
13 ねじ軸のねじ溝肩部
2 ナット
21 ナットの螺旋溝
21a ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
21b ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
22 ナットの内周面
23 ナットのねじ溝肩部
3 ボール
OS1 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
OS2 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
ON1 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
ON2 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
P1 ねじ軸のボールと溝との接触点
P2 ナットのボールと溝との接触点
RS ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径
RN ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径
11 ねじ軸の螺旋溝
11a ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
11b ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
12 ねじ軸の外周面
13 ねじ軸のねじ溝肩部
2 ナット
21 ナットの螺旋溝
21a ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
21b ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
22 ナットの内周面
23 ナットのねじ溝肩部
3 ボール
OS1 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
OS2 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
ON1 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
ON2 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
P1 ねじ軸のボールと溝との接触点
P2 ナットのボールと溝との接触点
RS ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径
RN ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径
Claims (2)
- 外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有するボールねじであって、
ラジアル隙間(S)の前記ボールの直径(D)に対する比(S/D)が1/300以下であり、
前記ねじ軸およびナットは、
前記溝の断面がゴシックアーク状(半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状)であり、
前記ボールの直径(D)に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径(R)の比(R/D)が51.8%以上52.8%以下であり、
ラジアル隙間が0の状態で、前記ボールと前記溝との初期接触角(α)が38°以上48°以下であり、
前記溝の表層部の残留オーステナイト量が20体積%以上30体積%以下であることを特徴とするボールねじ。 - サーボモータの回転運動を直線運動に変換する機械要素として、請求項1に記載のボールねじを有する射出成形機。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015108400A (ja) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 日本精工株式会社 | ボールねじ |
JP2017002941A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | 日本精工株式会社 | ボールねじ |
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2011
- 2011-11-30 JP JP2011262942A patent/JP2013113423A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015108400A (ja) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 日本精工株式会社 | ボールねじ |
JP2017002941A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | 日本精工株式会社 | ボールねじ |
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