JP3241936B2 - 絶縁材料の放電加工方法 - Google Patents

絶縁材料の放電加工方法

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JP3241936B2 JP16069394A JP16069394A JP3241936B2 JP 3241936 B2 JP3241936 B2 JP 3241936B2 JP 16069394 A JP16069394 A JP 16069394A JP 16069394 A JP16069394 A JP 16069394A JP 3241936 B2 JP3241936 B2 JP 3241936B2
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    • B23H1/00Electrical discharge machining, i.e. removing metal with a series of rapidly recurring electrical discharges between an electrode and a workpiece in the presence of a fluid dielectric

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、放電加工によって絶縁
材料を目標形状に成形又は切断する放電加工方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】セラミックス等の絶縁材料は、そのまま
の状態では絶縁性のために加工に必要な放電現象が発生
しない。そこで、放電加工される絶縁材料の表面に導電
体層を形成し、電極間で放電し加工液中の炭素等が絶縁
材料の付着又は含浸されることによって形成された導電
層を介して放電加工することが特開昭63−15010
9号公報に紹介されている。また、特開平4−4112
0号公報では、導電膜をコーティングした絶縁材料を放
電加工している。たとえば、特開昭63−150109
号公報の放電加工方法では、図1に示すように放電加工
される絶縁材料1をCu,Fe等の導電層2でコーティ
ングする(A)。導電層2は、溶射,蒸着等によって形
成され、0.1〜0.5mm程度の膜厚をもつ。絶縁材
料1を放電加工機のテーブル上に載置し、クランプ治具
で加工テーブルに固定する。
【0003】絶縁材料1を油等の加工液に浸漬し、電源
から導電層2と加工電極3との間に加工電圧を印加し、
放電加工を開始する(B)。放電加工によって、先ず導
電層2が加工される(C)。加工電極3に対向した導電
層2が加工によって除去されると、露出した絶縁材料1
の表面に新たな導電層4が形成される。導電層4は、放
電加工によって生じた加工粉や放電時の熱エネルギーに
より加工液から分離した炭素等が絶縁材料1の露出表面
に析出し、更には絶縁材料1の内部に浸透することによ
って形成されたものである。また、放電時の熱エネルギ
ーにより絶縁材料1の表面が導体化することも、導電層
4形成の一因となっている。導電層4は、放電加工の進
行に伴って広がる。そのため、始めにあった導電層2の
電極対向部分が除去された後では、新たな導電層4は、
現存する導電層2に周辺部分で導通した状態となる
(D)。そのため、始めにあった導電層2の電極対向部
分が除去された後でも、繰り返し形成される導電層4と
加工電極3との間で放電現象が継続し、絶縁材料1が所
定形状に放電加工される(E)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この方法では、加工さ
れる絶縁材料1の表面に導電層2を予め形成する。その
ため、特別の処理装置や工程が必要となり、加工コスト
を上昇させる原因となる。また、比較的浅い加工深さで
は十分な導電層4が形成されるものの、加工深さが数m
m程度に達すると十分な導電層4が形成されず、加工が
進行しなくなる。その結果、形成可能な深さに制約を受
ける。本発明者は、加工深さに関する制約を避けるた
め、絶縁材料及び導電材料を一対の被加工材として使用
し、両者の接合面に平行な方向に沿って加工電極を相対
移動させながら放電加工する方法を特願平5−2867
69号で提案した。提案した方法では、先ず導電材料と
加工電極との間で放電現象が発生し、導電材料に最も近
い部分の絶縁材料に対して熱影響による加工及び電極材
成分の転写が行われる。転写部分で絶縁材料と加工電極
との間に放電が発生し、放電の衝撃及び熱の影響によっ
て絶縁材料に対する加工も進行する。この繰り返しによ
り、加工深さに起因した制約を受けることなく、絶縁材
料を所定形状に加工することが可能となる。
【0005】先願で提案した方法によるとき、大きな加
工深さで絶縁材料を放電加工する場合でも、放電加工の
進行に必要な導電層が絶縁材料の表面に形成される。し
かし、導電材料からの転写や加工液からの析出が比較的
緩慢なため、導電層が迅速に形成されない欠点がある。
その結果、必要な厚みをもつ導電層の形成をまって絶縁
材料を加工するため、加工速度が遅くなり易い。また、
加工速度を上げようとすると、加工精度が低下する傾向
を示す。しかも、接合面に平行な方向に沿って加工電極
を相対移動させる必要から、加工条件の制御も複雑にな
る。本発明は、先願で提案した放電加工法における問題
を解消すべく案出されたものであり、導電層供給源とし
てメッシュ状の導電材料を使用することにより、絶縁材
料の表面に必要厚みをもつ導電層を迅速に形成させ、高
精度且つ高加工速度で絶縁材料を放電加工することを目
的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の放電加工方法
は、その目的を達成するため、メッシュ状導電材料,金
属細線からなる多孔質成形体又は針状金属を含む複合体
を絶縁材料の表面に密着させ、前記絶縁材料に加工電極
を対向させ、該加工電極との間に発生する放電によって
前記メッシュ状導電材料,金属細線からなる多孔質成形
体又は針状金属を含む複合体から分離した細片又は加工
粉を前記絶縁材料に被着させて導電層を形成し、該導電
層と前記加工電極との間で発生する放電によって前記絶
縁材料を加工することを特徴とする。メッシュ状導電材
料は、絶縁材料と中実導電材料との間に配置しても良
い。メッシュ状導電材料,多孔質成形体の金属細線又は
複合体の針状金属としては、導電性に優れたCu,N
i,W,Nb等の金属又は合金が使用され、機械的接
合,接着,ろう付け等によって絶縁材料の表面に固着さ
れる。このとき、絶縁材料と加工電極との間で放電現象
を確実に発生させるため、絶縁材料の表面にメッシュ状
導電材料を密着させることが必要である。両者の間に隙
間があると、絶縁材料と加工電極との間に発生する放電
現象が不安定になり、加工精度及び加工速度が低下す
る。
【0007】メッシュ状導電材料を使用するとき、蒸着
や溶射によって絶縁材料の表面に導電層を形成する場合
に比較して、必要な厚みをもつ導電層が容易に形成され
る。たとえば、500μm程度の厚みをもつ導電層を蒸
着や溶射で形成しようとすると、長時間の処理や条件制
御が必要となり、導電層の形成が困難になると共に処理
コストを上昇させる。この点、メッシュ状導電材料を使
用するとき、絶縁材料の表面に必要厚みの導電層が容易
に形成される。メッシュ状導電材料は、放電加工中に良
好な導電層を絶縁材料の表面に確保する上で、100メ
ッシュ以下のメッシュサイズをもつことが好ましい。1
00メッシュ以下のメッシュサイズをもつメッシュ状導
電材料は、加工された絶縁材料の表面粗さを小さくし、
加工速度を向上させることでも有効である。
【0008】同様な目的で、たとえば0.1mm以下の
厚みをもつメッシュ状導電材料を10枚以下の枚数で積
層して絶縁材料の表面に密着させることが好ましい。積
層枚数は使用する金属細線の径に反比例し、線径が大き
いほど積層枚数が少なくなる。少なすぎる積層枚数で
は、加工速度の向上に与えるメッシュ状導電材料の作用
が十分に発揮されない。しかし、積層枚数が10枚を超
えると、中実導電材料を使用した放電加工に比較して加
工速度が低下する傾向が見られる。線径0.1mmのC
u,Ni,W,Nb等の金属又は合金線を100メッシ
ュで編成したメッシュ状導電材料を使用する場合には、
5枚程度の積層枚数が最も効果的である。また、線径5
mmの金属細線を使用する場合、3枚程度の積層枚数で
よい。更に、絶縁体の材質によっては、1枚でも十分な
効果が得られる。本発明においては、絶縁材料の放電加
工に必要な導電層の供給源としてメッシュ状導電材料が
働き、且つ絶縁材料側に移行した導電物質がメッシュ構
造によって捕捉されるため、電気抵抗率が100Ω・m
を超える絶縁材料であっても容易に且つ迅速に放電加工
される。放電加工される絶縁材料としては、たとえばセ
ラミックス,高分子,Siウエハ,金属−絶縁性セラミ
ックス接合体,絶縁性粉末又は短繊維に圧粉体,絶縁性
粉末又は短繊維と金属,高分子,セラミック基の複合
体,絶縁体性の多孔質材料等がある。
【0009】加工電極としては、目標形状に応じて加工
絶縁材料を加工するため、先端が平坦,ドリル状又はテ
ーパ状に成形された電極が使用される。放電加工により
生じた加工粉や加工液を放電加工領域から排出させるた
め、軸方向に平行な縦溝又は軸方向に交差する螺旋溝を
加工電極の軸部周面に形成することが好ましい。放電加
工は、加工電極を回転又は揺動させながら行われる。た
とえば、ドリル形状の先端部をもつ加工電極を回転させ
ながら絶縁材料に向けて進ませると、絶縁材料がネジ切
り加工される。このとき、放電領域にある被加工面を清
浄にすると共に平滑度の高い加工面に仕上げるため、加
工電極の極性を断続的又は連続的に反転させてもよい。
また、絶縁材料の平面一方向に揺動させると、長円状の
孔部が形成される。なお、被加工物である絶縁材料を加
工電極に対して相対的に移動させながら放電加工すると
き、必要とする加工形状が得られることは従来の放電加
工法と同様である。
【0010】
【作用】メッシュ状導電材料を絶縁材料の表面に密着さ
せて放電加工すると、加工速度及び加工精度が向上し、
深さのある孔部をも容易且つ迅速に加工できる。メッシ
ュ状導電材料が加工速度等の向上に及ぼす作用・効果
は、その詳細なメカニズムは不明であるが、おおよそ次
の理由によって加工速度や加工精度が改善されるものと
推察される。放電現象は、図2に示すように、先ず絶縁
材料1に固着しているメッシュ状導電材料5と加工電極
3との間に発生する(A)。この放電によって、加工電
極3に対向する部分のメッシュ状導電材料5が加工され
る(B)。加工によってメッシュ状導電材料5から分離
した短繊維状細片,球状又は楕円状の加工粉等は、絶縁
材料1の表面に被着し導電層6となる。導電層6は、中
実導電材料に由来するものに比較して極めて短時間で形
成される。その結果、早い段階から絶縁材料1と加工電
極3との間に放電現象が発生する。このような導電層6
の形成は、金属細線からなる多孔質成形体や針状金属を
含む複合体を絶縁材料に密着させて放電加工した場合で
も同様に生じる。
【0011】また、絶縁材料1と加工電極3との間の放
電領域は高温になっているので、その領域にある加工液
7に激しい熱対流が生じ、メッシュ状導電材料5を透過
して新鮮な加工液7と積極的に入れ替わる。放電領域の
内外にわたって加工液7が循環する際、加工液7に懸濁
している加工粉は、導電材料5のメッシュで捕捉され、
絶縁材料1の表面近傍に保持される。これによっても、
導電層6は、迅速に成長する。放電領域の内外にわたる
加工液7の循環は、放電領域が過度に昇温することを防
止する上でも有効である。すなわち、加工中に絶縁材料
1が所定温度範囲に維持され、加工条件が安定化し、加
工ムラの発生が防止される。このように短時間で厚く成
長した導電層6を介して絶縁材料1と加工電極3との間
に放電現象が生じるため、絶縁材料1の加工が迅速に開
始される。また、形成された導電層6は、メッシュ状導
電材料5に由来するものであることから、加工電極3に
対向する絶縁材料1の表面に均一に形成されている。そ
のため、この部分において放電が均質化され、加工ムラ
なく絶縁材料1が放電加工される。
【0012】また、メッシュ状導電材料5は、多数の隙
間が存在することから、中実金属板に比較して全体とし
て低い熱伝導率を示す。そのため、メッシュ状導電材料
5が迅速に昇温し、盛んに消耗される。この消耗によっ
て電極間に存在する加工粉の量が増加し、その分だけ絶
縁材料に転移して付着する粉末量が増加する。したがっ
て、効率よく導電層6となる膜が短時間に形成される。
しかも、メッシュ状導電材料5を密着させて放電加工す
るとき、板材に比較して曲率の大きな形状を持つ加工粉
が生成するので、電極間での電位傾度が大きくなる。大
きな電位傾度は、電極間距離が開いた場合にあっても、
放電を積極的に進め、長時間にわたる加工を可能とす
る。また、導電層6が付着している部分にのみ放電電流
が流れる表皮効果があることから、絶縁材料1自体の大
きな電気抵抗によって放電加工が阻害されることがな
く、円滑に放電加工が進行する。この表皮効果は、中実
の板状金属を使用する場合にも生じるものであるが、メ
ッシュ状導電材料や金属細線からなる多孔質成形体,針
状金属を含む複合体を使用するとき一層顕著になり、効
率よく導電層6を絶縁材料1の表面に付着させる。放電
加工の進行に伴って、加工電極3に対向する絶縁材料1
の表面に孔部8が形成される。この段階でも、メッシュ
状導電材料5から剥離した多数の短繊維状細片が絶縁材
料1の表面近傍にある加工液7に懸濁している。短繊維
状細片は、放電衝撃や熱エネルギーによって、孔部8の
底面や内壁面に被着し、導電層9,10となる。導電層
9は、内壁面に析出した導電層10を介して絶縁材料1
の表面にあるメッシュ状導電材料5に導通しているの
で、加工電極3との間で放電現象を継続させる。その結
果、孔部8の深さによる制約を受けることなく、絶縁材
料1が放電加工される。しかも、導電層9,10が孔部
8の底面及び内壁面に均一に形成されることから、形成
される孔部8の加工精度も向上し、加工面も表面粗さが
小さくなる。
【0013】
【実施例】
実施例1:本実施例では、図3に示した装置を使用し、
絶縁材料1としてサイアロンを放電加工した。メッシュ
状導電材料5を密着させた絶縁材料1を加工テーブル1
1上に載置し、固定治具12に押圧治具13で押し付け
ることによってクランプした。絶縁材料1を加工液7に
浸漬し、Z軸モータ14によって昇降する銅製の加工電
極3に対向させた。加工電源15の一方の端子を、加工
テーブル11及び治具12,13を介して絶縁材料1上
のメッシュ状導電材料5に導通させた。他方の端子は、
加工電極3に接続した。加工電源15としては、直流電
源16の極性を切り換えるコンタクタ17a,17b及
び18a,18bを組み込んだ回路構成を採用した。な
お、符番19は抵抗,符番20はスイッチを示す。
【0014】電極3をマイナス側として、電圧200V
を電極3とメッシュ状導電材料5との間に印加し、電流
20Aを供給した。これにより、電極3とメッシュ状導
電材料5との間に放電が発生し、放電加工が開始され
た。この条件下で、絶縁材料1に密着させたメッシュ状
導電材料5の積層枚数が加工速度に与える影響を調査し
た。メッシュ状導電材料5としては、線径0.1mmの
Cu線を100メッシュで平均厚み0.1mmに編成し
たメッシュを使用した。調査結果を図4に示す。なお、
図4の場合には、1サイクルにおける放電時間および休
止時間をそれぞれ16μsに設定した。この場合、放電
時間比D.F(=放電時間/放電時間+休止時間)が5
0%であった。加工速度は放電時間が4μsのときに最
大値を示すが加工表面粗さが大きいこと,微細亀裂の発
生等があることから、比較的荒さが小さい16μsを選
定した。
【0015】図4から明らかなように、3〜9枚のメッ
シュ状導電材料5を密着させた絶縁材料1では、Cu板
を重ねた絶縁材料を放電加工した場合に比較して、1.
5倍を超える加工速度が得られた。特に5枚のメッシュ
状導電材料を積層したものでは、2倍を超える加工速度
となっており、メッシュ状導電材料5による効果が顕著
であった。しかし、メッシュ状導電材料1枚を密着させ
たもの、或いは11枚のメッシュ状導電材料を積層した
ものでは、却って加工速度の低下が見られた。このこと
から、必要とする導電層6,9,10を得る上では、メ
ッシュ状導電材料5の積層枚数に適正範囲があることが
判る。放電加工された絶縁材料の表面を観察すると、表
1に示すように、板厚5mmのCu板を載せた絶縁材料
を放電加工した場合に比較して、極めて表面粗さの小さ
い加工面が得られていた。なお、表1において、Rmax
は最大粗さと最小粗さとの差,Ra は平均粗さ,Rz
最大粗さの5点と最小粗さの5点をとり平均化したもの
をそれぞれ示す。
【0016】
【表1】
【0017】実施例2:実施例1と同じ装置を使用し、
放電条件が加工速度に与える影響を調査した。被加工材
には、線径1mmのCu線を10メッシュで変成したメ
ッシュ状導電材料を5枚積層したサイアロンを使用し
た。加工速度は、図5(a)及び(b)に示すように、
電流値及び放電時間に応じて異なっていた。なお、図5
(a)では放電時間を16μsに、図5(b)では電流
値を20Aに設定し、何れの場合もD.F=50%とし
た。比較のため、板厚5mmのCu板を重ねたサイアロ
ンを同じ条件下で放電加工した。このときの加工速度
を、図6に示す。図5と図6との対比から明らかなよう
に、大きな加工速度が得られる電流値及び放電時間は、
何れの場合もほぼ同じ範囲にある。しかし、メッシュ状
導電材料を使用した図5の結果は、図6に比較して広範
囲に加工可能領域が広がっていることを示している。こ
のことから、メッシュ状導電材料を密着させた絶縁材料
を放電加工するとき、加工条件の設定に自由度が増し、
広範囲にわたって加工条件を設定できることが判る。ま
た、最適点における加工速度も、2倍近くなっている。
【0018】実施例3:加工電極の形状が加工速度に与
える影響を調査した。加工電極としては、図7に示すよ
うに、直径5mmの丸棒(A),先端部に縦溝を形成し
た直径5mmの丸棒(B),先端にピッチ0.8mmの
M5のネジ山を形成した直径5mmの丸棒(C),先端
に角度8度のテーパを付けた直径5mmの丸棒(D)及
びフラスコ型(E)の5種類を使用した。実施例1と同
じメッシュ状導電材料を密着させたサイアロンを被加工
物として各加工電極を対向させ、電流値20A,放電時
間16μs及びD.F.=50%の条件下で放電加工し
た。各加工電極ごとに加工速度を測定したところ、図8
に示すように電極Cで最も大きな加工速度が得られた。
他方、先端にテーパを付けた加工電極Dは、非常に遅い
加工速度を示した。このことは、電極Cではネジの谷に
沿った加工液の流れが期待されるが、電極Dでは径大部
が加工液の循環を阻害しているものと推察される。フラ
スコ型の電極Eも、高い加工速度を示した。この加工電
極の形状と加工速度との関係から、被加工物である絶縁
材料と加工電極との間の放電領域の内外にわたって加工
液を円滑に循環させる先端形状をもつ加工電極が有効で
あるといえる。
【0019】実施例4: 絶縁材料としてTiN−Al23 系複合材料を使用
し、絶縁材料の電気抵抗が加工速度に与える影響を調査
した。絶縁材料の電気抵抗は、複合材料の組成比を変え
ることによって調整した。直径1mmの銅棒を加工電極
として使用し、電流値5A,放電時間4μs及び休止時
間16μsの条件下で放電加工した結果を図9に示す。
図9から明らかなように、無垢のTiN−Al23
複合材料を放電加工する通常加工によるとき、電気抵抗
率が低い領域で若干加工される形状がみられるものの、
TiN−Al23 系複合材料は、実質的に放電加工が
困難な材料であるといえる。これに対し、板厚5mmの
Cu板を重ね合わせて放電加工すると、電気抵抗率10
0Ω・mの場合に70μm/分の加工速度が得られた。
他方、100メッシュの銅製メッシュ上導電材料を5枚
積層して密着させたTiN−Al23 系複合材料で
は、同じ電気抵抗率100Ω・mであっても、2倍を超
える高い加工速度での放電加工が可能となった。
【0020】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、メッシュ状導電材料,金属細線からなる多孔質成形
体,針状金属を含む複合体等を密着させた絶縁材料を放
電加工している。メッシュ状導電材料等は、放電加工を
円滑に開始させると共に、従来放電加工できなかった高
電気抵抗率の絶縁材料の放電加工も可能にする。しか
も、得られた加工面も表面粗さが小さい加工面が高い加
工速度で得られることから、セラミックスを始めとする
各種絶縁材料の孔開け,切断,ネジ切り等が高生産性で
行われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来法に従って導電層を設けた絶縁材料を放
電加工している工程
【図2】 メッシュ状導電材料を密着させた絶縁材料を
放電加工している工程
【図3】 本発明実施例で使用した放電加工装置
【図4】 絶縁材料に密着させたメッシュ状導電材料の
積層枚数が加工速度に与える影響
【図5】 メッシュ状導電材料を密着させた絶縁材料を
放電加工した際の電流値(a)及び放電時間(b)が加
工速度に与える影響
【図6】 Cu板を重ねた絶縁材料を放電加工した際の
電流値(a)及び放電時間(b)が加工速度に与える影
【図7】 本発明実施例3で使用した先端形状の異なる
加工電極
【図8】 加工電極の先端形状が加工速度に与える影響
【図9】 絶縁材料の電気抵抗率と加工速度との関係
【符号の説明】
1:絶縁材料 3:加工電極 5:メッシュ状導電
材料 6:放電加工初期に形成された導電層 7:
加工液 8:放電加工によって絶縁材料に形成された
孔部 9:孔部の底面に生じた導電層 10:孔部
の内壁面に生じた導電層

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メッシュ状導電材料,金属細線からなる
    多孔質成形体又は針状金属を含む複合体を絶縁材料の表
    面に密着させ、前記絶縁材料に加工電極を対向させ、該
    加工電極との間に発生する放電によって前記メッシュ状
    導電材料,金属細線からなる多孔質成形体又は針状金属
    を含む複合体から分離した細片又は加工粉を前記絶縁材
    料に被着させて導電層を形成し、該導電層と前記加工電
    極との間で発生する放電によって前記絶縁材料を加工す
    る絶縁材料の放電加工方法。
  2. 【請求項2】 メッシュ状導電材料を介して絶縁材料の
    表面に中実導電材料を載置し、該中実導電材料及び前記
    メッシュ状導電材料に加工電極を対向させ、該加工電極
    との間に発生する放電によって前記絶縁材料を加工する
    絶縁材料の放電加工方法。
  3. 【請求項3】 100メッシュ以下のメッシュ状導電材
    料を使用する請求項1又は2記載の放電加工方法。
  4. 【請求項4】 10枚以下のメッシュ状導電材料を積層
    して絶縁材料の表面に密着させる請求項1又は2記載の
    放電加工方法。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4の何れかに記載のメッシュ
    状導電材料,多孔質成形体の金属細線又は複合体の針状
    金属がCu,Ni,W,Nb等の金属又はこれらの合金
    である放電加工方法。
  6. 【請求項6】 機械的接合,接着,ろう付け等によって
    絶縁材料の表面にメッシュ状導電材料を固着する請求項
    1〜5の何れかに記載の放電加工方法。
  7. 【請求項7】 請求項1又は2に記載の絶縁材料がセラ
    ミックス,高分子,金属−絶縁性セラミックス接合体,
    Siウエハ,絶縁性粉末又は短繊維に圧粉体,絶縁性粉
    末又は短繊維と金属,高分子,セラミック基の複合体或
    いは絶縁性の多孔質材料である放電加工方法。
  8. 【請求項8】 先端が平坦,ドリル状又はテーパ状に成
    形された加工電極を使用する請求項1又は2記載の放電
    加工方法。
  9. 【請求項9】 軸方向に平行な縦溝又は軸方向に交差す
    る螺旋溝が形成された加工電極を使用する請求項1,2
    又は8記載の放電加工方法。
  10. 【請求項10】 請求項1,2,8又は9記載の加工電
    極を回転又は揺動させる放電加工方法。
  11. 【請求項11】 請求項1,2,8,9又は10記載の
    加工電極の極性を断続的又は連続的に反転させる放電加
    工方法。
  12. 【請求項12】 孔開け,切断加工,ネジ切り加工等の
    少なくとも1種の形状加工を含む請求項1〜11の何れ
    かに記載の放電加工方法。
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