制动盘铸造工艺设计.docx

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制动盘铸造工艺设计

1.结合所学知识，查找相应资料，对所给零件或铸件原铸造工艺进行分析（工艺图设计，参数选取，砂芯设计，冒口设计，模板设计等）谈谈你的体会，及对教材、课堂教学的建议。

2.查资料，完成所指定锻件的生产过程，锻件图设计、相应的计算过程、下料、加热、锻造及热处理工艺进行分析。

3.结合汽车零件生产。

阐述埋弧焊原理、工艺特点、质量保证措施。

1.结合所学知识，查找相应资料，对所给零件或铸件原铸造工艺进行分析（工艺图设计，参数选取，砂芯设计，冒口设计，模板设计等）。

1.1制动盘铸造要求及现状

一、生产技术状况：

制动盘种类繁多，特点是壁薄，盘片及中心处由砂芯形成。

不同种类制动盘，在盘径、盘片厚度及两片间隙尺寸上存在差异，盘毂的厚度和高度也各不相同。

单层盘片的制动盘结构比较简单。

铸件重量多为

6-18kg。

二、技术要求：

铸件外轮廓全部加工，精加工后不得有任何缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷。

金相组织为中等片状型，石墨型，组织均匀，断面敏感性小（特别是硬度差小）。

三、力学性能：

（Tb>250MPa,HB180〜240,相当于国际HT250牌号。

四、有些外商对铸件的化学成分也作要求，本设计不作详细介绍。

1.2设计内容

用金属型覆砂技术克服上述局限性，解决当前所遇到的铸造问题，保证工艺出品率。

即在金属型与铸件外形间覆薄砂层，形成砂型胶。

优点是同时具备金属型和砂型铸造的特点，金属型与熔体不直接接触，冷却速度和金相组织易于控制，同时提高金属型寿命，铸件形状可较复杂。

铸件可保证致密无气孔、缩孔、缩松等缺陷，工艺出口率咼。

2.1设计任务要求

名称:

制动盘

材料：

HT220

类型：

成批生产

本铸件属于盘状薄壁件，盘面上的风道利于空气对流，达到散热的目的。

如下图所示。

采用金属型覆砂工艺，需考虑金属型材料及芯砂材料。

2.2金属型材料选择

根据以往金属型设计经验，选择常用的HT200作为金属型材料，参数如下：

牌号：

HT200

标准：

GB9439-88

特性：

珠光体类型的灰铸铁。

其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好,铸造性能较优，需进行人工时效处理，其原理是把铸件重新加热到530-620C,目的在于消除铸件内应力，减少变形、开裂的缺陷。

化学成分：

碳C:

3.16〜3.30

硅Si:

1.79〜1.93

锰Mn：

0.89〜1.04

硫S:

0.094〜0.125

磷P:

0.120〜0.170

力学性能：

抗拉强度（Tb（MPa）:

200

硬度：

（rh=1时）209HB

试样尺寸：

试棒直径：

30mm金相组织：

片状石墨+珠光体

2.3铁型覆砂工艺介绍

覆膜砂：

在造型、制芯前砂粒表面上已覆盖有一层固态树脂膜的型砂、芯砂称为覆膜砂。

他是最早的一种热固性树脂砂，由德国克罗宁博士于1944年发明。

其基本工艺过程是利用射芯在加热的铁型上填上一层覆膜砂，以形成精密的型腔来生产铸件。

本设计覆膜砂厚度为5mm

覆膜砂基本配比

成分

配比

说明

原砂

100

擦洗砂

酚醛树脂

1.0〜3.0

占原砂重

乌洛托品（水溶液1:

1）

10〜15

占树脂重

硬脂酸钙

5〜7

占树脂重

添加剂

0.1〜0.5

占原砂重

2.4芯砂选择

造型材料性能的基本要求：

1、具有一定强度，保证在合型、搬运和浇注过程中不变形、不损坏

2、良好的透气性。

3、对铸件收缩的可退让性。

4、一定的耐火度和化学稳定性。

树脂自硬砂是指原砂（或再生砂）以合成树脂为粘结剂，在相应的固化剂作用下，在室温下自行硬化成形的一类芯砂，其基本特点是：

1）型砂加热无需加热烘干，更节省资源，同时可以采用木质或塑料芯盒和模板。

2）铸件质量高，铸铁件的尺寸精度可达CT8-CT10铸铁件的表面粗糙度为Ra=25〜50卩m比粘土砂、水玻璃砂好。

3）型砂容易紧实，易溃散，好清理，旧砂容易再生回用，因而大大减轻劳动强度，改善车间劳动环境，使单间小批量生产实现机械化。

4）树脂价格较高，同时要求使用优质原砂，因而型砂成本比粘土砂水玻璃砂高。

5）混砂、造型、浇注时，有刺激性的气味，应注意劳动保护。

树脂自硬砂用原砂的技术指标（%

指标原砂\

粒度

级别

SiO2

含泥量

含水量

微粉量

酸耗

值

灼减

石英砂

30（40/70）

>90

V0.2

V0.1〜0.2

V0.5〜1

V0.5

树脂自硬砂配比

项7例构成

砂子100%

占砂子的百分比

占树脂的百分比

型砂组分

新砂

再生砂

树脂

固化剂

加入量（%

0.8〜1.5

30〜50

再生砂的质量指标

灼减量

酸耗值

PH值

0.075筛〜

底盘

含水量

含氮量

（%V

（mL）V

底盘（%V

（%V

2.0

1.0

0.2

0.1

6）砂芯如下图:

图2.3砂芯结构尺寸示意图

3.1零件结构的铸造工艺性分析

制动盘产品图

（1）产品质量要求较高，不仅需要较高的精度，还要有足够的强度、硬度，尤其是上、下制动盘面不允许出现任何铸造缺陷，更不允许使用焊补等方法进行修复。

（2）产品表面积相对较大，且结构造成的铸造热节，容易形成缩孔、缩松缺陷。

（3）产品平面较大且较厚，在保证有足够的强度、硬度等性能外，还要防止气孔、缩松、夹渣等铸造缺陷的产生。

3.1.1铸造工艺分析

覆砂金属型铸造工艺是一种新型的铸造方法，它是在粗成形的金属型（铁型）内腔上覆上一层5〜8mm的覆砂层而形成铸型的一种先进铸造工艺。

该工艺克

服了金属型铸造无退让性的缺点，使冷却条件得到很好的改善；该工艺不仅提高了铸件的成品率和工艺出品率，对铸件的表面质量和力学性能也有了很大的

3.1.2实际生产工艺

大批量生产中的铁型覆砂铸造，其覆砂造型方法如图3所示。

覆砂造型是铁型背面的一组射砂孔，经铁型和模样合模后形成的间隙（缝隙宽度等于覆砂层厚度）射入流动性较好的型砂，再经固化，起模后即形成铁型覆砂的铸型（即覆砂铁型）。

一般铁型覆砂铸造的生产流程如图4所示。

射砂头

图3机械造型

蒔割清理k-<

Qicomco

mUiIUvv

图4铁型覆砂铸造铸造生产流程图

3.1.3拟定铸造工艺

从铸件凝固技术的角度看，水平造型生产盘类铸件较垂直造型更易获得致密无缺陷的优质铸件。

制动盘是一种径向尺寸大于纵向高度的均匀盘类铸件，采用

水平造型分型面处于水平方向，分型面设置在刹车面处，即产品的径向处于水平位置，而铸件其他部位大部分处在下型腔，在此处设置浇注系统向型腔填充铁液，浇注完成后，铸件上部铁液温度高于下部温度，符合铸件凝固从下到上，从外到中心的凝固顺序，浇注系统能够形成对

铸件最后凝固部位液体收缩的补给，有利于消除铸件的缩松缺陷，提高了铸件的致密度。

同时，采用水平造型，顺应了制动盘这种铸件径向尺寸大，纵向高度小的特点，在同样浇注温度下，易使铁液中的气体夹杂物和由浇注系统卷入型腔的气体渣子，在铸件凝固前向上漂浮到铸件的顶部，通过设计铸件顶部稍大的加工余量加工掉，减少废品的产生。

故本设计采用水平分型如下图：

图1盘类剎举片铸造工艺示意图吒孔2.持气片3•出气孔4花盘芯子

「压边浇冒口6■宜浇道7■放餐过滤网■铸件

3.2铸造工艺参数

铸造工艺参数包括以下几点：

1.查表可知，尺寸公差为CT1Q铸件机械加工余量为5.0mm（2—4）

2.最小铸出孔直径15〜30mm（表2—5）

3.起模斜度：

外表面1.5%，内表面8%

4.铸造圆角R5mm

5.铸造收缩率1.0%

6.最小铸出槽尺寸b=20mmt=10mm

3.3浇注系统设计

本设计采用顶注式浇注系统，有利于薄壁铸件的充型。

331浇注系统计算

选择封闭式浇注系统，设A1、A2、A3为直浇道、横浇道、内浇道总截面积，系

统组元截面比为：

A1：

A2:

A3=1.15:

1.1:

（；

式中F阻——浇注系统中的最小断面总面积（cm3）；G-—流经F阻断面的金属液总、重量（\）；K——总流量损耗系数；t—浇注时间（J；//r平均静压力头（cur）

查表得：

G=mg=2区9.8=196N

（1=0.6

t=s}ZTJ

式中6——型内金属液的总质（重量）（"）；

5t——系数，取决于铸件壁厚，可由表7-2-3查出。

S=1.85

t=26s

查表得采用顶部注入

H=H,p=o则H=l00mm综上所得：

F阻=8cm

F直=8.4cm2

查表得内浇道总断面积1.6cm2

直浇口棒D=35mm

035

内浇道A=14mmB=12mmC=6mm

3.3.2实用冒口设计

铸件在凝固后期有“奥氏体+石墨”的共晶转变，析出石墨并发生体积膨胀,

从而可部分或全部地抵消凝固前期所发生的体积收缩，即具备有“自补缩的能力”因此，在铸型刚性足够大时，逐渐可以不设冒口或采用较小的冒口进行补缩。

求铸件模数M=

D=10mmc=6mmb=53mm求得M=0.44cm

由于此灰铸铁件模数小于0.75cm，适宜采用浇注系统当冒口。

故不单设冒口。

4.1金属模样的结构设计

由于采用大批量生产，选择金属模样，工具各金属模样材料的性能和应用范围，选择灰铸铁为模样的材料，牌号为HT150.

下模样的结构简单，主要由几个圆形凸台形成，由于模样整体高度不打，采用实心模样。

模样最大平面边缘由芯头形成了宽25、高15.5的延伸凸台刚好可以用来固定模样。

一个模样使用4个沉头圆柱螺钉固定，螺钉穿过模样装配在模板上，对错分布，螺钉尺寸为M1Q此外，使用两个定位销定位，也是穿过模样装配在模底板上，定位销尺寸d（定位销直径）为10cm下模样如下图

设计原则是在满足铸造工艺、保证铸件质量的前提下，是模样的结构便于加工制造。

模样在模底板上的装配偏差：

单面模样w0.7mm内浇道模尺寸偏差，有箱造型为土0.3mm其余部分为土0.7mm

4.2模板和模板框设计

8.模板的设计

该铸件属于成批大量的生产小件，选用HT250做模板材料，采用普通单面顶箱式模板。

采用水平分型自动生产线的模板底板尺寸结构，采用的模板基本尺寸为1200mmx690mm砂箱内框尺寸920mmx610mmx250rnm箱放置3件，模样对称分布在下模板上，同时直浇道相连的一段横浇道布置在下模板，其余浇注系统以及冒口等布置在上模板上，浇注系统与模底板的固定，采用六角螺钉和沉头螺钉固定。

上模板二维及三维图

下模板二维及三维图

由于在射砂过程中，需要一定温度，故模板上要设置管状加热元件。

采用水平分型的单面快换模板。

为了简化工艺，采用直接定位法即模板直接与砂箱定位。

如下图所示，分别为上加热模板和下加热模板，定位采用双头螺钉。

2查资料，完成所指定锻件的生产过程，锻件图设计、相应的计算过程、下料、加热、锻造及热处理工艺进行分析。

技术妾求

L收编率L5喘

2.全部模做热度5-

齿轮热锻件图

一、任务介绍

锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需的几何形状，尺寸

以及品质的锻件。

锻造的基本工艺有自由锻、模锻、板料冲压等，其中自由锻和模锻是热塑性成型，而板料冲压是冷塑性成形，两者的基本原理相同。

齿轮是现代工业大量使用的零件，本文就是讨论齿轮的自由锻生产。

自由锻能进行的工序很多，可分为基本工序、辅助工序、及精整工序三大类。

它的基本工序是使金属产生一定程度的塑性变形以达到所需的形状和尺寸的工艺过程，如镦粗，拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。

二、总体设计方案

1•绘制锻件图

根据零件图的基本图样，结合自由锻工艺特点考虑余块、锻件余量和锻造公差等因素绘制而成。

2.计算坯料质量及尺寸

（1）坯料质量的计算

根据锻件的形状和尺寸，可先计算锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时冲掉的芯料以及切头的损失，可先计算锻件所用的坯料的质量，其计算公式为

m坯=m锻+m烧+m头+m芯

（2）坯料尺寸确定

皮料尺寸与所用第一个基本工序有关，由于齿轮是饼块类或空心类锻件，用镦粗工序锻造时，为了避免镦弯，应使坯料高度h不超过直径D的2.5倍，即坯料高径比h/D不超过2.5。

为了在截料时便于操作，毛坯高度h不仅应小于2.5D,即高径比还应大于1.25即

1.25D岂h<2.5D

圆料直径D一0.83V坯dm。

3.选择锻造工序

齿轮的锻造，根据其横向尺寸大于或近于高度的特点一般以镦粗为主，当锻

件有凸肩时，可按凸肩尺寸选垫环镦粗促或局部镦粗。

若锻件孔需冲出还需采取

冲孔。

4.选定锻造设备

选定锻造设备的依据是锻件材料、尺寸和质量，同时还要适当考虑车间现有设备条件。

若设备吨位太小，锻件内部锻不透，生产率也低，反则造成设备和动力的浪费，且操作不便也不安全，通常按经验类比法或查表法等确定。

（1）经验类比法

锻锤吨位可按经验公式计算：

镦粗时锻锤的吨位G=（0.002-0.0003）KS（kg）

（2）查表选定法

对于低碳钢、中碳钢和普通低合金钢的自由锻可查表选定吨位。

5.确定锻造温度及规范

（1）确定锻造温度范围

各类合金钢的锻造温度范围可以从表中查出，基本的原则是确保钢在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力，能够锻造出优质锻件，且较宽的锻造温度范围和较少的加热次数，以及较高的生产率。

⑵确定加热及冷却范围

对于导热性好，直径小于150~200mm的碳素结构钢小件，采用一段加热规范，一般高温装炉，炉温控制在1300C~1350C。

当坯料加热至始锻温度后，立即出炉锻造。

（3）确定冷却方法及规范

根据要求选择空冷、坑冷或炉冷。

中小型碳钢和低合金钢锻后均采取冷却速度较快的空冷方法。

碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢，锻后先空冷鼓风或喷雾等快速冷到200C，然后把锻件放入坑中或炉中缓冷。

三、具体的设计方法与步骤

1.绘制零件图

该零件材料为40Cr,生产批量小，采取自由锻锻造齿轮坯。

齿轮上的齿形，圆周小凹槽，凸肩以及8030mm通孔等部分，采用自由锻方法很难成形这些部位，因此考虑到技术上的可行性和经济性，决定不与锻出，并采用附加余块简化锻件外形，以利于锻造。

锻造出齿轮坯后可以进一步进行切削加工，最后成形。

根据零件图的尺寸规格，对照表所列中零件的高度和直径范围，可以查出齿轮锻件加工余量和公差。

D=289,h=52，查得的加工余量及公差为锻件水平方向a=10±，锻件高度方向b=9±3，内孔的双边c=13±，然后按查得的公差数值，便可绘出凸肩齿轮的锻件图。

锻件图另行给出。

2.确定变形工艺

凸肩形齿轮锻件属于空心零件，根据锻件形状尺寸，确定在锻锤上进行锻造，且主要变形工艺为镦粗、冲孔、冲头扩孔等工序，同时根据锻件上的凸肩形状确定采用垫环辅助局部镦粗成型。

目前这类短剑一般采用局部镦粗，而镦挤成形则适于直径和高度均较小的凸肩锻件。

由于齿轮内径较大，因此确定采用冲头扩孔，但考虑到冲孔扩孔时金属将会沿着径向流动，并沿着凸肩高度方向产生拉缩现象，因此垫环镦粗后的外径尺寸应比锻件外径小些，且凸肩高度应比锻件凸肩大些。

⑴镦粗

由于锻件带有单面凸肩，需采用垫环镦粗，这里要确定垫环尺寸。

垫环孔腔体积V垫应比锻件凸肩体积V肩大10%—15%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取12%，经计算V肩=753253mm3。

则

V垫=（1+12%）V肩=1.12>753253=843643mm?

考虑到冲孔是会产生拉缩，垫环高度H垫应比凸肩增大15%—30%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。

H垫=1.2H肩=1.2>4=40.8（mm）取40mm。

垫环内径d垫可根据体积不便求得，即

]V垫

d垫=1.13J化164mm

垫；H垫

垫环内壁应有斜度7度，上端孔径定为163mm，下端孔径定为154mm。

为了除去氧化皮在垫环镦粗之前应进行平砧镦粗，工艺过程如图。

平砧镦粗后坯料

的直径应略小于垫环内径，经垫环镦粗后上端法兰部分直径应小于锻件最大直径。

⑵冲孔

冲孔应使冲孔芯料损失小，同时扩孔次数不能太多，冲孔直径d冲应小于或

等于D/3即d冲O/3=213/3=71mm,实际选用d=60mm。

⑶扩孔

总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即（131-60）=71mm,一般每次扩孔量为25~30mm，分配各次扩孔量为21mm、25mm、25mm。

（4）修整锻件按锻件图进行修整。

3.计算坯料质量和尺寸

坯料质量等于锻件质量加上芯料质量和烧损质量，锻件质量按公式计算为

m锻二V锻尸n4（32>0.27+2.1平X）.34+1.322X）.61）78=17.8kg冲孔芯料的质量（取d=60mm,H=65mm）为

m芯=（1.18~1.57）d2XH=0.3kg

坯料的煤气炉加热的烧损率*2%，考虑到该锻件需要经过2~3次扩孔，而至少需要加热2次，因此应取单火烧损率的上限再加上适当的烧损值，即为8=0.035,所以坯料的烧损质量为

m烧=17.8>.035kg=0.6kg

所以坯料的质量为

m坯=m锻+m烧+m头+m芯=18.7kg

计算坯料的直径时，由于采用镦粗成形，可按下式计算：

D=0.9VV^=0.9（牛=O.9〈^18|dm=1.2dm=120mm

查表可知标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径D=120mm。

坯料长度为

V坯2.38106

Lmm=210mm

S坯一1202

4.选定设备及规范

该锻件类型属于圆环，D=289，H=52，查表可知应选用5kN的自由锻锤。

40Cr属于合金结构钢，查表可知始锻温度为1200C,终锻温度为800C。

因为该锻件是直径为200~350mm的碳素结构钢中型件，采用煤气炉三段式加热规范，装料炉温为1150C~1200C,保温时间约为总加热时间（1h~100min）的5%~10%，这里保温为15min，再以最大加热速度加热至1200C以后，再次保温均热约为15min后开始锻造。

冷却方法：

以为该锻件是中小型低合金结构钢，可以采取空冷的冷却方式。

四、工艺流程（工艺卡）

1.下料

坯料质量与尺寸可由锻件图算出，为①120x210mm

镦粗垫环局部镦粗H垫=40mmd垫=164mm

2.冲孔

D冲=60mm冲头扩孔，分三次扩孔，每次扩孔量为21mm、25mm、25mm

修整按锻件图进行修整

3.车削加工

退火后钻孔，大齿轮滚齿，小齿轮插齿

4.最终热处理

齿面高频淬火

锻件名称

齿轮

（锻件图另行给出）

锻件材料

40Cr

坯料质量

18.7kg

坯料尺寸

锻造设备

0.5t自由锻锤

火次

操作工序

工序简图

备注

下料

坯料质量与尺寸可由锻件图算出，为

镦粗

分三次扩孔，每次扩

孔量为21mm、25mm、25mm

3、结合汽车零件生产。

阐述埋弧焊原理、工艺特点、质量

保证措施。

埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是利用焊剂层下燃烧的电弧的热量熔化焊丝，焊剂和母材而形成焊缝的一种电弧焊焊接方法。

其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。

近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。

生产中普遍应用埋弧自动焊，它的全部焊接操作包括引燃焊丝，焊丝送进，电弧移动，焊缝收尾等均有机器控制，方便快捷。

1、埋弧焊原理

埋弧焊焊缝形成过程如图：

焊丝末端与焊件之间产生电弧后，电弧的热量使焊丝，焊剂和焊件熔化，有一部分甚至蒸发。

金属与焊剂的蒸发气体形成一个包围电弧与熔池金属的密闭空间，使电弧与熔池与外界空气隔离。

随着电弧向前移动，电弧不断熔化前方的焊件，焊丝和焊剂，而熔池的后部边缘开始冷凝形成焊缝。

密度较小的熔渣浮在熔池表面，冷却形成渣壳。

B>6埋鄭爆时煖繼的购成过程

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埋弧焊时，焊丝连续不断地送进，同时其端部在电弧热作用下不断熔化，焊丝送进速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。

依据应用不同，焊丝有单丝、双丝和多丝，有的应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝，或用钢带代替焊丝。

2、埋弧焊的主要特点

埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一，它的全称是埋弧自动焊

又称焊剂层下自动电弧焊。

优点：

生产效率高

这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的溶深和焊丝溶敷效率都大大提高。

（一般不开坡口单面一次溶深可达20mm）另一方面由于焊剂和溶渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。

焊缝质量咼

熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好。

劳动条件好

除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。

缺点：

适应性差，不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊

缝；

工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；

埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此，必须严格控制焊接规范。

焊接设备较复杂，维修保养工作量大。

3、埋弧焊应用

埋弧焊是焊接生产中应用较普遍的工艺方法。

由于焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而适用于中厚板长焊缝的批量焊接，焊接水平位置的长直焊缝和较大直径的环焊缝。

在造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、铁路车辆、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造中有广泛的应用。

在汽车制造上面主要应用于半桥套管、法兰、天然气汽车压力容器的焊接上面。

随着焊接冶金技术和焊接材料生产技术的发展，埋弧焊所能焊接的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及一些有色金属材料，如镍基合金、铜合金的焊接等。

埋弧焊除了主要用于金属结构件的连接外，还可以用来进行金属表面耐磨或耐腐蚀合金层的堆焊。

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