超滤机封头的冲压工艺及模具设计论文学位论文.docx
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超滤机封头的冲压工艺及模具设计论文学位论文
1前言
1.1国内外研究动态和发展趋势:
近年来，我国冲压模具制造在质量、技术和能力等方面都有了很大发展，但与国际经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大。
随着我国成为世界制造业的中心，电子信息技术中的电子元器件和汽车部件越来越多的成为中国制造，而模具是机械、电子、汽车、家电等工业产品的基础工艺装备，作为工业基础，模具的质量、精度、寿命对其它工业的发展起着十分重要的作用，在国际上称为“工业之母”。
许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定企业的生存空间。
这些年来，虽然中国制造的模具产品，其技术和性能指标等方面接近了世界的高水平，但是还是应该继续努力，逆水行舟不进则退，我们应该更多的运用中国创造来弥补，创国内的世界名牌。
因此，我国冲压设备行业和企业需以战略的思路和有效的措施应对当前的机遇和挑战。
随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。
其主要发展如下：
（1）工艺分析计算的现代化。
它将与现代数学、计算机技术相互联系，对加工零件进行计算机模拟和有限元分析，达到预测某一工艺方案对零件成形的可能性与成形过程中可能会发生的问题，供设计人员修改和选择。
（2）模具计算辅助设计、制造与分析（CAD/CAM）的研究和应用将极大地提高模具制造效率，提高模具质量，使模具设计与制造技术实现一体化。
（3）模具的标准化、商品化、机械化及专业化自动生产。
1.2选题的目的及意义：
（1）综合运用冷冲模课程和其它有关先修课程的理论及生产实践的知识去分析和解决模具设计问题，并使所学专业知识得到进一步巩固和深化。
（2）学习模具设计的一般方法，了解和掌握常用模具整体设计、零部件的设计过程和计算方法，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是总体设计和计算的能力。
（3）通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料等，培养模具设计的基本技能。
1.3研究内容：
（1）首先对给定的零件超滤机封头进行冲压工艺性分析，设计零件的最优冲压工艺过程，并画出工艺工程图。
（2）设计每一道冲压工艺所需要的模具，包括设计计算和模具的结构设计。
画出模具整装配图和模具主要零件的设计零件图。
（3）编写设计毕业论文，即撰写毕业设计说明书。
1.4预期成果：
本研究主要是研究冲压过程中的工艺性、冲裁间隙、凸凹模刃口尺寸的确定、排样、冲压力与压力的中心的计算。
完成本毕业设计后可获得以下成果：
（1）完整的零件工艺过程图以及冲压工艺。
（2）一张装配图，和每一道冲压工艺的冲压模具图。
（3）各套模具的零件图。
（4）一本毕业设计的说明书。
（5）冲裁模具的设计技术，冲裁过程中出现的问题及解决方案。
2冲压工艺方案的确定
冲压工艺方案的确定，是根据一定的生产条件及冲压件的技术要求，对该件所有工序作出合理的安排，找出一种技术上可行、经济上合理的工艺方案。
确定冲压工艺过程需要考虑的问题是多方面的，其主要内容有：
（1）对冲压件进行工艺分析；
（2）通过分析比较，确定最佳工艺方案；
（3）确定模具结构形式；
（4）合理选择冲压设备[1]。
此次设计成品的生产模式：
大批量生产，压力设备型号不受限制。
下图是零件超滤机封头：
图2-1超滤机封头零件图
运用所学的理论知识结合实际生产进行冲压模具设计，先对冲压件（超滤机封头）进行工艺性分析，并再此基础上设计出合理的模具。
包括对冲压模具进行二维制图。
完成模具总装配图和模具零件图，设计图样要求符合最新的制图标准，内容完整，布局合理。
2.1对零件进行工艺性分析:
由超滤机封头零件图可知。
超滤机封头是一个簿壁壳体端盖零件。
孔系在周围边缘上和部件中心，零件的具体尺寸数据如图所示中心孔为Φ20mm，边缘孔为10xΦ6mm。
材料为不锈钢（0Cr18Ni9）。
材料厚度t为1.2mm。
适合冲压，打孔和弯曲。
是需要大批量生产的零件。
2.2超滤机封头加工的主要问题分析及工艺过程中应采取的相应措施:
端盖零件的主要加工表面是拉深成型表面及孔系。
一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。
因此，对于超滤机封头来说，加工过程中的主要问题是保证孔的尺寸精度及位置精度，处理好孔和平面之间的相互关系。
但是由于是大批量生产，提高生产效率也是需要考虑的主要问题。
2.3冲压加工的经济性分析:
由已知条件，该冲压零件的冲压工艺性较好，可以用常规的工艺方法，高效的冲压加工出质量稳定的零件，所以经济性也很好，还要考虑零件材料的利用率，对于大批量生产的冲压件来说，也是影响经济性的重要因素。
2.4毛坯尺寸计算:
（2-1）
（2-2）
（2-3）
其中
为毛坯直径，
～
为各段零件计算直径，各段直径计算如下：
2.4.1底部和中部的圆筒：
（2-4）
（2-5）
2.4.2圆环：
（2-6）
2.4.3圆锥形：
（2-7）
（2-8）
2.4.4圆形：
通过公式（2-3）可得知毛坯的直径为
（2-9）
取整
。
板厚
2.5确定排样方式和坯料利用率：
排样是指冲裁件在板料、条料或带料上的安排布置方式。
排样方式是否是合理的，对材料利用率的大小有十分重要的影响。
2.5.1排样：
由于毛坯形状和尺寸较大，为便于手工送料，选用单排冲压。
毛坯尺寸的大小直接关系到材料规格的选用，因此，要根据毛坯尺寸的大小进行略算。
通过计算比较,可知选用600mm×1200mm时材料利用率最高，从另一方面考虑，根据加工实际情况，厚板长条料会引起放置不平稳和翘板的发生，同时选料重量尽量的小，尽量操作方便。
综述以上的原则，选用规格为：
选用不锈钢0Cr18Ni9，尺寸1.2mm×600mm×1200mm，普通精度，较高级精整表面，冷轧钢板。
所以排样图如下
图2-2冷轧不锈钢板的裁剪
图2-3排样图
2.5.2计算材料利用率：
一个步距内的材料的利用率大小可按下式计算:
（2-10）
式中
——材料利用率；
——工件的实际面积；
——所用材料面积，包括工件面积与废料面积。
因此排样符合材料利用率高的标准。
2.6冲压工序性质和工序次数的选择：
冲压该零件，需要的基本工序和次数为：
（1）落料；
（2）冲一个中心孔；
（3）阶梯拉深成形；
（4）锥形拉深成形；
（5）冲10个螺钉孔。
如分析所述，此制件从结构形状与材料要求来看，属于冷冲压件。
该零件为圆形对称形状，有利于拉深加工的进行。
所需的基本工序为落料、冲孔、阶梯拉深和锥形拉深。
根据以上基本工艺的性质和数量，进行工序的组合和排列，其中方案大致可有三种：
方案一：
落料、拉深、冲中心孔，冲螺钉孔，阶梯拉深，锥形拉深、切边。
方案二：
落料、冲中心孔，阶梯拉深，锥形拉深，冲螺钉孔。
方案三：
落料、拉深、冲中心孔，拉深、冲螺钉孔，锥形拉深、切边，翻边。
分析比较三种方案，方案一的优点是模具结构简单，但是不足之处就是工序分散，模具数量较多，设备和操作人员多，劳动强度大，劳动效率低。
方案二的有点事工序比较集中，模具数量相对较少，占用的设备和工作人员少，生产效率高。
而且也能保证尺寸和精度上的要求。
适合大批生产。
缺点是模具结构较为复杂，对安装调试的要求要高，需要高水平的操作人员。
方案三的优点是模具设计的结构简单，加工精度要高，但是不足之处就是和方案一一样的工序分散，而且各个环节之间容易产生误差，不适合大批量生产。
根据该超滤机封头属于小件零件，属于大批生产的零件，工艺性较好，冲压件尺寸精度不高，形状简单。
所以按照要求模具类型应该使用级进模和复合模，这样才能提高工作效率，节约时间，设备的类型应该为专用压力机和自动机。
故在能够达到要求生产尺寸和精度要求的前提下，考虑经济效益，采用方案二。
2.7加工工序图
如下：
图2-4工序一：
落料、冲中心孔
图2-5工序二：
阶梯拉深
图2-6工序三：
锥形拉深
图2-7工序四：
冲螺钉孔
2.8模具结构类型的选择：
根据确定的工艺方案和零件形状的特点，精度要求和所选设备的主要参数、模具制造条件以及安全生产等，下面对第二套方案进行模具的结构类型的选择。
工序一采用落料、冲孔复合模。
工序二采用阶梯拉深简单模。
工序三采用锥形拉深简单模。
工序四采用冲孔简单模。
2.9计算各工序冲压力和选择冲压设备：
2.9.1各工序冲压力计算：
（1）毛坯落料力：
（2-11）
式中t——材料厚度（mm）；
——材料抗剪强度（MPa）；
L——冲裁周长（mm）。
（2）冲中心孔力：
（2-12）
（2-13）
（3）阶梯拉深力：
（2-14）
根据拉深力计算（2-14）公式可以算出两次拉深的力分别为：
（2-15）
（2-16）
式中L——拉深周长（mm）；
t——材料厚度（mm）；
——抗拉强度（MPa）；查《冲压工艺手册》可知
——修正系数。
查《冲压工艺手册》P188表5-5可知，
（4）推出零件力：
（2-17）
（5）模具顶件力：
（2-18）
（6）模具卸料力：
（2-19）
式中n——同时梗塞在凹模内的零件数,n=h/t；
k——推件力系数；
——冲裁力（N）
查文献[1]P23表2-10可知
2.9.2各工序总冲压力：
（a）落料冲孔总冲压力：
（2-20）（b）阶梯拉深总冲压力：
（2-21）
（c）锥形拉深总冲压力：
（2-22）
（d）冲螺钉孔总压力：
（2-23）
2.9.3压力机选择：
通过以上分析和计算，选择冲压设备时，除考虑模具高度、模具结构和动作配合以外，还应考虑冲压力的大小和压力机的结构。
分析是否适合安装模具设备。
根据设计的落料冲孔复合模、阶梯拉深模、锥形拉深模、冲简单螺钉孔模这四套模具所需要的总压力和模具所需的台面尺寸出发，由《冲模技术》P34中，选用型号为JA21－630和JA21－400的开式高性能压力机。
下表为选用压力机的各参数介绍：
表1.选用压力机的各参数
项目名称
单位
JA21-400
JA21-630
公称力
千牛
400
630
公称力行程
毫米
7
8
滑块行程
毫米
100
120
行程次数
次/分
80
70
最大闭合高度
毫米
300
360
闭合高度调节量
毫米
80
90
喉口深度
毫米
220
260
工作台板尺寸
前后
毫米
420
480
左右
毫米
630
710
工作台孔尺寸
前后
毫米
150
180
左右
毫米
300
340
直径
毫米
Φ200
Φ230
模柄孔尺寸
毫米
Φ50×70
Φ50×70
立柱间距离
毫米
300
340
工作台厚度
毫米
80
90
3落料冲孔复合模设计
复合模定义：
压力机滑块在一次行程中，模具的同一工序上完成二个或二个以上的冲压工序，称复合冲压[2]。
落料、冲孔复合模，是日常生产中用的较多的一种形式，采用复合模可以得到高精度、高质量的冲裁成形件。
复合模有如下特点：
（1）使用复合模可以提高冲压件的质量；
（2）复合模对用料的要求没有连续模那样严格，不规则的边角材料也能使用；
（3）生产效率高。
在工艺方案分析和比较中已选用了模具种类，选用模具时有落料拉深模，冲孔模，压筋弯曲模，水平切边模。
在选择合理的模具结构形式,使它尽可能满足以下要求：
（1）能冲出符合要求的模具；
（2）能提高生产率；
（3）模具制造和修磨方便；
（4）模具有足够的寿命；
（5）模具易于安装调整，且操作方便、安全[3]。
3.1落料模具的具体设计：
3.1.1凸凹模间隙：
落料：
冲裁间隙是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要参数。
所取冲裁间隙数值，应在保证冲件断面质量和尺寸的前提下，使模具寿命最长。
由文献[1]，P14表2－3查得：
（3-1）
3.1.2落料凸凹模刃口尺寸的计算：
落料制件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。
故设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上。
考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸。
按工件成形后精度为IT14级来计算尺寸，查标准偏差公差数值表得：
根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸，使凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限值，再减小凸模尺寸保证最小合理间隙值Z
。
其计算公式如下：
则凸模尺寸：
；（3-2）
凹模尺寸：
；（3-3）
式中
、
——落料凸、凹模尺寸（mm）；
——工件制造公差（mm）；
——最小合理间隙（双面）（mm）；
——凸凹模的制造公差（mm）；
——磨损量，其中x是为了是冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸。
X值在0.5~1之间，与工件制造精度有关，由文献[1]可查表2-7，或按下列关系取：
工件精度IT10以上，x=1；
工件精度IT11~13，x=0.75；
工件精度IT14，x=0.5。
所以取x=0.5。
由文献[1]表2-3查出：
=0.400mm，
=0.320mm（3-4）由文献[1]表2-6查出凸、凹模制造公差：
（3-5）
（3-6）3.1.3冲孔凸凹模刃口尺寸的计算：
冲孔制件尺寸由凸模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凹模尺寸决定。
故设计落料模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。
考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸。
按工件成形后精度为IT14级来计算尺寸，查标准偏差公差数值表得：
；
根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸，使凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限值，再减小凸模尺寸保证最小合理间隙值Z
。
其计算公式如下：
则凸模尺寸：
；（3-8）
凹模尺寸：
；（3-9）
式中
、
——落料凸、凹模尺寸（mm）；
——工件制造公差（mm）；
——最小合理间隙（双面）（mm）；
——凸凹模的制造公差（mm）；
——磨损量，其中x是为了是冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸。
X值在0.5~1之间，与工件制造精度有关，由文献[1]可查表2-7，或按下列关系取：
工件精度IT10以上，x=1；
工件精度IT11~13，x=0.75；
工件精度IT14，x=0.5。
所以取x=0.5。
由文献[1]表2-3查出：
（3-10）
由文献[1]表2-6查出凸、凹模制造公差：
（3-11）
所以
（3-12）
（3-13）
3.1.4模具其它部件设计：
（1）模具导向装置：
导柱、导套的选择，冲模导向零件属于结构性零件，主要用于保证凸模和凹模之间的均匀间隙和运行精度。
模具导向零件主要包括导柱导套，导板等。
现在对于需要批量生产的零件，而且该制造零件的精度要求较高，模具寿命要求较长的冷冲模普遍采用导柱导套为导向装置。
导柱导套的形式多种多样，还有滚珠导柱和导筒等装置，但是考虑到本套模具设计冲压件的精度要求，冲压速度，冲行程选从而取滑动式导柱导套结构。
固采用H7/h6配合。
选取A型的导柱和导套。
（2）卸料装置和推件、顶件装置：
落料冲孔模的卸料装置，主要作用是把材料从凸模上卸下，有时也可做压料用以防止材料变形，并能帮助送料导向和保护凸模等。
设计时应注意以下几方面：
①卸料力一般取冲裁力的5%~20%为最佳。
②卸料板应有足够的刚度强度。
③卸料板要达到足够的耐磨强度，材料通常选择45钢为材料。
由于该板条料的料厚为1.2mm小于1.5mm，平面度的要求不高，所以选用弹性的卸料板。
其特点是卸料力较小，主要用于板条料厚度小于1.5mm以下的薄件的卸料工作。
弹性卸料板得厚度与卸下零件尺寸和卸料力的大小有关系，对于中小形零件一般取5~10mm。
推件和顶件装置的作用是将工件从凸模和凹模中顶出，凹模装在下模座上时，如果工件不能通过模具的底部漏出，则需要借助于装在压力机工作台下的顶件装置利用弹簧和弹性橡胶驱动推板顶出工件。
本套模具中采用推件板和橡胶顶件块来实现推件顶件动作。
推杆的选择，材料为45钢，45钢是一种优质的碳素钢，其中的含磷量较少，非金属的榨汁也较为少，钢的品质较高，她需要调质处理后使用，调质处理后具有良好的综合力学性能，具有较高的韧性和塑性，焊接性能也很好，所以选择45钢为零件的材料。
（3）定位装置：
模具上需要通过一些定位零件使整套模具合理正确的安装，根据所想得到的零件的尺寸、结构和毛坯板条料的大小尺寸，选择与之相应的定位方式和定位装置。
我们毕业设计中通常会用到的用于落料冲孔的定位装置零件有：
定位板、定位螺钉、挡料销钉、导正销钉等等。
所要选用的限定装置零件为限定被冲材料的进给步距并且正确地将工件安放在冲模上完成下一步的冲压工序，必须采用多种形式互相配合的的定位装置。
定位装置应可靠并具有一定的强度，以保证工作精度、质量的稳定；定位装置应可以调整并设置在操作者容易观察和便于操作的地方；定位和精度应避开油污、碎屑的干扰并且不与运动机构干涉。
定位精度要求较高时，要考虑粗定位和精定位两套装置，分步进行；坯件需要两个以上的定位时，它们的定位基准应该一致；设计定位装置还应考虑避免坯件正、反误放置的措施。
本套模具中采用挡料销主要用于前后定位，保证条料有准确的送料间距。
挡料销一般用45钢制造。
当料厚3mm以下时，挡料销的高度可高于料厚1mm左右，而料厚5mm以上时，挡料销的高度可低于料厚1~2mm。
左右定位有导料销钉实现。
该冲压的材料选择的是厚度为1.2mm的不锈钢（0Cr18Ni9）。
3.2落料冲孔模具的总体设计：
3.2.1落料冲孔模具装配图：
图3.1落料冲孔复合模装配图
技术要求：
（1）模具使用设备JA21-630开式固定台压力机；
（2）模具闭合高度255mm；
（3）导柱导套装配前精磨；
（4）每班工作之前都要加油。
结合该套落料冲孔复合模的设计,对该复合模的结构特点总结如下:
①模具采用了导柱和导套组成的导向结构，从而提高了冲模的冲裁精度。
②模具的凸凹模固定在下模，落料凹模和冲孔凸模固定在上模上，模具的结构紧凑，在压力机的一次行程下，可以同时完成落料与冲孔工序。
③卸料板安装在上模上，采用刚性卸料板。
④条料在送进过程中，采用挡料销、导向销和定位板定位。
⑤结构紧凑，生产高，对加工条料的精度要求不是太高。
⑥适合于大批量制品生产。
⑦复合模缺点是模具结构复杂，空间位置不易安排，对模具零件精度要求较高，因而成本高，制造周期长。
3.2.2模具闭合高度的计算：
冲模的闭合高度定义：
是指滑块在下死点（即模具在最低工作位置）时，上模座上平面与下模座下平面之间的距离H。
冲模的闭合高度必须与压力机的装模高度相适应。
压力机的装模高度是指滑块在下死点位置时，滑块下端面至垫板上平面间的距离。
当连杆调至最短时为压机的最大装模高度
；连杆调至最长时为为最小装模高度
。
冲模的闭合高度H应满足以下关系：
（3-14）
（3-15）
工序一的模具闭合高度H=255mm，符合标准。
3.2.3模架的选择：
若采用中间导柱的模架，择导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，拔模具方便，但是只能一个方向送料。
若采用对焦导柱模架，则受力平衡，滑动平稳，可以纵向或者横向送料。
若是采用后侧导柱模架，则可以三方向送料，操作者视线不被阻挡，结构比较紧凑，但是模具受力有些不平衡，滑动不是很平稳。
本设计工序采用的是后侧导柱的模架。
标准的模架的选用的依据是凹模边界的尺寸，有该设计图纸的计算，综合结果查得GB/T2851.3-1990模架的规格是：
上模座315mm×250mm×50mm,下模座315mm×250mm×60mm,导柱40mm×230mm，导套40mm×125mm×48mm。
3.2.4冲模的压力中心：
压力中心是制造零件的内外周边上冲材力的合力中心，保证压力机和模具正常的工作，应该尽量的使冲模的压力中心于压力机滑块中心线相重合。
否则，将会产生一个附加的力矩，它在冲压时会使冲模与压力机滑块歪斜，引起凸、凹模间不均和导向零件加速磨损，造成刃口和其它零件的损坏，甚至还会引起压力机导轨磨损，刃口迅速变顿，影响压力机精度。
本次加工的零件是标准圆形件是内外周边形状对称的工件，所以，压力中心即为零件的几何中心即圆心。
4阶梯拉深模设计
4.1阶梯拉深可一次拉深成功的证明：
由《冲压技术》中
（4-1）
可知，当阶梯拉深各级高度小于总高度时，可以一次拉深。
查文献1表5-11中，当毛坯的相对厚度
（4-2）
当
时，极限拉伸系数与无凸缘相同，拉深系数
。
相对高度
（4-3）所以
（4-4）
所以证明一次拉深成立。
4.2模具具体设计：
4.2.1拉深凸凹模间隙：
拉深模凸、凹模之间的间隙对拉深力、制件质量、模具寿命等都有很大的影响。
如间隙过大，则拉深件口部小的皱纹得不到挤平而残留在表面，同时零件回弹变形大、有锥度、精度差。
如间隙过小，则摩擦阻力增大、零件变薄严重，甚至拉裂，同时模具磨损加大，寿命低。
拉深模的间隙数值主要决定于拉深方法、零件形状及尺寸精度等。
确定间隙的原则是既要考虑板料本身的公差，又要考虑板料在变形中增厚的现象。
回转体件拉深模凸、凹间隙值：
在不使用压边圈的拉伸模具的单边间隙为取c=1.5
4.2.2拉深凸凹模尺寸的计算：
（1）凹模圆角半径
：
拉深时，平板毛坯是经过凹模圆角流入洞口形成零件的筒壁。
当
较小时，材料经过凹模圆角部分其变形阻力大，使危险断面材料严重变薄甚至破裂，较小的
还会使拉深件表面刮伤。
太大时，毛坯变形区与凹模表面的接触面积减小。
在拉深后毛坯外缘过早脱离压边作用而起皱。
因此，合理确定凹模圆角半径是极为重要的。
（4-5）
（2）凸模圆角半径：
凸模圆角半径对拉深影响不如凹模圆角半径那样显著。
过小，毛坯在该处受到较大的变形，使危险断面的强度降低，过小的
会引起危险断面变薄甚至开裂，也影响拉深件的表面质量，
过大时，凸模端面与毛坯接触面积减小，易使拉深件底部变薄增大和圆角处出现内皱。
所以
（4-6）
（3）凸凹模尺寸及制造公差
（4-7）
4.2.3各级凸凹模尺寸：
第一级凹模尺寸：
（4-8）
第一级凸模尺寸：
（4-9）
第二级凹模尺寸：
（4-10）
第二级凸模尺寸：
（4-11）
4.3模具总体设计：
4.3.1是阶梯拉深模的结构总图：
图4.1阶梯拉深模装配图
技术要求：
①模具使用设备JA21-630开式固定台压力机；
②模具闭合高度240mm；
③导柱导套装配前精磨；
结合该套冲孔模的设计,对该模具的结构特点总结如下:
①模具
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