劉奎良 葛麗 趙晟

【摘 要】在我公司開(kāi)發(fā)大馬力推上機(jī)之前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上320馬力及以上的大馬力推土機(jī)基本上被卡特彼勒、小松等國(guó)際知名品牌所主導(dǎo)。大馬力推土機(jī)整機(jī)及配件主要依賴，不僅維修困難，而且價(jià)格昂貴，每年都要花費(fèi)我國(guó)大量外匯。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，用戶對(duì)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠的國(guó)產(chǎn)大馬力推土機(jī)的期望越來(lái)越高。山推股份作為國(guó)內(nèi)推土機(jī)制造行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，一直在不斷提高和完善核屯、制造技術(shù)，制造出了SD32、SD42-3、SD52-5以及SD90-5等大型的履帶式推土機(jī)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了大型推土機(jī)國(guó)產(chǎn)化。SD42S上大馬力推土機(jī)功率的增加對(duì)大型結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。推土機(jī)大型結(jié)構(gòu)件主機(jī)架、臺(tái)車架等體積龐大、自身重量大、長(zhǎng)直對(duì)稱焊縫多、焊縫復(fù)雜，烤接變形大并且難以控制。而一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量對(duì)整機(jī)的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率是必須攻克的難題。根據(jù)企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃和現(xiàn)實(shí)發(fā)展需要，選擇了直接影響焊接加工的質(zhì)量和效率的大型結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)研究：中厚板超低飛娥焊接工藝研究及應(yīng)用，后橋箱機(jī)器人焊接工裝夾具設(shè)計(jì)研究，大型結(jié)構(gòu)件柔性化生產(chǎn)技術(shù)研究等。

【關(guān)鍵詞】焊接；機(jī)械工程；自動(dòng)化；柔性

當(dāng)前的推土機(jī)市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家比的就是質(zhì)量、價(jià)格和服務(wù)，歸根到底，最根本的還是質(zhì)量之爭(zhēng)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)都存在一個(gè)共性問(wèn)題，就是制造成本過(guò)高、浪費(fèi)嚴(yán)重、生產(chǎn)效率低下。應(yīng)用工業(yè)工程的技術(shù)和方法挖掘潛力是絕大多數(shù)企業(yè)走出困境的必由之路。生產(chǎn)作業(yè)的瓶頸分析和能力平衡改善是制造企業(yè)生產(chǎn)管理過(guò)程中的一項(xiàng)十分重要的工作，涉及到生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的降低。如何縮短差距，提升管理水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以較低的成本創(chuàng)造更高的價(jià)值，進(jìn)一步提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，擺脫目前存在的產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重的現(xiàn)象，成為擺在國(guó)內(nèi)工程械行業(yè)面前的重要而緊迫的課題。大馬力推土機(jī)功率的增加對(duì)大型結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。推土機(jī)大型結(jié)構(gòu)件主機(jī)架、臺(tái)車架等體積龐大、自身重量大、長(zhǎng)直對(duì)稱焊縫多、焊縫復(fù)雜，焊接變形大并且難以控制。而這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量對(duì)整機(jī)的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率是必須攻克的課題。

一、大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

（一）大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)工程機(jī)械生產(chǎn)廠家進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，推土機(jī)、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件基本均采用機(jī)器人進(jìn)行掉接，自動(dòng)化程度較高，焊接過(guò)程穩(wěn)定。普遍采用的是單絲機(jī)器人焊接，存在熱輸入量不均勻，焊接變形較大問(wèn)題，雙絲機(jī)器人焊接應(yīng)用較少。在焊接方法上，CO2氣體保護(hù)焊由于具有焊接烙深大、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，在大型結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)得到普遍采用，但同時(shí)也存在著飛滿量大，焊絲利用率較低，焊接生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)。同時(shí)焊接過(guò)程中由于飛瓣大，容易堵塞焊槍影響保護(hù)效果，進(jìn)而產(chǎn)生氣孔、烙合不良等焊縫缺陷。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，富氨混合氣體保護(hù)焊目前主要應(yīng)用在壓力容器、不誘鋼及其合金、機(jī)電產(chǎn)品中，在工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用還很不普遍。是否能夠通過(guò)工芝試驗(yàn)，然后通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，摸索一套適合于工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的富氨焊接工藝參數(shù)成為我們著手研究的巧容。

（二）存在主要問(wèn)題

目前結(jié)構(gòu)件采用CO2化氣體保護(hù)焊，焊接時(shí)烙敷金屬燒損厲害，焊接飛繊量大、焊接飛繊大約為13-15%，焊絲利用率低：焊后需要耗費(fèi)大量的工時(shí)和人工來(lái)修磨焊渣焊豆，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量差同時(shí)造成很大的成本浪費(fèi)。同時(shí)容易堵塞噴嘴，起不到保護(hù)作用，導(dǎo)致焊縫成型差，外觀質(zhì)量差。尤其是推土機(jī)駕駛室、上罩、側(cè)護(hù)罩等對(duì)外觀質(zhì)量要求較高的部件來(lái)說(shuō)，其外觀質(zhì)量的高低有時(shí)直接決定了客戶的購(gòu)買意愿。目前公司推土機(jī)后橋箱、機(jī)架等焊接工段普遍存在由于對(duì)人員、設(shè)備、原材料投入等各環(huán)節(jié)把握分析不夠，各工序生產(chǎn)能力不平衡，導(dǎo)致成本浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率化下，難以實(shí)現(xiàn)量化管理。當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃變更頻繁，緊急巧單較多時(shí)，生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行難度更大，經(jīng)常陷入生產(chǎn)奈亂，品質(zhì)跟著失控的局面，造成經(jīng)常性的返工、返修，導(dǎo)致交貨期延誤，同時(shí)浪費(fèi)大量的人力與財(cái)力。如何提高大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，進(jìn)而達(dá)到提升后橋箱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量及生產(chǎn)效率，有效降低成本，實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、準(zhǔn)交期的目標(biāo)。

二、推土機(jī)后橋橋箱機(jī)器人焊接工裝夾具設(shè)計(jì)

（一）焊接工裝夾具的分類與組成

1、焊接工裝夾具分類

在機(jī)械加工、產(chǎn)品檢驗(yàn)、裝配和組對(duì)焊接等工藝過(guò)程中，通常都要使用大量的工藝裝備，我們將他們簡(jiǎn)稱為工裝，用來(lái)安裝定位加工對(duì)象，使之處于正確的位置，用來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。焊接工裝夾具是將焊接結(jié)構(gòu)件的每個(gè)零件實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位并帶有夾緊，化保證每個(gè)零件的相對(duì)位置要求，用于組對(duì)和焊接的工藝裝備在焊接結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中，組對(duì)和焊接通常是兩道重要的生產(chǎn)工序，大多數(shù)情況下是采取先組對(duì)后焊接以，也就是先在工裝上進(jìn)行點(diǎn)固，然后吊裝出來(lái)進(jìn)行焊接。按應(yīng)用范圍分為通用焊接工裝（多種機(jī)型可以使用）、專用焊接工裝（只限定于某一個(gè)機(jī)型）、柔性焊接工裝；按動(dòng)力源分為七大類。

2、焊接工裝夾具組成

第一，定位器。為了保證工件組對(duì)精度，定位器大多數(shù)情況下是做成固定式的，即不能轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)的，特殊情況下為了便于焊接結(jié)構(gòu)件裝卸（方便吊出工裝胎具），也可做成可伸縮式或旋轉(zhuǎn)式的，并采用氣動(dòng)、手動(dòng)、液壓等單種或多種驅(qū)動(dòng)方式同時(shí)使用。定位器主要是用來(lái)保證焊接結(jié)構(gòu)件在組對(duì)時(shí)每個(gè)零件在夾具中處于正確位置、滿足圖紙尺寸要求，也稱為定位元件和定位機(jī)構(gòu)。根據(jù)每個(gè)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定位器可做成可拆卸式的、進(jìn)退式的和翻轉(zhuǎn)式的。

第二，夾緊機(jī)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)作為焊接王裝夾具的主要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也是多種多樣，有時(shí)候甚至比較復(fù)雜，最簡(jiǎn)單的就是我們通常使用的快速夾，驅(qū)動(dòng)方式也有很多種。在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家里，為了實(shí)現(xiàn)夾具的通用、減少浪費(fèi)，對(duì)通常使用的一些夾緊機(jī)構(gòu)己經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，在設(shè)計(jì)時(shí)直接進(jìn)行選用即可，由此可節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。

第三，夾具體。焊接夾具體主要用來(lái)在夾具上安裝固定定位機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)以及承受工件重量的部分，其強(qiáng)度與剛性首先要滿足使用要求，主要起支撐和連接作用。我們通常采用的各種組對(duì)平臺(tái)就是最常見(jiàn)的夾具體，通過(guò)在其各面上開(kāi)有安裝槽、孔，可用來(lái)安裝和固定各種定位機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)滿足不同機(jī)型的通用生產(chǎn)，在組織生產(chǎn)不同機(jī)型產(chǎn)品時(shí)，只需把相應(yīng)的定位器和夾緊機(jī)構(gòu)安裝在對(duì)應(yīng)的孔上即可，可較大幅度提高車間生產(chǎn)組織管理水平。

3、焊接工裝夾具特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

焊接工裝夾具的特點(diǎn)，主要是根據(jù)焊接工藝（組對(duì)順序、組對(duì)方式、采用的焊接方法等）、焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及自動(dòng)化程度決定的，跟機(jī)床夾具相比具有如下特點(diǎn)：

（1）焊接夾具的特點(diǎn)

1）由于結(jié)構(gòu)件通常由多個(gè)零件組對(duì)焊接而成，如推土機(jī)臺(tái)車架就是由40多個(gè)板材、鑄鋼件組對(duì)焊接而成。而對(duì)這些零件姐對(duì)和焊接時(shí)，是按照工藝要求的設(shè)計(jì)的組對(duì)順序進(jìn)行的，對(duì)每個(gè)零件都要有定位與夾緊進(jìn)行約束，可保證焊接后圖紙尺寸要求。而機(jī)床夾具通常情況下，只需要對(duì)加工工件實(shí)現(xiàn)一次定位和夾緊即可，一般不需要焊接夾具那么復(fù)雜。

2）在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于焊接熱輸入，零件不可避免的會(huì)因?yàn)楹附蛹訜岫a(chǎn)生變形甚至有時(shí)候變形還比較大至于影響其使用性能。為了有效控制焊接變形，保證焊接質(zhì)量，在進(jìn)行焊接工裝夾具設(shè)計(jì)時(shí)，要求工裝夾具能夠具有給予方便。

3）對(duì)于機(jī)床夾具來(lái)說(shuō)，在實(shí)際加工完工件之后，由于尺寸與重量均減少，卸活（吊裝離開(kāi)夾具）相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易。而對(duì)于焊接工裝夾具而言，再對(duì)結(jié)構(gòu)件組對(duì)焊接完之后，由于增加大量填充金屬，尺寸與重量均得到増加，同時(shí)由于焊接變形及產(chǎn)生的較大焊接應(yīng)力，造成從夾具上卸下變得比較困難，有時(shí)候甚至需要鍾擊。

4）焊接夾具在實(shí)際操作時(shí)主要承受結(jié)構(gòu)件的自身重力、焊接變形產(chǎn)生的肉應(yīng)力和夾緊力，這幾種力由于相互作用，實(shí)際造成的結(jié)果一般比較大；電阻焊、摩擦煤均屬于壓力焊，在焊接過(guò)程中夾具還要承受頂鍛力。而機(jī)床夾具在工件進(jìn)行加工時(shí)主要承受的是工件的部分重力和切削力，一般情況下切削力為單方向受力，比焊接工裝夾具所承受的各種力要小很多。

5）由于結(jié)構(gòu)件中每個(gè)單件都要分別進(jìn)行夾緊固定，焊接工裝夾具一般比機(jī)床夾具大的多，其上面的夾緊點(diǎn)、定位點(diǎn)比機(jī)床夾具上的多得多。因此，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)難度比較大。如果設(shè)計(jì)的定位點(diǎn)、夾緊點(diǎn)的數(shù)量、布置不舍理，難對(duì)精度及焊接質(zhì)量都難以保證。

6）焊接工裝夾具的作用主要是保證結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行組對(duì)點(diǎn)固時(shí)各個(gè)零件處于正確的位置可滿足圖紙尺寸要求，同時(shí)通過(guò)進(jìn)行固定夾緊約束盡可能的減少其焊接變形，而機(jī)床夾具主要用來(lái)保證零件的加工精度。

7）通常情況下由于焊接件產(chǎn)品精度本身圖紙要求就比較低，焊接工裝夾具本身的制造精度要求也不是太高，對(duì)于機(jī)床夾具來(lái)說(shuō)情況就不同了，由于加工件精度要求一般比較高，機(jī)床夾具的制造精度要求也相應(yīng)比較高。

（2）焊接工夾具的設(shè)計(jì)要求

1）焊接工裝夾具操作起來(lái)應(yīng)動(dòng)作迅速、方便靈活，同時(shí)能夠保證產(chǎn)品組對(duì)精皮。

2）夾具在生產(chǎn)中投入使用時(shí)要承受多種力的作用（焊接應(yīng)力引起揮接變形導(dǎo)致的較大反作用力很容易損壞工裝，所以工裝夾具應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。

3）便于焊接件的裝卸。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)保證操作者具有足夠的操作空間，可便王件位置不合適能夠進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

4）靠近焊接部位的夾具，應(yīng)加護(hù)罩做好屏蔽，避免焊接過(guò)程沖產(chǎn)生的飛瓣對(duì)夾具造成損壞。

5）在同一個(gè)夾具上，為了方便制造，盡可能的減少制造成本，設(shè)計(jì)的時(shí)候定位器和夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式盡量統(tǒng)一，使用起來(lái)也方便。

6）設(shè)計(jì)的工裝夾具工藝性不能太差，應(yīng)方便制造與維修同時(shí)還要考慮其制造成本。

三、三維柔性組合焊接工裝設(shè)計(jì)

目前，隨著公司產(chǎn)品升級(jí)換代步伐的加快，傳統(tǒng)使用的語(yǔ)接工裝由乎設(shè)計(jì)、制造周期較長(zhǎng)同時(shí)通用性不好，己經(jīng)不能滿足新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度要求，為此我們通過(guò)研巧設(shè)計(jì)出了三維柔性姐合焊接工裝。該工裝能夠滿足于產(chǎn)量少、精度高的結(jié)構(gòu)件，不僅可以保障產(chǎn)品質(zhì)量，縮短試制周期，同時(shí)還可減少節(jié)省設(shè)計(jì)、制造成本，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

（一）三維柔性組合焊接工裝結(jié)構(gòu)

三維柔性組合焊接工裝主要包括三維平臺(tái)、定位裝置、夾緊裝置等3部分。

1、三維平臺(tái)

三維平臺(tái)材通常情況下為球墨鑄鐵，進(jìn)行整體熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力，具有5個(gè)工作平面，對(duì)平面度要求較高，要求加工后均應(yīng)達(dá)到一定要求。平臺(tái)經(jīng)過(guò)粗加工、精加工、打磨拋光等工序，非加工面涂漆，表面粗精度為Ra3.2。平臺(tái)采用框架式支撐，單張平臺(tái)承載重量大于5噸，平臺(tái)上工作面跑地面高度為550mm左右。為了巧證工件組對(duì)精度，提高結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量，銷孔的大小和間距均有嚴(yán)格的精度要求，保障定位塊、定位軸和夾緊裝置等工裝的定位精度，銷孔尺寸大小一樣，在平臺(tái)上均布分列，孔間距為100mm，孔間距精度達(dá)到±0.05/1000，孔尺寸精度為28D10，位置精度為±0.05/1000，平臺(tái)上有100mm刻線，沿邊有精度達(dá)到毫米級(jí)的刻度[1-2]。

2、定位裝置

定位裝置主要包括定位銷、定位塊、定位角鐵、角度器、V形塊等五部分。其中定位銷是最基本的定位裝置，結(jié)構(gòu)形式為采用五鋼球定位，保證定位精度，按結(jié)構(gòu)和用途分為普通、加長(zhǎng)、沉頭等多種型號(hào)，平臺(tái)上所有定位、夾緊裝置均通過(guò)定位銷進(jìn)行連接固定。定位銷上設(shè)有快速連接機(jī)構(gòu)，內(nèi)側(cè)帶有滾珠，旋緊后即可卡住要連接的部件，使用非常方便、快捷。定位塊包括定位平尺、定位角尺及方箱等化部分，通過(guò)連接銷安裝在三維平臺(tái)上，可對(duì)工件提供定位面進(jìn)行定位。

3、夾緊裝置

夾緊裝置的夾緊方式通常包括螺旋夾緊、快速夾緊、氣動(dòng)夾緊等幾部分，大多數(shù)情況下我們一般采用的是快速夾夾緊方式，因其操作方便、快捷，生產(chǎn)效率高。為組對(duì)某機(jī)型推土機(jī)后橋箱時(shí)正在對(duì)其進(jìn)行夾緊，既有上下方向的夾緊力，也有左右方向或者帶有一定角度方向的夾緊力，夾緊裝置可實(shí)現(xiàn)不同方向的夾緊。通過(guò)采用快速夾對(duì)工件正在進(jìn)行夾緊，夾緊裝置操作簡(jiǎn)便快捷，夾緊可靠，手柄及各部件經(jīng)久耐用[3-4]。

四、三維柔性組合焊接工裝使用特點(diǎn)

（一）生產(chǎn)效率高

由于新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開(kāi)始短時(shí)間之內(nèi)一般不定型，需要一段時(shí)間反復(fù)驗(yàn)證修改，使用該工裝可適應(yīng)工件形狀、尺寸頻繁變化的需要，如果制作專用焊接工裝一方面設(shè)計(jì)制造周期較長(zhǎng)，另一方面產(chǎn)品尺寸圖紙變化很有可能導(dǎo)致工裝不能使用，浪費(fèi)嚴(yán)重。為采用三維柔性組合揮接工裝正在用于對(duì)某機(jī)型推主機(jī)機(jī)架，如果制作機(jī)架專用掉接工裝設(shè)計(jì)制造周期最短需要3個(gè)月，而采用三維柔性組合擇接工裝一兩天就能組合而成[5-7]。

（二）產(chǎn)品精讀高

目前，隨著技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件的焊接精度要求也越來(lái)越高，因此對(duì)焊接工裝夾具的組對(duì)精度要求也就相應(yīng)提高很多。三維組合焊接工裝由于其通過(guò)特有的定位銷進(jìn)行連接，銷孔尺寸精度為28D10，位置精度為±0.5/1000，同時(shí)通過(guò)采用五個(gè)鋼球定位，保證定位精度，鎖銷尺寸精度為28h7，夾具的安裝精度可達(dá)IT8上，完全可以保證結(jié)構(gòu)件的組對(duì)精度，呆證其產(chǎn)品精度要求。

（三）經(jīng)濟(jì)價(jià)值高

開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件一般都是小批量、多品種的產(chǎn)品，并且結(jié)構(gòu)差別也比較大。傳統(tǒng)的焊接工裝一般都是采用專用王裝，由于不具備通用性，同時(shí)設(shè)計(jì)制造周期又比較長(zhǎng)，場(chǎng)地占用和保管等隱性費(fèi)用很高。而三維柔性組合焊接工裝由于其柔性化程度高，通用性強(qiáng)，可以反復(fù)使用，由于產(chǎn)品圖紙尺寸變化也不會(huì)存在報(bào)廢的問(wèn)題，同時(shí)還可以提高焊接效率和工件焊接質(zhì)量，因此具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

五、結(jié)論

目前，公司推土機(jī)后橋箱、機(jī)架等焊接工段普遍存在由于對(duì)人員、設(shè)備、原材料投入等各環(huán)節(jié)把握分析不夠，各工序生產(chǎn)能力不平衡，導(dǎo)致成本浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低下，難以實(shí)現(xiàn)量化管理。通過(guò)分析焊接夾具設(shè)計(jì)的基本方法和相關(guān)技術(shù)，特別是組合夾具、柔性?shī)A具等相關(guān)技術(shù)；根據(jù)焊接夾具的使用和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的焊接夾具進(jìn)行分析，結(jié)合柔性、通用性理念設(shè)計(jì)出了三維柔性組合焊接工裝，并通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。三維柔性組合焊接工裝尤其適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，大幅度縮短了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的試制成本。

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