摘要：針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中存在撕裂損傷且形成原因不明確的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)M55J和T300復(fù)合材料薄管開(kāi)展超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)，探究了超聲振幅、進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力和撕裂尺寸的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)磨削過(guò)程的受力分析和對(duì)最大未變形切屑厚度的計(jì)算，分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的變化規(guī)律。結(jié)果表明：磨削力隨超聲振幅的增大而減小，隨進(jìn)給量的增大而增大，與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)聯(lián)性較?。凰毫岩壮霈F(xiàn)于CFRP薄管內(nèi)壁，其長(zhǎng)度與高度隨超聲振幅的增大而減小，隨進(jìn)給量的增大而增大，隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；薄管；超聲振動(dòng)輔助磨削；磨削力；撕裂

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.03.014

0引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbonfiberreinforcedpolymer，CFRP）是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)相，以環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯等樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料［1］。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和零部件通常采用磨削加工來(lái)制備［2］，具有疲勞壽命長(zhǎng)、極端溫度條件下熱膨脹系數(shù)小［3］、質(zhì)量小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)［4-5］。其中，CFRP薄管由若干層特定角度的碳纖維預(yù)浸料通過(guò)卷管成形工藝制成［6］，因其良好的物理性能和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而應(yīng)用于管道運(yùn)輸、壓力容器和觀(guān)測(cè)衛(wèi)星［7-8］。將CFRP薄管按特定方式排布可制成陣列復(fù)材管構(gòu)件。陣列復(fù)材管具備較高的比剛度和熱穩(wěn)定性［9］，可應(yīng)用于航天衛(wèi)星天線(xiàn)反射面夾層且發(fā)展?jié)摿薮螅?0］。但陣列復(fù)材管夾層構(gòu)件無(wú)法直接成形，需要通過(guò)機(jī)械加工來(lái)獲取與蒙皮粘接所需的尺寸和精度，其待加工表面為CFRP薄管端面。CFRP薄管同時(shí)具備CFRP材料各向異性和管狀結(jié)構(gòu)薄壁弱剛性的特點(diǎn)，在其加工過(guò)程中碳纖維和基體交替與切削刃接觸，加工表面易出現(xiàn)分層、毛刺和撕裂等多種加工損傷［11］。其中，撕裂為層內(nèi)損傷，主要表現(xiàn)為纖維基體界面開(kāi)裂；分層為層間損傷，主要表現(xiàn)為相鄰預(yù)浸料層之間的脫粘［12］。

超聲振動(dòng)輔助磨削加工是一種將振動(dòng)以超聲頻率附加在刀具或工件上的復(fù)合磨削加工方法，超聲振動(dòng)改變了磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，使刀具間歇去除工件材料［13］。超聲振動(dòng)輔助磨削加工具有材料去除率高和加工表面光整的優(yōu)勢(shì)，是CFRP表面加工的優(yōu)選方法［14］。加工后的表面粗糙度與超聲振幅、主軸轉(zhuǎn)速等關(guān)系密切，需要進(jìn)一步研究［15］。作為CFRP超聲振動(dòng)輔助磨削加工過(guò)程中的重要指標(biāo)，磨削力和加工損傷也得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注［16］。對(duì)切削力進(jìn)行研究，可以更好地控制加工表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命并提高加工穩(wěn)定性［17］。對(duì)加工損傷進(jìn)行研究，可以明確CFRP加工過(guò)程中分層、撕裂等損傷的形成機(jī)理，對(duì)其加以控制可以得到較高的表面加工質(zhì)量［18］。QU等［19］從微觀(guān)角度建立了碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料磨削力的力學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其可靠性，進(jìn)一步探究了該材料的加工損傷與加工表面形貌，有望提高該材料的可加工性。HU等［20］探究了多向CFRP的可磨削性，重點(diǎn)討論了切屑的形成、磨削表面特征和磨削力特性，研究發(fā)現(xiàn)，多向復(fù)合材料的縱向表面粗糙度隨局部纖維取向的變化較大，磨削力隨磨削深度的增加而近似線(xiàn)性增加。NING等［21］對(duì)CFRP層合板進(jìn)行了傳統(tǒng)磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削加工，結(jié)果表明，超聲振動(dòng)輔助磨削的磨削力和扭矩均小于傳統(tǒng)磨削的磨削力和扭矩，主要原因是超聲振動(dòng)輔助磨削的有效軌跡長(zhǎng)度較大，磨粒壓入深度較小。CHEN等［22］開(kāi)展單因素試驗(yàn)，研究了纖維切削角和超聲振幅對(duì)磨削力和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明，磨削力隨著超聲振幅的增大而減??；超聲振幅的增加可以改善加工表面質(zhì)量，但纖維切削角在表面形貌中起關(guān)鍵作用。LIU等［23］采用脆性斷裂理論方法建立了超聲振動(dòng)輔助磨削CFRP的切削力模型，研究了工藝參數(shù)和刀具參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律。NING等［24］通過(guò)無(wú)超聲振動(dòng)和有超聲振動(dòng)的單磨粒劃擦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最外層易形成損傷，超聲振動(dòng)可減小磨削力并有效抑制纖維的拔出與撕裂，認(rèn)為磨削力的減小是抑制損傷的關(guān)鍵。CHEN等［25］探討了超聲輔助磨削加工C/E復(fù)合材料時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂含量和纖維方向角對(duì)磨削溫度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沿纖維方向的磨削溫度遠(yuǎn)高于反纖維方向的磨削溫度，纖維方向角為90°時(shí)磨削溫度達(dá)到峰值，為進(jìn)一步探究纖維方向?qū)δハ髁εc加工損傷的影響提供了思路。

CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中磨削力和加工損傷可能受到管狀結(jié)構(gòu)特征、刀具和加工參數(shù)等因素的綜合影響，但目前對(duì)CFRP超聲振動(dòng)輔助磨削的研究集中于平板構(gòu)件，相關(guān)研究結(jié)論若直接應(yīng)用于CFRP薄管會(huì)忽略其薄壁管狀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能和加工的影響。本文針對(duì)CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中存在撕裂損傷且形成原因不明確的問(wèn)題，計(jì)算宏觀(guān)尺度下最大未變形切屑厚度，判斷CFRP薄管形成撕裂位置，并開(kāi)展M55J和T300復(fù)合材料薄管超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)比試驗(yàn)，研究這兩種碳纖維型號(hào)和工藝參數(shù)對(duì)磨削力和撕裂的影響規(guī)律。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

陣列復(fù)材管如圖1所示。分別使用M55J和T300碳纖維預(yù)浸料通過(guò)卷管成形工藝制備的兩種型號(hào)CFRP薄管，兩種型號(hào)預(yù)浸料固化后復(fù)合材料單向帶的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

如圖2所示，CFRP薄管內(nèi)直徑dw=40mm，管壁厚度t=0.3mm，高度h=70mm。CFRP薄管均由4層預(yù)浸料組成，其中碳纖維纏繞方向從內(nèi)壁到外壁依次為右旋、左旋、右旋、左旋，且碳纖維纏繞角均為45°。

1.2試驗(yàn)方法

圖3所示為CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)平臺(tái)，由平臺(tái)主體、超聲振動(dòng)輔助磨削系統(tǒng)和測(cè)力儀組成。平臺(tái)主體為北京凝華機(jī)床（NHM800）。本試驗(yàn)采用自行搭建的超聲輔助加工設(shè)備進(jìn)行加工。超聲振動(dòng)輔助磨削系統(tǒng)由超聲電源、非接觸傳輸裝置和超聲刀柄等組成。超聲電源工作頻率范圍為16～30kHz，本試驗(yàn)采用的超聲工作頻率為24kHz，超聲刀具為電鍍金剛石砂輪，其直徑為6mm，磨粒粒度為150目，施加的超聲振動(dòng)方向?yàn)榈毒咻S向。采用Kistler9139AA型壓電晶體測(cè)力儀測(cè)量軸向力Fx、Fy和Fz。

試驗(yàn)加工方法如圖4所示，為保證加工過(guò)程中刀具與工件相對(duì)位置不變，砂輪沿工件徑向切入一定距離后，繞工件圓心順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)給，對(duì)工件端面進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助磨削加工。其中，ae為水平面內(nèi)砂輪在徑向上切入工件的距離，將其定義為徑向切深；vs為砂輪側(cè)面磨粒切削速度，與主軸轉(zhuǎn)速n成正比；vf為砂輪進(jìn)給速度；f為進(jìn)給量，f=vf/n。加工過(guò)程中砂輪工件狀態(tài)如圖5a所示，由于超聲的作用，單個(gè)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)似于正弦曲線(xiàn)，砂輪側(cè)面單個(gè)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5b所示。其中，ap為砂輪在軸線(xiàn)方向上與工件接觸的長(zhǎng)度，將其定義為軸向切深；A為超聲振幅。CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，砂輪運(yùn)動(dòng)包含自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、沿CFRP薄管切向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和沿砂輪軸線(xiàn)方向的超聲振動(dòng)。

為研究工藝參數(shù)對(duì)兩種CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削撕裂和磨削力的影響規(guī)律，在設(shè)備加工精度范圍內(nèi)進(jìn)行大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削加工試驗(yàn)參數(shù)如下：ap和ae分別固定在2mm和3mm，A的變化范圍為0～6μm，n的變化范圍為3000～6000r/min，f的變化范圍為0.1～0.25mm/r，CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中切向力Ft和徑向力Fd是兩個(gè)重要分量，但因坐標(biāo)系不重合，測(cè)力儀測(cè)量得到的是基于機(jī)床坐標(biāo)系的兩個(gè)分量Fx和Fy。如圖6所示，在水平面內(nèi)將測(cè)力儀測(cè)量數(shù)據(jù)分解，得到每個(gè)時(shí)刻CFRP薄管受到的切向力Ft和徑向力Fd，而軸向力Fz與機(jī)床坐標(biāo)系重合，無(wú)需分解。完成試驗(yàn)后，使用MATLAB軟件將測(cè)力儀測(cè)量的磨削力數(shù)據(jù)（圖7a）進(jìn)行分解，得到CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中的磨削力，如圖7b所示，并計(jì)算求得平均磨削力。

如圖8、圖9所示，使用超景深顯微鏡（KEYENCEVHX600E）從CFRP薄管頂面觀(guān)測(cè)CFRP薄管端面加工表面形貌并記錄撕裂長(zhǎng)度lt，并將薄管剖開(kāi)，從管壁內(nèi)側(cè)面觀(guān)測(cè)側(cè)面形貌并記錄撕裂高度ht。

如圖10所示，WBD和ACE分別為砂輪側(cè)面相鄰兩個(gè)磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，區(qū)域BCED為單個(gè)磨粒去除材料，單個(gè)磨粒的最大未變形切屑厚度為

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律

2.1.1超聲振幅對(duì)磨削力的影響規(guī)律

圖11所示為超聲振幅對(duì)磨削力的影響規(guī)律。在n=4000r/min、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著超聲振幅由0增大至6μm，切向力Ft、徑向力Fd和軸向力Fz均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)超聲振幅增大時(shí)，砂輪側(cè)面磨粒在單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的有效軌跡長(zhǎng)度L增大，磨粒切屑厚度減小，磨粒因去除材料而產(chǎn)生的磨削力減小，即［16］

如圖11a～圖11c所示，對(duì)于M55J和T300復(fù)合材料薄管，各個(gè)方向磨削力大小關(guān)系均為Ft＞Fd＞Fz，且Fz相較于Ft和Fd更小。這是因?yàn)樵贑FRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，砂輪側(cè)面磨粒起主要材料去除作用，磨削力在砂輪進(jìn)給方向即CFRP薄管切線(xiàn)方向上較大，而砂輪端面上的磨料去除的材料體積相對(duì)較小，其主要作用為修整已加工表面。此外，相同加工條件下T300復(fù)合材料薄管磨削力明顯大于M55J復(fù)合材料薄管磨削力。

2.1.2進(jìn)給量對(duì)磨削力的影響規(guī)律

圖12所示為進(jìn)給量對(duì)磨削力的影響規(guī)律。在A=4μm、n=4000r/min的加工條件下，隨著進(jìn)給量由0.1mm/r增大至0.25mm/r，磨削力近乎呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，如式（3）所示，砂輪側(cè)面活躍磨粒的未變形切屑厚度線(xiàn)性增大，單個(gè)活躍磨粒需去除更多的材料而消耗更大的能量，由于去除了更多的材料，需要斷裂的化學(xué)鍵也隨之增加，所需要的磨削力也增大，進(jìn)而導(dǎo)致微觀(guān)切削力呈線(xiàn)性增大，磨削力是多個(gè)磨粒的耦合作用，單個(gè)磨粒切削力的線(xiàn)性增大在宏觀(guān)上表現(xiàn)為磨削力呈現(xiàn)近似線(xiàn)性增大的趨勢(shì)。

2.1.3主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響規(guī)律

圖13所示為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響規(guī)律。在A=4μm、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速由3000r/min增大至6000r/min，磨削力無(wú)明顯變化。這是因?yàn)樵谶M(jìn)給量維持不變的情況下主軸轉(zhuǎn)速變化時(shí)，進(jìn)給速度也要相應(yīng)變化，如式（3）所示，砂輪側(cè)面活躍磨粒的未變形切屑厚度未發(fā)生改變，單個(gè)活躍磨粒磨削力不變，進(jìn)而宏觀(guān)磨削力無(wú)明顯變化。

2.2工藝參數(shù)對(duì)撕裂的影響規(guī)律

圖14是切入過(guò)程CFRP薄管受力分析示意圖，撕裂的典型形貌如圖8和圖9所示，其試驗(yàn)條件為M55J復(fù)合材料薄管，超聲振幅6μm，進(jìn)給量0.15mm/r，主軸轉(zhuǎn)速4000r/min。超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中砂輪切入處CFRP薄管內(nèi)壁易出現(xiàn)撕裂，這是因?yàn)镃FRP薄管最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層在切出側(cè)缺少基體支撐，當(dāng)磨粒施加的法向應(yīng)力大于纖維基體界面結(jié)合強(qiáng)度（法向應(yīng)力垂直于纖維排布面）時(shí)，纖維基體界面發(fā)生開(kāi)裂，形成了微裂紋，最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層部分纖維基體發(fā)生脫粘，在砂輪作用下層內(nèi)裂紋沿纖維方向擴(kuò)展并最終形成撕裂。撕裂在加工表面上表現(xiàn)為最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層部分纖維基體脫粘或被去除。

2.2.1超聲振幅對(duì)撕裂的影響規(guī)律

由圖15a～圖15d可知，M55J復(fù)合材料薄管在A=0加工條件下最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層大面積脫粘并被去除，僅留有少量碳纖維未被切割斷，形成較長(zhǎng)較高的嚴(yán)重撕裂；當(dāng)A=6μm時(shí)，M55J復(fù)合材料薄管雖也發(fā)生了脫粘，但大部分預(yù)浸料層未被去除，撕裂尺寸較小。由圖16a～圖16d可知，在A=0加工條件下，T300復(fù)合材料薄管在砂輪切入處最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層發(fā)生小面積脫粘而形成撕裂，少量碳纖維未被切割斷開(kāi)，且沿纖維方向擴(kuò)展的撕裂高度較小；當(dāng)A=6μm時(shí)，T300復(fù)合材料薄管最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層雖也發(fā)生了少量脫粘，但撕裂尺寸很小，加工表面較為平整。

由圖17可知，在n=4000r/min、f=0.15mm/r的加工條件下，當(dāng)超聲振幅由0增大至6μm時(shí)，撕裂長(zhǎng)度和高度逐漸減小，這是因?yàn)槌曊穹脑龃笫鼓ハ髁p小，抑制了撕裂的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

結(jié)合圖15～圖17可以看出，M55J復(fù)合材料薄管撕裂長(zhǎng)度和高度明顯大于T300復(fù)合材料薄管，這是因?yàn)镸55J碳纖維有更大的拉伸模量和強(qiáng)度，使得M55J復(fù)合材料薄管剛度更大，砂輪切入過(guò)程中不易出現(xiàn)讓刀與工件變形，進(jìn)而形成撕裂。

2.2.2進(jìn)給量對(duì)撕裂影響規(guī)律

由圖18a～圖18d可知，在f=0.1mm/r加工條件下，M55J復(fù)合材料薄管最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層大面積脫粘并沿纖維方向擴(kuò)展，形成高度較大的撕裂；當(dāng)f=0.25mm/r時(shí)，M55J復(fù)合材料薄管撕裂不僅尺寸更大，還擴(kuò)展至內(nèi)側(cè)第二層預(yù)浸料層，形成了層間的分層損傷。

由圖19a～圖19d可知，T300復(fù)合材料薄管在低進(jìn)給量加工條件下加工表面較為光整，撕裂尺寸很?。坏?dāng)f達(dá)到0.25mm/r時(shí)，在管壁內(nèi)側(cè)的撕裂擴(kuò)展至內(nèi)側(cè)第二層預(yù)浸料層形成了分層損傷?？梢钥闯觯哌M(jìn)給量條件下撕裂更易產(chǎn)生且可能向外壁側(cè)擴(kuò)展并形成分層損傷；低進(jìn)給量條件下M55J復(fù)合材料薄管撕裂尺寸大于T300復(fù)合材料薄管撕裂尺寸，但是在高進(jìn)給量條件下T300復(fù)合材料薄管撕裂高度較大。

由圖20可知，在A=4μm、n=4000r/min的加工條件下，當(dāng)f由0.1mm/r增大至0.25mm/r時(shí)，撕裂長(zhǎng)度和高度隨進(jìn)給量的增加而增大，這是因?yàn)檫M(jìn)給量的增大等比例增大了最大未變形切削厚度，進(jìn)而增大了磨粒施加在最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層的法向應(yīng)力。

2.2.3主軸轉(zhuǎn)速對(duì)撕裂影響規(guī)律

由圖21a～圖21d可知，M55J復(fù)合材料薄管在不同主軸轉(zhuǎn)速條件下均會(huì)形成較嚴(yán)重撕裂，最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層大面積脫粘并殘留部分未被切割斷的碳纖維，但在高轉(zhuǎn)速條件下其撕裂尺寸明顯小于低轉(zhuǎn)速時(shí)的撕裂尺寸。由圖22a～圖22d可知，在n=6000r/min加工條件下，T300復(fù)合材料薄管在砂輪切入處最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層形成小面積撕裂，殘留少量碳纖維未被切割斷，且撕裂高度較??；當(dāng)n=3000r/min時(shí)，T300復(fù)合材料薄管加工表面質(zhì)量較好且無(wú)明顯撕裂。可以看出，高主軸轉(zhuǎn)速條件可以有效抑制撕裂的形成；相同加工條件下M55J復(fù)合材料薄管撕裂尺寸明顯大于T300復(fù)合材料薄管撕裂尺寸。

由圖23可知，在A=4μm、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速由3000r/min增大至6000r/min，撕裂長(zhǎng)度和高度逐漸減小，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速的增大等比例增大了磨粒的切削速度，增大了剪切角，進(jìn)而減小了磨粒施加在最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層的法向應(yīng)力。

3結(jié)論

（1）在CFRP薄管超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，在其他加工參數(shù)不變的情況下，隨著超聲振幅的增大，磨粒有效運(yùn)動(dòng)軌跡增大，磨削力逐漸減?。浑S著進(jìn)給量的增大，磨削過(guò)程最大未變形切屑厚度等比增大進(jìn)而使磨削力近似線(xiàn)性增大。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力無(wú)顯著影響。

（2）當(dāng)磨粒施加的法向應(yīng)力大于纖維基體界面結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，CFRP薄管易形成撕裂損傷，由于最內(nèi)側(cè)預(yù)浸料層在切出側(cè)缺少支撐，撕裂常出現(xiàn)于管內(nèi)壁處；撕裂長(zhǎng)度與高度隨超聲振幅的增大而減小，隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減小，隨進(jìn)給量的增大而增大；當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到一定值時(shí)撕裂會(huì)擴(kuò)展至第二層預(yù)浸料層進(jìn)而形成分層損傷；加工過(guò)程中，為抑制撕裂的形成，應(yīng)優(yōu)先選擇較低的進(jìn)給量。

（3）相較于T300復(fù)合材料薄管，M55J復(fù)合材料薄管磨削力較小，但由于其剛度更高，故更易出現(xiàn)尺寸較大的撕裂。

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