(北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

蜂窩結(jié)構(gòu)，顧名思義即其形狀結(jié)構(gòu)為自然界蜜蜂所筑的蜂窩狀，而眾所周知的是，自然界所有蜂巢均是六邊形的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。早在公元4世紀(jì)的古希臘，數(shù)學(xué)家佩波斯就提出“蜂窩猜想”，即截面呈六邊形的蜂窩是蜜蜂采用最少量的蜂蠟建成的。而后諸多事實和理論都證明“蜂窩猜想”的正確性：蜜蜂所建造的蜂巢采用最少的蜂蠟，占有最大的空間面積，且其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最佳。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of honeycomb structure

人們經(jīng)過長期研究和分析自然界蜂窩結(jié)構(gòu)的特點發(fā)現(xiàn)，與同種材料的其他結(jié)構(gòu)相比，蜂窩結(jié)構(gòu)具有極佳的空間幾何結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的力學(xué)特性[1-2]，此外還有密度小、質(zhì)量輕、比剛度高、比強度高、抗壓、隔熱散熱性能好以及耐沖擊等優(yōu)異性能[3]。正因為蜂窩結(jié)構(gòu)所具有的種種優(yōu)異性能，使其可以用來研發(fā)新材料、新產(chǎn)品，改善現(xiàn)有材料的應(yīng)用性能，解決許多結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在的難題等，因此，蜂窩結(jié)構(gòu)在航空航天、雷達衛(wèi)星、火箭導(dǎo)彈、汽車船舶及軌道交通等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

然而，由于蜂窩結(jié)構(gòu)的特殊性，加之隨著各個領(lǐng)域?qū)Ψ涓C結(jié)構(gòu)件要求的提高（如復(fù)雜結(jié)構(gòu)蜂窩、復(fù)雜型面蜂窩等），蜂窩結(jié)構(gòu)的加工工藝成為一大難題，因此探索蜂窩結(jié)構(gòu)的先進加工工藝成為研究重點。加工工藝的研究主要考慮的因素有蜂窩材料、固持方式以及加工方法3類，下面就此3類對蜂窩結(jié)構(gòu)的加工工藝現(xiàn)狀進行分析。

蜂窩材料

一般來說，蜂窩按照其組成材料可以分為金屬蜂窩、紙基蜂窩、聚合物蜂窩、木質(zhì)蜂窩以及陶瓷蜂窩5大類。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用尤以金屬蜂窩和紙基蜂窩為主。

1 金屬蜂窩

所謂金屬蜂窩就是由金屬材料制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)材料，一般來說可以用任何滿足機械加工要求的金屬材料制備蜂窩。目前在航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最多的是鋁基蜂窩和鈦合金蜂窩。因為鋁和鈦及其合金均具有密度小、比強度高、比剛度高、耐腐蝕等特點，由其制成的蜂窩材料既具有了材料本身所具有的優(yōu)良性能，又擁有了蜂窩材料所具有的優(yōu)異的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。因此，金屬蜂窩的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了各個工業(yè)部門，尤其在追求高速、輕質(zhì)、隔離（聲、光、熱等）等行業(yè)。

2 紙基蜂窩

最典型且應(yīng)用最廣泛的紙基蜂窩為芳綸蜂窩，即NOMEX蜂窩。該蜂窩是美國杜邦公司于1972年研發(fā)，在經(jīng)過改變芳綸分子結(jié)構(gòu)以及改善制作工藝之后，于1992年前后研發(fā)出力學(xué)性能更佳的KOREX蜂窩。NOMEX蜂窩有著許多優(yōu)異的性能，除了蜂窩結(jié)構(gòu)共有的密度小、抗沖擊、耐壓等特點外，還有許多其他特性（如： 9倍于鋼的比強度、比剛度；突出的抗疲勞性和儲能性；優(yōu)異的隔絕性能，對于聲、光、熱以及電等具有很好的隔絕作用；良好的自熄性，一般比高聚物難燃，且點燃后一離開明火就會自熄；此外，還有化學(xué)性能穩(wěn)定、良好的電磁波穿透性等）。正因為NOMEX蜂窩有著如上的優(yōu)異性能，故其一面世就在各領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用（如應(yīng)用于飛機的襟翼、前后緣、尾翼和方向舵，衛(wèi)星整流罩，戰(zhàn)斗機雷達罩和雷達天線，飛機、艦船以及軌道交通等的內(nèi)壁板、地板和行李架等）。表1所示為各類蜂窩結(jié)構(gòu)性能比較。

表1 各類蜂窩結(jié)構(gòu)性能比較 MPa

3 其他材料蜂窩

除了在航空航天領(lǐng)域內(nèi)大量應(yīng)用的金屬蜂窩以及紙基蜂窩之外，還有在其他領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的其他類型蜂窩。比如在包裝、快遞服務(wù)等行業(yè)廣泛使用的聚合物蜂窩，在家具、裝飾等行業(yè)應(yīng)用的各種類型的木質(zhì)蜂窩以及在建筑、能源等行業(yè)不斷開發(fā)出的各類陶瓷蜂窩等，都對各個行業(yè)有著重大影響，發(fā)揮著巨大作用。

固持方式

1 端面固定法

該固持方法是將蜂窩結(jié)構(gòu)從垂直于蜂窩孔的某一個端面進行固定，常用的固定方式有雙面膠帶粘接法和真空吸附法[6]。

（1）雙面膠帶粘接法。該種方法是利用雙面膠帶將蜂窩結(jié)構(gòu)粘接到加工平臺上實現(xiàn)固定的，其原理如圖2所示。

圖2 雙面膠帶粘接法示意圖Fig.2 Schematic diagram of fixing method using double-sided adhesive tape

該方法原理和操作較為簡單，和生活中利用雙面膠帶粘接物體基本相同，因此許多飛機制造企業(yè)利用此方法進行蜂窩材料的加工。然而此方法也具有幾大缺點：首先，雙面膠帶在粘接蜂窩結(jié)構(gòu)一側(cè)和蜂窩孔邊沿是線接觸，并且有些地方可能無法完全粘接，因此對蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的固持力較小，進而導(dǎo)致在加工的過程中出現(xiàn)蜂窩變形、移位，甚至被拉起等現(xiàn)象，造成零件的報廢；其次，一旦蜂窩結(jié)構(gòu)被粘接在加工平臺上，就很難再對其進行位置調(diào)整，因此在加工過程中蜂窩結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)褶皺，導(dǎo)致加工精度無法保證；最后，在加工完畢之后，要用有機溶劑對粘接在蜂窩結(jié)構(gòu)的雙面膠進行清理，無疑會增加勞動量，延長生產(chǎn)周期，并且無法批量化生產(chǎn)。

（2）真空吸附法。該方法又稱隔膜法，其原理是將蜂窩結(jié)構(gòu)用粘接劑粘接到由塑料膠片或者玻璃纖維增強塑料制成的隔膜上，然后通過真空吸附的方法將隔膜固定到加工平臺上，其原理如圖3所示。

圖3 真空吸附法示意圖Fig.3 Schematic diagram of fixing method by vacuum adsorption

這種方法與雙面膠帶粘接法相似，但是相對來說該方法固持力較大，可以進行蜂窩結(jié)構(gòu)的大力切削。然而其缺點也是顯而易見的。首先，該方法依然是與蜂窩的線接觸，容易出現(xiàn)與雙面膠帶粘接法類似的結(jié)果；其次，用隔膜固定的工作繁瑣，抽真空耗時，生產(chǎn)效率較低。因此，該方法對于某些特殊零部件的加工具有一定的效果，但不利于批量生產(chǎn)。

2 懸臂式固定法

懸臂式固定法是介于端面固定和完全固定之間的一種固定方法。其基本原理是將蜂窩結(jié)構(gòu)沿著蜂窩孔的方向固定一定高度，達到既能為加工蜂窩結(jié)構(gòu)提供足夠的固持力，又能最省時、省料的目的。其中,最典型的懸臂式固定法是浙江大學(xué)柯映林教授課題組發(fā)明的基于磁場和摩擦學(xué)原理的固持方法，其原理如圖4所示[7]。

圖4 基于磁場和摩擦學(xué)原理的固持方法Fig.4 Fixing method based on magnetic field and tribology principle

該固持方法的原理及過程是：首先，利用定位角塊將蜂窩零件在磁性平臺上定位，然后通過自動填料裝置將鐵粉均勻地灌入蜂窩孔格（填充深度由加工零件確定）；其次，給磁性平臺通電激發(fā)磁場，使灌入蜂窩孔中的鐵粉在磁場作用下對蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓力，進而對蜂窩孔壁產(chǎn)生摩擦力，從而實現(xiàn)對待加工蜂窩結(jié)構(gòu)的固持，然后進行加工；最后，在加工完成之后，對磁性平臺斷電使磁場消失，導(dǎo)致蜂窩孔中的鐵粉由于磁場而對蜂窩孔壁產(chǎn)生的擠壓力消失，對蜂窩零件失去固持作用，然后通過物料回收裝置將切屑和填充鐵粉分別回收。圖5為蜂窩孔的受力示意圖，圖中G為蜂窩孔中鐵粉自重，F(xiàn)2為鐵粉在磁場作用下對平臺的擠壓力，F(xiàn)1為磁性平臺對鐵粉和蜂窩零件的支撐力，f1(i)為蜂窩孔內(nèi)鐵粉對蜂窩壁的擠壓力，f2(i)為相鄰蜂窩孔中的鐵粉對蜂窩壁的擠壓力，F(xiàn)3為蜂窩孔壁在受到鐵粉擠壓力的作用下產(chǎn)生的摩擦力（其方向與蜂窩在Z軸方向所受拉力方向相反）。因此，蜂窩結(jié)構(gòu)在上述約束力的條件下得到很好的固持。

圖5 蜂窩孔受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress on honeycomb hole

該固持方法與上述方法相比，具有如下顯著的優(yōu)點：（1）鐵粉與蜂窩孔壁面接觸，固持力充足，固持牢靠；（2）固持、卸載過程方便，可以完全實現(xiàn)自動控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；（3）固持可實現(xiàn)數(shù)字化控制，可以根據(jù)所加工蜂窩零件、加工工藝參數(shù)的不同，提供不同的磁場控制方式，從而為蜂窩零件提供不同大小的固持力；（4）鐵粉對加工環(huán)境無害，還可通過回收復(fù)用裝置收集重復(fù)利用，極大地減少材料損耗，降低成本；（5）對蜂窩零件損害小，加工完成之后只需通過振動撤去鐵粉，而基本上不需要其他后續(xù)清理過程。

然而，此方法也存在著一定的局限性：

（1）所需設(shè)備復(fù)雜，利用該方法完成固持，需要可控的磁性加工平臺、自動填料設(shè)備、鐵粉回收復(fù)用設(shè)備、數(shù)字化控制平臺以及各設(shè)備配套的電源系統(tǒng)等，因此成本高，對操作人員要求也較高；

（2）對蜂窩零件有一定的限制，如果蜂窩零件Z軸方向尺寸較大，鐵粉填充過高，有可能造成蜂窩孔的損壞，鐵粉填充過低，則固持力不足；

（3）對于磁場的變化無法精確控制，因此，通過磁場實現(xiàn)的固持力大小也無法維持設(shè)定要求，所以對加工精度會產(chǎn)生一定的影響。

3 完全固定法

完全固定法，顧名思義即是將整個蜂窩結(jié)構(gòu)當(dāng)做一個實體進行夾持固定。最常用的方法是填充法，而其中應(yīng)用最廣的是聚乙二醇法[8]。其原理如圖6所示。

圖6 聚乙二醇法Fig.6 Fixturing method of using PEG

該方法的基本原理是：首先，將聚乙二醇加熱（70～90℃）熔化，將液態(tài)的聚乙二醇填充到整個蜂窩結(jié)構(gòu)中進行冷卻凝固；然后，將充滿固態(tài)聚乙二醇的蜂窩正常夾持固定到加工平臺進行機械加工；最后，將加工好的蜂窩零件進行加熱，使其中的固態(tài)聚乙二醇熔化流出，并且對蜂窩零件進一步進行清理。由于該方法中熔化的有機溶劑對紙質(zhì)蜂窩會產(chǎn)生損壞，因此對紙質(zhì)蜂窩效果不佳，但是對于加工金屬蜂窩結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)點：（1）填充滿固態(tài)聚乙二醇的蜂窩完全是一個實心體，夾持靈活度更高；（2）該方法實現(xiàn)了對蜂窩的整個面接觸，固持力充分，加工過程中蜂窩不容易變形，保證了加工精度。然而，該方法也有兩個缺點：（1）加工過程中產(chǎn)生的切削熱會融化周圍的聚乙二醇，導(dǎo)致加工精度下降；（2）后續(xù)清理比較繁瑣，且在加熱填充等過程中可能產(chǎn)生難聞氣味，對于工作環(huán)境、操作人員有一定的影響。

加工方法

蜂窩材料的特殊結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能使加工過程變得十分困難。在解決了蜂窩基體材料選擇以及固持方法之后，如何選擇合適的加工方法顯得十分重要。所選擇的加工方法要一定程度地減少、甚至消除加工過程中出現(xiàn)的問題，比如蜂窩被拉起，蜂窩結(jié)構(gòu)被破壞，蜂窩出現(xiàn)倒伏、毛刺等問題[9]。

目前，對蜂窩材料的加工工藝研究最多亦最成熟的加工方法是高效數(shù)控加工，此外還有線切割、激光切割、高壓水槍切割、金剛砂刀具切割以及電火花加工等蜂窩材料加工方法。

1 高效數(shù)控加工

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)Ψ涓C材料的要求不斷提高，傳統(tǒng)數(shù)控加工方法對加工結(jié)構(gòu)多樣、型面復(fù)雜的蜂窩零件存在加工效率低、精度不高以及零件報廢率高等問題。因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者為解決蜂窩加工中的難題進行了大量研究。如Shafizadeh等[10]對蜂窩結(jié)構(gòu)進行了壓縮強度試驗分析；Gibson等[11-12]提出了蜂窩材料的等效彈性參數(shù)公式，即Gibson公式；Kennedy[13]對復(fù)合材料的高速銑削加工提出了系統(tǒng)的加工方案；新加坡南洋理工大學(xué)的Foo等[14]針對NOMEX蜂窩做了機械性能研究試驗；浙江大學(xué)金成柱[15]博士針對NOMEX蜂窩的高速銑削加工工藝進行了研究。在上述試驗的基礎(chǔ)上，通過不斷改進傳統(tǒng)的數(shù)控加工，加工效率更高，效果更好。其中研究較多的有高速數(shù)控加工和超聲波數(shù)控加工，主要從加工方式、刀具以及加工參數(shù)3方面進行研究。

1.1 加工方式的選擇

（1）高速數(shù)控加工。高速加工的概念于1929年由德國物理學(xué)家Salomon[16]博士提出，他指出當(dāng)切削速度高于一定值時，切削熱反而會變低。這一理論突破對切削速度和切削熱的傳統(tǒng)認(rèn)識，從而使得高速加工得到了很大的發(fā)展。

對于蜂窩材料來說，高速數(shù)控加工能夠很好地解決蜂窩加工過程中遇到的困難，并且加工效率、加工質(zhì)量均得到了提高。高速數(shù)控加工方式有銑削加工、磨削加工、車削加工以及組合加工，其中以高速銑削加工最為常用。加工過程一般與普通銑削過程類似，但由于蜂窩的特殊性，在解決了固持的問題之后，還需注意加工參數(shù)的選擇（后面部分詳述）。

（2）超聲波數(shù)控加工。超聲振動切削加工源于日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授提出的振動鉆削理論。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的探索研究，總結(jié)發(fā)展出的超聲輔助加工能夠降低切削熱、降低表面粗糙度以及提高加工精度，并且已經(jīng)應(yīng)用在難加工材料的加工中，效果良好。超聲波加工的基本原理是：（a）利用超聲波發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換成電振蕩信號；（b）通過換能器轉(zhuǎn)變成機械振動；（c）利用變幅桿將振幅放大并傳遞給加工刀片；（d）刀片在主軸的帶動下進行旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)切削加工[17]。GFM公司（奧地利）于1980年在全球首次將超聲技術(shù)引入了機械加工領(lǐng)域[18]，并研發(fā)出了一整套適用于加工復(fù)合材料的加工設(shè)備。

1.2 加工刀具的選用

不論是高速數(shù)控加工還是超聲波數(shù)控加工，其中最為重要的就是選用何種加工刀具。刀具的好壞將直接關(guān)系到能否加工以及加工質(zhì)量的高低。選用不合理的刀具將造成蜂窩材料在加工過程中壓傷、拉起等缺陷，因此加工蜂窩材料不能采用常規(guī)的刀具，需要采用適用于蜂窩結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的特殊刀具。在經(jīng)過多年的發(fā)展之后，目前已經(jīng)形成了種類繁多的加工刀具規(guī)格，最常見的是碟形無齒銑刀和帶粉碎刃的碟形無齒銑刀。此外，還有眾多蜂窩銑刀類型，其類型和加工特性如表2所示。

表2 蜂窩銑刀類型及其加工特性

1.3 加工參數(shù)的選定

在數(shù)控加工工藝中，除了選擇合適的加工方法及選用合理的刀具之外，如何選定最佳的加工參數(shù)對于加工質(zhì)量也至關(guān)重要。在蜂窩零部件加工工藝中，需要考慮的加工參數(shù)主要有以下4個方面：

（1）主軸轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）在切削加工中是一個重要參數(shù)，能夠直接反映切削速度vc（m/min），其關(guān)系為:

vc=πnD/1000（D為刀具直徑）。

而切削速度與切削力有著密切聯(lián)系，金成柱[15]博士研究了用碟形組合銑刀加工NOMEX蜂窩時主軸轉(zhuǎn)速與切削力的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

一般來說，主軸轉(zhuǎn)速確定需要考慮3個因素，即待加工材料、所選刀具以及零件要求精度。比如，利用無齒銑刀加工紙基蜂窩材料時，一般主軸轉(zhuǎn)速在 6000～20000r/min，在此范圍內(nèi)，刀具直徑越小，轉(zhuǎn)速可以越高。

（2）進給速度、銑削寬度和銑削深度。這3類切削用量很大程度上決定了切削力的大小，進而對刀具壽命、加工效率、加工成本以及加工質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。進給速度、銑削寬度和銑削深度對切削力的影響分別如圖8（a）～（c）所示[16]。

（3）進退刀和加工路徑。對于不同結(jié)構(gòu)的材料要選擇合適的進退刀方案以及最佳的加工路徑，選擇合適的進退刀方式和加工路徑可以有效地降低材料損耗，提高加工效率和加工質(zhì)量。比如在加工蜂窩側(cè)邊時采用順銑會產(chǎn)生明顯的毛邊，且切斷效率不高，而采用逆銑的方式就可以很好地解決這種問題。

（4）工藝留量。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的特殊性，在某些細長型的蜂窩零部件固持、加工過程中都會發(fā)生不同程度的變形，從而影響其加工精度。以某型機底部蒙皮蜂窩零件0325-74-147為例，零件長度（垂直于蜂窩方向）為2190mm，寬度為80mm，長度方向工藝留量1mm，零件加工完成后實測零件長度為2163mm。零件0325-74-135，長 度 為 2189.95mm，寬度為80mm，長度方向工藝留量為23mm，零件加工后實測零件長度為2187mm[10]。由此看出，在條件允許的情況下，為保證加工精度，可采用合適的工藝留量。

圖7 主軸轉(zhuǎn)速與切削力的關(guān)系Fig.7 Relationship between spindle speed and cutting force

圖8 切削參數(shù)對切削力的影響Fig.8 Influence of cutting parameters on cutting force

2 其他蜂窩加工技術(shù)

除了上述常用的數(shù)控加工方法之外，還有許多可以用來小范圍加工蜂窩材料的方法，比如：

（1）電火花成形加工。該方法是利用電火花放電加工原理，主要面向傳統(tǒng)切削難以實現(xiàn)的難加工、型面復(fù)雜的材料，根據(jù)其加工特點主要研究精密、窄槽、深腔等零部件的加工。以中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司于冰等[19]對航空發(fā)動機蜂窩的電火花加工工藝的研究為例，加工時將待加工件安置在機床旋轉(zhuǎn)工作臺，然后讓旋轉(zhuǎn)電極進入內(nèi)孔加工區(qū)，在控制系統(tǒng)的驅(qū)動下電極和工件之間保持恒定的電火花放電間隙，同時彼此以一定的速度反方向旋轉(zhuǎn)，在整個加工過程中放電電極與工件始終處于分離狀態(tài)，不產(chǎn)生任何切削力，因此非常適合加工金屬蜂窩類零件。

（2）高壓水切割技術(shù)。高壓水切割是利用高壓水槍（噴嘴直徑約0.2mm、工作壓力約400MPa、噴射速度約800m/s）將高速液體噴射到待加工材料，利用高速液體所帶有的能量進行切割。該種方法具有無粉塵、無刀具磨損、無毛刺、切割斷面質(zhì)量好、加工效率高以及成本低廉等特點，適用于加工鋁蜂窩、碳/環(huán)氧面板以及其他多孔零材料，但不適用于加工會容易受水影響的蜂窩材料。

（3）激光切割技術(shù)。利用激光進行切割材料的原理是將高能量密度的激光束照射到被加工材料的待加工位置，按照設(shè)定的加工路徑進行切割。由于激光切割采用瞬間使材料熔化的方式進行加工，因此所產(chǎn)生的高溫會對材料的機械性能、表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，故在蜂窩加工中很少應(yīng)用。

（4）金剛砂刀具切割技術(shù)。由基片和外緣金剛砂層組成的金剛砂刀具是一種加工效率高、切口質(zhì)量好而且成本低廉的切割刀具。一般應(yīng)用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、碳/環(huán)氧面板等材料的外形加工，而鑒于其結(jié)構(gòu)形狀的限制不適用于復(fù)雜型面的加工。

結(jié)束語

隨著當(dāng)今世界各國不斷加大科研投入，研究成果不斷涌現(xiàn)，各國在各個領(lǐng)域都進行著激烈競爭，尤其是在關(guān)乎經(jīng)濟民生、軍工國防等領(lǐng)域。作為世界大國，我國所面臨的挑戰(zhàn)尤其嚴(yán)重，加之國外對我國刻意的技術(shù)封鎖，就要求我國科研工作者能夠在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域完全實現(xiàn)自主。而先進結(jié)構(gòu)材料是當(dāng)今世界航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)、技術(shù)基礎(chǔ)。蜂窩作為最常用的結(jié)構(gòu)材料，在軍工國防、國民經(jīng)濟發(fā)揮著重要作用。因此，研究蜂窩材料的先進加工工藝對于相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，今后的發(fā)展方向主要集中在蜂窩材料的先進固持方法及工藝、高效數(shù)控加工方法及先進加工刀具以及優(yōu)化數(shù)控加工工藝參數(shù)等方面。

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