摩擦焊绗磨机主轴设计.docx
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摩擦焊绗磨机主轴设计
2MBK4218X60珩磨机主轴进给系统设计
豆龙刚
(陕西理工学院机械工程学院机自082班,陕西汉中723003)
指导老师:
孙伏
【摘要】珩磨是一项要求严格的操作,往往涉及多级中断的表面形成,它受磨粒类型的影响很大。
当珩磨在其发展的50年前,它基本上被用作一个整理的操作,但是现在,珩磨是响应朝着更高的生产力的挑战。
珩磨的原理是:
在一定压力下,珩磨头上的油石与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动,珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用,从加工表面上切下极薄的金属层。
本论文主要研究珩磨机主轴进给系统的工作原理及系统的组成。
通过对珩磨机进给系统的分析,确定设计方案,选择合适的零部件,设计出满足要求的珩磨机。
从而掌握珩磨机的基本结构组成和设计方法。
【关键词】珩磨;进给系统;结构组成;
2MBK4218X60honingmachine
spindlefeedsystemdesign
DouLongGang
(Grade08,Class2,MachineDesign,ManufacturingandAutomation,SchoolofMechanics,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shanxi)
Tutor:
SunFu
AbstractHoningisademandingoperation,ofteninvolvingtheformationofmulti-levelinterruptsurface,itissubjecttotheimpactoftheabrasivetype.Whenhoninginitsdevelopment50yearsago,itwasbasicallybeingusedasafinishingoperation,butnow,honingrespondtothechallengetowardshigherproductivity.
Honingtheprincipleis:
thecomplexityoftherelativemotionunderacertainpressure,theWhetstoneofthehoningheadandtheworkpiecesurface,fromthecuttingofabrasivehoninghead,scratchandextrusion,cutfromthemachinedsurfaceverythinmetallayer.
Thisthesisismainlyhoningmachinespindletofeedthesystemworksandthecompositionofthesystem.Honingmachine,feedingsystemanalysistodeterminethedesign,selecttheappropriatecomponents,anddesignedtomeettherequirementsofthehoningmachine.Honingmachineinordertograspthebasicstructureofthecompositionanddesignmethods.
Keywordshoning;feedsystem;structureandcomposition;
目录
1绪论............................1
1.1概述1
1.2珩磨技术的发展状况1
1.3发展趋势2
1.4其它常见的珩磨技术3
1.4.1激光珩磨技术3
1.4.2刷珩磨技术5
1.5课题主要研究设计内容6
2珩磨加工简介7
2.1珩磨加工的原理与特点7
2.1.1珩磨加工的原理简介7
2.1.2珩磨的切削过程7
2.1.3珩磨加工的特点9
2.2液压伺服系统的工作循环及原理10
2.3珩磨加工过程及相关参数13
2.42MKB4218X60珩磨机的主要技术规格及参数16
3珩磨机主轴运动方案的设计18
3.1工艺方案的拟订18
3.2主轴的直线往复运动方案设计18
3.2.1方案的提出18
3.2.2方案的比较18
3.2.3方案的确定19
3.3主轴回转运动方案设计19
3.3.1方案的提出19
3.3.2方案比较19
3.3.3方案确定19
3.4电机的选择20
4设计结构的选择和设计21
4.1导向柱的选择和设计:
21
4.2架体和油箱的设计:
22
4.3主轴箱设计:
22
4.4液压缸的选择及设计:
23
4.4.1液压缸材料的选择23
4.4.2活塞杆及活塞材料的选择24
4.4.3活塞杆与活塞的连接方式及活塞密封装置的选择24
4.4.4液压缸设计24
4.5主轴设计及校核:
25
4.5.1主轴材料的选择26
4.5.2轴径的计算26
4.5.3轴强度的校核27
5立式珩磨机控制系统设计29
5.1立式珩磨机的控制要求29
5.2可编程控制器PLC的简述29
5.3珩磨机进给系统控制元件的选择30
5.3.1可编程控制器PLC的选择30
5.3.2刀开关的选择31
5.3.3熔断器的选择31
5.3.4交流接触器的选择31
5.3.5继电器的选择31
6总结32
致谢33
参考文献34
1绪论
1.1概述
珩磨加工是利用可涨缩的磨头使珩磨头压向工件表面,以产生一定的接触面积和相应的压力,在适当的珩磨液压力下,珩磨条对被加工表面作旋转和往复进给的相对综合运动,从而达到改善表面质量,改善表面应力状况和提高被加工零件精度的目的,是一种多刃切削的精加工方法。
近几年来,由于珩磨技术的发展,如人造金刚石和立方氮化硼等超硬磨料的应用,把珩磨技术推向一个新的阶段。
现在珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序,并且还可作为切除较大余量的中间工序,是一种高效,优质的加工方法。
珩磨是磨削加工的一种特殊形式,属于光整加工。
珩磨机床的分类方法有很多种,如单轴,多轴的不同;如数控的,机械的差别:
分为立式和卧式珩磨机,其加工原理是在一定压力下,珩磨头上的砂条(油石)与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动,珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用,从加工表面上切下极薄的金属层。
珩磨工序需要在磨削或精镗的基础上进行。
其加工范围广泛运用在汽车、拖拉机、船舶、航空、军工等特别是大批大量生产中采用专用珩磨机珩磨更为经济合理,对于某些零件,珩磨已成为典型的光整加工方法,如发动机的气缸套,连杆孔和液压缸筒等。
本文所介绍的珩磨机采用的是一种双进给实时检测珩磨头,这种珩磨可以在工作过程中不停机实现粗精磨两次进给,这种珩磨方法效率更高,获得珩磨表面微观网纹更合理。
论文中介绍了内孔珩磨原理,珩磨油石及珩磨头结构,珩磨工艺参数的选择等,将详细论述液压伺服系统的工作原理、方案设计和传动系统中二级传动轴的设计与防真运动分析。
1.2珩磨技术的发展状况
早在1992年,美国国家物理实验室的Swyt先生和东京科技大学的Taniguchi先生预测工业零部件的制造公差将进一步紧缩(实际上20世纪80年代常规加工手段所要求达到的零件精度为5Lm,而90年代的精度要求已是1Lm)这种挑战在汽车制造业表现的尤为激烈,现代制造技术要求任何一种加工手段首先必须满足批量生产的环境要求,实现CPK>2,并且加工结果是可以追溯和验证的。
精密和超精密切削已逐渐地开始替代传统的加工方法,作为一种重要的精密加工方法,珩磨根据珩磨头结构形式的不同,分类为通用珩磨(涨缩式砂条珩磨),可调整的整体珩磨(金刚石电镀刀具珩磨)以及特殊珩磨。
传统的珩磨加工利用可涨缩的磨头使珩磨砂条压向工件表面,以产生一定的接触面积和相应的压力,压力愈大,切削量愈大,同时砂条对工件表面作旋转和往复运动,珩磨砂条重复着3种变化过程,在加工初始期的磨粒脱落阶段,随着珩磨进行的磨粒破碎切削阶段,以及最终的堵塞切削阶段。
金刚石镀层刀具应用于珩磨工艺是60年代发展起来的技术,随着工业金刚石的产业化发展,20世纪80年代这种整体式珩磨技术因其在竞争中的显著优势获得了长足的发展和广泛的应用,尤其适用于有一定生产批量的,零件形状精度在0.5Lm以内的精密零件加工。
整体式珩磨加工是由金刚石或立方氮化硼镀层的杆状刀具完成的。
在最初期的刀具刃磨后,刀具仅需要偶尔的尺寸调整以补偿金刚石的磨损。
刀具旋转着,一次性走刀通过工件,即完成加工,故这种加工方式又称为Singlepass。
与传统的砂条珩磨加工不同,Singlepass刀具在每一个加工循环中不涨缩,这样就避免了传动误差。
金刚石自身具有极高的硬度,高的耐磨性和热传导性以及与金属的低摩擦系数,当使用较高的切削速度时刀具的磨损依然甚小。
这种高的尺寸耐用度是精密加工中实现超光滑的加工表面和高加工精度的保证。
在整个切削过程中,沿着金刚石刀具圆周方向以及长度方向的成千上万颗细小的超硬磨料同时进行切削,加工时间短,产生的加工应力和热变形最小。
10年前,针对阀类零件的精加工,美国的零部件制造商多采用内孔磨削的方法,一些工厂采用涨缩式珩磨加工阀孔,而与之相对应的轴则多采取配磨的方式以保证合适的配合间隙。
应用Singlepass整体式珩磨加工后,严格的阀孔尺寸控制在批量生产中就完全可以做到,配磨已不再需要,这样因为配磨产生的测量误差,工装量具和人工的耗费都不再存在,同时加工工艺的改善使得实际的机床运行成本,工人的劳动强度甚至于劳动技能要求都大大地降低了。
在实际的零件加工中,大多数的应用可能需要一系列预设定的singlepass刀具。
加工余量的去除和表面粗糙度能力取决于特定刀具的超硬磨料的尺寸。
当每把刀具被设定分别去除总加工余量的一部分时,较粗粒度的刀具用于最初的余量去除,较细粒度的刀具完成所要求的表面粗糙度,以此实现最大的效率Singlepass珩磨加工技术从最初的铸铁零件加工发展至今,已成功地应用于几乎各种工件材料的盲孔,通孔和台阶孔的加工。
并可实现多种的表面纹理,如交叉网纹,螺旋线或正弦曲线。
如今越来越多的元器件制造商采用了这种加工工艺,从而实现了更高的产品质量并极大地降低了生产成本。
Singlepass超硬磨料加工技术的发展使得珩磨已不仅用作高精度要求的终加工工序,并且还可作为切除较大余量的中间工序。
在不远的将来,随着Singlepass加工技术更多的发展,必将取代传统的加工方式。
1.3发展趋势
珩磨机床向复杂化、数控化方向发展。
卧式珩磨机床目前很少做到闭环控制,无法严格保证大批量生产的超高加工精度。
未来的小型卧式珩磨机床通过NC控制,主动测量,应当能提高加工零件的尺寸一致性。
目前,大型卧式珩磨机床的发展很迅速,已经作到NC控制,远程测量反馈,半闭环控制。
立式珩磨机床将在目前完全闭环控制的基础上发展超高速主轴系统,进给频率更快,进给晚小的进给系统,能够自我修整珩磨油石的珩磨系统或者珩磨中心,各种人为因素的影响。
目前,珩磨机床能实现平面、外圆、内圆的珩磨加工;通过珩磨工具的改进,能够实现椭圆内孔和曲面的珩磨。
在珩磨外圆领域,将取得突破性发展,能够在大多数外圆加工中取代外圆磨。
珩磨机床作为复杂的生产工具,最根本的是加工工艺与主机结构布局设计,而各种新工艺,新材料,新元件,新刀具,新控制系统等也将运用在珩磨机床上,未来的珩磨机床的加工精度会更高,加工效率更快,加工范围更广泛。
1.4其它常见的珩磨技术
1.4.1激光珩磨技术
汽缸表面处理的新发展——激光珩磨,激光从70年代就被引入到了汽缸的处理中,并不断发展。
对发动机汽缸内表面的激光处理的主要目的是:
提高汽缸内壁的硬度和耐磨性,并改善汽缸和活塞之间的润滑效果,从而达到减磨延寿、提高密封性、降低耗油量、减少颗粒排放的效果。
激光珩磨作为最新的发展,其处理效果已实现了这些目标;尤其是可有效地降低排放,而我国汽车产量和保有量不断增加,汽车包括其它机动车辆的尾气污染问题也越来越严重,因此,对汽车产业和环保事业将产生极为有利的影响和作用。
激光珩磨是珩磨与激光技术的复合,由粗珩、激光造型和精珩三道工序组成。
粗珩时,确定了宏观形状,并产生了对气缸套内孔进行造型的原始表面。
根据气缸套性能所要求的激光造型类型确定原始表面。
激光造型能实现连贯的输送机油缸的交叉形网纹结构或螺旋型凹腔结构(微型压力室系统)。
而精珩是进一步修磨原始表面,提高强度,降低粗糙度。
激光珩磨机床与研磨机类似,具有往复直线运动和螺旋上升运动,3个主要部件是:
激光器、光导系统和激光输出头。
光学系统将光束聚焦到孔壁上,采用数控系统可以保证激光造型结构灵活地适应性能所要求的条件。
(a)异常磨损时气缸的磨损曲线(b)正常磨损时气缸磨损曲线
图1.4.1气缸的磨损曲线
激光在发动机汽缸表面处理中经历了3个发展阶段:
大斑点慢扫描螺旋式激光淬火、小斑点快扫描网纹式激光淬火和网纹状激光珩磨。
大斑点慢扫描螺旋式激光淬火的加工特点:
1)cch激光的波长为10.6肛m,波长较长,吸收率较低;因此,在用cch激光进行汽缸淬火时,必须将其表面进行预处理(如磷化处理),以提高材料对激光能量的吸收率。
2)激光器的功率:
国外用于汽车内燃机汽缸淬火的CO2激光通常为2kw~5kW,国内通常为0.8kW~2kW。
3)激光焦斑直径多为3mm~4mm左右,扫描速度为0.8m/min~1.2m/min,淬火方式通常为大斑点慢扫描。
4)CCh激光淬火图案多为螺旋式(或在淬火螺旋线间增加斑点状淬火块),形状简单、操作时间短;但由于淬硬带是一条不封闭的螺旋线,在汽缸运行一段时间后会在两淬火带之间出现螺旋的磨损带,易造成窜油、漏气。
(5)汽缸报废(或大修)的主要依据是汽缸内径的磨损程度,通常是以直径方向磨损0.15mm~0.20mm为报废标准,因此,淬硬层应大于0.1mm。
由于CO2激光淬火后所需的珩磨工作量较大,故淬硬层深度较大,一般大于0.1mm.
小斑点快扫描网纹状激光淬火这种激光淬火大多采用YAG激光器,产生的激光束由数控设备控制快速扫描汽缸内壁,形成了以激光淬火带为硬骨架的规则网纹,而未被激光淬火的区域仍为软的基体;这个软的基体在摩擦副相对运动中(活塞环与汽缸壁)必然被磨损得较多,而形成微凹坑,长期运行形成了菱形“微油池”,这些封闭的油池对于活塞环的运动可以起到润滑作用。
其加工特点:
1)YAG激光的波长为1.06tma,波长较短,容易被金属吸收,因此,在用YAG激光进行汽缸淬火时可以不进行表面预处理。
2)激光器的功率:
YAG激光器的输出功率较低,国内用于汽缸淬火的YAG激光器的功率多为350W~500W。
3)激光淬火的斑点直径多为lmm~1.4mm,淬火速度为2.5m/min~3.0m/min。
淬火方式通常为小斑点快扫描。
4)YAG激光淬火图案多采用网纹式,淬硬带形成的表面积是螺旋纹式的3~4倍,不会产生螺旋纹式淬火出现的螺旋磨损带。
5)网纹夹角为40。
~65。
,扫描面积比为30%~35%,在低速运行的机械中其淬硬面积应适当增加(如44%)。
6)淬火层深度一般为0.10mm~0.15mm。
当然,在保证表面不产生明显的微熔及不产生缸体较大变形的情况下,淬硬层稍深些更好。
网纹状激光珩磨发动机工作时尾气排放中的有害物质主要是CO,HC(碳氢化合物),NO(氮氧化合物),还有少量的sch及浮游的颗粒物质。
就活塞和汽缸而言,如果它们之间润滑效果不好,必然造成摩擦损耗大,功率损失过多,将会使燃油耗增加,尾气排放增多。
同时活塞环和气缸之间会有部分直接固体接触,磨损量过大后,将产生间隙、密封性变差,燃烧室内的气体会从间隙漏出,再自曲轴箱经通气管排出,主要成分就是HC;而且这些来自燃烧室的气体温度很高,还会烧掉部分润滑油,使机油耗增加,尾气中的颗粒物质增多。
激光珩磨可有效地降低排放,故这项技术对于我国的发动机制造有重要的意义。
激光珩磨是由德国学者Klink等人于1995年提出的,德国的格林公司将激光珩磨技术应用于发动机汽缸的处理中,获得了良好的效果,成为一项处理汽缸的新技术,并申请了专利。
所谓激光珩磨就是利用具有一定能量密度的激光束,在汽缸工作表面,根据其润滑性能要求,有针对性地进行表面微观几何结构造型,属于激光精细加工。
1.4.2刷珩磨技术
尽管金属加工业不用低压珩磨,但是仍存在这种工艺的要求。
Sunnen开发的刚性刷珩磨可以减少因前道工序的不良加工而引起的尺寸变化。
刷珩磨可以提高工件表面质量的均匀性,可修整其他加工过程中产生的微裂纹。
但是刷珩磨仅仅在不把它作为一种切削加工工艺的情况下才呈现出上述的优越性。
传统珩磨只能去除表面平均线以上的细微凸出峰,切深不超过几十个微米。
图1.4.2表明刷珩磨可明显提高表面质量,上图是未珩磨的工件,其表面呈粗糙锯齿状,下图是刷珩磨后的同一工件表面。
图6-3显示了刷珩磨与传统珩磨的区别。
汽缸壁被刷珩磨后可增加与活塞环的接触应力,当我们对比一下刷珩磨前后表面接触比率时发现,刷磨后的球面接触率明显增大。
图1.4.2珩磨前后的工作表面质量
图1.4.3传统珩磨与刷珩磨的对比
刷珩磨可以除去其他工序留下的划痕和折叠切屑,并可达到很高的表面粗糙度。
刷珩磨不仅可用于汽车发动机制造业。
而且可用于其他方面,应用范围很广。
有些工厂使用刷珩磨专用设备,通过使用专门设计的工具和夹具,即使是钻床也能用于刷珩磨。
1.5课题主要研究设计内容
本课题所设计的珩磨机,其加工范围缸径从Φ50~Φ180mm,主轴行程可达600mm,加工精度H6~H7级,粗糙度达到0.1,磨削功率大,磨削行程长。
而且磨削头上下速度及回转速度需随工件直径的变化而可调。
经计算分析,该机采用液压传动,立式安装方式有利于磨削时磨屑的排出及喷油润滑,以保证磨削质量。
磨削头上下运动需等速,采用差动控制回路来实现。
磨削头的回转运动选用液压马达带动。
磨削时进给采用无返回自动张紧式进给机构,当磨削功率一定时,其进给量可以手动调节。
该液压系统设计主要包括两个部分:
第一,是液压缸上下移动的液压回路设计,用于控制珩磨头的上下移动,以适应不同大小规格的工件的加工。
第二,是珩磨头的旋转控制回路设计,用于加工不同工件是珩磨头旋转速度的控制。
2珩磨加工简介
2.1珩磨加工的原理与特点
2.1.1珩磨加工的原理简介
珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由胀开机构(有旋转式和推进式两种)将油石沿径向胀开,使其压向工件孔壁,以便产生一定的面接触。
与此同时,使珩磨头作旋转运动和直线往复运动,对孔进行低速磨削和摩擦抛光。
由于珩磨头的旋转及往复运动的结果,油石上的磨粒在孔的表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹,因而获得表面粗糙度较小的加工表面。
径向加压运动是油石的进给运动,加压压力愈大,进给量就愈大。
在大多数情况下,珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。
这样,加工时珩磨头以工件孔壁作导向。
因而加工精度受机床本身精度的影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。
所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。
其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。
珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件住复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数,因而两次行程间,珩磨头相对工件在周向错开一定角度,这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。
此外,珩磨头每转一转,油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度,使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。
这样,在整个珩磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。
因此,随着珩磨的进行孔表面和油石表面不断产生干涉点,不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点,又不断磨去,使孔和油石表面接触面积不断增加,相互干涉的程度和切削作用不断减弱,孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高,最后完成孔表面的创制过程。
为了得到更好的圆柱度,在可能的情况下,珩磨中经常使零件掉头,或改变珩磨头与工件轴向的相互位置。
需要说明的一点:
由于珩磨油石采用金刚石和立方氮化硼等磨料,加工中油石磨损很小,即油石受工件修整量很小。
因此,孔的精度在一定程度上取决于珩磨头上油石的原始精度。
所以我们用金刚石和立方氮化硼油石时,珩磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。
2.1.2珩磨的切削过程
1)定压进给珩磨
定压进给中进给机构以恒定的压力压向孔壁,共分三个阶段。
第一个阶段是脱落切削阶段,这种定压珩磨,开始时由于孔壁粗糙,油石与孔壁接触面积很小,接触压力大,孔壁的凸出部分很快被磨去。
而油石表面因接触压力大,加上切屑对油石粘结剂的磨耗,使磨粒与粘结剂的结合强度下降,因而有的磨粒在切削压力的作用下自行脱落,油石面即露出新磨粒,此即油石自锐。
第二阶段是破碎切削阶段,随着珩磨的进行,孔表面越来越光,与油石接触面积越来越大,单位面积的接触压力下降,切削效率降低。
同时切下的切屑小而细,这些切屑对粘结剂的磨耗也很小。
因此,油石磨粒脱落很少,此时磨削不是靠新磨粒,而是由磨粒尖端切削。
因而磨粒尖端负荷很大,磨粒易破裂、崩碎而形成新的切削刃。
第三阶段为堵塞切削阶段,继续珩磨时油石和孔表面的接触面积越来越大,极细的切屑堆积于油石与孔壁之间不易排除,造成油石堵塞,变得很光滑。
因此油石切削能力极低,相当于抛光。
若继续珩磨,油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时,油石完全失去切削能力并严重发热,孔的精度和表面粗糙度均会受到影响。
此时应尽快结束珩磨。
2)定量进给珩磨
定量进给珩磨时,进给机构以恒定的速度扩张进给,使磨粒强制性地切入工件。
因此珩磨过程只存在脱落切削和破碎切削,不可能产生堵塞切削现象。
因为当油石产生堵塞切削力下降时,进给量大于实际磨削量,此时珩磨压力增高,从而使磨粒脱落、破碎,切削作用增强。
用此种方法珩磨时,为了提高孔精度和表面粗糙度,最后可用不进给珩磨一定时间。
3)定压--定量进给珩磨
开始时以定压进给珩磨,当油石进入堵塞切削阶段时,转换为定量进给珩磨,以提高效率。
最后可用不进给珩磨,提高孔的精度和表面粗糙度。
2.1.3珩磨加工的特点
(1)加工精度高
特别是一些中小型的通孔,其圆柱度可达0.001mm以内。
一些壁厚不均匀的零件,如连杆,其圆度能达到0.002mm。
对于大孔(孔径在200mm以上),圆度也可达0.005mm,如果没有环槽或径向孔等,直线度达到0.01mm/m以内也是有可能的。
珩磨比磨削加工精度高,磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外,会产生偏差,特别是小孔加工,磨削比珩磨精度更差。
珩磨一般只能提高被加工件的形状精度,要想提高零件的位置精度,
需要采取一些必要的措施。
如用面板改善零件端面与轴线的垂直度(面板安装在冲程托架上,调整使它与旋转主轴垂直,零件靠在面板上加工即可)。
(2)表面质量好
表面为交叉网纹,有利于润滑油的存储及油膜的保持。
有较高的表面支承率(孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比),因而能承受较大载荷,耐磨损,从而提高了产品的使用寿命。
珩磨速度低(是磨削速度的几十分之一),且油石与孔是面接触,因此每一个磨粒的平均磨削压力小,这样珩磨时,工件的发热量很小,工件表面几乎无热损伤和
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