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PROCESSOS DE FABRICAÇÃO USINAGEM TORNEAMENTO FACEAMENTO FRESAMENTO

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CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA E DE PRODUÇÃO
Maria Ramona Moraes Martins
Caiki Malinski
Renato Cordeiro
DISCIPLINA DE PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: USINAGEM
TRABALHO PRÁTICO 2: CONCEITO DE DESBASTE/ACABAMENTO/FRESAMENTO/FURAÇÃO E AVALIAÇÃO DA RUGOSIDADE
Porto Alegre
2016
1 INTRODUÇÃO
O termo usinagem significa submeter um material a um processo mecânico para se transformar em uma peça através da remoção de material. Esse processo mecânico é dividido em diversos processos, entre eles estão torneamento, furação, fresamento, retifica, brochamento, brunimento, entre outros. Para esse trabalho consideraremos o processo de torneamento, furação e fresamento. 
No processo de torneamento quem executa o movimento de corte é a peça, que se move em torno do próprio centro, e a ferramenta executa o movimento de avanço. Nesse processo devem ser consideradas algumas variáveis, entre as principais estão velocidade de corte (Vc), avanço (f), profundidade de corte (Pa ou ap), material, diâmetro da peça (d) e ferramenta que será utilizada. Em um processo de torneamento uma característica importante é o acabamento superficial que a peça deverá apresentar ao final do processo, chamado de rugosidade (Ra). 
No processo de furação o objetivo é realizar furos geralmente cilíndricos, através do movimento relativo entre a peça e a ferramenta multi/monocortante, denominada broca, que ocorre segundo uma trajetória coincidente ou paralela ao eixo longitudinal da ferramenta.
Para realizar o fresamento, a peça está presa na mesa da máquina, e esta se desloca em direção a ferramenta, que por sua vez, rotaciona em seu eixo realizando a usinagem da peça. 
Rugosidade (Ra) é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento, dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição. Essa grandeza pode corresponder à altura de um retângulo, cuja área é igual à soma absoluta das áreas delimitadas pelo perfil de rugosidade e pela linha média, tendo por comprimento o percurso de medição.
 
 
	A usinagem também corrobora nos processos finais de acabamento superficial ou de tolerância dimensional de diversos produtos manufaturados por outros processos industriais. Por permitir uma ampla gama em variedade de geometrias possíveis de serem aplicadas e com um excelente grau de precisão de dimensões e acabamentos, que podem ser obtidos, tornam as operações de usinagem quase que insubstituíveis por quaisquer outros processos produtivas nas indústrias metal-mecânicas. 
Todos os processos de usinagem baseiam-se na remoção de material, independente do material ou da ferramenta utilizada para a remoção. Este material removido denomina-se cavaco, e influencia diretamente no desgaste da ferramenta, nos esforços de corte, no calor gerado, na penetração do fluido de corte, entre outros. A Norma ISO 3685, traz uma classificação bem detalhadas da forma de cavacos, segregando-os como bons, usáveis e indesejáveis.
 Certamente que neste trabalho, com todos os conhecimentos adquiridos até o presente momento no curso, desejamos obter um bom resultado em todos os processos, bem como apresentar uma peça usinada com boa qualidade superficial, desgastando o mínimo possível das ferramentas, e aproveitando ao máximo o conhecimento adquirido.
2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é descrever as diferenças de rugosidades que pode haver nos processos de torneamento, furação e fresamento, considerando as variáveis de cada processo, bem como tomar conhecimento dos equipamentos utilizados, e realizar a medição da rugosidade, aplicando os conhecimentos adquiridos em laboratório. 
Este trabalho consiste em reutilizar a peça usinada no Trabalho Prático 1, o qual foi composto de três etapas de desbaste com comprimento de 20 mm, cada, diâmetros de Ø 36 mm, Ø 34 mm e Ø 32 mm, e um diâmetro de Ø 38 mm com 20 mm de comprimento que foi utilizada para fixação na castanha, no qual devemos tornear um cone com inclinação de 3º que será feito a partir do diâmetro de Ø 36mm até Ø 32 mm, desbastar 2 mm no diâmetro de Ø 32 mm, fresar 2,5 mm de cada lado no diâmetro final de Ø 30 mm, e realizar a furação ao longo de toda a peça com diâmetro de Ø 16,20 mm.
Ao longo do trabalho, serão realizados cálculos com o auxílio dos valores de referência, fornecidos pelo professor como fórmulas, tabelas, e Normas, tais como DIN 1414-1 (1998-06), ISO 0278-1, ISO 3685.
A conicidade deverá ser de 1:10, ou seja, a cada 10 mm, deve-se desbastar 1 mm, com rugosidade máxima de 1,6 µm.
A furação deverá apresentar rugosidade máxima de 1,6 µm, com tolerância de + 0,05 mm, e demais superfícies rugosidade máxima de 3,2 µm.
As tolerâncias não especificadas no trabalho deverão atender a Norma NBR ISO 0278-1 Classe C (Grossa).
3 REFERENCIAL TEÓRICO
	O subsídio teórico para e execução das práticas propostas é fundamentada nos materiais encontrados em nossa referência bibliográfica e, sobretudo nos materiais propostos em aula onde se estabelecem algumas noções de princípios de usinagem, cristalografia dos metais, geometria das ferramentas de corte, mecanismos de formação do cavaco, forças e potências de corte, matemática básica e trigonometria.
	Basicamente utilizamos as características das ferramentas e do material a ser usinado para estabelecermos os parâmetros de corte, sendo os mais comuns; velocidade de corte (Vc) que é fornecido pelo fabricante da ferramenta e velocidade de avanço (Vf) que é calculada.
Conforme professor e doutor André João de Souza, em sua apostila ENG03343 Processo de Fabricação por Usinagem parte 1, de 2011-1, item 3.5.2, “O objetivo [do torneamento] é obter qualidades superficial, dimensional e geométrica da peça. Assim, como regra geral, a combinação de um avanço (f) mínimo possível e de uma pequena profundidade de corte (ap) com um alta velocidade de corte (Vc) faz com que se tenha a geração de uma quantidade razoável de cavaco na unidade de tempo sem que haja influência da vibração na remoção do sobrematerial da peça.” 
“A grande maioria das peças presentes nas indústrias já vem com o furo pronto proveniente de processo de fundição, forjamento, etc. Em geral as peças têm que ser furadas em cheio ou terem seus furos aumentados através do processo de furação.” (DINIZ, MARCONDES E COPPINI, 2013).
“O fresamento é a operação de usinagem que se caracteriza por: a ferramenta, chamada fresa, é provida de arestas cortantes dispostas simetricamente em torno de um eixo; o movimento de corte é proporcionado pela rotação da fresa ao redor do seu eixo; o movimento de avanço é geralmente feito pela própria peça em usinagem, que está fixada na mesa da máquina, a qual obriga a peça a passar sob a ferramenta em rotação, que lhe dá forma e dimensão desejadas.” (DINIZ, MARCONDES E COPPINI, 2000).
De acordo com Diniz, Marcondes e Coppini, (2013), os cavacos formados em processos de usinagem podem ser classificados segundo três tipos: contínuo, de cisalhamento e de ruptura. O primeiro se caracteriza por lamelas justapostas em uma disposição contínua e agrupadas. O segundo tipo apresenta a mesma configuração, porém, as lamelas são mais definidas e estão parcialmente soldadas ao longo do cavaco. Já o terceiro tipo tem como característica principal a ruptura completa dos segmentos lamelares. Os cavacos também podem ser diferenciados quanto à sua forma, que podem ser em fita, helicoidal, espiral e em lascas ou pedaços. 
Baseando-nos nestes conceitos, buscaremos alcançar tais objetivos.
4 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MÉTODOS
4.1 MATERIAL
Para a realização do trabalho foi utilizada a peça usinada no Trabalho Prático 1, um corpo de prova (barra cilíndrica), composto por uma liga leve de alumínio AA6351, com diâmetros de Ø 38 mm, Ø 36 mm, Ø 34 mm e Ø 32 mm, respectivamente, com comprimento de 80 mm, ferramenta de corte de aço rápido com 10% de cobalto com ângulo de direção ou corte de 75º, fresa tipo topo reto Ø 10 mm de aço rápido, ferramentacunha de corte de metal duro com ângulo de direção ou corte de 79º, e broca helicoidal diâmetro Ø 13 mm de aço rápido. 
Detalhamento técnico das vistas do cilindro e das ferramentas, conforme abaixo:
 
 Detalhamento das vistas da peça inicial.
 
 Detalhamento das vistas da ferramenta de corte.
 
Ângulos da ferramenta de corte para o torneamento do cone e do diâmetro de Ø 30 mm.
Ângulo de direção X = 75°
Ângulo de Saída ϒ0 = 0°
Ângulo de quina ε = 75°
Ângulo de inclinação χs = 30°
Ângulo de Cunha β0 = 75°
Ângulo de Folga α0 = 15° 
 
 Detalhamento das vistas da ferramenta cunha de corte.
 Ângulo de direção χ = 79°
 
 Detalhamento das vistas da fresa tipo topo reto.
 
 Detalhamento das vistas da broca helicoidal.
4.2 EQUIPAMENTOS
Foram utilizados (algumas fotos são meramente ilustrativas): 
Paquímetro, marca TESA, escala 0,05 mm;
 
Rugosímetro Portátil - TESA – modelo 06930013; 
Ferramenta de corte (torneamento externo), bitz 3/8 aço rápido com 10% de cobalto;
 
Fresa tipo topo reto, 4 cortes, Ø 10 mm, aço rápido/HSS;
 
Broca Helicoidal, Ø 13 mm; aço rápido/HSS;
 
Base magnética relógio comparador;
 
Ferramenta cunha de corte (torneamento interno), metal aço rápido, 3R – 8x8 – P30;
 
Mandril para fixação de brocas no contraponto do torno;
Contraponto rotativo;
Transferidor, marca TESA:
Fresadora, marca DONNER;
 
Torno mecânico horizontal, marca DONNER, modelo DMT 28. 
 
4.3 MÉTODO
Em um primeiro momento, no laboratório, recebemos instruções do Professor sobre o trabalho que seria realizado, como deveríamos agir, as normas de segurança e os procedimentos na máquina e seus dispositivos de acionamento e segurança. Foram-nos entregues os equipamentos de proteção individual (EPI’s), dentre eles protetor auricular individual para que utilizássemos em todas as aulas práticas. 
Antes de iniciarmos o processo de fixação da peça e da ferramenta, realizamos cálculos de potência de corte para cada um das etapas, no intuito de nos certificarmos de que o torno utilizado teria a potência suficiente para a realização do experimento. Para realização dos cálculos, o Professor determinou dados do Kc 1,1 de 400 N/mm², potência do motor de 1 kW, rendimento do motor de 90%, e mc de 0,27. 
Com estes dados foi possível encontrar o Kc, a área e a potência dispendida em cada etapa, determinando desta forma a viabilidade do processo de torneamento. De acordo com o processo de usinagem, encontramos as constantes do Kc 1,1 de acordo com a velocidade de corte.
Antes de iniciarmos o trabalho prático, foi necessário fazermos a preparação e fixação da peça a ser usinada.
O processo inicial consistia em tornear a superfície de 40 mm com diâmetro inicial de Ø 36 mm e final de Ø 32 mm, em uma inclinação de 3º na ferramenta de corte, até obter-se um cone ao longo destes dois diâmetros. Este processo foi realizado com avanço manual, de forma que ao simularmos o tempo que levaríamos para percorrer todo o comprimento, na velocidade mais próxima da constante possível, chegaríamos a 1 mm por segundo a rotação ideal.
Antes de realizar o processo de fresamento, reduziu-se o diâmetro de Ø 32 mm para Ø 30 mm, considerando 20 mm de comprimento, apenas torneando a peça com 4 passes de 0,25 mm. 
O processo de fresamento solicitado foi no diâmetro inicial de Ø 30 mm, com usinagem de material até obter-se um diâmetro final de Ø 25 mm, significando a retirada de 2,5 mm em cada lado, considerando que neste processo a peça estava presa à máquina em um suporte, cujo diâmetro, foi parâmetro para a furação interna da peça. 
A furação consistia em furar a peça com broca helicoidal ao longo de toda a dimensão longitudinal da peça com 80 mm, e com um diâmetro final de Ø 16,20 mm. Neste processo, foi necessário realizar a furação em duas etapas, utilizando uma broca de Ø6 mm e uma ferramenta de corte interno, pois, o laboratório dispunha de broca com maior diâmetro apenas de Ø 13 mm. Em ambas as etapas, fez-se necessário furar até a metade da peça, aproximadamente 40 mm, parar o processo, desafixar a peça, fixá-la novamente com a face contrária, centralizar o eixo com a base magnética e relógio comparador, e terminar o processo de furação para ambas as ferramentas, broca e ferramenta cunha de corte.
Para cada processo foi necessário a realização de cálculos com valores iniciais baseando-nos nos parâmetros dados no Trabalho Prático 1, e ajustar ao solicitado no Trabalho Prático 2.
Primeiramente conferimos as dimensões, na sequência prendemos a peça ao torno. Verificamos se a ferramenta a ser utilizada estava na posição correta. Aproximamos a ferramenta da peça até tocá-la e zeramos o colar graduado do eixo de profundidade de corte.
Para a realização do desbaste do diâmetro inicial com Ø 32 mm, afastamos a ferramenta da peça, e definimos o avanço a ser utilizado em 0,1 mm/rot.
Com a ferramenta e a peça fixadas, ligamos o torno, ajustamos a velocidade para o número de rotações de 700 rpm, definimos a profundidade de corte em 0,25 mm, realizando o torneamento em 4 passes, obtendo o diâmetro final de Ø 30 mm. Abaixo tabela contendo os valores iniciais e finais.
Torneamento cilindro externo Ø 30 mm: foto, vistas e resultados.
 
	 
	Vc
	Vf
	f
	D inicial
	ap
	N
	Valores Iniciais
	60
	56
	0,1
	32
	0,25
	700
	Valores Reais
	
	
	
	30
	
	711
 
Para o torneamento do cone, afastamos novamente a ferramenta da peça, e desligamos o torno. Nesta etapa, definimos que a profundidade de corte a ser utilizada continuaria sendo de 0,25 mm, avanço de 0,03 mm/rot, e ajustamos o ângulo da ferramenta em 3º conforme foto abaixo:
O processo foi executado com 4 passes, com velocidade de avanço de 24 mm/min. A obtenção deste cálculo foi a partir do experimento manual de avanço, onde cronometramos o tempo que percorremos os 40mm a serem usinados, resultando em um avanço de 0,03 mm/rot. A rotação utilizada para obter esta velocidade de avanço foi de 800 rpm, e a velocidade de corte pré-definida pelos valores de referência para fresar fornecidos em aula. Estando todos os ajustes e cálculos feitos, ligamos o torno, e usinamos até obter a conicidade desejada, iniciando com um diâmetro de Ø 36 mm até finalizar em diâmetro de Ø 32 mm. Abaixo tabela contendo os valores iniciais e finais.
 Torneamento cônico externo: foto, vistas e resultados.
 
	 
	Vc
	Vf
	f
	D inicial
	ap
	N
	Valores Iniciais
	120
	24
	0,03
	36
	0,25
	800
	Valores Reais
	
	
	
	32
	
	24
 
Para o processo de furação do centro da peça, afastamos a ferramenta da peça, e desligamos o torno para então ajustarmos os novos parâmetros calculados. Este processo foi realizado em duas etapas devido a dois motivos: não havia broca com o diâmetro solicitado no desenho técnico, e a ferramenta de corte interno não tinha comprimento suficiente para usinar a dimensão total da peça que é de 80 mm. 
Fixamos ao torno a broca helicoidal com diâmetro de 6 mm, definimos que seria 1 passe com a profundidade de corte em 6,5 mm, o avanço em 0,03 mm/rot, velocidade de corte e velocidade de avanço de acordo com os valores de referência para furação fornecidos em aula, ligamos o torno e ajustamos a rotação para o máximo que conseguimos obter no valor de 994 rpm.
Quando o processo atingiu aproximadamente 40 mm da peça, desligamos o torno, a fixamos ao contrário, e utilizamos a base magnética e relógio comparador para ajustar a peça ao centro de usinagem do torno novamente. Após a peça estar 100% centralizada, recomeçamos o processo de furação. Abaixo tabela contendo os valores iniciais e finais.
 Furação: Foto, vistas e Resultados.
	 
	VcVf
	f
	D inicial
	ap
	N
	Valores Iniciais
	40
	29
	0,03
	0
	6,5
	994
	Valores Reais
	
	
	
	13
	
	994
 
Nesta etapa, chegamos ao diâmetro de Ø 13 mm de furo, no entanto o projeto solicitava Ø 16,20 mm, restando mais uma etapa de desbaste.
Para a finalização do furo utilizamos a ferramenta de corte interno com ângulo de direção ou de corte de 79º. Nesta etapa definimos que a profundidade de corte seria de 1,5 mm em 2 passes de 0,4 mm e 2 passes de 0,35 mm. A rotação foi a máxima alcançada pelo torno, e o avanço de 0,1 mm/rot para obter a melhor rugosidade possível. Lembrando que para este processo também foi necessário desbastar aproximadamente 40 mm de cada lado, centralizando a peça a cada troca. Abaixo tabela contendo os valores iniciais e finais.
Torneamento cilindro interno: fotos, vistas e resultados.
	 
	Vc
	Vf
	f
	D inicial
	ap
	N
	Valores Iniciais
	60
	56
	0,1
	13
	0,4/0,35
	994
	Valores Reais
	
	
	
	16,10
	
	994
Após realizarmos todos os processos de torneamento e furação, iniciamos o processo de fresamento na máquina de fresa.
Neste processo utilizamos uma fresa com diâmetro de 10 mm, de 4 dentes. Inicialmente prendemos a peça ao suporte da máquina, cujo diâmetro é de Ø 16,10 mm, motivo pelo qual alteramos o diâmetro do projeto para o que efetivamente seria necessário no processo de fresamento.
Peça presa ao suporte.
O diâmetro da fresa determinou quais valores de referência seriam utilizados para realização dos cálculos, neste caso, velocidade de corte de 150 m/min para o desbaste, 50 m/min para o acabamento, ambos com avanço de 0,06 mm e 0,04 mm para desbaste e acabamento, respectivamente, dados fornecidos pela máquina, bem como as rotações de 1356 rpm/2400 rpm para desbaste e acabamento.
O processo foi realizado em 2 passes de 1 mm, e 1 passe de 0,5 mm para cada lado da peça. 
Fresamento: Foto do processo em execução e Resultados.
	  
	Vc
	Vf
	fz
	f
	D inicial
	ap
	N
	Valores Iniciais
	42,60/74,40
	325,44/384
	0,06/0,04
	155/100
	30
	1,0/0,5
	1356/2400
	Valores Reais
	 
	 
	 
	 
	25
	 
	 
 
 Nos processos de furação e fresamento, utilizamos fluido de corte à base de água, para a refrigeração da peça e ferramenta, bem como para remoção do cavaco com maior facilidade.
Em seguida utilizamos o rugosímetro para que fosse realizada a medição de rugosidade das superfícies usinadas. 
5 RESULTADOS OBTIDOS
Com os testes conseguimos obter os seguintes dados referentes a rugosidade: 
	Processos executados
	Torneamento Ø 30mm
	Torneamento Cone
	Torneamento final do furo
	Fresamento com fluido de corte
	Fresamento sem fluido de corte
	Profundidade de corte (ap, mm)
	0,25
	0,25
	0,35
	0,5
	0,5
	Avanço (f) mm/rot
	0,1
	0,03
	0,1
	100
	100
	Rugosidade (Ra, µm)
	1,4
	0,781
	1,003
	0,6
	1,178
	Velocidade de Avanço (Vf, mm/min)
	56
	24
	56
	384
	384
 Resultados de Rugosidade
Fotos rugosidade em todos os processos.
 
 
Segundo a classificação da Norma ISO 3685, comparamos a formação de cavaco de cada processo executado. 
Nos processos de torneamento do diâmetro de Ø 30 mm e no cone, o cavaco formado foi em fita, ou tubular do tipo emaranhado. Estes tipos de cavacos são considerados indesejáveis, pois geram riscos ao operador, possível dano à peça ou à ferramenta, dificuldade no manuseio e armazenagem, elevação da temperatura, diminuição da vida da ferramenta, etc. Abaixo fotos dos cavacos em tais processos.
Nos processos de furação e fresamento, os cavacos foram do tipo espiral e agulha, respectivamente. São considerados bons ou desejáveis no processo, devido aos motivos contrários aos cavacos indesejáveis. Abaixo fotos dos cavacos em tais processos.
Para entendermos melhor como acontece a formação do cavaco, na figura abaixo temos os ângulos que a ferramenta faz com o material, e como se dá a saída deste material excedente.
Classificação dos tipos de cavacos de acordo com a Norma ISO 3685:
Reutilização dos tipos de cavacos quanto a sua forma:
Vistas da peça usinada após todos os processos:
 	
6 CONCLUSÕES
Quando iniciamos o projeto, analisamos o que deveria ser feito, e pensamos em realizar os cálculos em condições ideais de usinagem, ou seja, utilizar ferramentas adequadas às dimensões solicitadas pelo professor, no entanto, nos deparamos com ferramentas padrão, ideais para dimensões múltiplas de suas próprias dimensões. 
Constatamos que, no dia-a-dia no depararemos com situações semelhantes, onde a peça é adequada a sua funcionalidade específica, não tendo formas ou dimensões cujos pré-requisitos sejam as ferramentas necessárias para realizá-lo. 
Em virtude desta constatação, nossos cálculos foram feitos a partir dos materiais existentes em laboratório, e em cada processo adquirimos mais conhecimento sobre os materiais, nosso potencial em planejar, e somente executar com a certeza do que seria feito.
Nos processos que não utilizamos fluido de corte, notamos uma dificuldade maior na usinagem, inclusive na remoção dos cavacos, pois, os mesmos se tornam mais quebradiços quando há menos atrito entre ferramenta e peça.
O alinhamento do eixo central da peça, com o eixo do torno foi imprescindível para que a usinagem interna do cilindro ficasse uniforme sem que notássemos que a execução foi efetuada em duas etapas.
No acabamento superficial, os fatores como menor velocidade de avanço, maior rpm, e utilização de lubrificante, menor será a rugosidade, e por conseguinte, um melhor acabamento.
Confirmamos isso através do gráfico de rugosidade v.s. velocidade de avanço, onde no torneamento manual do cone e fresamento com utilização de fluido de corte, o acabamento ficou menos rugoso do que nos outros processos que não utilizamos lubrificação. 
No entanto, notamos que ao diminuir o número de passes, aumentamos a profundidade de corte, com isso, obtivemos uma rugosidade maior que a esperada, uma vez que, o número de passes determina, em grande parte, a qualidade do acabamento superficial.
Todavia, devemos lembrar que, um projeto não baseia-se somente na qualidade superficial do produto, mas também no tempo em que o mesmo leva para ser concluído, bem como os custos envolvidos, como energia elétrica, desgaste da ferramenta, quantidade de fluidos, dimensões da matéria-prima utilizada, etc.
Concluímos finalmente que cada processo de usinagem depende do projeto e do material disponível para execução, e que a necessidade do acabamento superficial, dependerá essencialmente para qual fim será destinado o material, se funcional ou estético.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DINIZ, Anselmo Eduardo; MARCONDES, Francisco Carlos; COPPINI, Nivaldo Lemos. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 8ª edição. São Paulo: Artliber Editora, 2013. 270 p. 
CATÁLOGO E GUIA TÉCNICO – TORNEAMENTO. São Paulo: SECO, 2008. 
SOUZA, Prof.Dr. André J. Apostila ENG03343 Processos de Fabricação por Usinagem Parte 1. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Departamento de Engenharia mecânica, 2011.
FISCHER, Ulrich; GOMETINGER, Roland; HEINZLER, Max; KILGUS, Roland; NÄHER, Friedrich; OESTERLE, Stefan; PAETZOLD, Heinz; STEPHAN, Andreas. Manual de tecnologia metal mecânica. Tradução da 43ªedição alemã. São Paulo: Blucher, 2008. 412 p. ISBN 978-85-212-0427-5.

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