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CAM技术在工模具加工中的应用探讨

2017-06-06 来源:我爱物联网

CAM技术在工模具加工中的应用探讨

随着计算机技术的发展,通过CAD建立几何实体的三维模型,能够用CAM来分析产品的性能与可靠性。基于CAM技术在工模具加工中的应用展开探讨,说明了CAM工艺流程与数控加工在顺序上所应遵循的原则,阐述了CAM技术在工模具加工中的具体应用。

随着计算机技术的发展,计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术逐步成熟,NX、Mastercam、Pro/E、I-DEAS等CAD/CAM软件在机械加工行业已经得到广泛而普遍的应用。首先通过CAD建立产品的几何实体模型,给出设计图形,然后使用CAM编程生成加工轨迹,例如加工规划、刀具设定、工艺参数设置等,CAM还能模拟仿真加工过程,评估加工时间,最后通过数控加工实现产品的制造。这一技术与数控加工的完美结合不仅缩短了生产周期,还提高了产品质量,进而有效地提高了制造业的生产效率。因此,如何将CAM技术有效地应用于工模具的加工中,已成为现代加工制造行业所关注的焦点。

1 CAM工艺流程与数控加工应遵循的原则

CAM工艺流程与数控加工在顺序上应遵循的原则是:①先进行粗加工.再进行细加工;②由浅入深,在加工过程中要确保切削力均匀,避免因用力过大导致刀具变形,这样才能提升加工精度;③在加工过程中,要先加工大面,尽可能多地切除多余的用料,为加工小面提供方便,同时通过缩短刀杆长度来提升刀具的刚性,以确保加工质量;④在加工过程中,要尽量同时加工所用刀具的相同面,以有效降低误差,确保加工质量和效率。

2 CAM技术在工模具加工中的具体应用

2.1 三维零件模型构造以及设备选择

首先,用CAD技术建构工模具的三维零件模型,建立制造文件,基于模型图完成模具毛坯的绘制,进而实现模型组装;然后,在完成工模具设计图纸以后,要根据图纸分析出所需要的加工方法;最后,根据加工方法选择与其相应的加工设备。

针对凹形的工模具,一般情况下,加工方法为:先使用磨床将工模具的上面与下面进行磨平处理,然后使用数控车床、数控铣床,循环使用数控车床与数控铣床,经过钳工打磨划线和电火花加工机床后,最后用氮化炉进行氮化处理。

2.2 设置加工基准坐标系统

这一项工作的开展是实施程序设计与实际加工的一项重要参考数据,其原因在于:加工程序完成以后,就会得出相应的加工刀具的路径参数,这一参数就是所加工刀具的相应坐标位置和运动参数。

2.3 明确工模具的加工方法、刀具和参数

在加工工模具的过程中,需要明确模具数控加工的编程,这就需要首先明确加工模具的加工方法、刀具和参数。在利用CAM技术实现数控编程的过程中,刀削用量等参数的确定需要结合实际情况。在选择加工方法时,要根据实际加工条件和所需加工工艺来确定。

2.3.1 加工方法的选择

一般情况下,轮廓等高线法和曲面切割线法是比较常用的两种加工方式,在选择加工方法的过程中,虽然曲面等高线法能够有效提升加工效率,但是却无法有效保证加工的质量,同时,还对刀具的损伤较大。而曲面切割线法可以有效解决这一问题。

2.3.2 加工刀具的选择

在选择加工刀具的过程中,需要遵循以下原则:①确保刀具在安装和调整上都较为简单、易操作;②所选用的刀具质量要达标,即具备良好的刚性、精密度和耐用性能。③在具体加工的过程中,要想确保所选择的刀具能够满足加工的需求,就需要结合实际状况合理选择刀具。在具体应用的过程中,在确保刀具能够满足实际加工需求的同时,要尽量选择较短的刀具,这样能够有效避免刀具受损的状况,进而确保加工质量和效率。④要尽量选择较大的刀具,因为刀具越大,其切割的效率就会越高,同时避免刀具受损,进而提高加工的精密度。⑤在实际选择的过程中,要结合加工操作的实际来确定刀具的种类,这样才能从根本上确保加工的效率与质量。

2.3.3 加工参数的设置

在设置加工参数时,如果选用的是曲面加工方法,要想确保加工的精密度,需要将行距设置为1~2mm;如果选择的是等高线或者是曲面切割线进行精加工,则要选择螺旋式来改变进刀位置,以免在进刀的位置留下刀痕,确保产品的质量。

2.4 加工模拟、刀位文件与后处理文件的选择

完成以上工序后,对所构建的三维模型进行实际演示,进而确保全过程的顺利实施,并能在节省材料与时间的基础上有效控制成本。通过模拟实体加工,在确定各个程序与步骤的可行性后,就可以生成刀位文件和后处理文件,这样就能够顺利加工实体产品。

3 结束语

综上所述,随着计算机技术的不断发展,CAD和CAM技术在工模具加工制造中的成功应用能够在打破传统手工绘图弊端的基础上构建工模具三维立体图。在传统的工模具加工中,依靠人工设计这一技术不仅所需要的时间长,且无法在加工初期很好地控制精密度等,通常都需要在生产的过程中总结经验,加以改进。而CAM技术的成功应用能够在缩短加工时间的基础上提高加工效率与质量,并提升产品的紧密度,进而在降低生产成本的基础上,实现工模具生产加工制造业经济效益的最大化。在当前的市场竞争中,CAM技术的应用提高了现代加工业的综合竞争力,进而使其能在激烈的市场竞争中稳步前行。


Delcam与未来智造-基于工艺标准化的智能制造技术

2015年12月3-4日,由e-works数字化企业网和浙江省企业信息化促进会主办的主题为"智能制造时代的产品创新变革"的第十一届中国制造业产品创新数字化国际峰会在杭州隆重召开,800余名参会代表围绕产品创新的方法/标准、技术及软硬件解决方案等相关内容进行深入的交流和探讨。会上,Delcam China技术总监翟万略先生发表了主题为《Delcam与未来智造-基于工艺标准化的智能制造技术》的演讲。本文根据演讲内容整理而成。

各位领导,下午好!智能制造依托一个公司、一个软件、一个系统肯定做不到,很容易走进死胡同。如何做到智能制造,我认为还是从智能单元开始。“中国制造2025”的主攻方向是智能制造,Delcam重点关注的是机械加工领域的智能制造,机械加工领域智能制造的主攻方向是什么?我认为应该是智能数控加工设备。

图/Delcam China技术总监翟万略先生发表演讲

一、“智能单元”是智能制造的主要方向和根本

智能制造首先是依托智能单元,以各类制造装备为依托的“智能单元”是智能制造的主要方向和根本。数控企业、数控车、机器人、检测装备,还有一些新的设备应用等等,我们会谈到让数控机床具备感知能力。数控装备没有感知能力,后面也谈不上智能。要有感知和智能才能自主监测。

针对智能单元需要解决的问题,我们列了几点:一是必须让数控装备具有可数据追溯的“智能”;二是必须在智能单元解决加工效率问题;三是必须在智能单元解决加工品质问题;四是在智能单元解决降低人为因素的问题。昨天参观了两家杭州的模具制造企业,我认为模具企业更容易做智能制造,传统企业比较困难。

智能单元的“智能”表现为三方面:一是装备开动前的智能工艺规划方面;二是装备准备过程中的智能准备方面,主要是装备准备过程中,零件的装夹、装备过程中数据如何提取;三是装备开动后的智能控制方面。

装备开动前的工艺规划包括CAD/CAE/CAM工作,针对不同行业、应用甚至用户进行核心工艺规划,形成制造知识库。工艺规划最终会影响到机械装备的效率和动作。CAM作为承载“制造知识库”平台的选择方式。首先选择编程软件,过去编程软件中包括刀具库和加工参数,智能制造时代可以通过工艺模式来运用加工策略,把编程软件变成工艺平台。通常车间里的积累和编程人员的技术积累存储不到库里,不接收技术积累,这个问题很难解决。模具企业就比较容易,因为他们的主导部门是工艺编制部门,当然公司也有要求,编程模式必须入库。对我们来说,正是基于这种模式在做。无人值守也是我们在模具制造行业主推的事情,即加工软件加上一些软件系统,进展非常乐观,力度非常大。谈到智能制造,软件系统将是未来的主导。谈到智能单元的智能,这个“智能”一定是人工赋予的。不去做知识储备和积累,智能化就做不下去。

对装备准备过程中的智能准备而言,比如一个轮毂,首先在机床上加工,按传统模式,无人关注数控机床是否能达到工艺精度。这时想采用一种方式,让数控系统自动寻找,自动建模,且保存这些数据供以后追溯。

装备开动后的智能控制包括在线检测技术,包括过程质量控制和检测技术前置,在军工企业用得比较多。

自适应加工是智能的表现方式。这里有在机检测OMV,用于自动化测量自由曲面和几何体的离线编程软件系统。它能够使工作者在加工过程中,当零件没有被从数控机床上卸下之前,做出制造过程中是否继续、是否返工等的“英明“决定!检测以后,检测结果反馈到软件进行处理,处理以后再反馈到机床。其过程为:

输入模型信息和模型号图号或工艺号 运行自适应加工系统规划的检测路径 读取检测数据,并进行自适应计算

这种模式可以用到很多方面,比如叶片修复,关键因素检测后,根据当前CAD的形状改变理论的CAD模型,用理论的CAD模型适应当前的状况,这个流程非常有意义。最后是自适应加工,有了数据之后,自动转换数控系统坐标系,操作检查,执行标准的零件加工程序。

图/自适应加工的处理过程

智能单元有可能涉足的两个节点关键技术:一是工业机器人的加工技术,二是3D打印增材加工技术。我们看到机器人的大量使用,抛光对工人的肺部伤害非常大,所以只能用机器人替代人。苏州工厂爆炸其实就是轮毂抛光时的金属粉尘引起的爆炸。因为机器人本身的精度原因,应用的场合有一定的要求,不要认为机器人就是人了,好像什么都会,其实和数控机床一样需要编程系统,我们有专门有为机器人提供程序的编程模块。

二、数字化先进制造Delcam解决方案

Delcam是世界领先的专业CAD/CAM软件公司。Delcam软件系列横跨产品设计、模具设计、产品加工、模具加工、逆向工程、艺术设计与雕刻加工、质量检测和协同合作管理等应用领域。Delcam CAD/CAM系列软件被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、军工、家用电器、轻工产品和模具制造、珠宝设计和制造玩具设计和制造、包装等行业。空客、波音/麦道、NASA、Rolls Royce、Pratt & Whitney、Toyota、Honda、Ford、Volkswagen、Mercedes Benz、Siemens、Mitsubishi、Canon、LG、Nike、adidas、Clarks、西飞、成飞、一汽集团、东风汽车集团、珠海格力、海尔集团、富士康等著名企业都是Delcam用户。Delcam数字化先进制造支持车削、铣削、纵切、车铣复合、3D打印和机器人加工。

1、数字化先进制造Delcam高速加工

在这里介绍一下我们公司的一个新产品——Machine DNA,Machine DNA是Delcam开发的一项独特加工技术,它可自动设定最有效的摆线尺寸,优化点分布,自动进行圆弧/直线变换。Machine DNA技术可最大限度地发挥加工机床的潜能。如一个R4的圆弧理论是16秒,但实际加工时间可能是28秒,时间多了一倍,我们分析数控机床在何种状况下运行最好,把这些信息编入编程软件,加工效率方面就会提高很高。

还有一个产品——Vortex旋风铣,是Delcam专门为硬质合金刀具开发的一种革命性加工策略,它可最大限度发挥硬质合金刀具的效力,尤其适合于可使用全侧刃深切削的模型。Vortex旋风铣可用在2轴和3轴粗加工、定位5轴区域清除加工以及基于残留模型和参考刀具路径的残留加工。和其它Delcam粗加工策略一样,Vortex旋风铣策略始终沿零件轮廓,使刀具的空程运动最少,从而得到效率更高的刀具路径。这对残留加工来说尤其重要。

图/传统粗加工刀具路径

传统区域清除策略的一个基本问题是仅在笔直路径可以对切削条件进行优化处理,模型中的任何拐角位置加工,都需要显著增加切削刀具的接触角。为保护刀具,通常需要在拐角处降低进给率。为此,用户要么选取在整个刀具路径中一直使用这个较低的进给率,以保持恒定进给率,这势必延长加工时间;要么只好选取在模型加工中使用变进给率和转速,而这又会增加刀具的磨损。

普通高速粗加工技术总是希望保持恒定的金属切削率,而Vortex旋风铣策略和它们不一样的是,它在整个加工过程中控制着刀具的接触角,始终保持接触角处于优化状态,这样得以在整个刀具路径中始终保持只有直线运动才能实现的优化过的切削条件,从而可缩短加工时间,也得到更稳定的体积切削率和进给率,保护机床和刀具。

由于Vortex旋风铣刀具路径控制了接触角,刀具过载再也不会出现,这样使刀具寿命最长,同时也消除了接触角改变而导致的的刀具震动负荷,防止槽销的出现。此外,稳定的切削条件也使得刀具边缘具有稳定的温度,这样可延长刀具涂层寿命,消除零件表面的热损害。最后,使用比刀具直径大2-3倍的下切步距使刀具磨损可均匀分散到整个刀具的切削面,这更进一步延长了刀具寿命。

图/Vortex技术将控制所有的刀具路径,在整个加工过程中都保持恒定的切削角度

2015年12月3-4日,由e-works数字化企业网和浙江省企业信息化促进会主办的主题为"智能制造时代的产品创新变革"的第十一届中国制造业产品创新数字化国际峰会在杭州隆重召开,800余名参会代表围绕产品创新的方法/标准、技术及软硬件解决方案等相关内容进行深入的交流和探讨。会上,Delcam China技术总监翟万略先生发表了主题为《Delcam与未来智造-基于工艺标准化的智能制造技术》的演讲。本文根据演讲内容整理而成。

各位领导,下午好!智能制造依托一个公司、一个软件、一个系统肯定做不到,很容易走进死胡同。如何做到智能制造,我认为还是从智能单元开始。“中国制造2025”的主攻方向是智能制造,Delcam重点关注的是机械加工领域的智能制造,机械加工领域智能制造的主攻方向是什么?我认为应该是智能数控加工设备。

图/Delcam China技术总监翟万略先生发表演讲

一、“智能单元”是智能制造的主要方向和根本

智能制造首先是依托智能单元,以各类制造装备为依托的“智能单元”是智能制造的主要方向和根本。数控企业、数控车、机器人、检测装备,还有一些新的设备应用等等,我们会谈到让数控机床具备感知能力。数控装备没有感知能力,后面也谈不上智能。要有感知和智能才能自主监测。

针对智能单元需要解决的问题,我们列了几点:一是必须让数控装备具有可数据追溯的“智能”;二是必须在智能单元解决加工效率问题;三是必须在智能单元解决加工品质问题;四是在智能单元解决降低人为因素的问题。昨天参观了两家杭州的模具制造企业,我认为模具企业更容易做智能制造,传统企业比较困难。

智能单元的“智能”表现为三方面:一是装备开动前的智能工艺规划方面;二是装备准备过程中的智能准备方面,主要是装备准备过程中,零件的装夹、装备过程中数据如何提取;三是装备开动后的智能控制方面。

装备开动前的工艺规划包括CAD/CAE/CAM工作,针对不同行业、应用甚至用户进行核心工艺规划,形成制造知识库。工艺规划最终会影响到机械装备的效率和动作。CAM作为承载“制造知识库”平台的选择方式。首先选择编程软件,过去编程软件中包括刀具库和加工参数,智能制造时代可以通过工艺模式来运用加工策略,把编程软件变成工艺平台。通常车间里的积累和编程人员的技术积累存储不到库里,不接收技术积累,这个问题很难解决。模具企业就比较容易,因为他们的主导部门是工艺编制部门,当然公司也有要求,编程模式必须入库。对我们来说,正是基于这种模式在做。无人值守也是我们在模具制造行业主推的事情,即加工软件加上一些软件系统,进展非常乐观,力度非常大。谈到智能制造,软件系统将是未来的主导。谈到智能单元的智能,这个“智能”一定是人工赋予的。不去做知识储备和积累,智能化就做不下去。

对装备准备过程中的智能准备而言,比如一个轮毂,首先在机床上加工,按传统模式,无人关注数控机床是否能达到工艺精度。这时想采用一种方式,让数控系统自动寻找,自动建模,且保存这些数据供以后追溯。

装备开动后的智能控制包括在线检测技术,包括过程质量控制和检测技术前置,在军工企业用得比较多。

自适应加工是智能的表现方式。这里有在机检测OMV,用于自动化测量自由曲面和几何体的离线编程软件系统。它能够使工作者在加工过程中,当零件没有被从数控机床上卸下之前,做出制造过程中是否继续、是否返工等的“英明“决定!检测以后,检测结果反馈到软件进行处理,处理以后再反馈到机床。其过程为:

输入模型信息和模型号图号或工艺号 运行自适应加工系统规划的检测路径 读取检测数据,并进行自适应计算

这种模式可以用到很多方面,比如叶片修复,关键因素检测后,根据当前CAD的形状改变理论的CAD模型,用理论的CAD模型适应当前的状况,这个流程非常有意义。最后是自适应加工,有了数据之后,自动转换数控系统坐标系,操作检查,执行标准的零件加工程序。

图/自适应加工的处理过程

智能单元有可能涉足的两个节点关键技术:一是工业机器人的加工技术,二是3D打印增材加工技术。我们看到机器人的大量使用,抛光对工人的肺部伤害非常大,所以只能用机器人替代人。苏州工厂爆炸其实就是轮毂抛光时的金属粉尘引起的爆炸。因为机器人本身的精度原因,应用的场合有一定的要求,不要认为机器人就是人了,好像什么都会,其实和数控机床一样需要编程系统,我们有专门有为机器人提供程序的编程模块。

二、数字化先进制造Delcam解决方案

Delcam是世界领先的专业CAD/CAM软件公司。Delcam软件系列横跨产品设计、模具设计、产品加工、模具加工、逆向工程、艺术设计与雕刻加工、质量检测和协同合作管理等应用领域。Delcam CAD/CAM系列软件被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、军工、家用电器、轻工产品和模具制造、珠宝设计和制造玩具设计和制造、包装等行业。空客、波音/麦道、NASA、Rolls Royce、Pratt & Whitney、Toyota、Honda、Ford、Volkswagen、Mercedes Benz、Siemens、Mitsubishi、Canon、LG、Nike、adidas、Clarks、西飞、成飞、一汽集团、东风汽车集团、珠海格力、海尔集团、富士康等著名企业都是Delcam用户。Delcam数字化先进制造支持车削、铣削、纵切、车铣复合、3D打印和机器人加工。

1、数字化先进制造Delcam高速加工

在这里介绍一下我们公司的一个新产品——Machine DNA,Machine DNA是Delcam开发的一项独特加工技术,它可自动设定最有效的摆线尺寸,优化点分布,自动进行圆弧/直线变换。Machine DNA技术可最大限度地发挥加工机床的潜能。如一个R4的圆弧理论是16秒,但实际加工时间可能是28秒,时间多了一倍,我们分析数控机床在何种状况下运行最好,把这些信息编入编程软件,加工效率方面就会提高很高。

还有一个产品——Vortex旋风铣,是Delcam专门为硬质合金刀具开发的一种革命性加工策略,它可最大限度发挥硬质合金刀具的效力,尤其适合于可使用全侧刃深切削的模型。Vortex旋风铣可用在2轴和3轴粗加工、定位5轴区域清除加工以及基于残留模型和参考刀具路径的残留加工。和其它Delcam粗加工策略一样,Vortex旋风铣策略始终沿零件轮廓,使刀具的空程运动最少,从而得到效率更高的刀具路径。这对残留加工来说尤其重要。

图/传统粗加工刀具路径

传统区域清除策略的一个基本问题是仅在笔直路径可以对切削条件进行优化处理,模型中的任何拐角位置加工,都需要显著增加切削刀具的接触角。为保护刀具,通常需要在拐角处降低进给率。为此,用户要么选取在整个刀具路径中一直使用这个较低的进给率,以保持恒定进给率,这势必延长加工时间;要么只好选取在模型加工中使用变进给率和转速,而这又会增加刀具的磨损。

普通高速粗加工技术总是希望保持恒定的金属切削率,而Vortex旋风铣策略和它们不一样的是,它在整个加工过程中控制着刀具的接触角,始终保持接触角处于优化状态,这样得以在整个刀具路径中始终保持只有直线运动才能实现的优化过的切削条件,从而可缩短加工时间,也得到更稳定的体积切削率和进给率,保护机床和刀具。

由于Vortex旋风铣刀具路径控制了接触角,刀具过载再也不会出现,这样使刀具寿命最长,同时也消除了接触角改变而导致的的刀具震动负荷,防止槽销的出现。此外,稳定的切削条件也使得刀具边缘具有稳定的温度,这样可延长刀具涂层寿命,消除零件表面的热损害。最后,使用比刀具直径大2-3倍的下切步距使刀具磨损可均匀分散到整个刀具的切削面,这更进一步延长了刀具寿命。

图/Vortex技术将控制所有的刀具路径,在整个加工过程中都保持恒定的切削角度


MasterCAM与Cimatron的数控加工中心编程刀路比较

MasterCAM与Cimatron都是目前被广泛运用的加工中心编程软件,目前两者的智能化水平都相当高,都有很强大的曲面加工能力,但两者在运用过程中各有优势。

1 加工零件结构分析

以烟灰缸注射模型芯为例,分别用MasterCAM与Cimatron对其进行加工中心编程,再对MasterCAM与Cimatron的编程功能进行分析对比。型芯零件的简单结构图如图1所示。

零件分析:

(1)该零件是两个烟灰缸注射模型芯,毛坯外形尺寸是280×150mm,材料是国产738钢。

图1 零件的简单结构图

(2)该零件的左边凸起部分最大外径是φ100mm,斜度是31°,中间凹陷部分的口部直径是φ64mm,底部直径是φ54mm,深度是18mm,斜度是16°;零件的右边凸起部分最大尺寸是100×100mm,侧边的斜度是27°,中间凹陷部分也是一个方形,尺寸为54×54mm,深度是18mm,侧边斜度是16°。

(3)零件左右两边各有4个半圆形的小槽,直径为φ8mm,零件顶部圆角为R2mm。

(4)通过对零件的分析,得知该零件的加工区域比较大,开粗时适合用比较大的刀具如选用φ30R5mm的圆鼻刀;半精加工用φ16R0.8mm进行等高线加工,8个小槽的开粗用φ8R4mm的球刀用外形铣削的刀路;精加工时用φ6R3mm的刀具用平行加工的方式加工零件的顶部,零件的斜面与分型面相交的部分用φ16R0.8mm的刀具用等高线加工。

(5)该零件是模具的型芯,对高度的要求比较高,零件不能高也不能低,因此用零件的底部为基准面比较合适,零件的中心采用四边分中的形式。

MasterCAM与Cimatron都是目前被广泛运用的加工中心编程软件,目前两者的智能化水平都相当高,都有很强大的曲面加工能力,但两者在运用过程中各有优势。

1 加工零件结构分析

以烟灰缸注射模型芯为例,分别用MasterCAM与Cimatron对其进行加工中心编程,再对MasterCAM与Cimatron的编程功能进行分析对比。型芯零件的简单结构图如图1所示。

零件分析:

(1)该零件是两个烟灰缸注射模型芯,毛坯外形尺寸是280×150mm,材料是国产738钢。

图1 零件的简单结构图

(2)该零件的左边凸起部分最大外径是φ100mm,斜度是31°,中间凹陷部分的口部直径是φ64mm,底部直径是φ54mm,深度是18mm,斜度是16°;零件的右边凸起部分最大尺寸是100×100mm,侧边的斜度是27°,中间凹陷部分也是一个方形,尺寸为54×54mm,深度是18mm,侧边斜度是16°。

(3)零件左右两边各有4个半圆形的小槽,直径为φ8mm,零件顶部圆角为R2mm。

(4)通过对零件的分析,得知该零件的加工区域比较大,开粗时适合用比较大的刀具如选用φ30R5mm的圆鼻刀;半精加工用φ16R0.8mm进行等高线加工,8个小槽的开粗用φ8R4mm的球刀用外形铣削的刀路;精加工时用φ6R3mm的刀具用平行加工的方式加工零件的顶部,零件的斜面与分型面相交的部分用φ16R0.8mm的刀具用等高线加工。

(5)该零件是模具的型芯,对高度的要求比较高,零件不能高也不能低,因此用零件的底部为基准面比较合适,零件的中心采用四边分中的形式。

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