螺纹加工有限元分析

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螺纹加工的有限元分析

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（ee）

指导教师：ee

[摘要]传统的螺纹加工方法不仅加工效率低，而且切断了金属材料的纤维流向，严重降低了内螺纹的质量，难

以满足生产中对螺纹连接件高精度、高强度的要求,而冷挤压成形是一种无屑加工方法，大大提高了螺纹的抗拉强度和抗疲劳性能。本文利用DEFORM软件对螺纹加工过程进行了仿真分析，实现了一般挤压攻丝过程和振动挤压攻丝过程的有效模拟。在一般攻丝过程中，分析了挤压速度对螺纹加工中丝锥所受应力，应变以及扭矩的影响，底孔直径对螺纹加工过程中应力应变以及扭矩的影响。并且完成了轴向振动攻丝与一般挤压攻丝的比较，发现振动攻丝过程中丝锥所受扭矩、应力、温度明显减小。

[关键词]: 内螺纹 冷挤压 挤压丝锥 振动攻丝 有限元分析

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Finite Element Analysis of Thread Processing

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(ee )

Tutor：ee

[Abstract] The traditional thread processing method is not only low the processing efficiency, and cut off the flow of

metal materials fiber, seriously reduce the quality of the internal thread, difficult to meet the requirements of the production of threaded connection high-precision, high-intensity, cold extrusion is a scrap processing methods, greatly improved the tensile strength and fatigue resistance of the thread. In this paper, utilize the DEFORM software to achieve simulation analysis of thread processing, achieved effective simulation of the general extrusion process and the extrusion process of vibration. In the process of general tapping, analysis the effect of the extrusion speed for the stress、the strain and the torque to the tap. the effect of the bottom outlet diameter for the stress 、the strain and the torque to the tap, and compare circle vibration tapping with the general squeeze tapping. Found in the process of vibration tapping tap the torque, stress, temperature significantly reduced.

[Key words]: internal thread, cold extrusion, extrusion tap, vibration tapping, Finite Element Analysis

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目 录

1绪论 ..................................................... 1

1.1 内螺纹冷挤压成形技术概述 ................................. 1 1.2 内螺纹的主要加工技术 ..................................... 1 1.2.1.传统的内螺纹加工技术 .................................. 1 1.2.2.内螺纹加工的新技术 .................................... 1 1.3 国内外冷挤压技术的研究现状 ............................... 2 1.4 本文的研究内容及研究目的 ................................. 3

2. 螺纹冷挤压成形工艺 .................... 错误！未定义书签。 2.1 金属塑性成形 ........................ 错误！未定义书签。 2.1.1金属塑性成形的发展 ............... 错误！未定义书签。 2.1.2 金属塑性成形的方法及其分析方法 ... 错误！未定义书签。 2.1.3 金属塑性成形的优点 ............... 错误！未定义书签。 2.2 内螺纹冷挤压成形机理分析 ............ 错误！未定义书签。 2.2.1内螺纹冷挤压成形的理论基础 ....... 错误！未定义书签。 2.2.2 内螺纹冷挤压成形过程 ............. 错误！未定义书签。 2.3 工件底孔直径的选择 .................. 错误！未定义书签。 2.4 挤压速度 ............................ 错误！未定义书签。

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2.4.1 进给速度 ........................ 错误！未定义书签。 2.4.2冷却润滑液的选择 ................. 错误！未定义书签。 2.5 钛合金性能特点及其加工特性分析 ...... 错误！未定义书签。 3金属塑性变形有限元及 Deform-3D 介绍 ..... 错误！未定义书签。

3.1 有限元分析及其应用类型 .................. 错误！未定义书签。 3.2 DEFORM软件简介 .......................... 错误！未定义书签。 3.2.1 DEFORM 的主要功能 .................... 错误！未定义书签。 3.2.2 成形分析 ............................. 错误！未定义书签。

4 内螺纹冷挤压成形有限元模拟 ............. 错误！未定义书签。

4．1内螺纹冷挤压成形塑性有限元模型 .......... 错误！未定义书签。 4．2内螺纹冷挤压成形规律模拟分析 ............ 错误！未定义书签。 4.2.1模型简化及模拟初始条件及其设置步骤 ... 错误！未定义书签。 4.2.2模拟分析 ............................. 错误！未定义书签。 4.2.3 模拟结果 ............................. 错误！未定义书签。 4.3 挤压速度对成形性能的影响 ................ 错误！未定义书签。 4.3.1 v=0.125mm／s时成形性能 .............. 错误！未定义书签。 4.3.2 v=0.15mm／s 时的成形性能 ............. 错误！未定义书签。 4.3.3 v=0.167mm／s时的成形性能 ............ 错误！未定义书签。 4.3.4 数据分析 ............................. 错误！未定义书签。

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4.4 工件底孔直径对成形性能的影响 ............ 错误！未定义书签。 4.4.1 =2.3mm时的成形性能 ............... 错误！未定义书签。 4.4.2 =2.5mm时的成形性能 ............... 错误！未定义书签。 4.4.3 =2.78mm时的成形性能 .............. 错误！未定义书签。 4.4.4 数据分析 ............................. 错误！未定义书签。

5.振动挤压 ............................... 错误！未定义书签。

5.1 轴向振动的实现 .......................... 错误！未定义书签。 5.2 振动挤压结果 ............................ 错误！未定义书签。 5.3 结论分析 ................................ 错误！未定义书签。 5.3.1 角速度对比分析 ....................... 错误！未定义书签。 5.3.2 扭矩对比分析 ......................... 错误！未定义书签。 5.3.3 应力对比分析 ......................... 错误！未定义书签。 5.3.4 温度对比分析 ......................... 错误！未定义书签。

6.结论 ................................... 错误！未定义书签。 致谢 ..................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ................................. 错误！未定义书签。

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1绪论

1.1 内螺纹冷挤压成形技术概述

传统的螺纹加工主要采用切削加工，该方法不仅加工效率低，而且加工过程金属的纤维流向被

切断，严重降低了螺纹零件的质量，传统螺纹加工方法难以满足生产中对螺纹连接件高精度、高强度的要求，所以，寻找先进有效的螺纹加工方法就显得尤为重要。目前螺纹加工的方法主要有切削加工、锻压和铸造，切削加工主要分为车削、铣削、铰削、电加工；锻压主要分为滚压、挤压、压制；铸造主要有压铸、浇铸。

内螺纹挤压成形是一种基于塑性成形的新型加工方法。这种方法加工出来的螺纹组织结构比切削加工要明显完善，工件表面比较完整。这样就可以很大程度的提高了工件的机械性能，而且挤压成形无切削式加工，比较符合现代制造的发展趋势。由于这种方法能够适应高延展性的材料,如自动机钢、铜、软铜、铝、压铸件以及类似的韧性材料和冷变形较好的材料等的加工,所以对于这类材料的内螺纹加工,采用挤压螺纹的越来越多。这种工艺方法在大批和小批生产中都具有很好的经济效果,因此更加促进了它的应用。

挤压可使金属的塑性发挥最大，可使生产断面极其复杂的管材和型材，挤压制品表现质量好，尺寸精度，表面质量都较好，容易实现生产过程自动化等，但挤压成品率低，加工速度和生产效率低，工具磨损相当严重，尤其是冷挤压。

内螺纹冷挤压成形过程就是利用挤压丝锥的棱齿连续反复挤压材料,使其发生塑性变形，形成内螺纹，在挤压过程中由于工件材料受到挤压丝锥棱齿的反复挤压，螺纹表层组织比芯部组织更加严密。因此，采用冷挤压成形方法加工内螺纹与切削内螺纹成形方法相比，具有以下优点：

(1)挤压螺纹的抗疲劳强度和抗拉强度较高。

(2)挤压螺纹的精度比较高。主要由于挤压丝锥的导向性比较好，因此，挤压加工后的螺纹形位精度能够得到很好的保证。

(3)挤压螺纹表面粗糙度较好。因为在挤压过程中，挤压丝锥的锥部棱齿对工件材料进行多次挤压，因此表面粗糙度比较小。

(4)内螺纹冷挤压加工效率高。用切削加工的方法加工内螺纹时，需要一组切削丝锥，而采用挤压加工的方法加工内螺纹时，只需要一把挤压丝锥就可以一次成形，因此，加工效率得到很大提高。

(5)挤压丝锥的寿命长、强度高。挤压丝锥棱齿呈连续的螺旋状，中间没有容屑槽，这是挤压丝锥在结构上不同于一般的切削丝锥的一大特点。 1.2 内螺纹的主要加工技术

1.2.1.传统的内螺纹加工技术

传统的内螺纹加工工艺是切削攻丝技术,它属于刀具成形加工的范畴。切削攻丝技术是在攻丝机、钻床、车床等相应的加工设备上, 采用内螺纹丝锥、车刀等螺纹成形刀具进行螺纹孔的加工。传统的切削攻丝技术与镗削、刨削等加工方法相比,存在几点缺陷: 易划伤已加工表面、切屑的状态不易控制、切屑不易排出; 攻丝扭矩较大, 轴向力的控制比较困难, 孔径及螺距误差很容易就会被扩大,刀具易损坏; 刀具刚性比较差, 承载能力较低, 加工速度低和加工效率低等。传统的内螺纹加工技术主要有螺纹孔铣削技术、高速攻丝技术。少切削、无切削的塑性成形加工技术是现代机械制造的发展方向之一.

1.2.2.内螺纹加工的新技术

目前,高效加工和超精密加工是机械制造的主要发展趋势,也是螺纹加工的主要研究方向。近年来, 出现了许多内螺纹加工的新技术和新方法, 例如: 挤压攻丝技术、振动攻丝技术等。

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1.2.2.1 挤压攻丝技术

挤压攻丝技术是根据金属材料受力后发生塑性变形和流动的特点,在提前加工好的工件底孔上利用挤压丝锥挤压出螺纹的方法。按挤压工艺特点，可分为冷挤压，热挤压，带润滑挤压和不带润滑挤压，等温挤压等。

冷挤压是一种高效率、高精度、低耗的生产技术，利用挤压攻丝方法加工的螺纹孔具有精度高、表面粗糙度低、内螺纹金属组织不被破坏、螺纹孔强度高等优点。同时, 此种方法有明显的局限性, 它不能用于脆性材料上的螺纹孔、不完整螺纹孔、斜螺纹孔及薄壁螺纹孔的加工, 并且挤压丝锥制作成本高, 加工扭矩大。 1.2.2. 2 振动攻丝技术

振动攻丝技术是日本隈部淳一郎教授提出的一项新的精密加工技术, 该技术是振动切削技术的一部分。它在传统攻丝回转运动的基础上, 沿螺旋升角的方向叠加了一个可控的周期振动,从而使原来连续的攻丝过程变为脉冲地、重复地切削过程。丝锥在以角速度w 瞬时针旋转的同时, 又以振动频率f 和振幅A 作往复振动, 当振动速度和切削速度之间满足一定的关系时,就形成了特殊的脉冲切削过程。

由于振动攻丝特殊的切削机理, 它可以使有限的能量集中为脉冲形式释放出来, 从而改善了材料的切削性能; 丝锥的往复运动可以对已加工表面进行重复切削; 同时, 由于刀齿从切削区周期的分离，从而改善了润滑条件。因此, 该技术具有很多优点, 例如延长了丝锥的寿命、提高了内螺纹质量、降低了攻丝扭矩等。因此, 该项技术必将在难加工材料上的深螺纹孔、螺纹孔、小直径螺纹孔的加工方面具有绝对的优势。 1.3 国内外冷挤压技术的研究现状

我国的冷挤压技术与日本冷挤压技术的起步相当晚。70年代，我国曾经在汽车、自行车、电器等批量生产的产品中使用过冷挤压生产工艺技术，也成功的开发了启动齿轮的挤压成形技术，并投入批量生产。目前，我国可以利用该技术精锻齿轮，汽车用等速万向节、启动齿轮、汽车启动器定向套筒、内燃机用火花塞与火花销等零件，经过不断地使用和改进，技术已经相当成熟。目前只有部分大型厂家可进行大批量生产。

近几年国内研究内螺纹冷挤压成形技术的厂家慢慢的多了起来，研究比较多的有广东工业大学、南京航空航天大学等，八十年代以来，特别是在大型锻件制造中，为了提高锻件制造成形的质量，为了减少反复实验工作量以实现一次制造成功，数值模拟仿真技术得到了快速发展。数值模拟仿真技术丰富了塑性成形机理的研究方法，使得塑性成形向智能化方向发展，改善了实验环境，大大减少了试制的费用，缩短了产品研发周期。目前的金属体积成形数值模拟软件主要理论基础是建立在刚塑性有限元法基础之上，例如：Deform、Autoforge等。

虽然近几年我国在金属塑性成形过程数值模拟仿真技术方面的研究取得了较大的进步，但是，国内数值模拟技术的应用远远不能普及，软件核心技术还需进一步完善，尤其是三维模拟技术在体积成形中的应用还不够成熟，还有待进一步的研究；因此，掌握并应用数值模拟仿真己经成为国内塑性成形研究的重点。

目前，国内外内螺纹冷挤压成形研究主要有以下几方面： (1) 进一步完善挤压丝锥结构，挤压丝锥的设计计算以及制造。

(2)挤压过程的相关参数设置及加工条件，如挤压丝锥的结构参数、冷却润滑液的选择、挤压速度、工件底孔直径、工件材料等对挤压温度和挤压扭矩的影响。

(3)有色金属及其合金、低碳钢及硬度较低的调质钢、合金钢、不锈钢以及合金工具钢等材料上加工中小直径内螺纹的应用。

(4)有限元数值模拟技术在内螺纹冷挤压成形中的应用。

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1.4 本文的研究内容及研究目的

运用有限元模拟软件Deform对该零件的冷挤压成形情况进行模拟分析，将模拟结果相对比，最

后得出结论。

1.利用pro/e对挤压丝锥进行三维建模

2．工艺分析。主要分析了工件底孔直径、挤压速度、冷却润滑液的选择、工件材料等对挤压扭矩和挤压温度的影响。

3．参考冷挤压加工时工件底孔直径的理论计算公式。

4．利用 Deform对内螺纹的冷挤压成形情况及振动挤压成型进行模拟分析对比。 5．模拟结果进行对比最后得出结论。

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2.电机选择

2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）

2.1.1选择电动机类型 2.1.2选择电动机容量

电动机所需工作功率为： PPd?w?；

工作机所需功率Pw为：

Pw?Fv； 1000传动装置的总效率为：

???1?2?3?4；

传动滚筒

?1?0.96

滚动轴承效率 ?2?0.96 闭式齿轮传动效率 ?3?0.97 联轴器效率 ?4?0.99 代入数值得：

???1?2?3?4?0.96?0.994?0.972?0.992?0.8

所需电动机功率为：

Pd?Fv10000?40?kW?10.52kW 1000?0.8?1000?60P?d略大于Pd 即可。

选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW

2.1.3确定电动机转速

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取滚筒直径D?500mm 60?1000vnw??125.6r/min

500?1.分配传动比 （1）总传动比 n1460i?m??11.62 nw125.6(2)分配动装置各级传动比

取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比

i01?1.4i?4.03 则低速级的传动比 i11.62i12???2.88

i014.032.1.4 电机端盖组装CAD截图

图2.1.4电机端盖

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2.2 运动和动力参数计算

2.2.1电动机轴

p?p?10.52kW n?n?1460r/minPT?9550?68.81N?mn0d0m0002.2.2高速轴

p?p??10.41kW n?n?1460r/minp10.41?9550?9550??68.09N?mT1460n1d41m1112.2.3中间轴

p??p???10.52?0.99?0.97?10.10kWn?1460r/min?362.2r/min?ni4.03

p10.10?9550?9550??263.6N?mT362.2np2?10102312012222.2.4低速轴

p??p???10.10?0.99?0.97?9.69kWn?362.2?125.76r/min? ni2.88p9.69?9550??9550?735.8N?mTn125.76p3?20212323123332.2.5滚筒轴

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p??p???9.69?0.99?0.99?9.49kWn?125.76r/min? nip9.49?9550?9550??720N?mT125.76np4?3032243423444

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3.齿轮计算

3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数

1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。

2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。

3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。

4>选小齿轮齿数z1?24，大齿轮齿数z2?24?4.03?96.76。取z25初选螺旋角。初选螺旋角??14?

?97

3.2按齿面接触强度设计

由《机械设计》设计计算公式（10-21）进行试算，即

d1t?32KtT0??1ZHZE?d??????H

3.2.1确定公式内的各计算数值

（1）试选载荷系数kt?1.61。

（2）由《机械设计》第八版图10-30选取区域系数zh?2.433。

?0.78（3）由《机械设计》第八版图10-26查得?1，??1??2?1.65。

???2?0.87，则

????（4）计算小齿轮传递的转矩。 95.5?105?p095.5?105?10.41T1??N.mm?6.8?104N.mm

n11460（5）由《机械设计》第八版表10-7 选取齿宽系数?d?1

（6）由《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数Ze?189.8MPa （7）由《机械设计》第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限

?Hlim1?600MPa ；大齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim2?500MPa 。

13计算应力循环次数。

N1?60n1jLh?60?1460?1?2?8?300?15?6.3?109

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N2?N1?1.56?109 4.03（9）由《机械设计》第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数

KHN1?0.90;KHN2?0.95 。

（10）计算接触疲劳许用应力。

取失效概率为1%，安全系数S=1，由《机械设计》第八版式（10-12）得 ??H?1?KHN1?lim1?0.9?600MPa?540MPa

S??H?2?KHN2?lim2S?0.95?550MPa?522.5MPa

（11）许用接触应力

?????????H??H1H2?531.25MPa

23.2.2计算

（1）试算小齿轮分度圆直径d1t

d1t?32KtT0??1ZHZE?d??????H?316.46?104?0.862=30.7396?16.46?104=3121.738?10=4

9.56mm

（2）计算圆周速度v0

???d1tn160?1000???1460?49.5660?1000?3.78m/s

（3）计算齿宽及模数

mmntnt?d1t1tcos?z?49.56mm

1?dcos?z?149.56?cos14?49.56?0.97==2mm

2424h=2.25mnt?2.25?2=4.5mm

b?49.56/4.5=11.01

h（4）计算纵向重合度

???0.318?dztan??0.318?1?24?tan14?=20.73

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（5）计算载荷系数K。

已知使用系数KA?1,根据v= 7.6 m/s,7级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数Kv?1.11;

由《机械设计》第八版表10-4查得K的值与齿轮的相同，故KH?H??1.42;

由《机械设计》第八版图 10-13查得

Kf??1.35

由《机械设计》第八版表10-3查得KH??KH??1.4.故载荷系数

K?KAKVKH?KH??1?1.11?1.4?1.42=2.2

（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得

d1?d1t3KK?49.56?3t2.2?49.56?31.375?55.11mm 1.6（7）计算模数

co?s55.11?cos14?0.97?55.11??2.22mm mn?d1?2424z13.3按齿根弯曲强度设计

由式（10-17）

mn?32KT1Y?cos?2?z1?d2?YY?FaF????Sa

3.3.1确定计算参数

（1）计算载荷系数。

K?KAKVKf?Kf??1.?11?1.4?1.35=2.09 （2）根据纵向重合度

?0.88影响系数Y?

（3）计算当量齿数。

???1.903 ，从《机械设计》第八版图10-28查得螺旋角

zV1?z?24?24cos?cos140.971333?24?26.37 0.91zv2?z?97?97?106.59 cos?cos140.91233第10页 共40页

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（4）查齿形系数。

?2.57;YFa2?2.18由表10-5查得YFa1

（5）查取应力校正系数。

由《机械设计》第八版表10-5查得YSa1?1.6;YSa2?1.79

?（6）由《机械设计》第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ?500MPa?380MPaFE1 ；大齿轮的弯曲强度极限 FE2；

?0.85（7）由《机械设计》第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 KFN1，KFN2?0.88；

?（8）计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数S＝1.4,由《机械设计》第八版式（10-12）得

KFN1?FE1?0.85500MPa?303.57MPa??F1S1.4

KFN2?FE2?0.88?380MPa?238.86MPa??F2S1.4????（9）计算大、小齿轮的YFaYSa 并加以比较。

?F??YYFa1Fa2??F?Sa11?2.592?1.596?0..1363

303.57=

2.211?1.774?0.01642

238.86YY??F?Sa22由此可知大齿轮的数值大。

3.3.2设计计算

m

n?32?2.10?6.8?10?0.88?(cos14?)422242*1.65?0.01642mm?34.342?0.97mm?34.085?1.59m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn 大于由齿面齿根弯曲疲

?劳强度计算 的法面模数，取mn2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强

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度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由

d1cos??55.11?cos14??26.73?z12 mn取 z1?27 ，则z2?27?4.03?108.81 取z2?109;

3.4几何尺寸计算

3.4.1计算中心距

a=

?z?z?m12n2cos??(27?109)?2136??140.2mm

2?cos140.97将中以距圆整为141mm.

3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角

??arccos(z1?z2)mn2a(27?109)?2?arccos?arccos0.97?14.06?

2?140.2因?值改变不多，故参数

??、k?、ZH等不必修正。

3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径

d1?d2zm12ncos???27?254??55mmcos140.97109?2218??224mm

cos140.97?zmcos?n第12页 共40页

a?d1?d22242?55?2?139.5mm

3.4.4计算齿轮宽度

b??dd1?1?55.67?55mm

圆整后取B2?56mm;B1?61mm. 低速级

取m=3;z3?30; 由i412?zz?2.88

3z4?2.88?30?86.4 取z4?87

d3?mz3?3?30?90md?mz

44?3?87?261mma?d3?d490?2612?2mm?175.5mm

b??dd3?1?90mm?90mm

圆整后取B4?90mm,B3?95mm

第13页ee

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表 1高速级齿轮：

名 称 模数 压力角 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿全高 齿顶圆直径

表 2低速级齿轮：

名 称 模数 压力角 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿全高 m 代号 计 算 公 式 小齿轮 3 20 大齿轮 3 20 m 代号 计 算 公 式 小齿轮 2 20 大齿轮 2 20 ? d d1?mz1=2?27=54 ?d2?mz2=2?109=218 ha hfha1?ha2?ham?1?2?2 ?hf1?hf2?(ha?c)m?(1?c)?2 ?? h h1?h2?(2ha?c)m ?*da da1?(z1?2ha)m *da2?(z2?2ha)m *? d d1?mz1=3?27=54 ?d2?mz2=2?109=218 hh afha1?ha2?ham?1?2?2 ?hf1?hf2?(ha?c)m?(1?c)?2 ?? h h1?h2?(2ha?c)m 第14页 共40页

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齿顶圆直径

da da1?(z1?2ha)m *da2?(z2?2ha)m *

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4. 轴的设计

4.1低速轴

4.1.1求输出轴上的功率

p3转速n3和转矩T3

若取每级齿轮的传动的效率,则

p??p???10.10?0.990.97?9.69kWn?362.2?125.76r/min? ni2.88p9.69?9550??9550?735.842N?mTn125.76p3?20212323123334.1.2求作用在齿轮上的力

因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

d4?mz4?4?101?404mm

FFFt???2T3d?42?735.8?1000?3642N404?3642?tan20?0.3639?3642??1366N

cos14?0.97rFFttan?ncos?attan??3642?tan14??908N圆周力Ft ,径向力 Fr 及轴向力Fa 的

4.1.3初步确定轴的最小直径

先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据《机械设计》?112第八版表15-3,取A0 ,于是得

dmin?pAn033?112?339.69?112?30.077?47.64mm 125.76输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径d12.为了使所选的轴直径与联轴

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ee

器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.

联轴器的计算转矩TcaKAT3, 查表考虑到转矩变化很小,故取KAN?mm?956594.6N?mm Tca?KAT3?1.3?735842??1.3 ,则:

按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000N?mm .半联轴器的孔径

d1?55mm ,故取 d1?2?50mm ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长

?84mm度L1.

4.1.4轴的结构设计

（1）拟定轴上零件的装配方案

图4-1

（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

?50mm,l12?84mm;1)根据联轴器d12为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴

?62mm段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径d2?3 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取

?84mm挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度L1,为了保证轴端挡圈只压在

?82mm半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比L1 略短一些,现取l1?2.

2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚

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ee

子轴承.参照工作要求并根据d2?3?62mm,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙

组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为d?D?T=65mm?140mm?36mm，故d3?4?d6?7?65mm ；而l5?6?54.5mm,d5?6?82mm。

?70mm3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径d4?5 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应

?85mm略短于轮毂宽度，故取l4?5 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度h?0.07d ，

?82mm?60.5mm故取h=6mm ，则轴环处的直径d5?6 。轴环宽度b?1.4h ，取l5?6。

4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取l2?3低速轴的相关参数：

功率 转速 转矩 1-2段轴长 ?40.57mm

表4-1

p3 9.69kW n T l 33125.76r/min 735.842N?m 1?284mm 1-2段直径 dl1?2 50mm 2-3段轴长 2?3 40.57mm 2-3段直径 dl2?3 62mm 3-4段轴长 3?4 49.5mm 3-4段直径 d3?4 65mm 4-5段轴长 l4?5 85mm 4-5段直径 d4?5 70mm 第18页 共40页

ee

5-6段轴长 l5?6 60.5mm 5-6段直径 dl5?6 82mm 6-7段轴长 6?7 54.5mm 6-7段直径 d6?7 65mm （3）轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5查表查得平键截面b*h=20mm?12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为

H7 ；同样，半联轴器与轴的连接，选n6用平键为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

H7。滚动轴承与轴的周向定位k64.2中间轴

4.2.1求输出轴上的功率p2转速n2和转矩T2

p??p???10.52?0.99?0.97?10.10kWn?1460r/min?362.2r/min?ni4.03

p10.10?9550?9550??263.6N?mT362.2np2?10102312012224.2.2求作用在齿轮上的力

（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：

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ee

d3?mz3?4?35?140mm

FFFt???2T2d?32?263.6?1000?3765N140?3765?tan20?0.3639?3765??1412N

cos14?0.97rFFttan?ncos?attan??1412?tan14??352N（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：

d2?mz2?3?133?399mm

FFFt???2T2d?22?263.6?1000?1321N399?1321?tan20?0.3639?1321??495N

cos14?0.97rFFttan?ncos?attan??495?tan14??123N4.2.3初步确定轴的最小直径

先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取

A?112 ,于是得：

0dmin?pAn032?112?3210.10?112?30.027?33.6mm 362.2轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径d12。

第20页 共40页

ee

图 4-2

4.2.4初步选择滚动轴承.

（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据d1?2?35mm,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d?D*T=35mm?72mm?18.25mm，故d1?2?d5?6?35mm，

l5?6?31.8mm；

（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径d2?3?45mm

l1?2?29.8mm ；齿

轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取l2?3?90mm 。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度h?0.07d，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度b?1.4h，取

l3?4?12mm。

（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径d4?5?45mm;齿轮的右端与右端轴承

之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取l4?5?51mm。 4.2.5轴上零件的周向定位

齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5查表查得平键截面b*h=22mm?14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键

第21页 共40页

ee

为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

中间轴的参数：

表4-2

功率 转速 转矩 1-2段轴长 p2 10.10kw 362.2r/min 263.6N?m 29.3mm n T l 221?21-2段直径 dl1?2 25mm 2-3段轴长 2?3 90mm 2-3段直径 dl2?3 45mm 3-4段轴长 3?4 12mm 3-4段直径 dl3?4 57mm 4-5段轴长 4?5 51mm 4-5段直径 d4?5 45mm 4.3高速轴

4.3.1求输出轴上的功率

p1转速n1和转矩T1

若取每级齿轮的传动的效率,则

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ee

p?p??10.41kW n?n?1460r/minp10.41?9550?9550??68.09N?mT1460n1d41m1114.3.2求作用在齿轮上的力

因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

d1?mz1?3?24?72mm

FFFt???2T1d?12?68.09?1000?1891.38N72?1891.38?tan20?0.3639?1891.38??709.55N

cos14?0.97rFFttan?ncos?attan??1891.38?tan14??1891.38?0.249?470.95N4.3.3初步确定轴的最小直径

先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取

A?112 ,于是得：

p10.41??112??112?dA1460n0min0313137.13*10?3?112?1.924?0.1?21.54mm

输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径d12.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.

联轴器的计算转矩Tca?KAT1 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取KA?1.3 ,则:

Tca?KAT1?1.3?68090N?mm?88517N?mm

按照计算转矩Tca 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或

手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000N?mm .半联轴器的孔径

d1?30mm ,故取

d1?2?30mm ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长

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ee

度L1?82mm.

4.4轴的结构设计

4.4.1拟定轴上零件的装配方案

图4-3

4.4.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3 段的直径d2?3?42mm ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=45mm .半联轴器与轴配合的毂孔长度L1?82mm ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端面上,故 段的长度应比 略短一些,现取l1?2?80mm.

2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据d2?3?42mm ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故

d3?4?d6?7?45mm ；而l7?8?26.75mm ，l3?4?31.75mm。

3）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为61mm，齿

轮轴的直径为62.29mm。

4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取l2?3?45.81mm。

5）轴上零件的周向定位

齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5 查表查得平键截面b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合有

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良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为

H7 ；同样，半联轴器与轴的连接，选n6H7 。滚动轴承与轴的周向定k6用平键为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为

位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

高速轴的参数：

表4-3

功率 转速 转矩 1-2段轴长 p1 10.41kw 1460r/min 68.09N?m n T l 111?280mm 1-2段直径 dl1?2 30mm 2-3段轴长 2?3 45.81mm 2-3段直径 d2?3 42mm 3-4段轴长 l3?4 45mm 3-4段直径 dl3?4 31.75mm 4-5段轴长 4?5 99.5mm 4-5段直径 dl4?5 48.86mm 5-6段轴长 5?6 61mm 5-6段直径 d5?6 62.29mm 第25页 共40页

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6-7段轴长 l6?7 26.75mm 6-7段直径 d6?7 45mm

5.齿轮的参数化建模

5.1齿轮的建模

（1）在上工具箱中单击

按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”

选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”，如图5-1所示。

图5-1“新建”对话框

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2>取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体建模环境。

图5-2“新文件选项”对话框

（2）设置齿轮参数

1>在主菜单中依次选择“工具” 2>在对话框中单击

“关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。

按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体内

容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。

图5-3输入齿轮参数

（3）绘制齿轮基本圆 在右工具箱单击

，弹出“草绘”对话框。选择FRONT 基准平面作为草绘平面，

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ee

绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。

（4）设置齿轮关系式，确定其尺寸参数

1>按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。

2>双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为d、da、db、df修改的结果如图5-6所示。

图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框

图5-6修改同心圆尺寸 图5-7“曲线：从方程”对话框 （5）创建齿轮齿廓线 1>在右工具箱中单击

按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲

线选项” “从方程” “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。

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ee

2>在模型树窗口中选择坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单

中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。

3>在记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件” “保存”选项保存设置。

图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程 4>选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTO。参照设置如图5-10所示。

曲 线1 曲 线 2

图5-11基准点参照曲线的选择 图5-10“基准点”对话框

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5>如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照，创建过两平面交线的基准轴A_1，如图6-13所示。

图5-12“基准轴”对话框 图5-13基准轴A_1

6>如图5-13所示，单击“确定”按钮，创建经过基准点PNTO和基准轴A_1的基准平面DTM1,如图5-14所示。

5

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ee

5-15基准平面对话框 5-15基准平面DTM1 7>如图5-16所示，单击“确定”按钮，创建经过基准轴A_1，并由基准平面DTM1转过“-90/z”的基准平面DTM2，如图5-17所示。

图5-16“基准平面”对话框 图5-17基准平面DTM2

8>镜像渐开线。使用基准平面DTM2作为镜像平面基准曲线，结果如图5-18所示。

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图5-18镜像齿廓曲线

（6）创建齿根圆实体特征 1>在右工具箱中单击

按钮打开设计图标版。选择基准平面FRONT作为草绘平面，

接收系统默认选项放置草绘平面。

2>在右工具箱中单击

按钮打开“类型”对话框，选择其中的“环”单选按钮，

然后在工作区中选择图5-19中的曲线1作为草绘剖面。再图标中输入拉伸深度为“b”，完成齿根圆实体的创建，创建后的结果如图5-20所示。

图5-19草绘的图

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形

ee

5-20拉伸的结果

（7）创建一条齿廓曲线 1>在右工具箱中单击

按钮，系统弹出“草绘”对话框，选取基准平面FRONT作

为草绘平面后进入二维草绘平面。

2>在右工具箱单击和

图

5-21 草绘曲线图 5-22显示倒角半径

3>打开“关系”所示，圆角半径尺寸话框中输入如图

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按钮打开“类型”对话框，选择“单个”单选按钮，使用

并结合绘图工具绘制如图5-21所示的二维图形。

对话框，如图5-22显示为“sd0”，在对5-23所示的关系式。

ee

图5-23“关系“对话框

（8）复制齿廓曲线

1>在主菜单中依次选择“编辑” “特征操作”选项，打开“菜单管理器”菜单，选择其中的“复制”选项，选取“移动”复制方法，选取上一步刚创建的齿廓曲线作为复制对象。

图5-24依次选取的 菜单

2>选取“平移”方式，并选取基准平面FRONT作为平移参照，设置平移距离为“B”，将曲线平移到齿坯的另一侧。

图5-25输入旋转角度

3>继续在“移动特征”菜单中选取“旋转”方式，并选取轴A_1作为旋转复制参照，

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ee

设置旋转角度为“asin(2*b*tan(beta/d))”，再将前一步平移复制的齿廓曲线旋转相应角度。最后生成如图5-26所示的另一端齿廓曲线。

图5-26创建另一端齿廓曲线

（9）创建投影曲线 1>在工具栏内单击

按钮，系统弹出“草绘”对话框。选取“RIGUT”面作为草绘

平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“右”，单击“草绘”按钮进入草绘环境。

2>绘制如图5-27所示的二维草图，在工具栏内单击

图5-27绘制二维草图

3>主菜单中依次选择“编辑” “投影”选项，选取拉伸的齿根圆曲面为投影表面，投影结果如下图5-28所示。

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按钮完成草绘的绘制。

ee

图5-28投影结果

（10）创建第一个轮齿特征

1>在主菜单上依次单击“插入” “扫描混合”命令，系统弹出“扫描混合”操控面板，如图5-29所示。

2>在“扫描混合”操控面板内单击“参照”按钮，系统弹出“参照”上滑面板，如图6-30所示。

图5-29 “扫描混合”操作面板 图5-30“参照”上滑面板 3>在“参照”上滑面板的“剖面控制”下拉列表框内选择“垂直于轨迹”选项，在“水平/垂直控制”下拉列表框内选择“垂直于曲面”选项，如图5-30示。

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ee

4>在绘图分度圆上的投描混合的扫引5-31示。

图5-31选取扫描引线

扫描引线 区单击选取影线作为扫线，如图

5>在“扫描混合”操作面板中单击“剖面”按钮，系统弹出“剖面”上滑面板，在上方下拉列表框中选择“所选截面”选项，如图5-32所示。

图5-32“剖面”上滑面板 图5-33 选取截面 6>在绘图区单击选取“扫描混合”截面，如图5-33所示。 7>在“扫描混合”操控面板内单击

按钮完成第一个齿的创建，完成后的特征如

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图5-34所示。

图5-34完成后的轮齿特征 图5-35“选择性粘贴“对

话框

(11)阵列轮齿

1>单击上一步创建的轮齿特征，在主工具栏中单击

按钮，然后单击

按钮，

随即弹出“选择性粘贴”对话框，如图5-35所示。在该对话框中勾选“对副本应用移动/旋转变换”，然后单击“确定”按钮。

图5-36 旋转角度设置 图5-37复制生成

的第二个轮齿

2>单击复制特征工具栏中的“变换”，在“设置”下拉菜单中选取“旋转”选项，“方向参照”选取轴A_1，可在模型数中选取，也可以直接单击选择。输入旋转角度“360/z”,如图6-36所示。最后单击齿。

3>在模型树中单击刚刚创建的第二个轮齿特征，在工具栏内单击

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按钮，完成轮齿的复制，生成如图6-37所示的第2个轮

按钮，或者依

ee

次在主菜单中单击“编辑” “阵列”命令，系统弹出“阵列”操控面板，如图6-38所示。

图5-38 “阵列”操控面板

图5-39 完成后的轮齿 图5-40齿轮的最终结

构

4>在“阵列”操控面板内选择“轴”阵列，在绘图区单击选取齿根园的中心轴作为阵列参照，输入阵列数为“88”偏移角度为“360/z”。在“阵列”操控面板内单击按钮，完成阵列特征的创建，如图5-39所示。 5>最后“拉伸”、“阵列”轮齿的结构，如图5-40所示

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致谢

本论文是在ee老师的悉心指导下完成的。e老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向e老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。感谢CAD培训中心老师的指导和帮助。

后文是被我人为屏蔽掉了，想要原版吗？小伙伴，在第2章电机选择中CAD图里找我联系方式吧

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参考文献

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