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轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计

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轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计

摘要随着轴承工业的迅速发展,对轴承的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中的一项关键因素,而车床的进给机构直接影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此,随着对轴承质量要求的不断提高,需要更加精密高效的车床进给机构。本文是根据轴承厂轴承内外圈加工生产线项目的改造要求设计的,针对人工控制机床的进给加工,加工效率低,生产出的零件精度难于控制的问题,设计一套此车床的半自动进给机构,代替传统机床的人工操作,提高生产效率,提高零件的精度。论文根据轴承内外圈加工设备加工时进给的特点,对其纵向进给机构进行合理的设计。设计出利用液压驱动,前、后调节机构调节进给量的纵向进给机构。本文先对液压驱动系统、导向机构、前调节机构、后调节机构进行设计,确定具体尺寸。利用UG软件对纵向进给机构进行三维建模,并进行虚拟装配。然后对装配图在UG运动仿真界面进行运动仿真,分析仿真结果,得出相应结论。最后对纵向进给系统进行优化设计,提高其稳定性、可靠性。使其能满足轴承厂生产线繁重的工作。关键词进给机构UG虚拟装配运动仿真AbstractWiththerapiddevelopmentofbearingindustry,theworkingaccuracy,efficiencyandreliabilityofbearinghavebeenputforwardhigherrequirements.Aessentialfactorofbearingprocessisthedimensionalaccuracy,however,thefeedingsystemofmachinetoolsdirectlyaffectsthedimensionalprecisionofbearingringprocess.Therefore,withtheconstantimprovementofbearingsqualityrequirements,itisnecessaryforthefeedingsystemofmachinetoolstobecomemorepreciseandefficient.Thispaperisbasedontherequirementsofbearinginnerandouterringprocessproductionlineprojectinbearingfactory.Astheprocessefficiencyislowbythemanualcontrolofthemachinefeedprocessandtheprecisionofthepartsproductionisdifficulttocontrol.Thispaperdesignsalatheofsemiautomaticfeedmechanismtoinsteadofmanualoperationofconventionalmachines,inordertoimproveproductionefficiencyandthepartaccuracy.Thispaperhasareasonabledesignofverticalfeedmechanismwhatisbasedonthecharacteristicoffeedprocessingbybearinginnerandouterringsprocessequipment.Theaimofthispaperisdesigningalongitudinalfeedmechanismthroughusinghydraulicdrive,beforeandaftertheverticalregulatingmechanismadjustthefeed.Thepaperdevisesaprocessequipmentwhatisusinghydraulicdriveandbeforeandaftertheadjustmentmechanismtoadjustthefeedrateandafterthatidentifiesaspecificsize.ThispaperusesUGsoftwareforproceeding3Dmodelingoflongitudinalfeedmechanismandvirtualassembly,afterthatcarriesoutonthemotionsimulationbyassemblydrawingsinUGmotionsimulationinterfaceandanalysisofthesimulationresults,andultimatelyobtainsthecorrespondingresults.Finally,thepaperoptimizesthedesignforthelongitudinaloffeedsystem,improvingthestabilityandreliability,whichisformeetingheavyworkoftheproductionlineinbearingfactory.KeywordsfeedmechanismUGvirtualassemblymotionsimulation目录摘要..............................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................................II目录...........................................................................................................................................III1绪论.............................................................................................................................................11.1课题来源,研究内容和意义...............................................................................................11.2轴承与轴承圈.......................................................................................................................11.2.1轴承................................................................................................................................11.2.2轴承圈............................................................................................................................21.3国内外发展概况...................................................................................................................21.4本课题主要内容...................................................................................................................32纵向自动进给机构设计.............................................................................................................42.1现有机构及生产要求的分析...............................................................................................42.2整体设计方案及思路...........................................................................................................52.3纵向进给机构各部分的设计与计算...................................................................................62.3.1纵向进给机构外形轮廓确定........................................................................................62.3.2导向机构设计................................................................................................................72.3.3驱动装置的选取............................................................................................................92.3.4前调节机构设计..........................................................................................................122.3.5后调节机构设计..........................................................................................................122.4本章小结.............................................................................................................................133基于UG的进给机构三维建模与装配....................................................................................143.1UG软件简介.......................................................................................................................143.1.1UG软件特点................................................................................................................143.1.2UG软件设计流程........................................................................................................143.1.3UG软件的应用范围....................................................................................................143.1.4UG软件设计的意义....................................................................................................153.2纵向机构的三维建模.........................................................................................................153.2.1纵向底板的建模..........................................................................................................153.2.2纵向燕尾板建模..........................................................................................................163.2.3刹铁的建模..................................................................................................................163.2.4纵向台面板的建模......................................................................................................173.2.5油缸的建模..................................................................................................................193.2.6前调节机构的建模......................................................................................................193.2.7后调节机构的建模......................................................................................................203.3纵向进给机构的装配.........................................................................................................203.4本章小结.............................................................................................................................234纵向自动进给机构的运动仿真...............................................................................................244.1UG运动仿真简介...............................................................................................................244.1.1UG运动仿真主界面....................................................................................................244.2运动仿真的流程.................................................................................................................254.3创建连杆.............................................................................................................................264.4创建运动副.........................................................................................................................274.5创建驱动及3D接触.....................................................................................................294.6本章小结.........................................................................................................................355总结与展望...............................................................................................................................365.1总结.....................................................................................................................................365.2不足及展望.....................................................................................................................36致谢...........................................................................................................................................37参考文献.......................................................................................................................................38轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计1绪论1.1课题来源,研究内容和意义本课题来源于无锡迪克机械对轴承生产线改造项目。本论文的主要内容包括根据迪克机械实际技术要求和生产设备,提出轴承内外圈加工专用机床的结构方案,并且对每个零部件进行设计。对轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构进行设计,并用UG软件进行建模。对轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构进行虚拟装配。对装配体做基于UG的运动仿真分析,检查本设计方案及其模型的合理性。轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构作为自动化生产线更新项目的一部分,提供多机床看管的可能性,并可以代替精度要求高或重复的工作,因此大大提高了生产效率。轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构在生产过程中,工人手动对刀,手动控制进给量,重复单调。发生生产事故或者使加工零件报废一般发生在工人长时间重复单一动作的的时候。为了改善工作环境,降低工人的劳动强度。提高生产效率和零件的精度。轴承内外圈加工专用机床自动纵向进给机构的研制使其能真正代替人工工作。工人只要按动按钮。此机构的工作方式使其能实现一人多机操作可以使大量工人从中解放出来提高了加工精度降低了企业生产成本使企业更加有竞争力1.2轴承与轴承圈1.2.1轴承轴承广泛应用于机械工业的基础传动元件,其加工质量直接影响其传动性能。它具有加速快,摩擦小等特点,对其制造的主机性能的影响程度。由于其独特的传动性能,使其在国民经济的各个领域得到广泛应用。轴承的种类主要分为一下几种1.角接触球轴承角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大,轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15度接触角。在轴向力作用下,接触角会增大。2.深沟球轴承深沟球轴承是滚动轴承中最为普通的一种类型。基本型的深沟球轴承由一个外圈,一个内圈、一组钢球和一组保持架构成。深沟球轴承类型有单列和双列两种,单列深沟球轴承类型代号为6,双列深沟球轴承代号为4。其结构简单,使用方便,是生产最普遍,应用最广泛的一类轴承。3.四点接触球轴承四点接触球轴承是一种分离型轴承,也可以说是一套轴承可承受双向轴向载荷的角接触球轴承。其内、外圈滚道是桃型的截面,当无载荷或是纯径向载荷作用时,钢球和套圈呈现为四点接触,这也是这个名称的由来。四点接触球轴承可以承受径向负荷、双向轴向负荷。无锡太湖学院学士学位论文4.调心球轴承由于外圈滚道面呈球面,具有自动调心性,因此可以补偿不同心度和轴挠度造成调心球轴承成的误差,圆锥孔轴承通过使用紧固件可方便地安装在轴上。5.圆柱滚子轴承圆柱滚子与滚道为线接触轴承。负荷能力大,主要承受径向负荷。滚动体与套圈挡边摩擦小,适于高速旋转。径向负荷能力大,即适用于承受重负荷与冲击负荷,也适用于高速旋转的机构,大多用于机床主轴。6.圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承属于分离型轴承,轴承的内、外圈均具有锥行滚道。该类轴承按所装滚子的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承等不同的结构型式。单列圆锥滚子轴承可以承受径向负荷和单一方向轴向负荷。当轴承承受径向负荷时,将会产生一个轴向分力,所以当需要另一个可承受反方向轴向力的轴承来加以平衡。。7.调心滚子轴承调心滚子轴承具有两列滚子,主要承受径向载荷,同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力,特别适用于重载或振动载荷下工作,但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形,故其调心性能良好,能补偿同轴度误差。8.推力球轴承推力球轴承采用高速运转时可承受推力载荷的设计,由带有球滚动的滚道沟的垫圈状套圈构成。由于套圈为座垫形,因此,推力球轴承被分为平底座垫型和调推力球轴承hheey心球面座垫型两种类型。另外,这种轴承可承受轴向载荷,但不能承受径向载荷。1.2.2轴承圈所谓轴承圈就是用来定位轴承滚子位置的一个装置,通常是钢制的,其作用是1.将滚动体固定在轴承圈内2.引导并带动滚动体在正确的滚道上滚动轴承圈的加工直接影响轴承的好坏,而且纵向进给机构又是直接决定轴承圈质量的主要因素。1.3国内外发展概况新中国成立后,轴承工业进入了高速发展时期特别是改革开放以后。轴承是标准件,是全球互换产品,因此轴承行业的市场竞争不仅是本土市场,永远是国际市场。中国是全球轴承大国,但还不是轴承强国。轴承生产中纵向进给机构的好坏直接影响轴承的精度和质量的好坏。进给机构两大主要组成部分为是驱动系统和导向系统。这两部分的发展情况直接决定进给机构的发展水平。这两部分的发展情况如下。常用的导轨结构有三种滚动导轨、静压导轨和金属塑料滑轨。金属金属滑轨。滑动导轨运动时会出现爬行现象,由于其动静摩擦系数相差较大。运用高耐磨的聚四氟乙烯和金属为摩擦副的贴塑导轨,可以基本消除导轨运动时的爬行现象因为其动静摩擦系数相差较小。摩擦系数较的是以滚动代替滑动的滚动导轨,滚动导轨通过施加预负荷来消除间隙提高刚性,实现没有爬行的运动。摩擦系数最小的是靠压力油把动静导轨分离开来的轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计静压导轨,静压导轨运动灵敏,是目前精度最高的一种导轨。作为进给系统的一部分机电驱动的技术水平已发生了重大变化。油缸推坡道杠杆机构的第一代,使用步进电机凸轮杠杆机构的第二代使用步进电机谐波减速器滚珠丝杠机构的第三代进给机构,采用交流伺服电机滚珠丝杠机构的最新一代进给机构。第一代用油缸推动斜面,斜面驱动杆摆动,以实现托盘的进给。通过调节斜面角度和液体流速来实现进给速度的调节。第二代使用凸轮代替斜面使用步进电机带动凸轮旋转步进电机驱动的凸轮的旋转。第三代使用步进电机带动谐波减速器,谐波减速器带动滚珠丝杆实现进给2。1.4本课题主要内容本课题主要内容包括1.对实际生产和要求进行分析,制定出可行的机构设计方案2.对机构的零件进行设计3.对设计出的结构进行三维建模4.对三维模型运动仿真,对仿真结果进行分析轴承内外圈在加工过程中轴主要以人工控制加工为主,由工人的动控制进给量。发生生产事故或者使加工零件报废一般发生在工人长时间重复单一动作的的时候。为了改善工作环境降低工人的劳动强度提高生产效率和零件的精度。轴承内外圈加工专用机床自动纵向进给机构的研制使其能真正代替人工工作。工人只要按动按钮。此机构的工作方式使其能实现一人多机操作可以使大量工人从中解放出来提高了加工精度降低了企业生产成本使企业更加有竞争力无锡太湖学院学士学位论文2纵向自动进给机构设计2.1现有机构及生产要求的分析轴承套圈的车削加工是轴承生产中的一道重要工序,由于轴承热处理前、后均需加工,工作量大,尤其是对于小型及微型轴承,对尺求极为严格。一般轴承套圈精加工是通过车床进给机构的径向和轴向进刀来完成。依照满足大批量、高精度、高效率和低成本的原则,对现有车床结构进行改造。现有车床的夹紧及进给机构如图2.1所示。轴承套圈的夹紧和定位是通过弹簧夹头来完成,为了完成对轴承套圈的车削加工,使用大托板控制径向进给和小托板控制轴向进给来实现刀架及车刀的移动。其加工过程为用弹簧夹头将待加工轴承套圈夹紧转动大托板调节丝杠手轮,调节大托板至合适位置,使装在刀架上的车刀沿径向接近套圈旋转小托板调节丝杠手轮,带动小托板及刀架上的车刀沿轴向靠近套圈,并车削至工艺要求尺寸,完成套圈的车削加工然后反向旋转小托板丝杠,使车刀离开已加工套圈松开弹簧夹头,卸下已加工套圈,完成一个套圈的一个车削加工。此加工过程中,为了保证套圈上、下料有足够的空间,小托板离开套圈加工区域要有足够距离。因此,在套圈装卸时小托板要尽量向右移动,然而小托板丝杠的螺距比较小,需要旋转很多圈才能达到要求。虽然此加工方法能够满足轴承套圈的工艺尺寸要求,但劳动强度大、加工时间长、效率低,不能满足批量生产的要求。轴承圈一般是在在常温下切割无缝管,然后通过车削导槽和端面而成。轴承圈的加工工艺过程主要有剪料按加工要求计算毛胚尺寸并在龙门剪床上剪切所需的管材。车滚子导槽在车床上采用专用夹具夹紧轴承圈,用专用刀具车削导槽。车端面在车床上采用专用夹具夹紧轴承圈,车削端面,一般0.30.5mm。轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计图2.1大、小托板螺旋进给机构示意图2.2整体设计方案及思路本设计采用大、小托板螺旋进给机构为设计原型,旋转扳手控制进给和退刀的方法虽然能够满足轴承套圈的工艺尺寸要求,但劳动强度大、加工时间长、效率低,不能满足批量生产的要求。本设计中使用液压驱动如图2.2所示,用前、后调节丝杆来调节机构的进给量和退刀量,在前、后丝杆调节机构中,都加入感应铁,起到开关的作用。工作时先调节好前、后调节丝杆到达需要的位置,然后液压缸推动台面板运动,台面板到达指定位置,触动开关,开关将信号传递给PLC控制系统,对机构进行控制。图2.2机构总设计方案简图轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构的整体设计思路可以用如图2.3所示的框图形式直观的表达。无锡太湖学院学士学位论文图2.3总体设计思路图轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构的的工作由两部分组成,首次加工一个尺寸的轴承圈时,工人根据待加工轴承圈需要加工的尺寸调节前、后调节丝杆,调节进给的的位置和进给量,调节好后,PLC控制进给运动,对工件进行切削加工。在下面的论文中将对方案中将对各部分进行具体分析和设计计算,做出一套真正能够代替人工操作的高效纵向进给机构。2.3纵向进给机构各部分的设计与计算2.3.1纵向进给机构外形轮廓确定目前,迪克机械生产的轴承圈加工机床的主要生产设备主要采用迪克机械有限公司制造的DK204高速车床,如图2.4所示其详细参数如表21所示。它是降低成本,提高加工精度,提高生产率的理想母机。电气采用PLC控制。表21轴承内外圈加工专用机床主要技术数据项目要求最大工件回转直径90mm最大车削长度50mm中心高180mm主轴头行程10mm主轴锥孔安装基准孔100mm主轴孔径30mm主轴转速范围12001700机床轮廓尺寸12005501760主轴线与机床边缘间距275mm轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计续表21项目要求主轴箱距地面高度1046mm床头箱长度327mm加工直径Φ15mmΦ72mm加工宽度3mm40mm图2.4DK204车床由表21可知,DK204车床机床轮廓尺寸为12005501760mm,需要加工轴承圈直径为范围Φ15mmΦ72mm,纵向进给机构长度应在550mm以内,又根据油缸长度为174mm,留一部分距离给调节丝杆,所以确定底板长度311mm,油缸高和宽为110110mm,考虑到安全空间和可靠性等因素,所以确定底板宽和高为120150mm。2.3.2导向机构设计针对轴承圈套的加工批量大,导向机构需要高速、稳定、长时间的运动,设计出一套轴承圈加工专用导向机构。其中C形导向槽如图2.5所示,其左端为4个螺纹孔,通过螺栓与刹铁连接,将刹铁和导轨压紧。梯形导轨机构如图2.6所示。导向机构机构的配置不同以及导轨的截面形状不同,其摩擦阻力不同。其摩擦力的计算要根据具体的情况确定。本纵向进给机构采用的导轨截面形状为梯形,导向机构安装在油缸的后部,起到导引作用。导向装置的摩擦阻力在机构启动时比较大,计算如下fmg(2.1)式中f摩擦力摩擦系数m质量无锡太湖学院学士学位论文g重力加速度已知QT450摩擦系数为0.3,台面板及刀架质量约为15kg。由公式(2.1)得10.3151045fmgN预紧力100FN21343sin600.31002621sin3010050250cos3025326cos301334525313366fFNFFNfNfN总图2.5C型导向槽轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计图2.6梯形导轨2.3.3驱动装置的选取选择什么样的驱动装置,需要考虑成本、控制功能、稳定性、性能规范、工作要求、运动的功耗、维护的复杂程度和及现有条件等综合因素。目前,有三种类型的驱动可以选择,分别为气压驱动、液压驱动、电力驱动。1.电力驱动具有的特点为了达到调速的目的,可以通过控制脉冲频率来调节电动机转动的加速度和速度来实现。因为误差不会长期积累所以控制性能好。电力驱动使用方便和低成本都是其他方式无法比拟的。而且它还是一种无污染的清洁能源。与其它驱动相比,电力驱动是通用性与系统性最强的。2.气压驱动的特点气压传动没有传动介质成本,因为其使用取自大气的压缩空气。所用的气体直接排入大气中,不对环境造成污染配套元件的制造精度和元件材料的要求较低,因为压缩空气的工作压力较低因为空气的黏度很小,在管道内流动压力损失比液体小,所以进行远程传输和集中供应更方便容易使用、安全、维护简单。3.液压驱动的特点有功率质量比大,也就是说,在相同的功率下,液压装置的质量小、体积小、工作平稳、无级调速。在实现系统的自动控制和远程操纵方面,可通过电器装置配合达到过载保护和方便标准化、系列化程度比较高,通用性好,便于选择使用,缩短设计、制造周期1。由于本机构的运动为高速重载,而且留给该进给机构的空间有限,最终选用液压驱动是合理的,可行的,经济的,可靠的。根据已知条件,切削进给力为730N,导向机构摩擦力为66N。所以选用工作最大负载900FN,工作压力1.5PMpa可得1.液压缸内径D和活塞杆直径d的确定已知900FN,1.5PMpa无锡太湖学院学士学位论文4FDP(2.2)式中D直径F负载力P工作压力由公式(2.2)得44900281.5106FDmmP根据实际生产要求油缸内径选用80mm则2223.1480502644DAmm故必须进行最小稳定速度的验算,要保证液压缸工作面积A必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin又minminminqAV(2.3)式中qmin流量阀的最小稳定流量,由设计要求给出Vmin液压缸的最小速度,由设计要求给出由式(2.3)得2336min/minminminmin1250min/102.1min/105.18.02mmmmmmLVqAm故取D80mm,保证了AminA2.液压缸活塞杆直径d的确定由已知条件取d25mm。45钢的屈服强度MPas355按强度条件校核4Fd(2.4)式中d直径F负载力屈服强度由公式(2.4)得33314490010102.5103552Fd所以符合要求。轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计3.液压缸壁厚的确定液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知,承受内压力的圆筒,其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计按照薄壁圆筒设计,采用无缝钢管其壁厚按薄壁圆筒公式计算为2DPy(2.5)式中P承受的压强D直径壁厚拉伸应力由公式(2.5)得pypypppp5.15.125.1,取MPapy4.26.15.1100110Mpa(无缝钢管),取100Mpa2.1630.662100mm由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小,使缸体的刚度不够,如在切削加工过程中的变形,安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚5mm4.缸体外径尺寸的确定缸体外径尺寸的计算缸体外径128020.6681.32DDmm查机械手册表外径1D取90mm5.缸盖厚度的确定缸盖有效厚度按强度要求可用下式进行近似计算3.754.51000.4330.433806.707.34PtDmm(2.6)式中D缸盖止口内径mmT缸盖有效厚度mmT≥6.7mm6.最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时,从缸盖滑动支承面中点到活塞支承面中点距离为H,称为最小导向长度。导向长度直接决定液压缸的初始挠度,如果导向长度过小,将影响液压缸的稳定性,所以在设计时需要保证有适合的最小导向长度。无锡太湖学院学士学位论文对一般的液压缸,最小导向长度H应满足208041202202LDHmmmm(2.7)式中L液压缸的最大行程mmD液压缸内径mm取H50mm7.缸体长度确定活塞的行程与活塞宽度的和应等于液压缸缸体内部的长度。缸体外部尺寸还需要考虑到两端端盖的厚度,一般液压缸缸体的长度不应该大于缸体内径D的2030倍。即缸体内部长度302050mm缸体长度≤203016002400Dmm()()由于本次设计机构安装平台大小的限制和实际生产的需求所以取缸体长度为106mm。2.3.4前调节机构设计前调节机构在纵向进给机构中起到控制进给量和退刀量的作用。该机构主要由调节丝杆和纵向调节螺母组成。调节丝杆直接控制进给量和退刀量,该丝杆表面螺纹取M201.5,长度取113mm。纵向调节螺母是在丝杆调节好后,起到丝杆进行固定的作用,其作用与对顶螺母相同,在对顶拧紧后,使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。工作载荷有变动时,该摩擦力仍然存在。该调节螺母外径为Φ40mm,内径为M201.5的螺纹孔,长度为20mm。螺母外圈上打4个Φ8mm的螺纹孔,安装调节杆。起到方便调节的作用。2.3.5后调节机构设计针对轴承圈套的加工批量大,后调节机构需要适应长时间,稳定的工作,设计出一套轴承圈加工专用后调节机构。该机构地位部分的设计与前调节机构设计相似,丝杠套的具体尺寸如图2.7所示,调节螺母与前调节螺母尺寸相同。为了更好的控制运动,在本机构中融合了一个开关,当台面板运动到距离丝杆套2.5mm处时,会撞击顶杆,顶杆撞击感应铁,控制电路中构成回路,反馈给PLC系统,由控制系统引导后面的工作,台面板后退后,顶杆和感应铁在弹簧的作用下回复原位。顶杆长度为83.5mm,顶杆前端长度为44.5mm直径为Φ,中部长度为9mm直径为Φ12mm,后端长度为30mm直径为Φ6mm。由于顶杆的质量很小,所以在移动时所受的摩擦力与液压缸的推力相比微乎其微,所以在弹簧的选择时,只要弹簧能推动顶杆复位。由以上材料和数据,所以选择弹簧的外圈直径为Φ12.5mm长度为41mm。

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