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模具设计
模具专业毕业设计说明书
设计题目:
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前言
目前,模具的设计特别是冲压模具的设计在现代化制造行业起着越来越重要的作用。
本次设计是从零件的工艺性分析开始,根据工艺要求确定设计的基本思路。
在分析冲压变形过程及冲压件质量影响因素的基础上,经过方案比较,选择复合模作为该模具工艺生产方案。
然后设计模具的工作部分,即凸、凹模的设计。
包括冲压工艺计算、工艺方案制订和冲模设计以及典型零件的工艺分析。
设计中涉及冲压变形过程分析、冲压件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲压力与压力中心计算、冲压工艺性分析与工艺方案确定、冲压典型结构、零部件设计及模具标准应用、冲压模具设计方法与步骤等。
紧接着根据模具的装配原则,完成模具的装配,装配好后,进行试冲,试冲可以发现模具设计和制造的不足,并找出原因给予纠正,并对模具进行适当的调整和修理。
用到正销定距冲孔落料复合模模具设计与制造,通过对冲压件的分析以及消化,本套模具结构比较简单。
通过对双孔冲压模具设计,对该零件进行冲压工艺分析和有关工艺计算,确定合理的冲压方案,设计冲压工序的三套模具,正确的选用标准模架,使用pro|e三维绘图软件模具三维图,对冲压结构进行工艺分析。
明确了设计思路,确定了冲压成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。
如次设计出的结构可确保模具工作运行可靠,保证了其他配件的配合。
根据三维图绘制模具二维装配图和零件图。
通过对用到正销定距冲孔落料复合模模具设计,巩固和深化了所学知识,取得了比较满意的效果,达到了预期的设计意图。
关键词:
排样,冲裁,冲压模具,模具设计,复合模具,
第一章综述………………………………………………7
第二章模具总体设计……………………………………11
一、冲压工艺分析………………………………8
二、工艺方案及模具结构类型………………………9
三、排样设计…………………………………………10
四、冲压力与压力中心的计算………………………12
五、压力机的选择……………………………………14
六、工作零件刃口尺寸计算…………………………15
七、工作零件结构尺寸………………………………18
八、有关模具设计计算………………………………20
九、非标准件的加工工艺……………………………27
总结……………………………………………………29
参考文献………………………………………………31
第一章综述
1.1本课题的概念及其背景
冲压是利用安装在冲压设备(主要是压力机)上的模具对材料施加压力,使其产生分离或塑性变形,从而获得所需零件(俗称冲压或冲压件)的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工,且主要采用板料来加工成所需零件,所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一,隶属于材料成型工程。
冲压所使用的模具称为冲压模具,简称冲模。
冲模是将材料(金属或非金属)批量加工成所需冲件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要,没有符合要求的冲模,批量冲压生产就难以进行;没有先进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素,只有它们相互结合才能得出冲压件。
机械加工及塑性加工的其它方法相比,冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下:
(1)冲压加工的生产效率高,且操作方便,易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工,普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次,高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上,而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
(2)冲压是由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度,且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
(3)冲压可加工出尺寸范围较大、形状复杂的零件,如小到钟表的秒表,大到汽车纵梁、覆盖件等,加上冲压是材料的冷变形硬化效应,冲压的强度和刚度均较高。
(4)冲压一般没有切屑料生成,材料的消耗较少,且不需其它加热设备,因而是一种省料,节能的加工方法,冲压件的成本较低。
但是,冲压加工所使用的模具一般具有专用性,有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形,且模具制造的精度高,是技术密集型产品。
所以,只有在冲压件生产批量较大的情况下,冲压加工的优点才能充分体现,从而获得较好的经济效益。
冲压在现代工业生产中,尤其是大批量生产中应用十分广泛。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件,如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。
在这些工业部门中,冲压件所占的比重都相当的大,少则60%以上,多则90%以上。
不少过去用锻造、铸造和切屑加工方法
1.2冲压的变形特点及影响因素
冲压件的变形的过程十分复杂,虽然在此不能对其进行非常准确的进行说明,但是经过前人的实践、研究表明,如果凸、凹模制件的间隙保持正常,则冲压的变形过程大致可以分为弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。
1弹性变形阶段
该段主要是指板料在凸模的压力作用下,首先产生弹性压缩、拉伸等变形。
此时凸模略微挤入板料内,板料的另一面也略微挤入凹模内,凸模端部下面的材料略有弯曲,凹模刃口上面的材料开始上翘,间隙越大,弯曲和上翘就越严重。
但此时的变形应力并没有超过材料的弹性极限,当外力消失之后,其变形量会自动恢复,影响其变形的主要因素是材料的种类既是由材料的弹性模量所决定的。
2.塑性变形阶段
当凸模继续下压,使板料变形区的应力达到塑性条件时,便进入塑性变形阶段。
这时,凸模挤入板料和板料挤入凹模的深度逐渐加大,产生塑性剪切变形,形成光亮的剪切断面。
随着凸模的下降,塑性变形程度增大,变形区材料硬化加剧,变形抗力不断上升,冲裁力也相应增大,直到刃口附近的应力达到抗拉强度时,塑性变形阶段便告终。
由于凸、凹模之间间隙的存在,此阶段中冲裁变形区还伴随有弯曲和拉伸变形,且间隙越大,弯曲和拉伸变形也大。
3.断裂分离阶段
当板料内的应力达到抗拉强度后,凸模再向下压入时,则在板料上与凸、凹模刃口接触的部位先后产生微裂纹。
裂纹的起点一般在距刃口很近的侧面,且一般首先在凹模刃口附近的侧面产生,继而才在凸模刃口附近的侧面产生。
随着凸模的继续下压,已产生的上、下微裂纹将沿着最大切应力方向不断地向板料内部扩展,当上、下裂纹重合时,板料便被剪断分离。
随后,凸模将分离的材料推入凹模洞口,冲裁变形过程便告结束。
1.3冲压材料的选择
根据冲压件的使用要求,本次设计中的垫片主要是通过冲裁的方法加工而成。
零件应具有一定的抗拉强度和塑性,并且其屈服极限不应太高。
故可以使用黑色金属作为原材料,查资料[1]附录A可知普通碳素钢和优质碳素结构钢均可以满足其使用要求。
但从生产成本上考虑,可选用普通碳素钢10为冲压材料,它的屈服强度为:
240MPa,抗剪强度为:
310~380MPa,抗拉强度为:
380Mpa~470MPa,这样可以达到降低生产成本,提高经济效益的目的。
第二章冲压模具设计
一、冲压件工艺分析
材料:
10
生产批量:
大批量
材料厚度:
2mm
图1.零件图
图2.三维零件图
1.材料:
该冲裁件的材料为10钢,是普通碳素钢,具有良好的冲压工艺性能,适合冲裁。
2.零件结构:
该零件结构简单,外形由直线和半圆组成,并在对称中心线上有两个直径为Φ27mm的圆孔,孔与孔,孔与边缘之间的距离满足要求,最小壁厚为9mm(直径为27mm的孔与边缘之间的尺寸)。
由此可以看出该零件具有良好的冲压性能。
3.尺寸精度
零件上所有未标注公差的尺寸,属于自由尺寸,可按IT14级确定工件的公差。
零件外形尺寸:
600-0.74mm,R300-0.37mm,
零件内形尺寸:
Φ17.750-0.52mm
孔心距尺寸:
60±0.37mm,
结论:
适合冲裁
二.工艺方案及模具结构类型
该零件包括落料、冲孔两个基本工序,可以采用以下三种工艺方案:
1.先落料,在冲孔,采用单工序模生产。
2.落料—冲孔复合冲压,采用复合模生产。
3.冲孔—落料连续冲压,采用复合模生产。
方案一:
模具结构简单,但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工,生产效率较低,难以满足零件大批量生产的需求。
方案二:
需一副模具,工件精度及生产效率较高,但制造难度大,并且冲压后成品件留在模具上,在清理模具上物料时会影响冲压速度,操作不方便操作。
通过对上述三种方案的分析对比,该件的冲压生产采用方案二为佳。
由工件尺寸可知,凸、凹模壁厚大于最小壁厚,为了便于操作,所以模具采用复合模、弹性卸料和定位钉定位的方式。
三、排样设计
可以采用以下两种排样方式:
一、少废料排样
二、无废料排样
由于该工件结构比较简单,无论采用方案一还是方案二都能满足要求,相比而言少废料排样比无废料排样材料利用率低,但无废料排样会加快模具的磨损,是模具寿命减少,并直接影响到工件的断面质量,所以采用少废料排样,即方案一。
排样图如下图:
冲压件的排样图
查冲压工艺与模具设计表3-7,确定搭边尺寸:
两工件件的搭边:
a=1.5mm
工件边缘搭边:
a1=1.8mm
步距为:
S=61.5mm
步距条料宽度为:
B=(D+2a1)=120+1.8X2=123.6mm
一个进距内的材料利用率为
η=nA/BhX100%
式中,A——冲裁件的面积(包括冲出的小孔在内)(mm2)
n——一个进距内冲件的数目
B——条料宽度(mm)
h——进距(mm)
A=3.14X302+60X60=6426mm2
η=1X6426/123.6X61.5X100%=84.53%
四、冲压力与压力中心的计算
1.计算冲压力的目的是为了合理选择冲压设备和设计模具。
计算冲压力:
冲压力的大小主要与材料的力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。
平刃口冲裁时,冲裁力F(N)可按下式进行计算
F=KLζt
式中:
L——冲裁件周边长度(mm)
t——材料厚度(mm)
ζ——材料抗剪强度(MPa)
K——系数,考虑到模具刃口的磨损。
模具间隙的,波动,材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素,一般取K=1.3。
一般情况下,材料的δb=1.3ζ,为了方便计算,也可以用下式计算冲裁力F(N)。
F=1.3Lζt
式中,ζ——材料的抗剪强度。
(MPa)
查手册的ζ=335Mpa要改
(1)、落料力
F=1.3Lζt=1.3X308.4X2.0X335=268616.4N=268.6KN
其中ζ按非退火10钢板计算
(2)冲孔力
F冲=1.3Lζt=1.3X2X3.14X17.75X2X335=97090.37N=97.09KN
其中,d为冲孔直径,2Xπd为两个孔圆周长之和。
(3)、卸料力
K卸=0.05(查表3-15得)
F卸=K卸F冲=268.6X0.05=13.43KN
(4)、推件力
K推=0.055
F推=nK推F冲
该模具凹模刃口形式,查《冲压手册》取h=6mm,则n=h/t=6/3=3个,但是有两个孔,所以n=6
F推=nK推F冲=6X0.055X268.6=88.63KN要改
该套模具采用弹性卸料,下出件的卸料装置。
总冲压力:
F总=F落+F冲+F卸+F推=268.6+97.09+13.43+88.63=467.75KN
2.压力中心
制件排样三维图
如上图所示,把制件的三维图在PRO/E里面画出来,通过软件里分析——模型——质量属性功能可以确定出制件的重心,如图中的白色坐标系,即重心。
五、压力机的选择
(一).压力机的选择原则
冲压设备的选择直接关系到设备的安全及生产效率,产品的质量,模具的寿命和生产成本等一系列的重要问题,冲压设备的选择重要包括设备的类型规格参数两方面的问题。
冲压设备类型的选择,主要根据要完成冲压工序的性质,生产批量的大小,冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择冲压设备类型。
1.对于中小型冲裁件,弯曲件或拉深件常采用开式曲柄压力机。
2.对于大中型和精度要求高的冲压件,多采用闭式曲柄压力机。
3.对于大型或者复杂的拉深件,常采用上传到的闭式双动拉深压力机。
4.对于大批量生产或形状复杂,批量很大的中小型冲压件应优先选用自动高速冲压机或者多工位自动压力机。
5.对于批量小,材料厚的冲压件,常采用液压机。
6.对于精冲零件最好选用专用的精冲压力机。
(二)、冲压设备规格的选择
在选择冲压设备的类型后,应进一步根据冲压加工中所需要的冲压力(包括卸料力,压料力等)变形以及模具结构形式或闭合高度,外形轮廓尺寸等选择冲压设备的规格。
1.压力机的标称压力是指压力机滑块离下止点前Fg及标称压力行程sg
标称压力是指滑块在工作行程内允许承受的最大负荷,而滑块必须在到达下止点前某一特定距离之内允许承受的标称压力,这一特定距离称为标称压力行程,标称压力行程所对应的曲柄转角称为压力角αg。
标称压力是压力机的主要技术参数。
国产压力机的标称压力已经系列化,如160、200、250、315、400、500、630、800、100、1600、2500、3150、4000、5000、6300KN等。
2.滑块行程S
滑块行程是在滑块从上止点运动到下止点所经过的距离,其值为曲柄半径的两倍。
滑块行程的大小反映出压力机的工作范围。
行程大,可压高度较大的零件,但压力机造价增大,且工作时模具的导柱,导套可能分离,影响冲件精度和模具寿命。
因此,滑块行程并非越大越好,应根据设备规格大小兼顾冲压生产时的送料、取件及模具寿命等因素考虑。
为了满足生产实际需要,有些压力机的滑块行程是可调。
3.滑块行程次数n
滑块行程次数是指滑块每分钟往复运动的次数。
如果是连续作业,它就是每分钟生产冲件的个数。
所以,行程次数越大,生产效率就越高。
但行程次数超过一定数值后,必须配备自动送料装置。
4.封闭高度H与装模高度H1
压力机的封闭高度是指滑块处于下止点位置时,滑块底面至工作台上表面之间的距离。
当封闭高度调节装置将滑块调整到最高位置时(即当连杆调至最短时),封闭高度达到最大值,称为最大封闭高度。
与此相应,当滑块调整到最低位置是(即当连杆调至最长时),封闭高度达到最小值,称为最小封闭高度(Hmin)。
封闭高度调节装置所能调节的距离,称为封闭高度调节量(ΔH)。
压力机的装模高度是指滑块处于下止点时,滑块底面至工作台垫板上表面间的距离。
显然,封闭高度与装模高度之差即等于工作台垫板的厚度T。
装模高度和封闭高度均表示压力机所能使用模具高度。
模具的闭合高度Hm,(模具闭合时,上模座的上平面至下模座下平面之间的距离)应小于压力机的最大装模高度和最大封闭高度。
(三)、压力机的其他参数
1、压力机工作台的尺寸
压力机工作台上垫板的平面尺寸应大于模具下模座的平面尺寸,并留有固定模具的充分余地,一般每边留50—70。
2、压力机工作台孔的尺寸,模具底设置的漏料孔或弹顶装置的尺寸必须小于压力机工作台孔德尺寸。
3、压力机模柄孔尺寸模柄直径必须和压力机滑块内模柄安装孔德直径相一致,模柄的高度应小于模柄安装用的孔的深度。
总上所述,选择的压力机为J23—80
J23——80的主要参数如下
型号
J23——80
标称压力/KN
800
滑块行程/mm
130
滑块行程次数/次.min-1
45
最大封闭高度/mm
380
封闭调节量/mm
90
喉深/mm
290
立柱之间距离/mm
380
工作台尺寸/mm
前后
540
左右
800
工作台孔尺寸/mm
前后
230
左右
360
直径
280
垫板尺寸/mm
厚度
100
直径
200
模柄孔尺寸/mm
直径
60
深度
100
滑块底面尺寸/mm
前后
350
左右
370
六、工作零件刃口尺寸计算
凸、凹模刃口尺寸的计算与加工方法有两种,基本上可分为两类。
1.凸、凹模分别加工是指凸模与凹模分别按各自图样上标注的尺寸及公差进行加工,冲裁间隙由凸、凹模刃口尺寸及公差保证。
这种方法要求分别计算出凸模和凹模的刃口尺寸及公差,并标注在凸、凹模设计图样上,其优点是凸、凹模具有互换性,便于成批制造。
但是受冲裁间隙的限制,要求凸、凹模的制造公差较小,主要适用于简单规则形状(圆形、方形或矩形)的冲件。
设落料件外形尺寸为D0–Δ,冲孔件尺寸为d+Δ0,根据刃口尺寸计算原则,可得:
落料时:
Dd=(Dmax-xΔ)+δd0
Dp=(Dd-Zmin)0-δp
冲孔时:
dp=(dmin+xΔ)0-δp
dd=(dp+Zmin)+δd0
式中,Dd,Dp——落料凹、凸模刃口尺寸(mm);
dp,dd——冲孔凸、凹模刃口尺寸(mm);
Dmax——落料件的最大极限尺寸(mm);
dmin——冲孔件的最小极限尺寸(mm);
Δ——冲件的制造公差(mm,若冲件为自由尺寸,可按IT14级精度处理);
Zmin——最小合理间隙(mm);
δd,δp——凸、凹模制造公差(mm),按“入体”原则标注,即凸模按单向负偏差标注,凹模按单向正偏差标注,δd,δp可分别按IT6和IT7确定,也可查表4—13,或去(1/4~1/6)Δ;
x——磨损系数,x值在0.5~1之间,它与冲件精度有关,可查表4—14或按下列关系选取:
冲件精度为IT10以上时,x=1;
冲件精度在IT11~IT13时,x=0.75;
冲件精度为IT14以下是,x=0.5。
根据上述计算公式,可以将冲件与凸、凹模刃口尺寸及公差的分布状态用图4—13表示。
从图中还可以看出,无论是冲孔还是落料,为了保证间隙值,凸、凹模的制造公差必须满足下列条件:
δd+δp≤Zmax-Zmin
如果δd+δp>Zmax-Zmin时,可以去δd=0.6(Zmax-Zmin),δp=0.4(Zmax-Zmin)。
如果δd+δp>>Zmax-Zmin,则采用凸、凹模配作方法。
应为本工件适合凸、凹模分别加工,所以凸、凹配作的方法不在阐述。
落料凹模尺寸计算:
R300-0.37mm
Dd=(Dmax-xΔ)+δd0
Dp=(Dd-Zmin)0-δp
冲裁间隙,查冲压模具与设备表3-4
Zmin=0.246mmZmax=0.360mm
Zmax-Zmin=0.360-0.246=0.114mm
磨损系数x:
x=0.75
查表3-6得,δd=0.020,δp=0.025,
计算结果:
Dd/2=[(Dmax-xΔ)+δp0]=[(60-0.75X0.114)+0.0250]/2=29.95+0.0120mm
则凸模尺寸Dp:
Dp/2=[(Dd-Zmin)0-δd]/2=[(59.91-0.246)0-0.02]/2=29.830-0.01mm
冲孔刃口尺寸计算:
Φ17.750-0.52mm
dp=(dmin+xΔ)0-δp
dd=(dp+Zmin)+δd0
磨损系数x:
x=0.75
查表4-13得,δd=0.02,δp=0.02,
计算结果:
dp=(dmin+xΔ)0-δp=(17.23+0.75X0.114)0-0.02=17.310-0.02mm
则凹模尺寸dd:
dd=(dp+Zmin)+δd0=(17.31+0.246)+0.0250=17.56+0.0250mm
当在同一个工步上冲出两个以上孔时,因为凹模磨损后孔距尺寸不变,故凹模型孔德中心距可按下式计算确定:
Ld=(Lmin+0.5Δ)±Δ/8=(59.63+0.5x0.74)±0.74/8=60±0.093mm
七、工作零件结构尺寸
(一)落料凹模板的固定方式:
凹模一般采用螺钉和销钉固定。
螺钉和销钉的数量、规格及他们的位置应可根据凹模的大小,可在标准的典型组合中查得。
位置可根据结构需要做适当调整。
螺孔、销孔之间以及它们到模板边缘尺寸,应该满足有关要求
(二)、冲孔凹模洞口的类型
冲孔凹模的孔口形式通常有如图7-3所示的几种,图中a、e为直壁形,刃口强度高,刃磨后空口尺寸不变,制造方便。
但是在孔口内易于存积工件或废料,增大了凹模的胀力,推件力和孔壁的磨损,磨损后每次的修模量大,模具的总寿命较低,此外,凹模磨损后孔口可能成倒锥,使冲成德工件或废料反跳到凹模表面上,造成操作困难。
直壁形孔孔凹模适用于冲裁精度较高、厚度较大的工件。
对于上顶出工件或废料的模具也采用此种孔口形式。
a适用于圆形或矩形工件;e适用于形状复杂的工件,b、c、d的孔口为锥形,孔口内不易于存积工件或废料,孔壁所受胀力、摩擦力小,所以冲孔凹模的磨损及每次的刃磨量小。
但刃口强度较低,且刃口的尺寸在修模后略有增大,一般用于形状简单,精度要求不高和较薄的冲裁件。
C适用于较复杂的冲裁件;d用于冲裁薄料和凹模厚度较薄的情况。
f为凸台式凹模。
适用于冲裁软而薄的金属与非金属材料,这种材料一般不淬火或淬火强度不高,35~38HRC,可以用手锤敲打凸台斜面以调整模具间隙,直到试冲出满意的冲压件为止。
而根据上述分析,本模具采用a为合理。
(三)、凸、凹模的固定方法和主要技术要求
凸、凹模一般采用压入的方法固定,有时候采用螺钉和销钉固定,螺钉和销钉的数量、规格及他们的位置应可根据凹模的大小,可在标准的典型组合中查得。
位置可根据结构需要作适当的调整。
螺孔、销孔之间以及它们到模板边缘尺寸,应满足有关要求。
凹模洞孔轴线应与凹模顶面保持垂直,上下平面应保持平行。
型孔的表面有粗糙度的要求,Ra=0.8~0.4μm。
凹模材料选择与凸模一样,但热处理后的硬度应略高于凸模。
因此,根据这些条件可知固定方式为整体式或者组合式直接连接。
(四)、冲孔凸模尺寸计算:
凸模长度计算:
Lt=h1+h2+h3+h4
=40+24+23+0.5
=87.5
其中:
h1——凸模固定板厚度
h2——卸料板厚度与料厚
h3——凸模固定板与卸料板之间距离
h4——进入凹模的深度
凸模强度校核:
该凸模不属于细长杆,强度足够。
凸模的零件图如下:
(五)、凸模的固定方式:
平面尺寸比较大的凸模,可以直接用销钉和螺栓固定,中、小型凸模多采用台肩、吊装或铆接固定.对于有的小凸模还可以采用粘结固定,对于大型冲模中冲小孔的易损凸模,可以采用快换凸模的固定方法,以便于修理和更换,凸模与凸模固定板压配,并借助与螺栓紧固定位在上模座上,适应与中小尺寸圆形凸模上。
(刃口尺寸形状不对称时,凸模和凸模固定板之间应有防转销)
八、有关模具设计计算:
(一)、卸料弹簧选择
根据卸料力13.43KN采用4个弹簧,此时每个弹簧负担的卸料力为3.357KN的压力。
冲裁时卸料板的工作行程h2=(t+1)=4mm:
考虑凸模的修模量h3=15mm:
弹簧的预压缩量为h1:
故弹簧总压缩量为:
H=h1+h2+h3=h1+(4+15)=h1+19mm
考虑卸料板的可靠性,取弹簧在预压缩量为h1时就有3.357KN的压力,初选弹簧钢丝直径为D=2mm,弹簧中径D2=16mm,工作极限负荷Fj=144.3kN;自由高度h0=36mm,工作极限负荷下变量h1=17.7mm
该弹簧在预压量h1时,卸压力达3.357KN,即
h1=Fthj/Fj=8.3mm
故H2=(8.3+8.5)=16.8<17.7mm)能满足要求。
弹簧装配高度:
H2=h0-h1=36-8.3=27.7mm
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