CN103817965A - 一种麦克纳姆辊轮的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麦克纳姆辊轮的加工方法，包括如下步骤：a)加工形成中空的辊芯；b)在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层；c)对聚氨酯胶层进行切削加工，使得聚氨酯胶层的外轮廓线和辊芯的外轮廓线相一致。本发明提供的麦克纳姆辊轮的加工方法，聚氨酯胶层通过包胶的方式包裹在辊芯外，并对辊芯和胶层分别切削加工，辊轮外形曲线与辊芯近相似，使得胶层厚度均匀一致，在大冲击载荷下移动，辊轮受力会均匀，胶层的弹性形变也会稳定一致，使得辊轮的寿命得到延长；并且车轮轴线与地面的距离可以保持一致，从而防止车体的非线性扭动，大大提高大冲击载荷下移动的平稳性和精度。

Description

一种麦克纳姆辊轮的加工方法

技术领域

本发明涉及一种辊轮加工方法，尤其涉及一种麦克纳姆辊轮的加工方法。

背景技术

麦克纳姆轮是一种全方位移动车轮，世界众多大学、研究机构和公司进行应用开发和再发明，应用领域涉及全方位移动的叉车、搬运车、轮椅、弹药运输车、移动机器人等，尤其是精密装配和对接平台。

采用全方位移动技术后，可以显著提高搬运效率和灵活性、减小货物存储空间20%～３０%、尤其对于狭小空间移动物体，具有不可取代的作用。目前，成功的应用例子有美国AirTrix公司的Sidewinder全方位移动叉车、COBRA全方位移动升降机、MP2全方位搬运拖车、全方位弹药转载机；卡内基梅隆大学的全方位机器人、美国Ominx公司的全方位移动轮椅、喷气发动机全方位移动托架等产品。包括我国在内的世界众多大学也开展了麦克纳姆轮的应用和控制研究，但是多集中在移动机器人方面的应用研究，但形成产品的很少。中国申请号：201010611789.6，发明名称：电动全方位移动车的专利文献公开了一种利用麦克纳姆轮作为运动轮的车辆，但在涉及路面不平（有凹凸坑）情况时，如何保证车辆按规定轨迹行驶没有提供技术手段。

麦克纳姆辊轮是麦克纳姆轮的关键零件，在支撑较大载荷条件下，辊轮表面有较大的接触变型，由于辊轮表面既有滚动摩擦，又有滑动摩擦，故辊轮表面极易磨损，进而导致麦克纳姆辊轮工作失效。目前，现有辊轮的结构和加工方法不够合理，主要问题如下：

1、浇铸成型法包覆聚胺脂工艺的缺陷

现有的轮辊胶层成型加工采用模具注塑一次成型的方式。具体为：将加工好的辊芯放入根据成品辊子外轮廓制作的模具中，然后浇注成形即可。因为浇注内应力、冷却速度和聚氨酯收缩等问题，外轮廓的精确性不可能达到要求，也不能保证辊芯和胶层的同心度（辊芯放入模具本身就很难保证同心度），这对需要高精度的辊子的麦克纳姆轮来说，是很致命的。

2、圆柱型辊芯的不足

在辊子的加工方法中，也有人采用了圆柱型的直辊芯，该结构辊子中部胶层的厚度t和末端胶层的厚度t`是不一样的。这种方法的弊端就在于，辊子承受载荷时，胶层的形变沿着轴向由两端到中心会产生非线性变化，所以胶层的内应力也会使得整个胶层沿着轴向由中心向两端产生形变，这必然会导致麦克纳姆轮轴与地面的高度产生非线性变化，并使车体产生非线性扭动，还会导致胶层开裂。因此，有必要对现有的麦克纳姆辊轮结构及其加工方法进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种麦克纳姆辊轮的加工方法，兼具刚性结构和弹性形变，能够防止车体的非线性扭动，避免辊芯外胶层开裂，从而大大提高大冲击载荷下移动的平稳性和精度。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种麦克纳姆辊轮的加工方法，包括如下步骤：a)加工形成中空的辊芯；b)在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层；c)对聚氨酯胶层进行切削加工，使得聚氨酯胶层的外轮廓线和辊芯的外轮廓线相一致。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤a)包括如下过程：a1)提供纺锤形坯料工件夹紧后进行粗车加工；a2)对坯料工件表面通过淬火和高温回火进行调质，调质硬度为HB280～300；a3)夹紧坯料工件外圆，在保证内孔同心度和孔径尺寸的前提下精车内孔；a4)将坯料工件固定在车床夹具上，利用前后定位销固定后精车外轮廓线形成中空的辊芯。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤b)中在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层前还包括对辊芯表面进行喷砂处理。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤b)中在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层前还包括如下的辊芯表面处理过程：用短而硬的毛刷在辊芯表面沿一个方向均匀地涂粘合剂后晾干。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述粘合剂的涂抹遍数为2～3次。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤b)包括如下过程：b1)配制胶液；b2)将辊芯放入模具中心，将胶液浇注到模具中后固化形成聚氨酯胶层；b3)在100～200℃下成型硫化60～120min后脱模；b4)采用抛光或研磨方法除去辊芯和聚氨酯胶层接触间隙处剩余料边。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤b1)中胶液配制过程如下：将甘油加入到聚四亚甲基二醇中，加热至150～170℃，真空下脱水1～2小时，再加热至150～170℃，真空下脱水，如此反复三次，待温度降至40～60℃时，加入甲苯二异氰酯、三乙醇胺、乙醇、丁二醇、太白粉，搅拌2～3小时，并保持温度在80°C，进行真空脱泡，之后加入3,3’-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷，胶液配制完毕。

上述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其中，所述步骤c)采用白钢刀对聚氨酯胶层进行切削加工。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的麦克纳姆辊轮的加工方法，聚氨酯胶层通过包胶的方式包裹在辊芯外，并对辊芯和胶层分别切削加工，辊轮外形曲线与辊芯近相似，使得胶层厚度均匀一致，在大冲击载荷下移动，辊轮受力会均匀，胶层的弹性形变也会稳定一致，使得辊轮的寿命得到延长；并且车轮轴线与地面的距离可以保持一致，从而防止车体的非线性扭动，大大提高大冲击载荷下移动的平稳性和精度。

附图说明

图1为本发明麦克纳姆辊轮的辊芯加工示意图；

图2为本发明麦克纳姆辊轮的辊芯结构示意图；

图3为本发明包胶后的麦克纳姆辊轮结构示意图；

图4为本发明麦克纳姆辊轮的胶层加工示意图；

图5为加工后本发明麦克纳姆辊轮的结构示意图。

图中：

1车床三角卡盘    2第一定位销    3辊芯

4第二定位销      5车床顶针      6刀具

7聚氨酯胶层

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明提供的麦克纳姆辊轮的加工方法包括如下步骤：

a)加工形成中空的辊芯

对辊芯的具体加工分为如下过程：

a1)提供纺锤形坯料工件夹紧后进行粗车加工；

a2)对坯料工件表面通过淬火和高温回火进行调质，调质硬度为HB280～300；

a3)夹紧坯料工件外圆，在保证内孔同心度和孔径尺寸的前提下精车内孔；

a4)将坯料工件固定在车床夹具上，利用前后定位销固定后精车外轮廓线形成中空的辊芯。如图1所示，待加工的辊芯3通过第一定位销2和车床三角卡盘相抵，通过第二定位销4和车床顶针5相抵后高速旋转，通过刀具6切削加工，得到图2所示的辊芯。

b)在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层

1.辊芯表面处理

由于在辊芯表面有许多的污垢、灰尘、油脂、水、锈及其它有机或无机污染物，影响粘合剂的湿浸润。因此为了提高粘接强度，用机械、物理、化学等方法清洁、粗糙、活化被粘物表面，改变表面性质，以利于粘合剂的良好浸润，牢固粘接，而且能够提高辊芯的耐久性和使用寿命。经过表面处理，能使辊芯表面变成一种具有高表面能、高活性和高有效面积的被粘表面。本发明采用喷砂处理的方法清除表面不利于胶接的有机或无机物，给表面提供适当的粗糙度，增加有效粘接面积，改善粘合剂对被粘物表面的浸润性，改善粘附性能。

2.清洗：用刷子清理表面处理后的辊芯。然后使用清洗剂清除表面污物。清洗后一定要有必要的晾干时间，否则由于溶剂残留在粘胶面上而影响粘接强度。

3.涂粘合剂：

(1)用短而硬的毛刷在充分干燥的辊芯表面沿一个方向均匀地涂粘合剂。由于金属表面容易吸附空气，为了防止包裹空气而使涂层产生气泡或气孔，应朝一个方向移动。涂粘合剂速度不能太快，以利于空气的排出。涂粘合剂的遍数一般金属为两遍。

(2)溶剂型粘合剂涂胶后有晾置过程，晾置的主要目的使溶剂挥发，粘度增大，促进化学结晶反应。晾置时间不能过长也不能太短，晾置的环境应通风良好、清洁、干净、空气干燥。

4.浇注：

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称。聚氨酯橡胶的硬度范围较宽，低至邵尔A10以下的低模量橡胶，高至邵尔D85的高抗冲击弹性材料，其弹性模量可高达数百兆帕，大大超出了其它橡胶的弹性模量范围（约0.2～l0MPa)，所以聚氨酯橡胶的性能范围很宽，是介于从橡胶到塑料的一类高分子材料。本发明采用的是聚氨酯NDI系列，该类的主要特点是耐温型比较好，在零下20℃～高温120℃；耐磨性能好，划不伤，无噪音；使用寿命长，减少成本；聚氨酯产品无污染，无毒无味。

具体性能参数：

具体配制和浇注方法如下：

b1：配制胶液：将甘油加入到聚四亚甲基二醇中，加热至150～170℃，真空下脱水1～2小时，再加热至150～170℃，真空下脱水，如此反复三次，待温度降至40～60℃时，加入甲苯二异氰酯、三乙醇胺、乙醇、丁二醇、太白粉，搅拌2～3小时，并保持温度在80℃，进行真空脱泡，之后加入3,3’-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷，胶液配制完毕。

b2：将辊芯放入模具中心，将胶液浇注到模具中。聚氨酯胶层的厚度是根据辊子既需要一定的弹性形变又需要一定的结构刚性决定的。

b3：固化：此过程是获得良好粘接性能的关键过程，唯有完全固化，强度才会最大。为了获得良好的强度，固化过程在适当的条件下进行，固化条件包括温度、时间、压力。

(1)成型硫化（模型硫化），辊子在脱模前在模具中硫化的过程。其温度可选择在其化学结构不发生破坏的前提下尽可能高，以加快扩链交联反应，缩短脱模时间，提高模具和设备利用率，常以100～200℃，60～120min（分钟）为宜。

(2)后硫化：指辊子脱模后继续加热硫化的过程，温度稍低于成型硫化的温度。

b4：去飞边：模具内多余的胶液会在辊芯和胶层接触间隙处形成一圈剩余料边。可用抛光、研磨等方法除去；得到如图3所示的辊子结构。

c)对聚氨酯胶层进行切削加工

请继续参见图4，待加工的辊轮通过第一定位销2和车床三角卡盘相抵，通过第二定位销4和车床顶针5相抵后高速旋转，通过刀具6切削加工，利用前后定位销，精车外轮廓线，保证圆同轴度，精车时合理使用切削用量。橡胶聚胺脂是一种非金属材料，它具有一些独特的物理机械性能，如极高的弹性，在很大的变形下仍不损坏，但它的强度很低。在整体精车胶层过程中，如果用普通的硬质合金刀来切削，容易出现啃刀、锯齿形切屑、辊子表面粗糙等现象。本发明通过使用高速钢刀（俗称白钢刀）切削就可以收到满意的加工效果。比采用模具注塑一次成型的方式，更好的保证了外轮廓线和表面粗糙度。最后得到图5所示的辊轮，辊轮中部胶层的厚度t和末端胶层的厚度t是一样的，在大冲击载荷下移动，辊轮受力会均匀，胶层的弹性形变也会稳定一致，使得辊轮的寿命得到延长；并且车轮轴线与地面的距离可以保持一致，从而防止车体的非线性扭动，大大提高大冲击载荷下移动的平稳性和精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)加工形成中空的辊芯；

b)在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层；

c)对聚氨酯胶层进行切削加工，使得聚氨酯胶层的外轮廓线和辊芯的外轮廓线相一致。

2.如权利要求1所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤a)包括如下过程：

a1)提供纺锤形坯料工件夹紧后进行粗车加工；

a2)对坯料工件表面通过淬火和高温回火进行调质，调质硬度为HB280～300；

a3)夹紧坯料工件外圆，在保证内孔同心度和孔径尺寸的前提下精车内孔；

a4)将坯料工件固定在车床夹具上，利用前后定位销固定后精车外轮廓线形成中空的辊芯。

3.如权利要求1所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤b)中在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层前还包括对辊芯表面进行喷砂处理。

4.如权利要求1所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤b)中在中空辊芯外包覆聚氨酯胶层前还包括如下的辊芯表面处理过程：用短而硬的毛刷在辊芯表面沿一个方向均匀地涂粘合剂后晾干。

5.如权利要求4所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述粘合剂的涂抹遍数为2～3次。

6.如权利要求1所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤b)包括如下过程：

b1)配制胶液；

b2)将辊芯放入模具中心，将胶液浇注到模具中后固化形成聚氨酯胶层；

b3)在100～200℃下成型硫化60～120min后脱模；

b4)采用抛光或研磨方法除去辊芯和聚氨酯胶层接触间隙处剩余料边。

7.如权利要求6所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤b1)中胶液配制过程如下：将甘油加入到聚四亚甲基二醇中，加热至150～170℃，真空下脱水1～2小时，再加热至150～170℃，真空下脱水，如此反复三次，待温度降至40～60℃时，加入甲苯二异氰酯、三乙醇胺、乙醇、丁二醇、太白粉，搅拌2～3小时，并保持温度在80℃，进行真空脱泡，之后加入3,3’-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷，胶液配制完毕。

8.如权利要求1所述的麦克纳姆辊轮的加工方法，其特征在于，所述步骤c)采用白钢刀对聚氨酯胶层进行切削加工。

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