專利名稱：高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種非金屬防彈頭盔成型模具，具體涉及高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具，屬于模具工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的防彈頭盔，大多數(shù)是由金屬材料制造而成，這類頭盔已不能滿足時(shí)代發(fā)展的要求。其主要缺點(diǎn)是頭盔的質(zhì)量大，穿戴人員負(fù)荷重，基本不透氣，由于其剛性大子彈飛濺彈回出去可能傷及他人，容易造成二次傷害。世界上主要發(fā)達(dá)國家已較為普遍地開始使用非金屬頭盔代替金屬頭盔。但非金屬盔的關(guān)鍵是自身的防彈效果，如何提高非金屬頭盔的防彈能力，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。就目前的研究情況來看，主要有以下兩個(gè)方面的問題。一是高性能的非金屬材料和粘合劑的研究；二是成型工藝和模具結(jié)構(gòu)的研究。高強(qiáng)聚乙烯纖維的比重是所有高性能纖維中最輕的，重量只有鋼絲的1/8；其強(qiáng)度與同直徑的鋼絲相比要高12倍，具有很高的比強(qiáng)度；同時(shí)它還具有耐低溫、耐疲勞、耐磨損，抗紫外線及電絕緣等優(yōu)良的性能。研究表明，高強(qiáng)聚乙烯纖維是頭盔的首選材料，但其加工難度大，如何控制成型是相關(guān)技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。
實(shí)用新型內(nèi)容針對金屬防彈頭盔存在質(zhì)量大，穿戴人員負(fù)荷重，基本不透氣，容易造成二次傷害之不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種可調(diào)節(jié)溫度以解決高強(qiáng)度聚乙烯纖維成型難的防彈頭盔專用模具。
本實(shí)用新型的目的這樣實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具，包括凸模、凹模，凸模與凹模由導(dǎo)柱導(dǎo)向可相對上下移動(dòng)；凹模通過支承圈設(shè)于凹模板上，并組合形成密封空腔；密封空腔內(nèi)凹模外壁均勻設(shè)有冷卻水管，此密封空腔還設(shè)有與油泵連接的進(jìn)油導(dǎo)管和出油導(dǎo)管；凸模與凸模座組合形成另一個(gè)密封空腔，空腔內(nèi)壁設(shè)冷卻水管，空腔中部設(shè)有熱油分配器，熱油分配器與進(jìn)油導(dǎo)管連通，此空腔還設(shè)有出油導(dǎo)管。
采用此模具按如下方法即可將高強(qiáng)聚乙烯纖維制成防彈頭盔(1)將片層狀的聚乙烯材料經(jīng)過疊合后，置于凸、凹模之間；(2)啟動(dòng)液壓機(jī)使凸模慢速下行，將片層狀疊合的聚乙烯纖維材料壓入模具凹模型腔中，厚度為8～10mm；保持壓力在80～100Mpa；(3)將凸、凹模的上、下空腔內(nèi)通入熱油，使模具溫度升高達(dá)到130℃時(shí)，保溫25～30Min；(4)然后，啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)將凸、凹模的冷卻水管通入冷水對模具和工件進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫即可；(5)最后，將工件取出，進(jìn)行切邊和表面處理。
采用本實(shí)用新型制造的高強(qiáng)度聚乙烯纖維材料頭盔，能夠有效地克服金屬頭盔的缺點(diǎn)，它具有質(zhì)量輕；透氣性較好；子彈陷入盔殼中，不會(huì)飛濺出去傷及他人等特點(diǎn)。通過試模調(diào)試，模具使用效果良好，該模具生產(chǎn)的產(chǎn)品在相關(guān)的技術(shù)試驗(yàn)和測試中，通過中華人民共和國公安部相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。


圖1為本實(shí)用新型高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為凸模的加熱示意圖。
圖3為凸模循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具，凸模1與凹模2由導(dǎo)柱10導(dǎo)向可相對上下移動(dòng)。凹模2通過支承圈3設(shè)于凹模板4上，凹模2、支承圈3和下模板4之間形成密封空腔，凹模2靠近工件13的外壁面均勻盤繞冷卻水管5；此密封空腔底部還設(shè)有與油泵連接的進(jìn)油導(dǎo)管18，頂部設(shè)有出油導(dǎo)管19，用以通入和排出熱油。凸模1與凸模座7形成另一個(gè)密封空腔8，靠近工件13的空腔內(nèi)壁盤繞冷卻水管6，空腔中部設(shè)有熱油分配器9，熱油分配器通過導(dǎo)管15與熱油池(圖中未畫出)相連通，密封空腔8的上部還設(shè)有出油導(dǎo)管16。圖中，11、17是進(jìn)水管，12是O型密封圈，13是工件，14是出水管。
圖2為凸模的加熱示意圖，熱油從進(jìn)油管15導(dǎo)入凸模2的密封空腔8，通過熱油分配器9將熱油均勻的噴向凸模油池的內(nèi)側(cè)表面，均勻加熱凸模2，熱油與凸模2熱交換后，從出油管16將熱油導(dǎo)流回油箱。通過調(diào)節(jié)熱油分配器9各個(gè)方向和不同部位的熱油流量，從而準(zhǔn)確、均勻地控制上模各部位的溫度，將上模具的溫差控制在設(shè)定溫度的±5℃范圍內(nèi)。
在冷卻方面，采用管道式循環(huán)水冷卻，如圖3所示。冷卻水從進(jìn)水管11進(jìn)入，通過循環(huán)管道6與凸模2進(jìn)行熱交換，把凸模的熱量帶走，從出水管14流出。為了便于彎曲成形，用銅管制作。銅管與凸模采用軟鉛焊連接，確保管道的氣密性和熱傳遞的有效性。
凹模采用熱油升溫、冷卻水降溫控制工件的升溫和降溫與凸模相似，在此不再重復(fù)。
該模具結(jié)構(gòu)中以下幾個(gè)問題要注意1、模具要有良好的導(dǎo)向裝置。片層狀的聚乙烯材料經(jīng)過疊合后，沿周向的材料在凸模下行過程中，材料變厚且不均勻，側(cè)向分力大。如果沒有良好的導(dǎo)向裝置，將引起產(chǎn)品的周向厚度不均。
2、保壓過程中需要排氣。材料在壓力溫度下成形，有一定的氣體溢出，如果沒有排氣過程，將影響產(chǎn)品的質(zhì)量和致密度。
3、冷卻系統(tǒng)的氣密性要好，絕不允許有水油互相滲透的現(xiàn)象發(fā)生，更不允許在油池內(nèi)出現(xiàn)漏水的情況，否則將是很危險(xiǎn)的。
4、模具的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)很重要，由于工藝的需要，該模具的工作部分零件都設(shè)計(jì)成了殼形類的結(jié)構(gòu)，在數(shù)百噸的壓力下，模具不能有變形，否則，將引起產(chǎn)品報(bào)廢。
5、模具的管接頭很多，都應(yīng)設(shè)計(jì)成快換接頭的結(jié)構(gòu)，以縮短模具在安裝調(diào)試過程中的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
該模具的凸模和凹模屬于深形腔復(fù)雜曲面類殼形零件，零件的內(nèi)外表面都需要進(jìn)行數(shù)控成形加工，工作表面的形狀精度和表面質(zhì)量要求都很高，否則將影響產(chǎn)品的形狀和制品的脫模。工作部分的壁厚設(shè)計(jì)為30mm，底部加了兩個(gè)環(huán)形支撐圈，以確保凹模的強(qiáng)度和剛度，工作表面內(nèi)腔的表面粗糙度Ra要求在0.8μm以下，熱處理硬度為40～43HRC。其工藝路線為備料—普通加工——數(shù)控粗加工——熱處理一數(shù)控精加工——鉗工組合裝配。
本實(shí)用新型選用5000KN的液壓機(jī)和上述模具，經(jīng)升溫——保溫——冷卻定型高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔，具體步驟包括1、將片層狀的聚乙烯材料經(jīng)過疊合后，置于凸、凹模之間；2、啟動(dòng)液壓機(jī)使凸模慢速下行，將片層狀疊合的聚乙烯纖維材料壓如模具凹模型腔中，厚度為8mm為宜；保持壓力在80～100Mpa3、采用油池加熱裝置將模具溫度升高到130℃時(shí)進(jìn)行保溫，中間啟動(dòng)液壓機(jī)使上模慢速上行排氣一次；在保溫過程中，聚乙烯材料有局部的熔融塑性流動(dòng)，使頭盔各部位的厚度更均勻，組織更致密。
4、保溫成型25或30Min后，啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，將水管通入冷水和對模具及工件進(jìn)行冷卻，定型制件。
5、最后，將制件取出，進(jìn)行切邊和表面處理等后續(xù)工序。
成型溫度是指成型頭盔時(shí)模具型腔的表面溫度，頭盔零件的實(shí)際成型溫度是通過模具與制品的接觸傳遞方式將頭盔加熱，并在一定溫度和壓力下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)將其成型、固化，形成頭盔產(chǎn)品。本成型模具結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的非金屬材料的熱壓成型模具相比，對溫度的控制要求嚴(yán)格，成型厚度大，有接近鉛垂的型面，成形力的傳遞困難。采用專用溫控系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)的加熱和冷卻獨(dú)立控制的溫控系統(tǒng)，使上、下模具分別獨(dú)立進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。在加熱方面，獨(dú)創(chuàng)了油池加熱方式。
本實(shí)用新型所用高強(qiáng)聚乙烯纖維及粘合劑有專門公司生產(chǎn)，如中國寧波大成公司，荷蘭DSM公司，美國HONEYWELL公司等。本實(shí)用新型屬于塑料材料熱壓成型技術(shù)，成型的主要工藝參數(shù)包括成型溫度、成型壓力和成型時(shí)間，三者既相互聯(lián)系，又相互制約，此三個(gè)參數(shù)選用的正確與否，直接影響頭盔的質(zhì)量和防彈能力。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員均知道，聚乙烯材料的傳熱性能很差，為了將頭盔材料加熱到預(yù)定的成型溫度，需要足夠的時(shí)間。成型壓力的作用是將頭盔材料壓入模具型腔，在一定的溫度和壓力下，使材料固化反應(yīng)，獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品形狀。成型時(shí)間的長短與固化反應(yīng)的速度有關(guān)，提高模具溫度，可使固化反應(yīng)速度加快，成型時(shí)間縮短，但成形溫度過高，會(huì)引起產(chǎn)品防彈性能的下降，而成型溫度過低，則成型周期太長，生產(chǎn)效率下降。
權(quán)利要求1.高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具，包括凸模(1)、凹模(2)，凸模(1)與凹模(2)由導(dǎo)柱(10)導(dǎo)向可相對上下移動(dòng)；其特征在于凹模(2)通過支承圈(3)設(shè)于凹模板(4)上，并組合形成密封空腔，密封空腔內(nèi)凹模(2)外壁均勻設(shè)有冷卻水管(5)，此密封空腔還設(shè)有與油泵連接的進(jìn)油導(dǎo)管(18)和出油導(dǎo)管(19)；凸模(1)與凸模座(7)組合形成另一密封空腔(8)，空腔(8)內(nèi)壁設(shè)冷卻水管(6)，空腔中部設(shè)有熱油分配器(9)，熱油分配器(9)與進(jìn)油導(dǎo)管(15)連通，空腔(8)還設(shè)有出油導(dǎo)管(16)。
專利摘要高強(qiáng)聚乙烯纖維防彈頭盔成型模具，凸模與凹模由導(dǎo)柱導(dǎo)向可相對上下移動(dòng)；凹模通過支承圈設(shè)于凹模板上，并組合形成密封空腔；密封空腔內(nèi)凹模外壁均勻設(shè)有冷卻水管，此密封空腔還設(shè)有與油泵連接的進(jìn)油導(dǎo)管和出油導(dǎo)管；凸模與凸模座組合形成另一個(gè)密封空腔，空腔內(nèi)壁設(shè)冷卻水管，空腔中部設(shè)有熱油分配器，熱油分配器與進(jìn)油導(dǎo)管連通，此空腔還設(shè)有出油導(dǎo)管。采用此模具以高強(qiáng)度聚乙烯纖維材料制造的頭盔，能夠有效地克服金屬頭盔的缺點(diǎn)。具有質(zhì)量輕、透氣性較好等特點(diǎn)，子彈可陷入盔殼中，不會(huì)飛濺出去傷及他人。
文檔編號(hào)B29C43/52GK2770927SQ20052003373
公開日2006年4月12日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者夏華, 黃虹, 陳元芳, 張鵬, 鄧明, 黎勇 申請人:重慶工學(xué)院