CN102264657A

CN102264657A - 由材料片形成和切割成形制品的方法和设备

Info

Publication number: CN102264657A
Application number: CN2009801531382A
Authority: CN
Inventors: T·L·达努克斯
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: TWI413619B; WO2010065349A1; CN102264657B; US20100126222A1; TW201033139A

Abstract

一种用来由材料片形成成形制品的设备(100)，其包括第一模具，所述第一模具包括模具表面(16)以及形成在所述模具表面中的开槽(108)的网络。所述开槽的网络具有网络开槽轮廓，并限定出岛状物(110)的阵列，在该岛状物的阵列上形成凸块的阵列。各个凸块包括具有成形轮廓的表面。所述设备还包括第二模具(118)，所述第二模具适合用来设置在所述模具表面上。所述第二模具包括凸出物(122)的网络，所述凸出物的网络限定出多个空腔(124)。对各个空腔定尺寸以覆盖第一模具的多个凸块中的一个。所述凸出物的网络的网络凸出物轮廓与网络开槽轮廓互补。

Description

由材料片形成和切割成形制品的方法和设备

相关申请交叉参考

本申请要求2008年11月25日提交的美国申请系列号第12/277550号的优先权。

技术领域

本发明一般涉及用来形成成形制品的方法和设备。更具体来说，本发明涉及用来将材料薄片再成形为成形制品的方法和设备。

背景技术

成型是一种用来制造成形物体的常用技术。精密成型适合用来形成成形的玻璃制品，特别当需要具有高尺寸精度和高质量表面光洁度的最终玻璃制品时。在精密成型中，在一对模具表面之间对总体几何形状与最终玻璃制品类似的玻璃预成形件进行压制，以形成最终的玻璃制品。该工艺需要高精确性将玻璃预成形件送到模具中，还需要精密研磨和抛光的模具表面，因此成本很高。

压模法基于用柱塞将一团熔融玻璃压制成所需的形状，该方法可以用来以较低的成本制造成形的玻璃制品，但是压模法通常无法达到精密成型所能达到的高公差和光学质量。在需要将熔融玻璃铺得很薄以制造具有复杂曲率的薄壁玻璃制品的情况下，在获得最终的所需形状之前，所述熔融玻璃可能会变冷，或者形成冷的外皮。通过对一团熔融玻璃进行压模而形成的成形玻璃制品可能表现出以下的一种或多种缺陷：切痕、翘曲、由于表面质量低造成的光学扭曲、以及总体的低尺寸精度。

发明概述

在一个方面，本发明涉及一种用来由材料片形成成形制品的设备，所述设备包括第一模具，所述第一模具具有模具表面以及形成在所述模具表面内的开槽的网络。所述开槽的网络具有网络开槽轮廓，并限定了岛状物的阵列，在该岛状物的阵列上形成凸块的阵列。各个凸块包括具有成形轮廓的表面。所述设备还包括第二模具，所述第二模具适合用来设置在所述模具表面上。所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物的网络限定了多个空腔。对各个空腔定尺寸以覆盖第一模具的多个凸块中的一个。所述凸出物的网络的网络凸出物轮廓与网络开槽轮廓互补。

在另一个方面，本发明涉及一种用来由材料片形成成形制品的设备，所述设备包括第一模具，所述第一模具具有模具表面以及形成在所述模具表面内的开槽的网络。所述开槽的网络具有网络开槽轮廓，并限定了岛状物，在该岛状物上形成凸块。所述凸块包括具有成形轮廓的表面，该成形轮廓基本上与成形制品的表面轮廓匹配。所述设备还包括第二模具，所述第二模具适合用来设置在所述模具表面上。所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物限定了空腔，对所述空腔定尺寸以覆盖所述凸块。所述凸出物的网络的网络凸出物轮廓与网络开槽轮廓互补。

在另一个方面，本发明涉及一种制造成形制品的方法，所述方法包括将材料片放置在第一模具的模具表面上，使得所述材料片的第一部分放在模具表面中的开槽网络上面，所述材料片的第二部分放在模具表面上的凸块上面。所述开槽的网络限定了岛状物，在所述岛状物上形成凸块，所述凸块包括具有成形轮廓的表面。所述方法还包括将第二模具设置在所述材料片上，所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物的网络限定了空腔，使得所述凸出物的网络与所述材料片的第一部分接触，并且所述空腔覆盖所述凸块。所述方法还包括将所述凸出物的网络压制在材料片上。所述压制的结果是使得所述材料片的第一部分和第二部分之间的材料片变薄，将变薄产生的多余的材料片挤入开槽的网络中，将所述材料片的第二部分成型到凸块上，从而形成成形的制品。

从下面发明详述和所附权利要求书很容易了解本发明的其他特征和优点。

附图简要说明

下文所述的附图说明了本发明的典型实施方式，但是不应认为它们限制了本发明的范围，因为本发明还包括其它同样有效的实施方式。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。

图1是用来形成成形制品的设备的截面图。

图2是用来形成成形制品的设备的下模具的顶视图。

图3是用来形成成形制品的设备的上模具的底视图。

图4是用来形成多个成形制品的设备的下模具的顶视图。

图5是用来形成多个成形制品的设备的上模具的底视图。

图6显示在用来形成成形制品的设备的下模具上设置的材料片。

图7显示悬挂在图6的材料片上方的上模具。

图8显示图7的上模具与图6的材料片接触。

图9显示在用来形成成形制品的设备的上模具和下模具之间形成的成形制品。

发明详述

以下，将关于附图所示的几个实施方式对本发明进行详细的描述。在描述实施方式时，叙述许多具体细节是为了提供对本发明的透彻理解。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况中，为了不使本发明难理解，没有详细描述众所周知的特征和/或工艺步骤。此外，类似或相同的附图编号用于标识共有或类似的功能元件。

图1是用来制造成形制品的设备100的截面图。一般来说，在本文中，认为成形制品具有上表面和下表面，所述上表面具有上表面轮廓，所述下表面具有下表面轮廓。术语“上表面”和“下表面”是任意的。所述上表面和下表面可以各自是成形制品的内表面或外表面(前表面或后表面)。

设备100包括下模具102，该下模具102包括基底部分104，所述基底部分104可以通常是平面的。基底部分104具有模具表面106，在该模具表面中形成了开槽108的网络。所述开槽108的网络中的开槽从模具表面106延伸到基底部分104中。所述开槽108的网络在模具表面106上限定了岛状物110。在岛状物110上形成凸块112。所述凸块112具有外表面114，所述外表面114的特征是具有与将要形成的成形制品的上表面轮廓或下表面轮廓匹配的成形轮廓。所述开槽108的网络具有开槽轮廓，在图2中更清楚地显示。应注意，凸块112的成形轮廓以及开槽108的开槽轮廓不限于图1和图2所示的例子。例如，凸块112的成形轮廓可以如图1所示是凸形和平滑的，或者可以更复杂，例如包括凹形和/或有构造的部分。一般来说，所述凸块112的成形轮廓以及开槽108的网络的开槽轮廓取决于将要形成的成形制品的形状。

参见图1和图2，开槽108的网络还可以在模具表面106上限定岛状物115。岛状物115围绕岛状物110，通过开槽108的网络与岛状物110分隔。在岛状物115上形成侧凸块116。所述侧凸块116形成围绕凸块112的凸块的设置。与凸块112一样，侧凸块116也具有成形的轮廓。但是，所述侧凸块116的成形轮廓不一定与将要使用设备100形成的成形制品的上表面轮廓或下表面轮廓匹配，这是因为由侧凸块116形成的形状通常要除去。

参见图1，设备100还包括上模具118。在一个非限制性实例中，所述上模具118包括基底部分120以及形成在所述基底部分120上的凸出物122的网络。所述凸出物122的网络限定第一空腔124，对所述第一空腔124定尺寸，以覆盖(适合设置)在凸块112上。所述凸出物122的网络还限定多个空腔126，对各个空腔126可以定尺寸以覆盖(适合设置)在多个侧凸块116中的一个上。一般来说，由凸出物122的网络限定的空腔124，126的结构与下模具102中的凸块112、116的结构互补。这表示当上模具118与下模具102对准的时候(如图1的虚线箭头所示)，空腔124，126分别与凸块112、116对准，处于分别覆盖凸块112，116的位置。通过将图2与图3相比较可以更好地看到这一点，图2显示了下模具102的顶视图，图3显示了上模具118的底视图。另外，凸出物122的网络的凸出物轮廓(图3)与开槽108网络的开槽轮廓(图2)互补。这表示当上模具118与下模具102对准的时候(如图1的虚线箭头所示)，凸出物122也与开槽108对准，开槽108处于接受凸起物122的位置。

再来看图1，使得上模具118与下模具102接触，凸出物122的网络设置在模具表面106上，从而形成成形制品。当形成成形制品的时候，空腔124，126分别适合设置在凸块112，116上。设备100中可以包括对准功能元件以便于空腔124、126分别与凸块112、116对准。在一个非限制性实例中，所述对准功能元件可以包括形成在上模具118上的销柱128以及形成在下模具102上的用来接受销柱的孔130。或者，所述销柱128可以形成在下模具102上，所述孔130形成在上模具118中，以适合设置在销柱128上。如果需要，可以在上模具118和下模具102中提供多个对准功能元件128，130。对位于凸出物122网络内的凸出物132可以定尺寸，在上模具118安装在下模具102的模具表面106上的时候滑入开槽108的网络内。或者，所述凸出物122网络内的凸出物132可以简单地置于岛状物110，115上。

如图4所示，下模具102可以包括岛状物110的阵列，在该岛状物上形成凸块112。图4所示的各个凸块112具有上文所述的成形轮廓。所述凸块112的成形轮廓可以是相同的或者可以是不同的。类似地，如图5所示，上模具118可以包括多个空腔122，对所述空腔定尺寸以覆盖凸块(图4的112)，其中由凸出物122的网络限定多个空腔122。图4所示的下模具102和图5所示的上模具118使得在单独的操作或步骤中形成多个成形的制品。

图1-5中的下模具102和上模具118可以由合适的耐热性材料制造，也就是说，该材料不会与用来形成成形制品的材料发生相互作用。一般来说，对模具材料进行选择，使得模具材料和成形制品的材料之间的热膨胀系数(CTE)不存在大的失配。在一个非限制性实例中，对所述模具材料进行选择，使得模具材料与成形制品的材料之间的CTE失配的绝对值约小于1x 10^-6/℃。在一个非限制性实例中，所述成形制品由玻璃基材料制造，例如玻璃或玻璃陶瓷。对于玻璃基材料，适合用于模具的材料的例子包括，但不限于不锈钢和石墨。可以对包括成形轮廓的模具的表面施涂不粘性材料，例如，但不限于氮化硼、氢氧化钙和炭烟炱，从而便于成形制品与模具分离。

图6和7显示制造成形制品的方法。在图6中，将材料片140放置在下模具102上。在一个非限制性实例中，所述材料片140是玻璃基材料片，例如是玻璃片或玻璃-陶瓷片。此时，所述片140是平的材料片(而不是具有与将要形成的成形制品的形状类似的预成形件)。将片140置于下模具102上，使得片140的第一部分140a放在开槽108的网络上面，片140的第二部分140b放在凸块112上面，片140的第三部分140c放在侧凸块116上面。在此位置，将片140加热至高于玻璃基材料的软化温度的温度。一般来说，对片140的加热包括对下模具102进行加热。在一个非限制性实例中，将片140加热至比玻璃基材料的软化点高约10℃的温度。还可以在将片140放在下模具102上之前，对片140进行加热，但是不一定加热至高于玻璃基材料的软化温度。还可以对预热的片140进行额外的加热，以便达到所需的温度，在此温度下对片140进行成型，以形成成形制品。

图7显示悬挂在片140上方的上模具118。需要注意，可以在对片140进行加热之前或之后，将上模具118悬挂在片140上方。在前一种情况下，可以将上模具118与片140一起加热。在图8中，使得上模具118与片140接触，使得空腔124，126分别与凸块112，116对准。所述上模具118中的销柱128可以与孔130对准，以使得上模具118和下模具102完全对准。在完全对准的情况下，空腔124保护放在凸块112上面的第二片部分140b的上表面，使其不与凸出物122的网络接触。所述空腔124足够深，使得在将第二片部分140b成型到凸块112上之前和之后，空腔124的壁与上表面141之间存在间隙，这在下文中将会进行描述。换而言之，空腔124的高度大于凸块112的高度与片140的厚度之和。这使第二片部分140b的上表面141(其将会成为成形制品的表面)保持原来的状况。

在图9中，将凸出物122的网络压制在片140上。如果上模具118不够重，所述压制可以包括对上模具118施加外加的压力。将凸出物122的网络压制在片140上，直至凸出物122的网络碰到下模具102上的模具表面106。在此压制过程中发生一些事件。一个事件是在将片140向下推以及通过凸出物122的网络围绕凸块112、116的周围推压的时候，使得片140成型到凸块112，116上。另一个事件是在片140与凸出物122的网络接触的区域，片140变薄。该区域是放在开槽108的网络上面的片140的第一部分140a与放在凸块112上面的片140的第二部分140b之间的区域。该区域还包括放在开槽108的网络上面的片140的第一部分140a与放在侧凸块116上面的片140的第三部分140c之间的区域。所述变薄的路径通常沿着开槽108的网络的边缘(参见图2所示的网络开槽轮廓)。在一些实例中，所述片140的局部变薄有效地导致沿着变薄路径对片140进行切割或剪切。可以通过对凸出物122的网络施加足够的力，从而在凸出物122的网络和模具表面106之间挤夹片140，从而实现所述切割或剪切。在一些实例中，所述网络122中的凸出物可以滑入网络108中的开槽中，产生类似剪切的作用，剪切片140。在片140的压制过程中的另一个事件是将通过使片140变薄产生的多余的片材挤入开槽108的网络中。

成型到凸块112上的片140的部分成为成形的制品。在压制之后，使得成形的制品142在上模具118和下模具102之间冷却。可以使得成形的制品142冷却至低于用来形成所述成形制品的玻璃基材料的应变点的温度。例如，可以将所述成形制品冷却至比玻璃应变点低约50℃的温度。然后，将上模具118与下模具102分离。接下来，将成形的制品142从环绕的材料片中取出。对成形制品142的其它的加工可以包括对成形制品142进行退火，以及对成形制品142进行化学增强。还可以例如通过烧制抛光对成形制品进行精整，以改进其表面质量。所述的方法可以用来使用图5所示的上模具118以及图4所示的下模具102，在单独的操作或步骤中形成多个离散的成形制品142。另外，可以使用如上所述的一叠设备100在单个操作或步骤中制造数个离散的成形制品142。

在一个非限制性实例中，用来制造成形制品的片140由能够通过离子交换而化学增强的玻璃基材料制造。通常，玻璃结构中存在的可以交换诸如K⁺等较大碱金属离子的诸如Li⁺和Na⁺之类较小碱金属离子可以使玻璃组成适合进行通过离子交换的化学增强处理。基本玻璃组成可以变化。例如，转让给本受让方的美国专利申请第11/888213号揭示了一种碱金属铝硅酸盐玻璃，其能够通过离子交换进行增强，并下拉成片材。所述玻璃的熔融温度约低于1650℃，液相线粘度至少约为1.3x 10⁵泊，在一个实施方式中，约大于2.5x 10⁵泊。所述玻璃可以在较低的温度下进行离子交换，可以离子交换到至少30微米的深度。所述玻璃的组成包括：64摩尔％≤SiO₂≤68摩尔％；12摩尔％≤Na₂O≤16摩尔％；8摩尔％≤Al₂O₃≤12摩尔％；0摩尔％≤B₂O₃≤3摩尔％；2摩尔％≤K₂O≤5摩尔％；4摩尔％≤MgO≤6摩尔％；以及0摩尔％≤CaO≤5摩尔％，其中：66摩尔％≤SiO₂+B₂O₃+CaO≤69摩尔％；Na₂O+K₂O+B₂O₃+MgO+CaO+SrO＞10摩尔％；5摩尔％≤MgO+CaO+SrO≤8摩尔％；(Na₂O+B₂O₃)-Al₂O₃≤2摩尔％；2摩尔％≤Na₂O-Al₂O₃≤6摩尔％；并且4摩尔％≤(Na₂O+K₂O)-Al₂O₃≤10摩尔％。

离子交换过程通常发生在不超过玻璃的转变温度的升高的温度范围内。将玻璃浸入包含碱金属盐的熔浴中，其中碱金属的离子半径大于玻璃中所包含的碱金属离子的离子半径。玻璃中较小的碱金属离子交换了较大的碱金属离子。例如，可以将含钠离子的玻璃片浸在硝酸钾(KNO₃)熔浴中。熔浴中的较大钾离子将置换玻璃中的较小钠离子。在原先由钠离子占据的位点上存在大的钾离子，在玻璃表面上或近表面处形成了压缩应力。玻璃在离子交换之后进行冷却。玻璃中离子交换的深度受玻璃组成控制。例如，对于钾/钠离子交换过程，发生离子交换的升高的温度可以约为390-430℃，钠基玻璃在包含钾盐的熔浴中浸泡的时间可以约为7小时至高达约12小时(较高的温度需要较短的时间，较低的温度需要较长的时间)。一般来说，离子交换越深，表面压缩越高，玻璃的强度可以越高。

尽管已经关于有限数量的实施方式描述了本发明，但是得益于本揭示内容的本领域技术人员可以理解能够在不偏离本文所揭示的本发明范围的前提下想出其他的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用来由材料片形成成形制品的设备，其包括：

第一模具，所述第一模具具有模具表面以及形成在所述模具表面中的开槽的网络，所述开槽的网络具有网络开槽轮廓，并限定了岛状物的阵列，在所述岛状件阵列上形成了凸块的阵列，各个凸块包括具有成形轮廓的表面；以及

第二模具，所述第二模具适合用来设置在所述模具表面上，所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物的网络限定了多个空腔，对各个空腔定尺寸以覆盖所述第一模具的多个凸块中的一个，所述凸出物的网络的网络凸出物轮廓与网络开槽轮廓互补。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，各个空腔的高度大于对空腔定尺寸来覆盖的凸块的高度。

3.如权利要求1或2所述的设备，其还包括位于第一模具和第二模具上的互补的对准功能元件。

4.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，凸块的至少一部分的表面的成形轮廓基本上与成形制品的表面轮廓匹配。

5.一种用来由材料片形成成形制品的设备，其包括：

第一模具，所述第一模具具有模具表面以及形成在所述模具表面中的开槽的网络，所述开槽的网络具有网络开槽轮廓，并限定了岛状物，在所述岛状物上形成了凸块，所述凸块包括具有成形轮廓的表面，所述成形轮廓基本上与成形制品的表面轮廓相匹配；以及

第二模具，所述第二模具适合用来设置在所述模具表面上，所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物的网络限定了空腔，对所述空腔定尺寸以覆盖所述凸块，所述凸出物的网络的网络凸出物轮廓与网络开槽轮廓互补。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述空腔的高度大于所述凸块的高度。

7.如权利要求5或6所述的设备，其还包括位于第一模具和第二模具上的互补的对准功能元件。

8.如权利要求5-7中任一项所述的设备，其特征在于，所述开槽网络在模具表面上限定了另外的岛状物，在此另外的岛状物上形成了至少一个另外的凸块，所述至少一个另外的凸块通过开槽网络与包括具有成形轮廓的表面的凸块分隔。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，对所述限定至少一个另外的空腔的凸出物的网络定尺寸，以覆盖所述至少一个另外的凸块。

10.一种制造成形制品的方法，其包括：

将材料片设置在第一模具的模具表面上，使得材料片的第一部分放在模具表面中的开槽网络上面，材料片的第二部分放在模具表面上的凸块上面，其中，所述开槽的网络限定了岛状物，在所述岛状物上形成凸块，所述凸块包括具有成形轮廓的表面；

将第二模具设置在所述材料片上，所述第二模具包括凸出物的网络，所述凸出物的网络限定了空腔，使得所述凸出物的网络与所述材料片的第一部分接触，并且所述空腔覆盖所述凸块；以及

将所述凸出物的网络压制在材料片上，所述压制的结果是使得材料片的第一部分和第二部分之间的材料片变薄，将变薄产生的多余的材料片挤入开槽的网络中，将材料片的第二部分成型到凸块上，从而形成成形制品。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使所述材料片变薄包括对材料片的第一部分和第二部分之间的材料片进行切割。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述材料片是玻璃基材料的片。

13.如权利要求12所述的方法，所述方法还包括在对所述材料片进行压制之前，将所述材料片加热至高于所述玻璃基材料的软化温度的温度。

14.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括在对所述材料片进行压制之后，将成形的制品冷却至低于所述玻璃基材料的应变点的温度。

15.如权利要求14所述的方法，该方法还包括将成形的制品从模具之间取出。

16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括对成形制品进行退火。

17.如权利要求16所述的方法，所述方法还包括对成形制品进行化学增强。

18.如权利要求10所述的方法，该方法还包括提供第一模具，其中，所述第一模具由热膨胀系数与材料片的热膨胀系数相差在约±1x 10^-6/℃之内的材料制成；还提供第二模具，其中，所述第二模具由热膨胀系数与材料片的热膨胀系数相差在约±1x 10^-6/℃之内的材料制成。

19.如权利要求10所述的方法，该方法还包括提供第二模具，其中，由所述凸出物限定的空腔的高度大于凸块的高度与材料片的厚度之和。

20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在对材料片进行压制的过程中，所述凸出物穿入所述开槽。