CN103231002B - 锻造模具及应用于电子装置的金属外壳的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锻造模具及应用于电子装置的金属外壳的成型方法。使用该模具可将金属板材锻压成型为后续机加工量少的金属外壳的坯件，再将外壳坯件经过较少的机加工，便能成型为金属外壳。解决了现有技术中电子装置的金属外壳机加工时间长、无法成型后续机加工量少的外壳坯件、生产成本高，以及材料利用率低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及锻造模具及应用于电子装置的金属外壳的成型方法。
背景技术
3C电子装置（Computer, Communication and Consumer electronic）的外形一般是扁平长方体形状。其外壳常为薄抽屉状凹形，由一中央薄腹板及其四周的边框次结构围成外壳凹腔。外壳的外正表面一般是平面，但也可设计为弧面。四周边框的外侧表面为平面或弧面。凹腔内腹板和边框上通常设计有腹板次结构和边框次结构，作为安装其它元器件的结构（如螺柱、凸台、卡扣和铰接缘等）或充当外壳的强化结构（如强化筋和加强肋等）。凹腔敞开处可安装显示屏和按键等人机交流界面，如平板电脑与盒盖式手提电脑的屏幕或键盘，也可以装配外壳盖。外壳腹板和四周边框可开设有开关孔、接线孔、USB孔、按键孔、光盘槽，或触摸板孔和键盘孔等各种功能和形状的开口，也可以几乎没有孔槽。
电子装置一体化金属外壳是指其中央腹板、边框、腹板次结构和边框次结构都从一整体或一整块金属成型而来。“一体化”也可称“一体成型”、“整体成型”或“统一”等，英文称之为unified、 integral、 homogenous、integrally formed或unibody等。如果一体化金属外壳中间腹板材料的厚度与周围边框材料的厚度显著不同，同时包含材料厚度有变化的边框次结构和腹板次结构，从而造成这种一体化金属外壳横截面上的材料厚度是发生变化的，则可称之为“一体化变截面金属外壳”。美国专利公开US20120030930、US20120050988和US20110164365中分别描述的电子装置一体化金属外壳便属于这种一体化变截面金属外壳。而当一体化变截面金属外壳中央的腹板很薄时，可称之为“一体化变截面薄腹板金属外壳”。
如今的电子装置，尤其是便携电子装置（如手机、平板电脑、MP3、GPS和手提电脑等）的外壳力求尽可能的轻、薄、外观效果好，而轻金属材料则是制造轻、薄金属外壳的首选。由于比重低、比屈服强度高（材料的屈服强度与其密度之比）、外观可装饰性优异，铝合金已成为制造便携电子装置一体化变截面金属外壳的主要材料。
然而，不论使用何种金属或合金，生产这种一体化变截面薄腹板金属外壳是金属加工业的一大难题。
美国专利US8341832 公开了一种电子装置外壳的机加工生产方法，可以成型出性能优异、外表美观的一体化变截面薄腹板铝合金外壳。
低成本的铸造方法过去已应用于生产电子装置一体化变截面铝合金和镁合金的外壳坯件。铸造的外壳坯件还需经过机加工成型为最终的金属外壳。铝合金外壳通常是利用压铸法生产，镁合金外壳则通常使用压铸法或半固态压铸法生产。但要铸造成型大面积的薄腹板铝合金或镁合金外壳，从技术角度上还存在困难。中国专利ZL200410049928.5公开的一种一体化变截面薄腹板铝合金外壳压铸方法中，使用硅含量质量百分比为10.87%的铝合金可压铸成型薄腹板的外壳。但是，高硅含量铝合金铸件的机械性能不佳，同时在进行阳极氧化处理后的外观亦不好，不适合用于需阳极氧化、外观和性能要求高的便携电子装置铝合金外壳。
金属通常经过锻造后，具有良好的机械性能。因此锻造方法也可用于开发生产电子装置一体化变截面薄腹板金属外壳坯件，再经过后续机加工将坯件成型为外壳终件。但是，锻造工艺通常难以成型出大面积的薄腹板铝合金坯件。S. D. El Wakil所著《Processes and Design for Manufacturing（制造工艺与设计）》专著中197-199页和表5.3解释了锻造成型铝合金腹板最薄厚度与腹板面积之间的关系（S. D. El Wakil, Processes and Design for Manufacturing, 2nd Ed, Page197-199 and Table 5.3, Waveland Press, Inc., 2002）。以一款9.7吋屏幕平板电脑的面积约为241×185mm的一体化变截面铝合金外壳为例，其锻造投影面积约为0.044m2，根据该书表5.3查得，对应面积的腹板锻件可锻压成型的最薄厚度将大于4mm，这一数值超过了该平板电脑铝合金外壳腹板厚度0.8mm的400%。美国专利US6694594在说明书中也指出：锻造技术虽可以成型出小尺寸（80×80mm）的薄腹板外壳锻件，但难以锻造出面积更大的薄腹板外壳锻件。即便是使用超大吨位的锻造设备，也很难锻压出大面积的薄腹板铝合金外壳坯件。原因在于，巨大的锻造压力会使铝合金和模具间产生异常大的摩擦力，阻碍金属向四周流动，难以将板材成型为薄腹板锻件（M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Figure 13.27, Elsevier Ltd., 2011）。即便假设在巨大的锻压力下能锻造出薄腹板锻件，巨大的压力也会将处于热塑性状态的薄腹板紧紧贴于模具上而造成无法脱模。在将一块较厚的金属板锻造成型为有腹板次结构的薄腹板外壳时，由于厚金属材料必须在很大的锻造压力下从中间沿与锻压力垂直的方向四周流动形成薄腹板的过程中充填锻压方向上的腹板次结构型腔，必然会使腹板次结构与腹板相接的根部形成紊乱的锻造流线，同时腹板次结构型腔还难以充满。中国专利公开CN101850396指出了这一技术难题。
为了降低锻造薄腹板锻件所需的巨大压力，并解决上述腹板次结构填充的难题，中国授权公告号为CN101850396B的专利公开，CN202447570U专利和 CN102513485A专利申请公开了三种相似的两步冲锻方法和模具，用于成型电子装置一体化变截面薄腹板镁合金或铝合金外壳坯件。其所述的两步冲锻实质上是两步锻造，只是其中有一步的锻造速度快，被称之为“冲”。两步锻造成型中至少有一步的锻压面积与外壳终件的面积相当。根据锻造技术知识可知，锻造所需的压力在固定的锻造参数条件（如坯件与模具的温度及材料的应力应变性能）下，主要取决于锻压面积。因此这种两步冲锻中至少有一步所需的压力不会比一步锻造所需的压力有明显的降低。而多增加的一道锻压工序、使用两套不同的模具，均会导致这种两步锻造的生产成本增加，效率降低。这三种两步冲锻方法及模具主要是为热锻造镁合金而设计。其中CN101850396B公开的实施例中有使用1050铝合金在室温下冲锻成型外壳坯件。但是1050铝合金是机械性能很低的铝合金，非常容易成型，却不适合用于3C电子装置的外壳。
由于两步冲锻仍然是将较厚的金属板材分步冲锻为薄腹板外壳锻件，所以必须锻压使板材中间部位的金属向四周流动继而形成薄腹板。不论采用几道锻造工序，尚不能真正解决锻造过程中上述腹板次结构填充难以充满的难题。从上述的三个中国专利和专利公开的实施例可以看出，为了降低成型的难度，腹板的次结构均是在靠近边框周边的部位而不是在腹板中间成型的小尺寸的腹板次结构。如果腹板次结构处于腹板的中间部位，会造成锻造流线紊乱；而腹板次结构处于腹板周边的话，又由于材料不足难以充满体积较大的腹板次结构型腔。
除了一体化变截面薄腹板金属外壳，电子装置中还常使用组合钣金外壳。其使用一块厚度均匀（等截面）的薄冲压钣金件作为主体壳，而用于安装内部元件的附加结构和加强结构则通过焊接、粘接、卡扣、铆接等方式固定到钣金主体壳上，形成组合钣金外壳，其钣金主体壳的横截面材料的厚度是不变的或基本不变的。美国专利US7385806和上述US6694594，以及美国专利公开US20100061040中的电子装置外壳都属于这类组合钣金外壳。而Heng-Kuang Tsai等人的论文中给出的分步冲压成型笔记本电脑薄镁合金板外壳也是横截面材料的厚度不变或基本不变的（Heng-Kuang Tsai et al., Die design for stamping a notebook case with magnesium alloy sheets, Journal of Materials Processing Technology, 201 (2008) 247-251）。
根据上述专利US8341832方法生产的一体化变截面薄腹板铝合金外壳与上述组合铝合金钣金外壳相比，其最大的优点在于前者的横截面可以变化，四周边框的材料厚度大于腹板，这样的设计可以大大提高外壳结构的整体刚性和强度，边框和腹板上可成型出材料厚度有变化的边框次结构和腹板次结构，还可以加工出极具市场吸引力的特殊美观外表。但其腹板的厚度则难以像组合铝合金钣金外壳所使用的轧制薄板材那么薄。
上述专利US8341832所述的制造方法的核心是将一整块铝材用机加工成型出一体化铝合金外壳。因而材料利用率低，机加工时间长，生产成本高。在其发明说明书中，机加工（machining）专指切削去除材料的加工方法（removing/eliminating material）。为了减少机加工废料，提高材料利用率，上述专利US8341832说明书中写到，可使用锻造（包括rough forging和forging）、冲压（stamping）、精密铸造（investment casting）和挤压工艺（extruding process）等非机加工方法，先将铝原材料成型为一个形状与外壳终件形状相似、尺寸稍大的外壳近终形坯件(“near-net shape”，“to have a similar shape with slightly increased dimensions”)，再通过机加工将这种外壳近终形坯件成型为一体化铝合金外壳终件，并用其专利中的图11进行了说明。如果这一想法可以实施，不仅能够提高材料的利用率，还可大大缩短机加工的时间。
金属产品的生产方法通常是先用非机加工的方法成型坯件（尽可能是近终形坯件），再通过机加工将坯件成型为终件，以提高材料利用率，降低机加工成本。上述专利US8341832中提出的用非机加工方法先成型近终形金属外壳坯件的想法正是遵循这一传统思路。
挤压工艺是金属材料连续成型的方式之一，但无法成型这种四周有边框的抽屉状凹形金属外壳坯件。而根据前面对现有铸造、锻造和冲压的工艺分析知道，使用近终形铸造铝粗坯（rough aluminum casting）经机加工成型铝合金外壳很难实施，因为铸造铝粗坯不仅机械性能不佳，而且机加工后的表面可能会有铸造缺陷，很难满足一体化铝合金外壳的高要求。金属冲压方法，包括上述Tsai等人的分步冲压方法，不能成型出材料厚度有显著变化的变截面薄腹板外壳坯件。而现有锻造技术也不能成型上述专利US8341832中所述的近终形金属外壳坯件。
综上所述，现有坯件成型技术和机加工成型电子装置一体化薄腹板金属外壳的各种技术，存在如下几个问题：
（1）现有的坯件生产方法，难以成型出后续机加工量少金属性能好的一体化变截面薄腹板外壳坯件。
（2）全部使用机加工方法来成型一体化金属外壳，其生产周期长、生产成本高。
（3）全部使用机加工成型的方法中，必须使用一块体积大于金属外壳最小外接矩形体体积的金属板材，其材料利用率低。
因此，有必要提供新的、后续机加工量少的电子装置一体化薄腹板金属外壳坯件成型工具和相应的成型方法以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锻造模具，及应用于电子装置的金属外壳的成型方法。使用该模具可将金属板材锻压成型为后续机加工量少的金属外壳的坯件，将外壳坯件经过较少的机加工，便能成型为金属外壳。解决了现有技术中电子装置的金属外壳机加工时间长、无法成型减少后续机加工量的外壳坯件、生产成本高，以及材料利用率低等问题。本发明还可以解决现有薄腹板外壳坯件锻造技术不仅所需锻造压力高，而且腹板次结构难成型的难题。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种锻造模具，用于将给定金属板材锻压成型为电子装置的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯；所述锻造模具包括上模具和下模具，其特征在于：所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽；所述下模具具有下模腔，用于容纳所述金属板材，并在所述上模压块组的锻压下共同将所述金属板材成型为所述外壳坯件。
作为本发明的进一步改进，所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且平行于锻压方向并向上延伸的下模腔壁，以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
作为本发明的进一步改进，所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，以及可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上具有腹板次结构型腔，所述腹板压块包括腹板次结构压块，所述腹板次结构压块用于将所述金属板材压入所述腹板次结构型腔中形成所述腹板次结构坯；所述腹板次结构压块的施压面位于所述边框压块的施压面所形成的平面与所述腹板压块的施压面之间。
作为本发明的进一步改进，所述边框型腔中具有边框次结构型腔，用于将所述金属板材在所述边框压块的压力下成型为所述边框次结构坯。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上分布有脱模通孔，所述脱模通孔的位置对应于所述减压槽的中心。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材放置于所述下模腔内，经锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起，所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（4）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和金属余料去除，获得所述正表面；
（5）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（6）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金、镁锂合金、铝基复合材料、镁基复合材料、钛合金、不锈钢和其它钢材中选取。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
作为本发明的进一步改进，所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
作为本发明的进一步改进，所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上具有腹板次结构型腔，所述腹板压块包括腹板次结构压块，所述腹板次结构压块用于将所述金属板材压入所述腹板次结构型腔中形成所述腹板次结构坯；所述腹板次结构压块的施压面位于所述边框压块的施压面所形成的平面与所述腹板压块的施压面之间。
作为本发明的进一步改进，所述边框型腔中具有边框次结构型腔，用于将所述金属板材在所述边框压块的压力下成型为所述边框次结构坯。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上分布有脱模通孔，所述脱模通孔的位置对应于所述减压槽的中心。
作为本发明的进一步改进，所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材加热到所述金属板材的固溶温度；
（4）将加热到固溶温度的所述金属板材进行淬火；
（5）将已淬火的所述金属板材放置于所述下模腔内，在室温下锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（6）对所述外壳坯件进行时效；
（7）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和金属余料去除，获得所述正表面；
（8）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（9）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金中选取。
作为本发明的进一步改进，从所述步骤（4）结束到开始进行至所述步骤（6），必须在对所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行去应力处理后进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
作为本发明的进一步改进，所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
作为本发明的进一步改进，所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上具有腹板次结构型腔，所述腹板压块包括腹板次结构压块，所述腹板次结构压块用于将所述金属板材压入所述腹板次结构型腔中形成腹板次结构；所述腹板次结构压块的施压面位于所述边框压块的施压面所形成的平面与所述腹板压块的施压面之间。
作为本发明的进一步改进，所述边框型腔中具有边框次结构型腔，用于形成边框次结构。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上分布有脱模通孔，所述脱模通孔的位置对应于所述减压槽的中心。
作为本发明的进一步改进，所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供挤压用金属材料锭；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将加热至挤压温度的所述金属材料锭挤压成型为带材，其在挤压模具出口处的温度处于所述金属材料固溶温度的范围；
（4）将所述处于固溶温度的带材进行在线淬火；
（5）将已淬火的所述带材切割为金属板材；
（6）将所述金属板材放置于所述下模腔内，在室温下锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（7）对所述外壳坯件进行时效；
（8）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和余料去除，获得所述正表面；
（9）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（10）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金中选取。
作为本发明的进一步改进，从所述步骤（4）结束到开始进行至所述步骤（7），必须在对所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行去应力处理接着进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
作为本发明的进一步改进，所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
作为本发明的进一步改进，所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面被锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上具有腹板次结构型腔，所述腹板压块包括腹板次结构压块，所述腹板次结构压块用于将所述金属板材压入所述腹板次结构型腔中形成腹板次结构；所述腹板次结构压块的施压面位于所述边框压块的施压面所形成的平面与所述腹板压块的施压面之间。
作为本发明的进一步改进，所述边框型腔中具有边框次结构型腔，用于形成边框次结构。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上分布有脱模通孔，所述脱模通孔的位置对应于所述减压槽的中心。
作为本发明的进一步改进，所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材加热到设定的温度；
（4）将所述上模具和所述下模具加热到设定的温度；
（5）将所述金属板材放置于所述下模腔内，经锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（6）将所述外壳坯件加热到固溶温度；
（7）将加热到固溶温度的所述外壳坯件进行淬火；
（8）将已淬火的所述外壳坯件进行压力整形；
（9）对已压力整形的所述外壳坯件进行时效；
（10）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和金属余料去除，获得所述正表面；
（11）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得装所述外侧面；
（12）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金、镁锂合金、铝基复合材料和镁基复合材料中选取。
作为本发明的进一步改进，从所述步骤（7）结束到开始进行至所述步骤（9），必须在对所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述进行时效为进行去应力处理后进行人工时效。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
作为本发明的进一步改进，所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
作为本发明的进一步改进，所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面被锻压过程中形成的金属凸起。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上具有腹板次结构型腔，所述腹板压块包括腹板次结构压块，所述腹板次结构压块用于将所述金属板材压入所述腹板次结构型腔中形成腹板次结构；所述腹板次结构压块的施压面位于所述边框压块的施压面所形成的平面与所述腹板压块的施压面之间。
作为本发明的进一步改进，所述边框型腔中具有边框次结构型腔，用于形成边框次结构。
作为本发明的进一步改进，所述腹板模面上分布有脱模通孔，所述脱模通孔的位置对应于所述减压槽的中心。
作为本发明的进一步改进，所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
本发明的有益效果是利用所述锻造模具与成型方法使得所述应用于电子装置的金属外壳成型效率高、制造成本低且节省材料。
附图说明
图1A为金属外壳平面示意图。
图1B为金属外壳A-A断面示意图。
图1C为金属外壳B-B断面示意图。
图2为金属外壳立体示意图。
图3A-3C为应用于有RF天线的便携电子装置的组合外壳示意图。
图4为应用于笔记本电脑主机的金属外壳立体示意图。
图5A-5B为本发明第一实施方式上模具示意图。
图6A-6B为本发明第一实施方式下模具示意图。
图7为本发明第一实施方式上模具和下模具的断面示意图。
图8为本发明第一实施方式锻压成型的外壳坯件断面示意图。
图9A-9B为本发明第一实施方式锻压成型外壳坯件的局部断面示意图。
图10为本发明第一实施方式的工艺流程示意图。
图11为本发明第二实施方式上模具示意图。
图12为本发明第二实施方式锻压成型的外壳坯件断面示意图。
图13A-13B为本发明第三实施方式上模具示意图。
图14A-14B为本发明第三实施方式下模具示意图。
图15为本发明第四实施方式工艺流程示意图。
图16为图15所示的工艺流程310中工件温度随时间变化的关系。
图17为本发明第五实施方式所成型的一体化金属外壳立体示意图。
图18A-18C为本发明第五实施方式的锻造模具示意图。
图19A-19B为本发明第六实施方式的锻造模具示意图。
图20为本发明第七实施方式的工艺流程示意图。
图21为本发明第八实施方式的工艺流程示意图。
图22为本发明第九实施方式的工艺流程示意图。
图23为本发明第十实施方式的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的各实施方式进行详细地描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
图1A至图1C及图2所示为应用于便携电子装置（如平板电脑）的一体化金属外壳12的典型结构，其由一整块金属通过一体成型而形成。图1A为金属外壳凹腔的俯视图，图1B为图1A的A-A断面图，图1C为图1A的B-B断面图。金属外壳12由腹板26和自腹板26周边延伸而出的边框构成。在本发明中如无特别说明，“腹板”和“金属外壳腹板”均是指金属外壳的腹板。金属外壳12周围通常有四条相连的边框，为简单起见，图中只用一个标号22代表所有四条边框。腹板26与边框22共同围设形成一个凹腔并形成凹腔面19。该凹腔内可以按实际需求装载各类电子元器件或其组合。在如图1A至图1C及图2所示的金属外壳12的边框22上设有开放式的边框次结构24a-24c和隐蔽式的边框次结构25，腹板26的内表面27上设有腹板次结构28a-28c。隐蔽式的边框次结构25的位置在边框顶面29的下方。开放式的边框次结构24a-24c和隐蔽式的边框次结构25以及腹板次结构28a-28c等都可以根据实际情况而采纳不同的设计。比如，用作安装其它元器件的安装结构（如螺柱、凸台、卡扣和铰接缘等）或充当外壳的强化结构（如强化筋和加强肋等）。其位置和尺寸也可以根据实际情况而加以变化。需要指出：在本发明中，图面所示的结构24a-24c、25、28a-28c仅为示范作用；本发明中如无特别说明，边框次结构是指开放式的边框次结构。另外，有的小型便携电子装置的外壳无需设计腹板次结构，其电子器件是可以直接安装在边框或腹板上的。凹腔面19包括腹板内表面27、边框顶面29、边框内侧面32、边框次结构24a-24c、隐蔽式的边框次结构25，以及腹板次结构28a-28c。
一般而言，电子装置的一体化金属外壳12的长度X、宽度Y和厚度Z的尺寸根据其应用（如从手机到笔记本电脑等）不同而变化很大。腹板26的厚度T一般在0.3-2mm之间，外壳面积越大，腹板则越厚。边框22的高度即是金属外壳12的厚度Z。有些设计，边框某些部位（如金属外壳的两端）的高度会有不同。腹板次结构28a-28c在腹板26上的高度也可以不同，但通常小于金属外壳的厚度Z减去腹板厚度T。此外，边框22中每一处边框的宽度V也可以不同。腹板26的厚度小于边框22的最大的厚度和边框的高度。由于腹板26的厚度薄且与边框22的厚度和宽度均不同，因此如图1B和1C所示，外壳12的横截面的厚度是变化的，即变截面。所以外壳12可称之为一体化变截面薄腹板金属外壳。而且由于存在腹板次结构28a-28c及边框次结构24a-24c和25，使外壳12变截面的特点更为显著。
图3A至图3C所示为应用于便携式移动电子装置（如手机）的RF组合外壳的结构。该类组合外壳通常由主体金属外壳和RF天线窗构成。三幅图展示了不同RF天线窗44、54、64与相应主体金属外壳42、52、62组合时的形态。46、56、66分别用于标示位于主体金属外壳42、52、62和RF天线窗44、54、64之间的金属内边框，它们通常比主体金属外壳42、52、62的边框45、55、65要窄且低。在某些应用场合，甚至可以没有金属内边框46、56、66。可以理解地，图3A-3C所示的RF组合外壳中的主体金属外壳属于一体化变截面薄腹板金属外壳。三幅图中的边框次结构和腹板次结构的位置和尺寸与图1中的相同，也同样如图1分别用24a-24c、25及28a-28c表示。
图4所示为电子装置的金属外壳应用于笔记本电脑主机上部外壳的典型结构。在该结构中，金属外壳70包括顶部腹板76、主边框72、内边框73，以及由腹板与主、内边框围成的凹腔并形成凹腔面79。凹腔面79包括边框次结构74和腹板次结构78a-78e，用以安装内部元件和底板，以及加强外壳结构的整体强度。凹腔面79还包括腹板内表面、主边框顶面、内边框顶面。腹板76上开有键盘孔组80、触摸板孔82，以及其它孔槽。主边框72上设有各种孔槽84a-84g。如前所述，边框次结构、腹板次结构和各种孔槽等，均是可以根据实际应用需求而加以设计的。相较于应用于平板电脑的金属外壳12，应用于笔记本电脑主机的金属外壳70具有以下特点：一是面积大；二是腹板次结构的尺寸大、结构复杂；三是外壳上孔洞多。因而金属外壳70成型难度更大。同样，这也是一种一体化变截面薄腹板金属外壳。下文中如无特别说明，“金属外壳”或“外壳”均指“一体化变截面薄腹板金属外壳”。
以下，将详述如何使用本发明的锻压模具及成型方法成型出如图1A至图4所示的各种结构的一体化变截面薄腹板金属外壳。需要指出的是，锻造模具的具体尺寸和形状取决于外壳的尺寸和形状，但成型的基本原理是相同的。
本发明第一实施方式是说明本发明的技术原理。图5A-图7、图9A及图9B展示了本发明用于成型如图1A至图2所示金属外壳12的外壳坯件140的一副锻造上下模具110及120，此为本发明第一实施方式的锻造模具。其中，图5A是上模具110的仰视图，图5B是上模具110的立体示意图。图6A是下模具120的俯视图，图6B是下模具120的立体示意图。图7是上模具110和下模具120上下对应的断面示意图，其中上模压块组119是图5A的C-C断面，下模腔129是图6A的D-D断面。需说明，为示意清楚，图中的各部位尺寸和位置尺寸并非全部按比例严格绘制。
101为成型用金属板材，102为金属板材101的顶面，104为金属板材101的底面。上模具110具有边框压块112及由若干的腹板压头116组成的腹板压块。在本实施方式中，腹板压头的压头个数为54。边框压块112和腹板压块之间的间隙形成一圈减压槽111a。由于腹板压块由若干的腹板压头116组成，各腹板压头之间的间隙形成网状的减压槽111b。减压槽111a和111b自上模具施压面向内凹陷形成，构成整体的减压槽网。减压槽既可以形成相互连接的凹槽结构，也可以为单个盲孔状相互独立的凹槽结构。
特别指出，虽然本实施方式中使用若干腹板压头116来显示腹板压块的效果，但是本发明也可以使用单个腹板压头或单个腹板压块与边框压块112共同作用而成型金属外壳坯件。亦即，此处所称腹板压头116也包含单个腹板压头或单个腹板压块的实施方式，以下不再重复说明。腹板压头的具体数量取决于腹板面积的大小、腹板压头施压面的大小，以及腹板压头之间的距离。本实施方式中的上模具110的腹板压头116系包含若干压头，该若干压头呈阵列式排布。
所有腹板压头施压面所形成的腹板压头平面103，是与下模腔129的腹板模面126的形状相同的平面或弧面。一般情况下，126和103为平面。腹板多柱压头向金属板的顶面施压时，可使金属板材101的底面104紧贴于腹板模面126上，成型为近终形的腹板内锻面127。腹板压头平面103与边框压块施压面115所形成的边框压块平面105之间的距离D大于等于零，小于金属板材的厚度P，以保证腹板压头施压面117在锻造过程中会对金属板材101的顶面102施压。
边框压块112上具有边框次结构压块114a-114c，腹板压头116上具有腹板次结构压块118a-118c。由图5A-图5B和图7可看出，腹板次结构压块118a位于一个腹板压头的顶端；腹板次结构压块118b位于另一腹板压头的顶端，但占据了一点减压槽111b的空间；而腹板次结构压块118c从一个腹板压头的顶端延伸直至与另一腹板压头相接触，占据了这两个腹板压头之间较多的减压槽111b的空间。每个腹板次压块的施压面的形状与其对应的腹板次结构型腔的腔口形状相似，其面积以大于等于对应的腹板次结构型腔腔口的面积、小于该腔口面积的3倍为宜，以使有足够的金属材料压入下模具的边框次结构型腔。腹板次结构压块施压面位于边框压块平面105与腹板压头平面103之间。每个腹板次结构压块施压面的高低可以不同，其所对应的腹板次结构型腔越深，则该腹板次结构压块施压面越突出于腹板压头平面103。上模具110上的前述所有压块（压头）共同组成上模压块组119。下模具120上设有下模腔129，其包括位于下模腔129中间部位的腹板模面126、围设于腹板模面126周边的边框型腔122、下模腔129周围平行于锻压方向并向上延伸的下模腔侧壁108，以及延伸于下模腔侧壁108的底边与边框型腔外侧壁121的上缘之间的板材边缘阻挡面106。与板材边缘阻挡面106相连的下模腔侧壁108的底边的位置不应高于腹板模面126。锻压时，当上模具分模面91与下模具分模面93相靠，上模具110的下压行程终止。上下模具之间可有锻压导向柱（图中未绘出），保证上下模闭合时的水平精度。
边框型腔122中包括边框次结构型腔124a-124c。腹板模面126上有腹板次结构型腔128a-128c。边框型腔底面123有毛边槽或气孔133，使充模或脱模时型腔中的空气可排出或进入。由于边框压块外侧壁109和下模腔侧壁108之间留有间隙,使得边框型腔122充满后，金属材料沿该间隙被挤出，因此，毛边槽133的毛边槽功能可以省去，只保留气孔功能。图7下模具D-D断面示意图中不一定有气孔133，故用虚线表示。腹板次结构型腔128a-128c的底部也可设计有气孔，使充模或脱模时型腔中的空气可排出或进入。
参考图7与图8所示，将图7中的金属板材101放在下模腔129里进行锻压。上模压块组119和下模腔129共同作用将金属板材101锻压成型为外壳坯件140。经过锻压，上模具的边框压块112、边框次结构压块114a、腹板次结构压块118a-118b和腹板压头116对金属板材101的顶面102施压，并和下模腔129中的边框型腔122、边框次结构型腔124a、腹板次结构型腔128a-128b和腹板膜面126共同作用，使金属板材101在下模腔129中形成边框坯142、边框次结构坯144a、边框坯内壁145、边框顶锻面151、腹板次结构坯148a-148b和腹板内锻面127。而边框顶锻面151、边框次结构坯144a、边框坯内壁145、腹板次结构坯148a-148b和腹板内锻面127构成近终形的凹腔锻面149。隐蔽式的边框次结构25在边框顶锻面151的下方内侧，可通过机加工工艺完成。锻压后，外壳坯件140的上部形成包括毛边155和金属凸起157的正锻面156，侧面形成包括侧面余料159的外侧锻面154。
减压槽111a-111b的作用是容纳边框压块112和腹板压头116下压金属板材时被压挤出的多余金属，在外壳坯件的正锻面156上形成金属凸起157，从而大幅地降低锻造所需的压力。减压槽111a-111b的深度应大于金属材料被挤出时在减压槽中所需上行的高度。减压槽111a-111b的宽度可以各不相同，但以大于2mm为佳，减压槽如果太窄，会降低其减小所需锻压力的作用。减压槽111a-111b的宽度以不大于20mm为佳，否则可能造成金属板材101的底面104对应过宽减压槽的部位因压力不足而不能完全地贴合在腹板模面126上。
如果将金属外壳12的边框次结构、边框内侧面和腹板次结构设计为可模具锻造成型，即有脱模角和过渡圆角，则边框次结构坯144a-144c（图8中只显示了144a）、边框坯内壁145和腹板次结构坯148a-148c（图8中只显示了148a和148b）可以直接分别锻造成型为最终形状的边框次结构24a-24c、边框内侧面32和腹板次结构28a-28c，从而不需进行机加工精修。边框顶锻面151在没有毛边槽133的情况下，也可直接成型为最终形状的边框顶面29。对于平板电脑等电子装置，边框顶面29的精度往往要求很高，必须经过精加工。
在边框压块112向下锻压成型外壳边框坯142时，如果金属板材101的中间部分未被施压则可能产生变形。本发明通过腹板压头116对金属板材101的顶面102施压来保证金属板材底面104贴合在下模具120腹板模面126上而形成腹板内锻面127。腹板内锻面127除了脱模顶板132a-132d处对应的部分需要少量机加工精修外，其它部分则不需机加工，可以直接作为腹板26的内表面27。
外壳坯件140多余的材料主要集中在外壳坯件的正锻面156和外侧锻面154中，包括挤压进减压槽111a-111b中的金属凸起157、存留在边框压块施压面115与板材边缘阻挡面106之间的侧面余料159，以及边框压块外侧壁109与下模腔侧壁108的间隙中所形成的毛边155，这些金属余料很容易通过机加工去除。这样，金属板材101在本发明的锻造模具中经过很低的锻压力形成了包含近终形外壳凹腔面19的凹腔锻面149，需后续机加工量少的外壳坯件140。
下面将分析本发明是如何提高材料利用率的。如图9A所示，当金属板材101放入下模具120的下模腔129后，金属板材101的底面104放在腹板模面126以及板材边缘阻挡面106上。进行锻压时，上模具的边框压块施压面115作用在金属板材101的顶面102上，将边框压块112下方金属板材101周边的材料压挤进下模的边框型腔122中，形成边框坯142，并同时形成侧面余料159和毛边155，如图9B所示。由于板材边缘阻挡面106和腹板模面126的阻挡，板材边缘的材料在边框压块112的压力下，只能向下被挤入下模的边框型腔122中和挤入边框压块外侧壁109和下模腔侧壁108之间的间隙，而不会只是沿腹板模面126与边框型腔内侧壁125的相交处向下折叠，造成金属板材101的四个角的材料严重地无序堆积继而形成皱褶和缺陷。当边框压块施压面115的宽度U大于边框型腔122的宽度Va时，在边框压块施压面115及板材边缘阻挡面106和腹板模面126的共同作用下，金属板材上大于边框型腔122宽度Va的材料被挤压充满边框型腔122，形成高度H大于金属板材101厚度P的边框坯142。108与109之间的间隙所形成的毛边槽的下端不应太宽，以不大于2mm为宜，使金属板材较易被压入边框型腔122，较难被反挤压进入该间隙。该间隙的中上部分可以较宽，以减少阻力并有利脱模。该间隙还应有足够的高度容纳毛边。这样，本发明可以使用厚度比金属外壳最小外接矩形体的厚度更薄的金属板材。为了将更多金属压入边框型腔122，达到可使用更薄的金属板材的目的，金属板材101的长宽尺寸比金属外壳本身的外形长宽尺寸稍大一点。但是对于长宽尺寸远大于厚度的薄金属板材，其体积还是可以比所要成型的金属外壳的最小外接矩形体的体积更小。而用全机加工方法来生产金属外壳的话，金属板材的尺寸和体积都必须分别大于所要成型的金属外壳的最小外接矩形体的尺寸和体积。因此，本发明可以比全机加工加工方法节省原材料。具体节约的比率，取决于外壳的具体设计和尺寸的大小。本发明实施方式四和实施方式五中有具体材料节省比率的比较。
另外，从图9B可看出，边框坯142是经过锻压成型的，因此强度会有所提高。边框坯142内侧周边的宽度为G的腹板边坯158是经过较大的锻压变形而来的，强度也会有较大的提高。而金属外壳的腹板26周围这圈与边框22相接的部位往往是在电子装置跌落时受变形力较大的部位。
板材边缘阻挡面106的宽度J和腹板边坯158宽度G的尺寸越宽，压挤进边框型腔122的材料就越多，边框坯142的高度H就可越高。但是，相应地，J和G越大，所需成型锻压力也越大。J以不大于金属板材101厚度P的3倍为宜，G以不大于金属板材101厚度P的4倍为宜。当J最小约2mm宽时，便能起到锻压时阻挡金属板材101的周边下弯的作用。当边框型腔122的宽度Va较大，金属板材的厚度P较小时，板材边缘阻挡面106可以省去，此时材料的利用率会有所降低。而G以大于0为宜，否则不能对腹板周边起到锻造的作用。
腹板边坯158的厚度F等于腹板26的厚度T加上设定的腹板机加工余量之和，F值是边框压块施压面115所形成的平面与腹板模面126之间的最终锻压距离。上模具分模面91与下模具分模面93闭合时，厚度F达到所设定的值。
为了最大程度地降低锻造压力，腹板压头施压面117在金属板材顶面102的最小下压量以可将腹板内锻面127贴合在下模具腹板模面126上即可。腹板压头施压面117的下压量取决于其与边框压块施压面115所形成的平面的距离。当这一距离等于金属板材101的厚度P时，所需锻压力最小，而腹板压头施压面117在锻压完成时刚刚可以将金属板材的底面104压靠在腹板模面126上。上模各压块和下模各型腔均应有0.5-10o的脱模角，锻造时应使用润滑剂以降低摩擦力并有于利脱模。如图6A-6B及图7所示，在下模四周腹板下方各设计了四块长方形脱模顶板132a-132d，由脱模顶杆134a-134d分别顶起脱模。图7的断面图不应显示132a-132b和134a-134b，但为了示意清楚，特用虚线画出。在其他实施方式中，也可以不使用132a-132d和134a-134d构成的脱模顶板装置，而是将腹板模面126的中间部分的大约20%-80%的区域设计为一块脱模顶板，下面用一根脱模顶杆顶起。当腹板面积大时，腹板内锻面127与腹板模面126有可能紧密贴合而难以分离。尤其是锻压力大时并有润滑油存在的情况下，腹板可能会被压粘在腹板模面126上。为了解决腹板难以与下模分离的问题，可在下模腹板模面126上加工出均匀分布的直径为0.5-3mm的腹板脱模通孔（图6A-6B中的131）。通孔的位置对应于上模具各减压槽的中心，也就是在下模具的这些位置，所受的锻压力很低，通孔不会被板料所填充。各通孔均与外界相通，使脱模时空气可以进入。这些通孔还可以实现其他的功能，例如在锻压时多余的润滑油和空气可以从通孔中排出，避免在腹板内锻面127上形成由于油或气泡造成的不平。也可在脱模时从腹板脱模通孔131中压入锻造润滑油或空气来脱模。如使用从腹板脱模通孔131中压入锻造润滑油或空气来脱模，则可不需要132a-132b和134a-134b构成的脱模机构。这时整个腹板的内锻面127成为可不需机加工的终形腹板内的表面27。将132a-132b和134a-134b安装在四周的板材边缘阻挡面106中间，或者安装在四周边框型腔底面123中间，也可免去腹板内锻面127的机加工。当腹板压头116在金属板材101上下压量很少，使脱模比较容易时，或腹板面积很小的情况下（如手机一体化金属外壳），腹板脱模通孔131可以省去，但可保留一些通孔用于通气。
按照常规的机加工方法，将外壳坯件140进一步机加工而成型为一体化金属外壳12可以通过以下步骤实现：（1）)以外壳坯件140的腹板内锻面127为基准面，制做一个与外壳坯件140近终形的凹腔锻面149相配合的带真空吸附的凹腔工件台；（2）将外壳坯件140吸附固定在凹腔工件台上；（3）将正锻面156上包括的金属凸起157、毛边155和其它余料机加工去除掉（可用盘铣刀高速切削），成型出外壳的正表面14；（4）机加工外壳坯件140的外侧锻面154将侧面余料159去除（可用与金属外壳12的外侧面形状相同的成型铣刀），成型出外壳的外侧面16；（5）以已成型的正表面14为基准面制做一个通过固定金属外壳正表面和外侧面的真空吸附外壳工件台；（6）将一部分机加工的外壳坯件吸附固定在外壳工件台上；（7）精加工近终形的凹腔锻面149中所需精修的部分成型出外壳的凹腔面19，从而完成将外壳坯件机加工成型为一体化金属外壳12。
图10是前述本发明应用于图1-图2电子装置一体化变截面薄腹板金属外壳成型方法的工艺流程165的示意图。成型工艺流程165中没有包括热处理和表面处理等工艺。该成型方法包括以下步骤：（1）提供金属板材，为提供所需尺寸的金属板材101；（2）制造相应的锻造模具，其包括上下模具110和120；（3）锻压金属板材成型为外壳坯件，为将金属板材101锻压成型为外壳坯件140；（4）制造固定凹腔锻面的凹腔工作台，用以通过固定凹腔锻面149来固定外壳坯件；（5）机加工成型外壳的正表面和外侧面，为将已固定的外壳坯件的正锻面156和外侧锻面154所包括的金属凸起157和余料、毛边155、侧面余料159机加工去除，成型为金属外壳的正表面14和外侧面16；（6）制造固定正表面和外侧面的外壳工件台，用以通过固定已成型的正表面14和外侧面16来固定已部分机加工的外壳坯件；（7）机加工成型外壳的凹腔面完成一体化金属外壳的成型，为精修凹腔锻面149成型为凹腔面19，从而完成一体化变截面薄腹板金属外壳12的成型。如本实施方式的分析，本发明可通过减压槽和减少腹板压块下压量来大幅降低锻造成型外壳坯件所需的锻压力。根据有限元分析，本发明中模具成型所需的锻压力大约是使用现有锻造技术的1/4-1/3。由于所需锻造压力低，本发明所用的金属材料并无特殊限制，既可以是铝合金、镁合金等，也可以是钛合金、不锈钢和其它钢材等材料。根据具体金属板材，工艺流程165中的工艺（3）锻压金属板材成型为外壳坯件，可以是室温锻造、温锻或热锻。尽管对各种温度的锻造，所需锻造压力不同，但上述本设施方式所分析的本发明的技术原理均适用。
对于电子装置尤其是便携电子装置的一体化金属外壳，以轻金属基材料为佳，如铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金、镁锂合金，以及铝基复合材料和镁基复合材料等金属基复合材料等。为了实现薄腹板外壳既轻又薄，且有好的刚性和强度，尽可能选择比屈服强度 、比弹性模量和值高的金属，其中E为材料的弹性模量、为材料的屈服强度、为材料的密度。值高，对一体化金属外壳的厚边框减重减薄有利，而和值高，对外壳的腹板减重减薄有利。
图11所示为本发明第二实施方式的锻造模具，此方式中对上模压块组119中的腹板压头116进行调整。本发明锻压成型上模的腹板压头的多少和各压头面积的大小及排列可以有多种组合，只要能达到保证腹板内锻面127贴合在下模的腹板模面126上即可。图11所示的上模压块组135中的腹板压头136的压头数量从本发明第一实施方式中的54个减少为6个。边框压块112和腹板压头136之间形成减压槽161a，腹板压头之间形成减压槽161b。腹板次结构压块118a和118b分别形成于两个腹板压头的顶端，而腹板次结构压块118c则位于两个腹板压头的顶端。锻压时，在腹板压头136和下模腔129共同作用，将金属板材成型出图12所示的外壳坯件141。外壳坯件141具有与外壳坯件140相同的近终形的凹腔锻面149，两者的区别仅在于金属凸起167与157不同而已。
但是，在实际生产中，像腹板压头136这样增加单个压头的面积的话，会相应地使锻压成型所需的压力增加。而另一方面，腹板压头的排列可以是均匀的，也可以是非均匀的，应以均匀地排列为佳。减少每个腹板压头的面积可有效的降低锻造压力，但每个腹板压头不宜太小，单个腹板压头的施压面的面积以不小于80 mm2 为宜，以降低模具的生产成本。每个腹板压头的施压面的面积并无具体上限，一般地，各个压头的面积增大，减压槽就就相对会减少，所需锻造压力也就会增大。对于面积小的金属外壳，如手机外壳，由于所需锻造压力小，可以只有一个腹板压头。
可使用本发明实施方式一的锻造模具锻压成型如图3A所示便携电子装置RF组合外壳中一体化变截面薄腹板主体金属外壳42的外壳坯件。42的长度为Xa小于RF组合外壳的长度X。其中，主体金属外壳42与RF天线窗54相交处的金属内边框46通常比其它部分的边框要薄和低，只要上、下模对应金属内边框46的部分的结构做相应调整即可。
本发明第三实施方式的锻造模具是用于成型图3B所示组合外壳中一体化变截面薄腹板主体金属外壳52的外壳坯件。由于52的长度为Xb等于RF组合外壳的长度X，成型该组合外壳的一体化主体金属外壳与成型整体为金属的外壳所需的板材面积是一样的。但在锻压成型时，RF天线窗所对应的金属板材部分不需锻压。图13A-13B展示了本发明第三实施方式中的上模具210。212为主边框压块，213为内边框压块。对应RF天线窗的RF区为RF面215，不需要压块。由于内边框压块213向内凹，临近的内边框腹板压头217的直径相应缩小，与主腹板压头216一起组成腹板压块。主边框压块212与主腹板压头216之间形成的减压槽，以及内边框压块213与腹板压头217之间形成的减压槽连在一起为减压槽211a。腹板压头之间形成连在一起的减压槽211b。图14A-14B展示了本发明第三实施方式的下模具220。226为腹板模面，里面有腹板次结构型腔128a-128c和腹板脱模通孔231。222为底面带有通气孔或毛边槽221的主边框型腔，223为底面带有通气孔的内边框型腔。主边框型腔222上有边框次结构型腔124a-124b。225为内边框型腔223外面的RF天线窗所对应位置，此区的金属板材不经受锻压变形。236为分布在下模腔周边的板材边缘阻挡面，其功能与图6A中的板材边缘阻挡面106相同，与内边框型腔223相关的板材边缘阻挡面和RF面215连在一起。脱模方式可使用腹板脱模通孔231，也可采用第一实施方式中所述的脱模顶板装置。
使用本发明模具也可以成型图3C所示的主体金属外壳62的外壳坯件，由于62的长度为Xc等于RF组合外壳的长度X，其与第三实施方式中的模具设计原理相同。
本发明第四实施方式是使用6063铝合金在室温下成型图2所示一体化变截面薄腹板金属外壳12，可选取外壳的外形尺寸为：长度X=200mm，宽度Y=135mm，厚度Z=7.2mm，腹板厚度T=0.7mm。该尺寸与市场上一款7.9吋屏幕的平板电脑一体化变截面薄腹板铝合金外壳的外形尺寸相似。
锻压成型该尺寸外壳坯件所需的第四实施方式锻造模具如图5A-图7所示。模具材料可用适合室温铝合金锻造的冷作模具钢，如Cr5Mo1V或Cr12MoV钢。选取腹板压头的各压头直径约为15mm，减压槽111a和111b的最小宽度约为4mm。锻压和机加工成型工艺与图10所示的成型工艺流程165相同。图15为包括了成型、热处理和表面处理的工艺流程310示意图。工艺流程310是从312提供所需尺寸的6063铝合金挤压或轧制板材（以未经热处理的为佳）开始。工艺314将板材均匀加热到该铝合金的固溶温度范围。工艺316将加热到固溶温度的铝合金板材在该铝合金热处理规范要求的时间内投入冷水中淬火，水中可按规范加入一定比例的乙二醇。如果淬火后板材变形大，可经过工艺318对淬火后的金属板材进行矫形。工艺320对矫形后的金属板材进行喷砂以去除表面氧化物，该工艺可使锻造成型的外壳坯件表面更佳，但不是必需工艺。工艺322为在室温下使用本发明的锻造模具将经淬火的6063铝合金板材锻压成型为外壳坯件，应使用冷锻润滑剂。锻造所需的锻压力约为1000-1300吨。如使用现有的锻造技术，所需的锻压力约是本发明的3至4倍。6063铝合金在室温下锻造应力受应变速率的影响不大，因而锻压速度可选择的范围宽，但锻压速度应使锻件的应变速率小于该铝合金冷锻时允许的最大应变速率。如腹板压头由图11所示的6个矩形压头组成，每个压头的尺寸约为51×48mm，减压槽的最小宽度约为4mm，则锻造所需压力约为1400-1700吨。
将6063外壳坯件经过工艺326的人工时效达到T6状态，在开始人工时效326之前，可先进行该铝合金在设定温度下的去应力处理工艺324，以消除因锻造产生的残余应力，如图16所示。该图表示在工艺流程310的加工过程中，各工艺314-326中工件温度随时间变化的关系。图中TR为室温、TS为该铝合金的固溶温度、TF为去应力温度、TA为人工时效温度。从淬火316到开始进行去应力324的间隔时间必须在该材料T6热处理规范所要求的从淬火到人工时效允许的最大停放间隔时间tW内完成。经过328的机加工过程将外壳坯件成型为一体化变截面薄腹板铝合金外壳，再经抛光、喷砂或化学表面处理工艺330后，进行阳极氧化、电镀或涂防护层等表面保护工艺332，成为铝合金外壳成品。有些特殊的金属外壳设计要求在阳极氧化等表面处理后还需经过特殊外观工艺处理。
本实施方式是使用一块尺寸为215×150×5.2mm的6063铝合金板材来成型这个外形尺寸为200×135×7.2mm的一体化铝合金金属外壳，该铝合金板材比这一铝合金外壳的最小外接矩形体的体积约小14%。成型出的外壳坯件中的边框坯142的高度H为8.2mm，比外壳的外形厚度多1.0mm，腹板边坯158的厚度F为1.2mm，比该铝合金外壳的腹板厚度多0.5mm（参见图9A-9B）。这样，锻造成型外壳坯件的正锻面上锻压最深处和边框顶锻面各有0.5mm的机加工余量。同时外壳坯件的四周边框外侧面留有不小于0.5mm的机加工余量。
如使用全机加工的方式来成型这种6063铝合金外壳，以材料每面0.5mm的加工余量来计算，所需铝合金板材尺寸约为201×136×8.2mm，比这一铝合金外壳的最小外接矩形体的体积（即外形尺寸体积）约大15%。所以，本发明可比全机加工节省约25%的铝合金板材。
除不可锻造成型的隐蔽式的边框次结构25，本发明的凹腔锻面可以是金属外壳凹腔面19的终形或近终形。将该外壳坯件最终机加工成型为一体化变截面薄腹板铝合金外壳，大约比全机加工成型所需的机加工时间可减少20-40%。
对于类似6063铝合金淬火后屈服强度低、需要进行T6人工时效的铝合金，如6351和6463等铝合金，以及部分的镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金均可使用本发明来成型。
本发明第五实施方式是可以使用6063铝合金在室温下成型图17所示的电子装置一体化变截面薄腹板金属外壳350。该外壳的外形尺寸为：长度X=241mm，宽度Y=186mm，厚度Z=7.7mm，腹板厚度T=0.8mm。与市场上一款9.7吋屏幕的平板电脑一体化6063铝合金外壳的外形尺寸相似。
锻压成型该尺寸外壳所需上模具360和下模具370分别如图18A-18C所示。模具材料可用适合室温铝合金锻造的模具钢，如Cr5Mo1V钢。由于金属外壳350面积大，所以模具比图5A-图7所示的模具大，但没有本质上的不同，主要是表现在外壳面积的增大，边框压块362的面积增大，腹板压头366的压头个数也相应的增加了。腹板压头366的尺寸，以及减压槽361a和361b的最小宽度与第四实施方式中的相似，分别约为15mm和4mm。如图18A所示，腹板次结构压块368a-368c分布于腹板压头366里面。下模具370下模腔中具有边框型腔372和对应外壳边框352上的11个边框次结构354a-354k的型腔374a-374k，以及腹板模面376、腹板次结构型腔378a-378c和腹板脱模通孔371。下模腔的四周分布有板材边缘阻挡面386。但上模具上只有5个边框次结构压块364a-364e。其它边框次结构靠同一边的边框压块来下压成型。实际上，因为边框次结构都不高于边框的高度，上模具360的所有边框次结构压块都可省去，由较宽的边框压块代替。边框次结构压块实际上是在边框压块上去除一些与对应的边框次结构型腔相当的空间，降低该部位边框压块的高度，起到减少锻压力的作用。脱模方式可使用腹板脱模通孔371，也可采用第一实施方式中所述的脱模顶板装置。成型工艺流程可与工艺流程310相同，只是冷锻造成型相应的外壳坯件所需的锻压力因锻压面积的增大而相应的增加到约1800-2000吨。如使用现有的锻造技术，所需的锻压力约是本发明的3至4倍。6063铝合金在室温下锻造力受锻造速率的影响不大，因而锻压速度可变范围宽，但锻压速度应使锻件的应变速率小于该铝合金冷锻时允许的最大应变速率。
本实施方式是使用一块尺寸为256×201×5.5mm的6063铝合金板材来成型这个外形尺寸为241×186×7.7mm的一体化变截面铝合金外壳，比该铝合金外壳的最小外接矩形体的体积约小18%。冷锻成型外壳坯件中的边框坯的高度H为8.7mm，比外壳的厚度多1.0mm，腹板边坯的厚度F为1.3mm，比该铝合金外壳的腹板厚度多0.5mm（参见图9A-9B）。锻造成型外壳坯件的正锻面锻压最深处和边框顶锻面各有0.5mm的机加工余量。同时所成型的外壳坯件的四周外侧面留有不小于0.5mm的机加工余量。
如使用全部机加工的方式来成型，以板材每面0.5mm的加工余量来计算，所需铝合金板材尺寸为242×187×8.7mm，比这一铝合金外壳的最小外接矩形体的体积约大14%。所以本发明实施方式比全机加工方法可节省约28%的铝合金板材。
全部用机加工方法加工金属外壳350凹腔中的所有11个边框次结构354a-354k和3个腹板次结构358a-358c，及其腹板内表面356非常耗时。除不可锻造成型的隐蔽式的边框次结构，本发明的凹腔锻面可以是不需或只需少量机加工精修的铝合金外壳凹腔面的终形或近终形。将外壳坯件最终机加工成型为一体化变截面铝合金外壳，大约比全机加工成型所需的机加工时间可减少30%-50%。
本发明第六实施方式亦可用6063铝合金冷锻成型图4所示面积更大、结构更复杂的笔记本电脑的金属外壳70。在本实施方式中，所需锻压上模具430和下模具440如图19A-19B所示。随着外壳面积的增大，相应地增加了腹板压头416的个数和锻造压力。上模具有主边框压块432、内边框压块433、边框次结构压块434，以及分布在腹板压头416中的腹板次结构压块438a-438e。下模腔中有主边框型腔442、内边框型腔443、边框次结构型腔444、腹板次结构型腔448a-448e,以及腹板模面446。脱模方式可使用腹板脱模通孔441，也可采用第一实施方式中所述的脱模顶板装置。由于上模具上分布有减压槽431a和431b，因而，所需的锻压力约是使用现有的锻造技术的1/4-1/3。用这套模具锻压出来的的凹腔锻面是凹腔面79的近终形，约80%以上不需机加工。在成型出的金属外壳上再机加工出各种孔洞、槽和开口。笔记本电脑的外形尺寸变化很多，本实施方式没有给出具体外壳尺寸，使用本发明成型不同尺寸的笔记本电脑金属外壳原理是相同的。
应特别指出，尽管图4所示的笔记本电脑主机上部外壳具有复杂且大尺寸的腹板次结构，但使用本发明锻造模具锻压成型这些腹板次结构，不会产生锻造流线紊乱和充模不足的问题。现有的一步锻造和两步冲锻技术都不能成型这种大寸尺的复杂腹板次结构。
本发明第七实施方式是将第四实施方式改为6063铝合金板材挤压在线淬火与本发明的模具锻压成型相结合。图20是工艺流程500的示意图。在挤压工艺502中，调整挤压参数，使挤出的6063铝合金带材的温度在其固溶温度范围内。工艺504是将挤压出来的带材立即穿过流动水槽在线淬火，水中可以按规范加入一定比例的乙二醇。工艺506是对淬火后的带材进行矫直（如辊筒矫平或拉直）。在经工艺508喷砂去除表面氧化层后，经切割工艺（如切板机）切成所需金属板材坯料。其余工艺322-332与工艺流程310中的一样。从在线淬火504到开始进行去应力324的间隔时间也同样必须在该铝合金的T6热处理规范所要求的从淬火到人工时效允许的最大停放间隔时间tW内完成。在大规模生产同一规格的一体化变截面薄腹板铝合金外壳时，本实施方式是生产效率最高、成本最低的工艺流程。
高强度的铝合金通常不适合冷锻成型。本发明第八实施方式是使用必须温或热锻成型的铝合金，如高强度7075铝合金，来成型如第四实施方式中所列尺寸的一体化变截面薄腹板金属外壳。本实施方式中，所需模具的形状和尺寸与第四实施方式相同，模具材料可使用适合铝合金热锻的模具钢材，如H13钢。图21是第八实施方式工艺流程520的示意图。工艺522是提供热锻用金属板材，工艺523是制造本发明的锻造模具，工艺524是将金属板材均匀加热到适合该铝合金热或温锻的温度，同时模具也在工艺526加热到适合该铝合金热或温锻的模具温度；上下模具均有保温装置。工艺528是将加热的金属板材放入已加热的锻造模具中锻压成型，可使用该材料对应温度区间的锻压速度。应在使用热锻润滑剂的条件下对7075铝合金进行锻造。所需的压力约为500-700吨。如使用现有的锻造技术，所需的锻压力约是本发明的3至4倍。锻压速度应使锻件的应变速率小于该铝合金在相应锻造温度下允许的最大应变速率。工艺530是对锻压成型的外壳坯件去除毛边155和挤压出的材料或称金属凸起157。工艺532是将锻造成型的外壳坯件加热到该材料的固溶温度范围，工艺534将固溶温度的在该铝合金热处理规范要求的短时间内投入冷水中淬火，水中可按规范加入一定比例的乙二醇。工艺536对淬火后的外壳坯件在整形模具中压力整形。可在工艺540人工时效外壳坯件到T6状态之前加上去应力工艺538（与图16去应力工艺324相似）。从534淬火到开始进行去应力工艺398的间隔时间必须在该材料T6热处理规范所要求的从淬火到人工时效允许的最大停放间隔时间tW内完成。接下去机加工、表面处理和特殊外观处理工艺（328-332）与工艺流程310中的一样。由于第八实施方式的模具锻压成型外壳坯件的厚度比外壳终件的腹板厚得多，而且锻造压力低，因此即便是由热锻压成型的，也容易脱模，且脱模时不容易变形。对其它可以热或温锻成型的铝合金均可使用和本发明第八实施方式工艺流程520相同的工艺流程来成型相应的铝合金一体化外壳，只需具体工件和模具加热、锻造和热处理等工艺参数使用相应铝合金的工艺参数即可。
本实施方式所需锻压力低，适合于需要热锻或温锻成型的铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金等金属材料。
本发明第九实施方式是使用铝基复合材料（英文称为Aluminum Matrix Composites, Aluminum Metal Matrix Composites，或如ANSI H35.5规范所称Aluminum Metal Matrix Composite Materials，是金属基复合材料的一种），如6092/B4C/25p材料，成型如第四实施方式所列尺寸的一体化铝合金外壳。铝基复合材料需使用热锻成型外壳坯件，所需模具的形状和尺寸与第四实施方式相同，模具材料可使用适合铝合金热锻钢材，如H13钢。图22是第九实施方式工艺流程550的示意图。工艺552提供所需尺寸的铝基复合材料板材，板材可以是挤压或轧制生产的。工艺553是制造本发明的锻造模具，工艺554是将铝基复合材料板材均匀加热到该材料的热锻温度，同时模具也在工艺556加热到所需的温度；上下模具均有保温装置。工艺558是将加热的铝基复合材料板材放入已加热的模具中锻压成型。对6092/B4C/25p材料，所需锻造压力约为800-1000吨，并使用热锻润滑剂。如使用现有的锻造技术，所需的锻压力约是本发明的3至4倍。锻压速度应使锻件的应变速率小于该材料在相应锻造温度下允许的最大应变速率。一般而言，上模下行速度为1-10毫米/秒。工艺560是对锻压成型的外壳坯件去除毛边155和坯件锻压面上被腹板压头挤压出的多余材料或金属凸起157。工艺562是将锻造成型的外壳坯件加热到该材料的固溶温度范围，工艺564将经过固溶处理后的外壳坯件在该材料热处理规范要求的短时间内投入冷水中淬火，水中可按规范加入一定比例的乙二醇。工艺566对淬火后的外壳坯件在整形模具中压力矫形。可在工艺570人工时效外壳坯件到T6状态之前加上去应力工艺568（与图16去应力工艺324相似），从564淬火到开始进行去应力568的间隔时间必须在该材料T6热处理规范所要求的从淬火到人工时效允许的最大停放间隔时间tW内完成。工艺572中，对铝基复合材料外壳坯件机加工成型为一体化金属外壳与机加工铝合金外壳坯件的工艺328类似，但应尽可能使用高速切削。铝基复合材料外壳可以像铝合金一样进行阳极氧化、电镀或涂防护层。由于铝基复合材料的比屈服强度、比弹性模量和数值均高于铝合金，适合加工出重量更轻、腹板更薄的一体化外壳。表1是6063-T6铝合金与6092/B4C/25p-T6铝基复合材料的室温性能比较。
将表1中两种铝基材料的和值进行比较可得出，如果6092/B4C/25p-T6铝基复合材料生产的一体化金属外壳的腹板比6063-T6外壳的腹板的薄和轻约18%，两块腹板的刚性则相同，而铝基复合材料腹板的屈服强度则比6063腹板高约77%。
对其它可以热锻成型的铝基复合材料，如：5083/B4C/10p、6061/B4C/25p、6063/B4C/25p、6090/B4C/25p、7075/B4C/10p、6061/Al2O3/20p、6063/Al2O3/20p、6092/SiC/17p、6092/SiC/25p、2009/SiC/25p、7075/SiC/15p、7050/SiC/15p、2014/SiC/15p、2024/SiC/15p等，以及镁基复合材料，如：ZK60/SiC/20p、AZ31/SiC/20p、AZ31/SiC/25p、AZ61/SiC/20p等，均可使用和本发明工艺流程550相同的工艺流程来成型相应铝或镁基复合材料的一体化外壳，只需具体工件和模具加热、锻造和热处理等工艺参数使用相应铝或镁基复合材料的工艺参数即可。
本发明第十实施方式是使用镁合金，如ZK60镁合金，来成型第四实施方式成型的同一尺寸金属外壳。该镁合金需使用热锻成型外壳坯件，所需模具的形状和尺寸与第四实施方式相同，模具材料可使用适合铝合金热锻的模具钢材，如H13钢。图23是第十实施方式工艺流程580的示意图。工艺582提供所需尺寸的镁合金板材。工艺583是制造本发明的锻造模具，工艺584是将镁合金板材均匀加热到适合热锻的温度，同时模具也在工艺586加热到合适的模具温度；上下模具均有保温装置。工艺588是将加热的镁合金板材放入已加热的模具中锻压成型。对于ZK60镁合金，所需锻造压力约为400-600吨，并使用热锻润滑剂。如使用现有的锻造技术，所需的锻压力约是本发明的3至4倍。锻压速度应使锻件的应变速率小于该镁合金在相应锻造温度下允许的最大应变速率。工艺590是对锻压成型的镁合金外壳坯件去除毛边155和坯件锻压面上被腹板压头挤压出的多余材料如流入减压槽111a-111b的金属凸起157等。工艺592是将锻造成型的外壳坯件加热到该镁合金的固溶温度范围，工艺594将固溶处理后的外壳坯件在该材料热处理规范要求的短时间内投入冷水中淬火，水中可按规范加入一定比例的聚亚烷基二醇。工艺596对淬火后的外壳坯件在整形模具中压力整形。可在工艺600人工时效外壳坯件到T6状态之前加上去应力工艺598（与图16去应力工艺324相似）。从594淬火到开始进行去应力598的间隔时间必须在该材料T6热处理规范所要求的从淬火到人工时效允许的最大停放间隔时间tW内完成。将T6状态的镁合金外壳坯件机加工工艺602成型为一体化镁合金外壳，镁合金的表面处理工艺604和铝合金的不一样，如可进行形成表面化学转化膜或微弧氧化的表面处理。镁合金表面还需要涂有防护层（工艺606）。本发明同样可以应用其他可锻造成型的镁合金，如AZ31。
综上所述，使用本发明的一副锻造模具，将金属板材锻压成型为外壳坯件，其中包括外壳坯件的正锻面、外侧锻面和凹腔锻面。下模具有与外壳凹腔形状对应的型腔，上模具有带有减压槽的压块组。通过减压槽和减少腹板压块下压量来大幅降低锻造成型外壳坯件所需的锻压力。所需的锻压力大约是使用现有锻造技术的1/4-1/3。由于所需锻造压力低，本发明所用的金属材料并无特殊限制。
模具锻压成型时，上模压块组对放在下模腔中金属板的顶面施压，并与下模具型腔共同作用，在金属板的底面成型出金属外壳凹腔面的近终形外壳凹腔锻面，其中包括近终形腹板内锻面、近终形边框顶锻面、近终形边框内侧锻面、近终形边框次结构坯、近终形腹板次结构坯。而外壳坯件需去除的余料主要集中在正锻面和外侧面上，可以机加工快速去除。
在锻压过程中，由于本发明模具的特殊性，被压进下模边框型腔、边框次结构型腔和腹板次结构型腔的金属和上模压块之间挤出的金属主要是沿与上模锻压方向平行的方向进行流动，不仅锻造成型所需的压力进一步降低，而且各型腔完全填充，锻造流线平顺，与型腔所在的位置和尺寸没有关系。完全解决了现有一步或多步锻造薄腹板金属外壳时，腹板次结构的锻造流线紊乱、难以完全填充的问题。此外，在本发明中，腹板内锻面只需很少或不需机加工。腹板的减薄是从外壳坯件的正锻面用盘铣刀来高速切削，切削应力小，可以比从板材两面机加工成型的腹板进一步减少机加工减薄腹板厚度。
本发明通过锻造模具特有的下模型腔与上模边框压块的特殊设计，所使用的金属板材的厚度和体积可以分别小于所需成型金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积，从而可比全机加工成型方法约节省20-30%的金属板材。
本发明的上述实施方式并非对本发明应用限定。本发明并不只局限于可以成型电子装置一体化变截面薄腹板的金属外壳，任何具有变截面薄腹板金属结构的设计，均可使用本发明来一体成型。本发明上述上模具和下模具只是相对而言，它们的位置互换对本发明的实际应用没有实质性的影响。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所做的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (51)
1.一种锻造模具，用于将给定金属板材锻压成型为电子装置的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯；所述锻造模具包括上模具和下模具，其特征在于：所述上模具具有上模压块组及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽；所述下模具具有下模腔，用于容纳所述金属板材，并在所述上模压块组的锻压下共同将所述金属板材成型为所述外壳坯件。
2.如权利要求1所述的锻造模具，其特征在于：所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且平行于锻压方向并向上延伸的下模腔壁，以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
3.如权利要求1所述的锻造模具，其特征在于：所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，以及可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
4.如权利要求3所述的锻造模具，其特征在于：所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
5.如权利要求3所述的锻造模具，其特征在于：所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
6.如权利要求3所述的锻造模具，其特征在于：所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
7.一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材放置于所述下模腔内，经锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起，所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（4）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和余料去除，获得所述正表面；
（5）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（6）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
8.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金、镁锂合金、铝基复合材料、镁基复合材料、钛合金、不锈钢和其它钢材中选取。
9.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
10.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
11.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位分压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
12.如权利要求11所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
13.如权利要求11所述的成型方法，其特征在于：所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
14.如权利要求11所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
15.如权利要求7所述的成型方法，其特征在于：所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
16.一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材加热到其固溶温度；
（4）将加热到固溶温度的所述金属板材进行淬火；
（5）将已淬火的所述金属板材放置于所述下模腔内，在室温下锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（6）对所述外壳坯件进行时效；
（7）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和余料去除，获得所述正表面；
（8）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（9）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
17.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金中选取。
18.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：从所述步骤（4）结束到开始进行所述步骤（6），必须在对所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
19.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行人工时效。
20.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行去应力处理后进行人工时效。
21.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
22.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
23.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位分压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
24.如权利要求23所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
25.如权利要求23所述的成型方法，其特征在于：所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面被锻压过程中形成的金属凸起。
26.如权利要求23所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面被锻压过程中形成的金属凸起。
27.如权利要求16所述的成型方法，其特征在于：所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
28.一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供挤压用的金属材料锭；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将加热至挤压温度的所述金属材料锭挤压成型为带材，其在挤压模具出口处的温度处于所述金属材料的固溶温度范围；
（4）将所述处于固溶温度的带材进行在线淬火；
（5）将已淬火的所述带材切割为金属板材；
（6）将所述金属板材放置于所述下模腔内，在室温下锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（7）对所述外壳坯件进行时效；
（8）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和余料去除，获得所述正表面；
（9）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
29.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金和镁锂合金中选取。
30.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：从所述步骤（4）结束到开始进行所述步骤（7），必须在所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
31.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行人工时效。
32.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行去应力处理接着进行人工时效。
33.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
34.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
35.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
36.如权利要求35所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
37.如权利要求35所述的成型方法，其特征在于：所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
38.如权利要求35所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
39.如权利要求28所述的成型方法，其特征在于：所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
40.一种应用于电子装置的金属外壳的成型方法，所述金属外壳包括腹板、腹板周围的边框、正表面、外侧面和凹腔面，所述成型方法包括以下步骤：
（1）提供金属板材；
（2）提供包括上模具和下模具的锻造模具，所述上模具具有上模压块组以及形成于所述上模压块组中间并向内凹进的减压槽，所述下模具具有下模腔；
（3）将所述金属板材加热到设定的温度；
（4）将所述上模具和所述下模具加热到设定的温度；
（5）将所述金属板材放置于所述下模腔内，经锻压成型为所述金属外壳的外壳坯件，所述外壳坯件包括正锻面、外侧锻面、凹腔锻面和边框坯，所述正锻面上具有由所述减压槽形成的金属凸起；所述凹腔锻面包括腹板内锻面、腹板次结构坯和边框次结构坯，并且是所述凹腔面的近终形面；
（6）将所述外壳坯件加热到固溶温度；
（7）将加热到固溶温度的所述外壳坯件进行淬火；
（8）将已淬火的所述外壳坯件进行压力整形；
（9）对已压力整形的所述外壳坯件进行时效；
（10）机加工所述正锻面，将所述金属凸起和余料去除，获得所述正表面；
（11）机加工所述外侧锻面，将金属余料去除，获得所述外侧面；
（12）机加工所述凹腔锻面，获得所述金属外壳。
41.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的材料从铝合金、镁合金、铝镁合金、铝锂合金、镁锂合金、铝基复合材料和镁基复合材料中选取。
42.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：从所述步骤（7）结束到开始进行所述步骤（9），必须在对所述金属板材要求的热处理状态所对应的热处理规范中规定的从淬火到人工时效允许的最长停放间隔时间内完成。
43.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行人工时效。
44.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述进行时效为进行去应力处理后进行人工时效。
45.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述金属板材的厚度和体积分别小于所述金属外壳的最小外接矩形体的厚度和体积。
46.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述下模腔包括位于所述下模腔中间部位向四周延伸的腹板模面、围设于所述腹板模面周边且自所述腹板模面向内凹陷形成的边框型腔、围设于所述下模腔周边且垂直于所述腹板模面向上延伸的下模腔壁,以及延伸于所述下模腔壁的底边与所述边框型腔的外侧壁上缘之间的板材边缘阻挡面，所述下模腔壁的底边与所述腹板模面位于同一平面。
47.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述上模压块组包括可将所述金属板材的周边相应部位压入所述边框型腔形成所述边框坯的边框压块，与可将所述金属板材的底面压贴在所述腹板模面上形成所述腹板内锻面的腹板压块。
48.如权利要求47所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块的施压面与所述边框压块的施压面所形成的平面的距离大于等于零，小于所述金属板材的厚度。
49.如权利要求47所述的成型方法，其特征在于：所述减压槽形成于所述边框压块与所述腹板压块之间，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
50.如权利要求47所述的成型方法，其特征在于：所述腹板压块包括若干腹板压头，所述若干腹板压头之间形成有所述减压槽，所述减压槽收容所述正锻面在锻压过程中形成的金属凸起。
51.如权利要求40所述的成型方法，其特征在于：所述金属外壳腹板厚度加上设定的机加工余量之和是所述边框压块施压面所形成的平面与所述腹板模面之间的最终锻压距离。
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