CN114212979A - 一种玻璃热弯模具及玻璃热弯方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于玻璃加工模具技术领域，具体涉及一种玻璃热弯模具及玻璃热弯方法；一种玻璃热弯模具，包括模具本体，所述模具本体包括上模具和下模具；所述上模具和下模合模后形成密封腔；所述上模具、下模具分别包括多组互相独立的温控组件；所述温控组件包括供气装置、以及设置于上模或下模具内的微流道；所述供气装置与所述微流道连接，向微流道内提供用于调节温度的气体。本发明提供的玻璃热弯模具，可消除在热弯过程中，玻璃胚料由于模具传热不均匀产生的温度梯度。

Description

一种玻璃热弯模具及玻璃热弯方法

技术领域

本发明属于玻璃加工模具技术领域，具体涉及一种玻璃热弯模具及玻璃热弯方法。

背景技术

玻璃因其独特的光学性质、热稳定性质、机械性质已广泛应用于3C产业等电子终端设备中，而曲面玻璃是一种极有潜力取代传统平板玻璃作为显示基板和设备外壳的设计结构，其具有良好的视觉效果，并已成为电子设备差异化创新的重要手段之一。

曲面玻璃的加工工艺通常是通过玻璃热弯模压成型技术，将预定尺寸的平板玻璃坯料放到预成型模具之中连同模具加热到转变温度之后在模具外表面施加压力使平板玻璃坯料发生弯曲变形将模具型面复制到玻璃坯料上的加工工艺，最终将玻璃坯料降温冷却至室温得到曲面玻璃产品。

如公布号为“CN109205999A”的专利，公开了一种3D弯曲盖板玻璃的高效加工方法，其曲面玻璃的加工工艺主要存在以下问题：(1)采用卤素灯管作为加热源，在通过外部热源加热玻璃坯料时，热源直接加热模具，通过热传递的方式间接加热玻璃坯料，存在传热的滞后性，因此玻璃坯料的温度并不均匀，局部位置存在显著的温度梯度，温度梯度过大，容易造成玻璃破碎；(2)热弯后的高温玻璃坯料退火冷却时，仅通过在模具周围通入低温氮气进行降温，不能有效的控制高温曲面玻璃的温度及降温速率，从而玻璃因温度差过大而破碎；(3)当玻璃坯料的温度或局部温度与设定温度有差异时，难以通过添加外部其他热源的方式来精确控制玻璃坯料的温度。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，玻璃在热弯过程中由于模具传热不均匀，使得玻璃胚料存在显著的温度梯度的问题；另外本发明还解决了模具外加热，难以调整对玻璃表面温度的控制精度的问题；还解决退火冷却时，难以控制降温速率，导致成型玻璃温差过大而破碎的问题。一方面，提供一种玻璃热弯模具；另一方面，提供一种玻璃热弯方法，其具体技术方案如下。

一方面，本发明提供一种玻璃热弯模具，包括模具本体，所述模具本体包括上模具和下模具；所述上模具和下模合模后形成密封腔；所述上模具、下模具分别包括多组互相独立的温控组件；所述温控组件包括供气装置、以及设置于上模或下模具内的微流道；所述供气装置与所述微流道连接，向微流道内提供用于调节温度的气体。

进一步的，所述上模具内设有四组微流道，四组微流道分别位于上模具的不同区域；所述下模具内设有六条微流道，六条微流道分别位于下模具的不同区域。

进一步的，所述微流道包括多条管道；多条管道平行设置；多条管道依次连接，并形成连通的气体通路。

进一步的，相邻所述管道的间隔为6-10mm。

进一步的，所述管道内径为2-5mm。

进一步的，所述上模具设有排气孔。

进一步的，所述排气孔的直径为2-3mm

另一方面，本发明提供一种玻璃热弯的方法，玻璃热弯或冷却退火过程中，分别向各微流道内通入设定温度、设定速率的气体介质，消除温度梯度。

进一步的，所述消除温度梯度的过程包括，

S1、根据微流道的分布区域划分玻璃表面；

S2、获取玻璃表面各区域的温度梯度；

S3、使根据玻璃表面各区域的温度梯度，结合增量式的PID控制算法，向各微流道中分别通入设定温度、设定流速的气体介质。

进一步的，所述S3具体为，

S3.1、微流道所在区域存在温度梯度ΔT，将温度梯度ΔT进行n等分得到单次增量式PID控制增加的温度ΔT_n；

S3.2、确定控制参数；通过设定值与实时反馈的流量值计算得到偏差值；

S3.3、计算通入微流道的气体介质的设定温度、设定流速，并向微流道通入设定温度、设定流速的气体介质；

S3.4、重复步骤S3.1-S3.3，直至ΔT等于0℃。

有益效果：本发明提供的热弯模具，通过在上模具、下模具设置多组微流道，控制各微流道中气体介质的温度和速率，气体介质与模具本体发生热传递，可消除在热弯过程中，玻璃胚料由于模具传热不均匀产生的温度梯度；玻璃料胚加热过程中，多组微流道分别通入设定温度、设定速率的气体介质，从而可实现对玻璃坯料板不同区域进行高温态温度均布的精细调控，使玻璃坯料整体温度分布均匀，达到设定温度；成型玻璃退火冷却过程中，多组微流道分别通入设定温度、设定速率的气体介质，从而可实现成型玻璃的降温态温度均布的精细调控，可及时有效地控制成型玻璃的温度及降温速率；由于玻璃加工过程中进行温度均布的精细调控，从而消除温度梯度，避免加工过程因温度梯度过大造成玻璃破碎的问题，同时可降低水波纹、麻点等缺陷的产生，提高成品合格率，提高成品质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

图1为本优选实施例的玻璃热弯模具结构示意图；

图2为本优选实施例的上模具的结构示意图；

图3为本优选实施例的上模具多微流道的剖面示意图；

图4为本优选实施例的上模具排气孔结构示意图；

图5为本优选实施例的下模具的结构示意图；

图6为本优选实施例的下模具多微流道的剖面示意图；

图7为本优选实施例加热过程的流程示意图；

图8为本优选实施例冷却降温的流程示意图之一；

图9为本优选实施例冷却降温的流程示意图之二。

附图标记：1、上模具；11、凹陷部；12、第一微流道Ⅰ；13、第一微流道Ⅱ；14、排气孔；2、下模具；21、凸起部；22、第二微流道Ⅰ；23、第二微流道Ⅱ；24、第二微流道Ⅲ；3、进气孔；4、出气孔；5、玻璃胚料。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种玻璃热弯模具，其包括模具本体，所述模具本体包括上模具1和下模具2；所述上模具1和下模具2合模后形成密封腔；所述上模具1靠近下模具2的一面设有四个凹陷部11；四个所述凹陷部11两两关于yoz面对称布置；所述下模具2靠近上模具1的一面设有四个凸起部21；四个所述凸起部21分别与四个所述凹陷部11位置相对；所述下模具2的凸起部21与所述上模具1的凹陷部11卡接，从而上模具1和下模具2合模后形成密封腔，玻璃胚料5置于密封腔内。

所述上模具1、下模具2分别设有多组微流道，所述微流道通入氮气可消除玻璃胚料5或成型玻璃的温度梯度。具体来说，所述微流道设置于模具本体内，所述微流道包括多条管道，多条管道平行布置，并依次连接形成连通的气体通路；相邻所述管道的间隔为6-10mm；所述管道内径为2-5mm。

具体来说，所述上模具1设有四组微流道，分别为第一微流道Ⅰ12、第一微流道Ⅱ13、第一微流道Ⅲ、第一微流道Ⅳ；所述四组微流道分别靠近玻璃坯料板热弯的区域；第一微流道Ⅰ12和第一微流道Ⅱ13、第一微流道Ⅲ和第一微流道Ⅳ分别沿xoz面对称分布；第一微流道Ⅰ12和第一微流道Ⅲ、第一微流道Ⅱ13和第一微流道Ⅳ分别沿yoz面对称分布。所述下模具2设有六组微流道，分别为第二微流道Ⅰ22、第二微流道Ⅱ23、第二微流道Ⅲ24、第二微流道Ⅳ、第二微流道Ⅴ、第二微流道Ⅵ；所述六组微流道分别靠近玻璃坯料板热弯的区域；六组所述微流道两两关于yoz面垂直对称布置；每组微流道相互独立，互不干涉。

所述上模具1设有四个进气孔3和四个出气孔4；所述下模具2设有六个进气孔3和六个出气孔4；所述进气孔3和出气孔4分别位于每组微流道的两端；微流道的一端连接与其位置相对应的进气孔3；微流道的另一端连接与其位置相对应的出气孔4；进气孔3与供气装置的进气接口连接，出气孔4与供气装置的出气接口连接。

在曲面玻璃热弯模压成型过程中，上模具1始终处于下模具2的正上方，待加工的玻璃坯料始终与下模具2直接接触，通过增加下模具2中的微流道数量，对下模具2进行更加精细的区域划分，从而可更有效的对下模具2与玻璃坯料直接接触区域的温度进行精细调控。因此，此实施例中，下模具2设有六组微流道，比上模具1的四组微流道数量多，以便对下模具2与玻璃坯料直接接触区域的温度进行更为精细的调控。

具体来说，所述上模具1靠近玻璃热弯边缘处设有排气孔14；上模具同一侧设有两个排气孔14，且所述两个排气孔14关于yoz面对称分布；所述排气孔14用于排出玻璃热弯过程中密封腔内的多余气体；所述排气孔14的直径为2-3mm。排气孔14数量不宜过多也不能过少，如果排气孔14的数量过多，会导致整个外部气体进入模具型腔内，此时外部气体的流动会使高温粘弹性的熔融玻璃的表面产生水波纹，从而影响加工后曲面玻璃下光学效果；而排气孔14的数量过少时会导致模具型腔内的气体不能及时排除，这会导致部分气体会以微气泡的形式在压力作用下进入玻璃内部，从而在玻璃中形成麻点，增加曲面玻璃成型后的缺陷；选择合适的排气孔14直径和数量设置能够有效避免由合模后封闭腔内的气体排除不及时或外部气体流通所导致的产品缺陷，有效提高玻璃成型质量。

本实施中，上模具1和下模具2通过凸起部21和凹陷部11卡合连接，合模后形成密封腔，玻璃料胚在密封腔内热弯成型；所述上模具1四组微流道，四组微流道分别位于上模具1的不同区域；所述下模具2设有六组微流道，六条微流道分别位于下模具2的不同区域；通过控制供气装置，往各微流道中分别通入设定温度、设定速率的气体介质；设定温度、设定速率的气体介质与模具本体发生热传递，消除在热弯过程中，外部热源直接加热模具本体，模具本体热传递加热玻璃胚料5，玻璃胚料5由于模具传热不均匀产生的温度梯度。

玻璃料胚加热过程中，多组微流道分别通入设定温度、设定速率的气体介质，从而可实现对玻璃坯料板不同区域进行高温态温度均布的精细调控，使玻璃坯料整体温度分布均匀，达到设定温度；成型玻璃退火冷却过程中，多组微流道分别通入设定温度、设定速率的气体介质，从而可实现成型玻璃的降温态温度均布的精细调控，对比现有技术仅通过在模具周围通入低温氮气进行降温的方式，可及时有效地控制成型玻璃的温度及降温速率；由于玻璃加工过程中进行温度均布的精细调控，从而消除温度梯度，避免加工过程因温度梯度过大造成玻璃破碎的问题，同时可降低水波纹、麻点等缺陷的产生，提高成品合格率，提高成品质量。

实施例2

本实施提供一种使用上述玻璃热弯模具进行玻璃热弯的方法，包括如下步骤。

S1、将玻璃胚料5放入玻璃热弯模具中，粗加热到第一预设温度附近；

具体为，将待热弯加工的玻璃坯料放入到下模具2的相应位置上，上模具1和下模具2在oz方向上对齐，然后将上模具1和下模具2进行合模，上模具1、下模具2和玻璃料胚位置关系参考图1所示；根据加工条件设置第一预设温度，通过热源将整个环境粗加热到第一预设温度附近。

对玻璃胚料5加热时，外部热源直接加热模具本体后，模具本体热传递加热玻璃胚料5，即外部热源间接加热玻璃胚料5，由于热传递不均匀，导致局部温度梯度，无法精确控制表面温度，因此，先粗加热到第一预设温度附近，再进行精细的温度调控。

S2、根据微流道的分布区域划分玻璃表面；获取玻璃表面各区域的温度梯度；使根据玻璃表面各区域的温度梯度，结合增量式的PID控制算法，向各微流道中分别通入设定温度、设定流速的气体介质，直至上模具1、下模具2的温度均匀的达到第一预设温度。

具体为，在加压热弯前，根据微流道的分布区域划分玻璃表面；按实际加工参数库并结合数值模拟的结果，分别确定上模具1、下模具2和玻璃料胚各区域的温度梯度；采用基于增量式PID控制算法针对不同程度的温度梯度和温度分布，分别设置通入上模具1中各组微流道的温度和速率，分别设置通入下模具2中各组微流道的温度和速率；在一定范围内，温度越高、速率越快，其传热效果越好。

以上模具1的第一微流道Ⅰ12为例，采用基于增量式PID控制算法消除玻璃料胚上表面的温度梯度的过程如下：上模具1的第一微流道Ⅰ12所在的区域存在显著的温度梯度ΔT1时，将温度梯度ΔT₁进行n等分得到单次增量式PID控制增加的温度ΔT_n1，从而确定控制参数K_P，K_I，K_D；并通过设定值与实时反馈的流量值计算得到偏差值e(t)，计算控制差量Δu，结合比例、积分、微分系数计算得到通入第一微流道Ⅰ12的氮气的温度T₁、速率V₁。供气装置向该第一微流道Ⅰ12的进气口中通入温度为T₁、速率为V₁的氮气，氮气从经第一微流道Ⅰ12后，从第一微流道Ⅰ12的出气口排出；温度梯度在在每次通过基于增量式PID控制算法控制后，按ΔT_n1的大小进行逐级减小，并消除多次递减后误差的累计效应，直至ΔT₁等于0℃，此时第一微流道Ⅰ12所在区域温度均匀的达到模压第一预设温度。

同理，参考图7所示，采用基于增量式PID控制算法控制上模具1其他微流道中通入的气体介质的温度和速率，直至整个上模具1的温度均匀达到模压第一预设温度。第一微流道Ⅰ12与上模具1以热对流的方式进行热量传递，从而消除了该第一微流道Ⅰ12所在区域的温度梯度ΔT₁。

与上模具1的温度控制同理，采用基于增量式PID控制算法消除玻璃料胚下表面的温度梯度过程如下，采用基于增量式PID控制算法控制下模具2的第二微流道Ⅰ22供气端；当下模具2其中第二微流道Ⅰ22所在区域与玻璃坯料的区域存在温度梯度ΔT₂时，向第二微流道Ⅰ22的进气口中通入温度为T₂、速率为V₂的氮气，氮气从出气口排出，使得该第二微流道Ⅰ22所在区域的温度均匀的达到模压第一预设温度。下模具2的其他微流道同理，直至整个下模具2的温度均匀达到模压第一预设温度。

整个过程中，微流道与模具本体以热对流的方式进行热量传递，模具本体又与玻璃坯料板发生热传导，以直接或间接热传递的方式消除微流道所在的区域的温度梯度。

由于在玻璃热弯的整个过程中玻璃坯料板与下模具2始终直接接触，而热传导又具有极高的传热效率，因此玻璃坯料板在加热过程中存在的温度梯度区域可以认为与下模具2的温度梯度区域一致，通过调控下模具2中的多组微流道，消除下模具2的温度梯度，从而消除玻璃坯料的温度梯度。同时，通过调控上模具1中的多组微流道，消除上模具1的温度梯度，进一步保证玻璃坯料的温度梯度被消除。

S3、玻璃热弯，在上模具1的上表面面施加一个固定载荷使玻璃坯料弯曲，向上模具1、下模具2的多组微流道中通入同温度、同速率的氮气，直至热弯结束；从而得到预定表面形状的曲面玻璃。

S4、退火冷却，根据微流道所在区域的温度梯度，采用基于增量式PID控制算法向微流道的进气孔3中通入设定温度、设定速率的氮气；使成型玻璃的温度逐渐下降；冷却到第二预设温度时，开模取件。

根据加工参数库并结合数值模拟的结果，采用基于增量式PID控制算法在上模具1、下模具2的微流道中分别通入预定温度和速率的氮气，此时通入的氮气的温度是随加工条件梯度降低的。在冷却开始时，按设定温差ΔT进行等额梯度退火冷却，为了减弱温度梯度随时间的累加效应，每次降温ΔT后都需要消除曲面玻璃的温度梯度。

以下模具2为例，如图9所示，外部冷源冷却降温，按设定的ΔT进行等额梯度退火冷却；经过第i次梯度降温需达到温度T_i，但曲面玻璃对应于下模具2的第二微流道Ⅰ22所在的区域存在明显的温度梯度ΔT_i，ΔT_i相较于经过第i次梯度降温本该达到的温度T_i的值不能忽略，而且如果不消除ΔT_i则在第i+1次梯度降温后存在温度梯度ΔT'_i+1，ΔT'_i+1＝ΔT_i+1+ΔT_i，即误差会逐次累积下去，极大的影响在退火冷却阶段消除曲面玻璃的温度梯度的效果。

具体来说，当经过第i次梯度降温后下模具2中第二微流道Ⅰ22所在的区域存在温度梯度ΔT_i，将温度梯度ΔT_i进行n等分得到单次增量式PID控制增加的温度ΔT_ni，参考图8所示，此时可确定控制参数K'_P，K'_I，K'_D；然后确定本次采样输入r'(t)，r'(t)为微流道气体的温度值或流速；并通过设定值与实时反馈的流量值计算得到偏差值e'(t)，计算控制差量Δu'，Δu'

为相邻的偏差量之差；结合比例、积分、微分系数计算得到，对供气端中的调节阀实现控制，最终得到通入微流道的氮气的设定温度和设定速率。通过采用基于增量式PID控制算法控制所述供气装置向第二微流道Ⅰ22的进气口中通入温度为T_i、速率为V_i的氮气，氮气经过第二微流道Ⅰ22后，从第二微流道Ⅰ22的出气口流出；每次通过基于增量式PID控制算法控制后，温度梯度按ΔT_ni的大小进行逐级减小，直至下模具2中第二微流道Ⅰ22所在区域的温度等于T_i并且完全均匀；此时，继续进行第i+1次梯度降温并按同样的方法进行温度梯度的消除，通过该方法能够使成型后玻璃温度逐渐下降，其内应力得到充分释放，直至达到第二预设温度时，开模取件。此实施例中第二预设温度T₀＝20℃。上模具1、下模具2的其他微流道同理。

由于热传递作用的滞后性，现有技术仅通过模具外部氮气冷却的方式容易使成型玻璃在降温冷却过程中存在较大的温度梯度，从而使得玻璃内产生过大的应力集中，导致成型玻璃出现微小的裂纹，微裂纹沿着应力集中的方向扩展最终导致曲面玻璃完全破裂。本实施中，采用基于增量式PID算法的气体控制方法控制通入各微流道氮气的温度和速率，实现温度的精细调控，消除温度梯度，可避免曲面玻璃加工过程中，因温度梯度造成玻璃破碎的问题。

在实际工作中采用连续的调节方式能够提高控制质量，然而在系统稳态条件下总会存在稳态偏差，且每次输出的控制量都和以前的偏差量相关，系统稳定性极易由于误差量的累积而降低。此实施例中，采用基于增量式PID算法的气体控制方法控制通入各微流道氮气的温度和速率，还能有效消除稳态误差，提高系统的稳定性，曲面玻璃缺陷大幅减小，成品良率高。

此实施例提供的玻璃热弯方法，采用增量式的PID控制算法控制各微流道内通入气体介质的温度和速率，从而消除玻璃胚料5的温度梯度，实现对玻璃胚料5温度均布的精细调控；热弯成型过程中，消除玻璃胚料5的温度梯度，成型玻璃出现水波纹、内部麻点的现象显著减小，有效提高成型玻璃的光学质量；退火冷却过程中，采用增量式的PID控制算法控制各微流道内通入气体介质的温度和速率，有效控制降温温度及降温速率，避免由于温度梯度过大导致成型玻璃破碎的问题，且有效消除稳态误差，提高系统的稳定性，提高成品良率。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种玻璃热弯模具，包括模具本体，所述模具本体包括上模具(1)和下模具(2)；所述上模具(1)和下模合模后形成密封腔；其特征在于，所述上模具(1)、下模具(2)分别包括多组互相独立的温控组件；所述温控组件包括供气装置、以及设置于上模或下模具(2)内的微流道；所述供气装置与所述微流道连接，向微流道内提供用于调节温度的气体。

2.根据权利要求1所述的玻璃热弯模具，其特征在于，所述上模具(1)内设有四组微流道，四组微流道分别位于上模具(1)的不同区域；所述下模具(2)内设有六条微流道，六条微流道分别位于下模具(2)的不同区域。

3.根据权利要求1所述的玻璃热弯模具，其特征在于，所述微流道包括多条管道；多条管道平行设置；多条管道依次连接，并形成连通的气体通路。

4.根据权利要求3所述的玻璃热弯模具，其特征在于，相邻所述管道的间隔为6-10mm。

5.根据权利要求3所述的玻璃热弯模具，其特征在于，所述管道内径为2-5mm。

6.根据权利要求1所述的玻璃热弯模具，其特征在于，所述上模具(1)设有排气孔(14)。

7.根据权利要求6所述的玻璃热弯模具，其特征在于，所述排气孔(14)的直径为2-3mm。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的玻璃热弯模具进行玻璃热弯的方法，其特征在于，玻璃热弯或冷却退火过程中，分别向各微流道内通入设定温度、设定速率的气体介质，消除温度梯度。

9.根据权利要求8所述的玻璃热弯的方法，其特征在于，所述消除温度梯度的过程包括，

S1、根据微流道的分布区域划分玻璃表面；

S2、获取玻璃表面各区域的温度梯度；

S3、使根据玻璃表面各区域的温度梯度，结合增量式的PID控制算法，向各微流道中分别通入设定温度、设定流速的气体介质。

10.根据权利要求9所述的玻璃热弯的方法，其特征在于，所述S3具体为，

S3.1、微流道所在区域存在温度梯度ΔT，将温度梯度ΔT进行n等分得到单次增量式PID控制增加的温度ΔT_n；

S3.2、确定控制参数；通过设定值与实时反馈的流量值计算得到偏差值；

S3.3、计算通入微流道的气体介质的设定温度、设定流速，并向微流道通入设定温度、设定流速的气体介质；

S3.4、重复步骤S3.1-S3.3，直至ΔT等于0℃。

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