用于渐进地锻造移动设备壳体的方法和装置与流程

本发明的实施例整体涉及制造金属部件的领域，并且更具体地讲，涉及用于形成移动设备壳体的制造工艺。

背景技术：

移动设备的外壳，诸如用于手持设备(例如，移动电话、游戏设备、音乐播放器、医疗设备等)、平板计算设备、膝上型计算设备主体、膝上型计算键盘、膝上型计算设备显示器以及其他移动设备的外壳，通常包括玻璃盖，所述玻璃盖用粘合剂和/或螺钉附接到外壳而形成机壳；或者这些外壳夹在玻璃或陶瓷盖之间，所述玻璃或陶瓷盖固定到外壳而形成机壳。机壳支撑并保护移动设备组件，包括支撑并保护诸如以下的部件：印刷电路板、处理器、存储器、电池、冷却风扇、一个或多个相机镜头、玻璃显示器、柔性电缆、铰链、支架以及通常包括在各种移动设备壳体内的其他部件。

一种用于形成移动设备壳体的常规制造工艺包括从金属块完全加工出外壳。加工操作包括对所有特征(例如，移动设备壳体的侧壁、安装孔、浮凸、浮雕表面等)的进一步加工。然而，加工的外壳通常会增加制造移动设备壳体的时间和成本。

用于制造移动设备壳体的另一种典型方法包括对金属片材进行压力加工或“深拉”以形成外壳。在压力加工之后，接着以与形成移动设备壳体的完全加工工艺类似的方式对这些特征进行加工。为形成移动设备壳体而对金属片材进行压力加工，得到在整个外壳中具有均匀材料厚度的外壳。通常，材料厚度是与经压力加工的原始片材相同的片材厚度。于是，为了在形成移动设备壳体时实现特征和/或不同材料厚度，需要额外的加工操作，这增加了形成移动设备壳体的时间和费用。此外，在加工之后可能存在具有非常薄材料厚度的浮雕表面，从而不利地影响外壳的刚度。

附图说明

本发明的实施例以举例而非限制的方式示于附图的图中，在附图中：

图1a示出了用于渐进地锻造移动设备壳体的系统的一个实施例，其中在壳体的至少一个腔体内形成有三维特征。

图1b示出了用于渐进地锻造移动设备壳体的系统的另一个实施例，其中在壳体的至少一个腔体内形成有三维特征。

图2示出了渐进地锻造移动设备壳体的方法200的框图，其中在外壳的至少一个腔体内形成有至少一个三维特征。

图3a示出了用以形成碗形移动设备壳体的渐进锻造操作的不同阶段的剖视图。

图3b示出了完全形成的碗形移动设备壳体的前侧视图的一个实施例。

图3c示出了完全形成的碗形移动设备壳体的前侧视图的另一个实施例。

图3d示出了完全形成的碗形移动设备壳体的侧视图的一个实施例。

图4a示出了用以形成i-框架移动设备壳体的渐进锻造操作的不同阶段的剖视图。

图4b示出了完全形成的i-框架移动设备壳体的前侧视图的一个实施例。

图5a示出了渐进地锻造的移动设备壳体的前侧的透视图的一个实施例，其中在移动设备壳体的至少一个腔体内具有三维特征。

图5b示出了渐进地锻造的移动设备壳体的后侧的透视图的一个实施例。

图6a示出了渐进地锻造的膝上型计算机底部壳体的前侧的透视图的一个实施例，其中在膝上型计算机显示器壳体的至少一个腔体内具有三维特征。

图6b示出了渐进地锻造的膝上型计算机底部壳体的后侧的透视图的一个实施例。

图7a示出了渐进地锻造的膝上型计算机屏幕壳体的前侧的透视图的一个实施例，其中在膝上型计算机显示器壳体的至少一个腔体内具有三维特征。

图7b示出了渐进地锻造的膝上型计算机屏幕壳体的后侧的透视图的一个实施例。

图8a示出了渐进地锻造的膝上型计算机主体壳体的前侧的透视图的一个实施例，其中在膝上型计算机显示器壳体的至少一个腔体内具有三维特征，包括键盘机壳。

图8b示出了渐进地锻造的膝上型计算机主体壳体的后侧的透视图的一个实施例。

图9a示出了渐进地锻造的i-框架移动设备壳体的前侧的透视图的一个实施例，其中在移动设备壳体的至少第一腔体内具有三维特征。

图9b示出了渐进地锻造的i-框架移动设备壳体的后侧的透视图的一个实施例，其中在移动设备壳体的至少第二腔体内具有三维特征。

图10a示出了渐进地锻造的移动设备壳体的前侧的视图的一个实施例，其中在移动设备壳体的腔体的至少一部分内锻造有蜂窝特征。

图10b示出了蜂窝特征的一个实施例的近距离视图。

图10c示出了蜂窝特征的一个实施例的另一近距离视图。

图10d示出了蜂窝特征的一个实施例的剖视图。

图11a示出了渐进地锻造的移动设备壳体的一个实施例的剖视图。

图11b示出了图11a的渐进地锻造的移动设备壳体的部分的晶粒结构和流向。

具体实施方式

描述了用于渐进地锻造具有一个或多个三维特征的移动设备壳体的方法。如本文所讨论，移动设备壳体可为用于手持设备(例如，移动电话、游戏设备、医疗设备、音乐播放器等)、平板计算机、膝上型计算机显示器、膝上型计算机主体、膝上型计算机键盘主体中的一者的壳体，以及其他移动设备壳体。在实施例中，移动设备壳体可为碗形壳体，其在移动设备壳体的前侧上形成有腔体，并且在移动设备壳体的前侧的腔体内锻造有一个或多个三维特征。在实施例中，移动设备壳体还可为具有前侧腔体和后侧腔体的i-框架(例如，i形)移动设备壳体，所述前侧腔体和后侧腔体每一者中形成有一个或多个三维特征。在任一实施例中，移动设备壳体在渐进锻造操作的序列内渐进地形成，如本文更详细描述。

在实施例中，从挤出片材(诸如铝、钢或其他合适金属材料)切下初始移动设备壳体。然后对初始移动设备壳体执行特定序列的锻造，从而渐进地形成移动设备壳体，在该移动设备壳体的至少一个腔体内具有一个或多个三维特征。渐进锻造序列可通过诸如传送模具组件的系统执行，所述传送模具组件推进初始移动设备壳体(例如，从金属片材切下的、从挤出片材切下的坯料等)经过传送模具组件的多个工位。所述多个工位之中的许多工位执行渐进锻造的序列，从而形成移动设备壳体，诸如移动电话机壳、平板计算机机壳、膝上型计算机显示器机壳、膝上型计算机主体机壳等。在一个实施例中，可在室温下执行锻造的各渐进阶段。在另一个实施例中，渐进阶段中的一者或多者包括将部分成型的移动设备壳体预热到预定温度维持最少持续时间，然后再执行锻造操作。在实施例中，可在该系列渐进锻造操作中使用室温和预热的锻造阶段的组合。

移动设备壳体的锻造在该系列锻造阶段内利用渐进锻造操作，以管理在每次锻造操作时使材料发生位移的塑性变形。通过在该系列锻造阶段内利用初始移动设备壳体的材料的塑性变形，可以大大减少制备壳体的材料用量。此外，渐进锻造将引起所得移动设备壳体的加工硬化，从而改善其机械特性，诸如完全形成的移动设备壳体的刚度和拉伸强度。即，壳体及其中形成的特征的材料的非均匀应力变形将减少，并且将具有由加工硬化效应产生的更致密晶粒结构。例如，图11a示出了渐进地锻造的移动设备壳体1100的剖视图，包括弯曲壁段1102、移动设备壳体的腔体内的三维特征1104以及另一弯曲壁段1106。虽然初始移动设备壳体坯料(例如，从挤出片材、金属片材等切下的坯料)的金属材料在锻造之前将具有均匀尺寸的细小、等轴晶粒，但图11b示出了从渐进锻造操作获得的弯曲壁部1102和1106及三维特征1104的晶粒结构和流向的近距离视图。在实施例中，在本文所讨论的渐进锻造操作之后，如图11b中所示，存在沿着所形成的移动设备壳体的金属材料变形方向伸长的晶粒结构和流向，从而提供了所形成的移动设备壳体的增大的强度和刚度。

此外，该系列锻造阶段内的渐进锻造操作能够在移动设备壳体的一个或多个腔体(例如，碗形移动设备壳体的前侧腔体，以及i-框架移动设备壳体的前侧腔体和/或后侧腔体)内形成一个或多个三维特征。所形成的三维特征的形状接近那些特征的最终形式，并且与常规方法相比，渐进地锻造的移动设备壳体的壁更薄。从而，大大减少了在精整移动设备壳体时的机器循环时间和成本，因为只需对部件和/或壁执行精化而非形成操作，就可最终完成移动设备壳体的结构。此外，减小的壁厚度降低了移动设备壳体的总重量，从而降低了所得移动设备的重量。在实施例中，3000、5000、6000、7000系列铝或不锈钢用于本文所讨论的锻造工艺，并且将得到与由常规方法形成的壳体相比刚度、拉伸强度和晶粒结构更佳的移动设备壳体。

图1a示出了用于渐进地锻造移动设备壳体的系统100的一个实施例，其中在壳体的至少一个腔体内具有一个或多个三维特征。在一个实施例中，系统100在不同压力锻造阶段(例如，阶段120-1到120-n)处以室温(例如，冷锻)执行一个或多个锻造操作。使用图1a中所示的系统执行渐进锻造操作，减少了锻造的移动设备壳体中的非均匀应力变形，并且可利用4号及以下回火的铝合金。此外，如果移动设备壳体的均匀硬度是最终产品设计的一部分，则可在图1a中所示的任何阶段之后对部件执行固溶热处理，继之以人工老化。

对于一个实施例而言，挤出金属片材110在渐进锻造阶段的序列过程中(例如，阶段120-1到120-n)在一系列传送模具中渐进地形成，从而形成移动设备壳体150。在实施例中，所形成的移动设备壳体150可为碗形、i-框架或其他形式的移动设备壳体。执行锻造操作的传送模具的压板涂布有氮化钛(“tin”)涂层，或由高速钢或碳化物工具钢制成，以便增大压板的硬度，并延长压板的工具寿命，以及改善锻造的效率。对于一个实施例而言，定期从传送模具机器移除tin涂层(即，约每300,000次冲压)，并将tin的新涂层施加到锻压板。对于一个实施例而言，附加压力加工操作由附加机器(未示出)在附加阶段执行以进一步形成移动设备壳体，包括修整、冲孔、压印、精压或其他合适的工艺。然而，移动设备壳体150及其中所含的三维特征的最终形状接近经精整的移动设备壳体的最终形状。

对于一个实施例而言，用于形成碗形移动设备壳体的铝合金、不锈钢或其他金属材料的选择可基于各种因素–例如，设计要求、所需的材料特性、减少的原材料对移动设备壳体的污染(即，硅、铜、锌等污染)以及移动设备壳体的减小的天然磁性。对于一个实施例而言，初始使用挤出片材110形式的铝合金来制备用于形成移动设备壳体的坯料。挤出片材110的厚度和轮廓可根据具体产品设计而变化。

用于以渐进锻造操作序列形成移动设备壳体150的渐进模具组件可在阶段120-1到120-n处包括多个工位。将初始移动设备壳体(例如，挤出片材110)从一个工位推进到另一个工位，以完成所述多个渐进锻造中的每一者。每个工位可从不止一个阶段执行锻造以及其他加工操作。在b移动设备壳体通过各阶段序列推进时，特定锻造操作在该移动设备壳体内部分地或完全地形成部件。在特定阶段，渐进锻造的序列在移动设备壳体的一个或多个腔体内部分地或完全地形成特定部件，以便管理锻造操作所引起的材料移动，并确保所得完全形成的移动设备壳体150的均匀厚度。此外，锻造操作及不同部件的形成的顺序确保了在移动设备壳体的所述一个或多个腔体内准确且适当地形成三维特征。

在一个实施例中，可通过退火来移除所形成的移动设备壳体的内应力。可在将移动电话机壳推进到一个或多个锻造模具组件阶段之前执行退火。如上所讨论，锻造的渐进阶段中的一者或多者在室温下执行，并且退火可在顺序和渐进工艺的一个或多个阶段之间使用。例如，正由顺序和渐进锻造阶段锻造的移动设备壳体可在每隔一个阶段后、每三个阶段后、在所选阶段之间等退火。对于一个实施例而言，通过以下方式执行退火：将正被锻造的移动设备壳体加热到大约390摄氏度，然后让机壳冷却。在不同阶段之间可使用不同退火温度。

由于冷锻工艺期间加工硬化所引起的材料可锻性，在实施例中，在一个或多个锻造阶段之间利用预热的热锻来延展移动设备壳体壁高度和/或三维特征的高度。

图1b示出了用于锻造移动设备壳体的系统160的另一个实施例，其中在移动设备壳体的一个或多个腔体内形成有一个或多个三维特征。在一个或多个后续锻造阶段之前需要预热部分成型的移动设备壳体时，可使用图1b中所示的系统。同样，如果按照最终产品设计，移动设备壳体的均匀硬度对于铝壳体材料是所需的，则可在部分成型的移动设备壳体上使用固溶热处理，继之以人工老化。如果按照最终产品设计，钢材移动设备壳体的均匀硬度是所需的，则可使用热处理硬化，继之以回火。

如图1b中所示，在锻造阶段120-1、120-2到120-n中的一者或多者之间，使用机器人130-1、130-2到130-p或其他机械取放装置，将部分成型的移动设备壳体转移到一个或多个烘箱140-1、140-2到140-m。在实施例中，这些烘箱预热部分成型的移动设备壳体，然后将其转移回后续压力锻造阶段。对于一个实施例而言，将部分成型的移动设备壳体加热到预定温度，诸如300℃。此外，一旦温度达到预定温度，将移动设备壳体在烘箱中在该温度下保持最少持续时间，诸如30-45分钟，然后将其转移回压力锻造阶段。由于部分成型的移动设备壳体在一个或多个后续锻造操作之前被预热，因此与常规方法相比，侧壁和/或一个或多个腔体内的三维特征的高度可大大增加。

机器人臂或其他机械装置执行转移，因为在烘箱和各个压力锻造阶段(例如，阶段120-2、120-3到120-n)之间往返转移是时间敏感操作。即，为了防止在转移到烘箱和从烘箱转移到各个压力锻造阶段期间的热量损失，采用机器人臂和/或其他机械装置以便可在最长转移持续时间(诸如不超过8秒)内实现转移。然后在压力锻造阶段的下一压力机处执行下一步锻造操作。这些锻造操作可包括部分地或完全地形成移动设备壳体的现有或附加部件，如本文所讨论。

图2示出了渐进地锻造移动设备壳体的方法200的框图，其中在外壳的至少一个腔体内形成有至少一个三维特征。用于图2所示的方法中的渐进模具组件可包括多个工位，其中移动设备壳体从一个工位推进到另一个工位，并且任选地如上所述，在多个阶段中的一者或多者之间预热。所述方法包括使用传送模具组件执行渐进锻造的序列。

所述方法首先将用于移动设备壳体的初始坯料推进到渐进锻造阶段序列的第一锻造阶段，以便形成移动设备壳体(框202)。然后在锻造操作序列中对移动设备壳体执行锻造操作，从而渐进地形成在移动设备壳体的至少一个腔体内具有一个或多个三维特征的移动设备壳体(框204)。如本文所讨论，可执行渐进锻造操作序列，并且框204可重复与不同渐进锻造操作的数量对应的任何次数。此外，如本文所讨论，可在渐进锻造阶段中的一者或多者之前/之后执行额外操作，诸如一个或多个锻造操作之前的预热、锻造之后的退火、执行固溶热处理等。

在一个或多个渐进锻造操作完成之后，可将移动设备壳体转移到精整阶段，在该阶段中对移动设备壳体进行精整(框206)。如上所讨论，对移动设备壳体进行精整可涉及以下操作中的一者或多者：修整多余材料；打孔、冲孔或钻孔；执行一个或多个洗涤工艺；执行涂布工艺，以及其他精整操作。

虽然未示出，但在壳体的一个或多个腔体中锻造有一个或多个三维特征的经精整的移动设备壳体可以接着转移到移动设备组装工艺的另一阶段(例如，在经精整的移动设备壳体上安装部件，诸如显示器、传感器、处理器、输入设备、相机等)。

图3a示出了用以形成碗形移动设备壳体的渐进锻造操作的不同阶段的剖视图。移动设备壳体之所以称为碗形，是因为移动设备包括倒圆侧壁和腔体，该腔体组成移动设备壳体的基本上全部前侧(除侧壁和三维特征以外)。金属材料的初始平坦矩形片材302(例如，铝合金或钢合金的挤出片材)具有初始宽度306和初始材料厚度304。材料厚度和片材轮廓的选择取决于经精整的碗形移动设备壳体的具体设计考虑。此外，锻造操作及不同部件(例如，三维特征)的形成的顺序确保了适当地形成移动设备壳体的复杂细部。

对初始片材302执行锻造操作，以获得部分成型的碗形移动设备壳体310。第一锻造阶段将侧壁的高度从厚度304提升到高度312，并且降低板厚度314和总宽度316两者。在第二锻造阶段之后，将部分成型的碗形移动设备壳体320送入模具中，从而进一步提升移动设备壳体的侧壁的高度322及前侧腔体内的一个或多个三维特征328，同时还减小板厚度324和宽度326两者。如本文所讨论，使用塑性变形使材料在后续渐进锻造阶段之间发生位移。然后，在第三锻造阶段之后，形成了完全形成的碗形移动设备壳体330，增加了侧壁的高度332和三维特征的高度338，与此同时减小了壳体330的宽度336和板厚度334。在实施例中，三维特征不必具有与侧壁相同的高度，并且每个三维特征可具有不同高度，如由经精整的移动设备壳体的一个或多个设计限制所规定。

图3b示出了完全形成的碗形移动设备壳体350的前侧视图的一个实施例。所形成的移动设备壳体330的截面x-x340在壳体350的前侧视图中示出，也具有宽度336和高度358。此外，截面x-x340示出了图3c的三维特征362，其还可在碗形移动设备壳体的前侧腔体内包括更多三维特征360和其他特征。在实施例中，碗形移动设备壳体的侧壁354在渐进锻造操作期间形成，使之弯曲，从而为壳体赋予碗形外观。图3d示出了完全形成的碗形移动设备壳体的壁的高度370。

图4a示出了用以形成i-框架移动设备壳体的渐进锻造操作的不同阶段的剖视图。与上述图3a类似，金属材料的初始平坦矩形片材402(例如，铝合金或钢合金的挤出片材)具有初始宽度406和初始厚度404。如上所讨论，材料厚度和片材轮廓的选择取决于经精整的i-框架移动设备壳体的具体设计考虑。此外，锻造操作及不同部件(例如，三维特征)的形成的顺序确保了适当地形成移动设备壳体的复杂细部。

在该系列渐进锻造阶段中的第一锻造操作之后，形成了部分成型的i-框架移动设备壳体410，其中侧壁的高度从初始片材的厚度404提升到侧壁高度412。此外，板的其他厚度减小到厚度418和厚度413。其他材料移动和锻造操作产生具有高度414的三维特征，且板的宽度增加到宽度416。

在该系列锻造阶段中的第二锻造操作之后，进一步形成了部分成型的i-框架移动设备壳体420，包括侧壁高度降低到高度421，板厚度423和424两者均减小，特征高度422升高，并且宽度增加到宽度426。与图3a中一样，利用塑性变形技术使材料发生位移并管理渐进锻造阶段引起的材料移动，从而获得完全成型的移动设备壳体的所需和/或均匀厚度。

然后，在该系列锻造阶段中的第三锻造操作之后，完全形成i-框架移动设备壳体430。具体地讲，侧壁的高度升高到高度431，三维特征高度升高到高度432，壳体的总宽度增加到宽度436，板厚度减小到厚度433，并且形成侧壁附近的特征。如上所指出，三维特征不必具有相同高度，并且可依据一个或多个设计要求而具有不同高度。图4b示出了完全成型的i-框架移动设备壳体450的前侧视图的一个实施例，其中该壳体具有宽度436、高度408、移动设备壳体的前侧和/或后侧腔体内形成的一个或多个三维特征。

在一个实施例中，通过对完全成型的移动设备壳体执行额外锻造操作，可在碗形或i-框架移动设备壳体的前侧和/或后侧上添加/形成蜂窝单元特征。图10a示出了渐进地锻造的移动设备壳体1000的前侧视图的一个实施例，该移动设备壳体具有宽度1002和长度1004、以及至少区域1010中的蜂窝特征。在与本文讨论相符的移动设备壳体1000的一个或多个其他区域上还可形成一个或多个蜂窝特征。在实施例中，至少在移动设备壳体的腔体的一部分、侧壁的一部分、后侧的一部分等内锻造蜂窝特征1010。蜂窝单元特征的添加增大了成型的移动设备壳体的刚度和硬度。图10b示出了在移动设备壳体的侧壁1012附近形成的蜂窝特征1010的近距离视图1014。图10c示出了另一个近距离视图，包括沿着图10a的横截面a-a的蜂窝特征的尺寸1020的一个实施例。图10d示出了蜂窝特征的一个实施例的剖视图，包括蜂窝特征的相对高度和深度及板厚度。图10c和图10d中所示的具体尺寸，诸如单元的间距、深度和体积，是示例性的并以其相应尺寸的相对大小表示，并且可根据各种设计考虑来改变。此外，虽然在图10b-图10d中示出了六边形单元形状细部，但其他尺寸和形状，诸如圆形、八边形等，也可用作在移动设备壳体中锻造的单元特征以增大强度和刚度。此外，通过利用在该系列渐进锻造中的锻造操作来添加蜂窝特征，可以将蜂窝单元特征以高精确度和准确度添加到移动设备壳体的前侧和/或后侧，而不会增加成本、出现质量控制问题以及使用模铸或加工方法形成这种特征的商业不现实性。

如本文所讨论，可利用渐进锻造操作来形成碗形或i-框架移动设备壳体，诸如图3b-图3d和图4b中所示的移动电话壳体。然而，本文所讨论的技术可用于形成其他移动设备壳体，其中在移动设备壳体的至少一个腔体中锻造有三维特征。在一个实施例中，渐进地锻造的平板计算机/平板手机壳体500(例如，具有比移动电话壳体更大的尺寸)的前侧视图和后侧视图550在图5a和图5b中示出。与移动电话壳体一样，平板计算机/平板手机壳体500具有倒圆侧壁502和552，以及在平板计算机/平板手机壳体500的腔体内锻造的多个三维特征504。

在另一个实施例中，具有倒圆侧壁602和652以及三维特征604的、渐进地锻造的膝上型计算机主体计算机壳体的内表面视图600和外表面视图650如图6a和图6b中所示。类似地，图7a和图7b示出了用于显示器的膝上型计算机壳体。内表面视图700包括三维特征704和倒圆侧壁702，而外表面视图750也具有倒圆侧壁。具有倒圆侧壁802和852以及三维特征804的、用于键盘的渐进地锻造的膝上型计算机主体计算机壳体800的另一个实施例在图8a和图8b中示出。

在又一个实施例中，用于平板计算机或平板手机计算设备的渐进地锻造的i-框架移动设备壳体900的前侧在图9a中示出。外壳900包括在移动设备壳体900的至少第一腔体内形成的三维特征904。i-框架移动设备壳体900具有i-框架主体(例如，与图4b类似)，并且在移动设备壳体900的周边周围包括倒圆侧壁902。图9b示出了渐进地锻造的i-框架移动设备壳体的后侧透视图950，其中在外壳950的后侧的第二腔体中形成有更多三维特征954，并且在外壳的周边周围具有侧壁902。

在上述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，可以从中做出各种修改和改变而不脱离本发明的所述精神和范围。因此，说明书和附图应被视为示例性而不是限制意义。