專利名稱：通過(guò)流體沖擊分離薄板的制作方法
通過(guò)流體沖擊分離薄板
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域
本申請(qǐng)涉及通過(guò)流體沖擊分離脆性材料薄板，更具體地說(shuō)，涉及對(duì)脆性材 料施加的流體能量作出響應(yīng)而產(chǎn)生裂縫并沿刻痕線延伸。
相關(guān)領(lǐng)域描述
常規(guī)采用兩種方法來(lái)切割脆性材料，例如玻璃、無(wú)定形玻璃、玻璃-陶瓷 或陶瓷材料的薄板或使之成形，從而形成具有所需構(gòu)型或幾何結(jié)構(gòu)的薄片。這 兩種方法包括機(jī)械方法和熱方法(例如，激光)。
第一種常規(guī)方法包括利用硬質(zhì)器件(例如，鉆石或鎢針尖(tungsten tip))在 脆性材料表面劃線來(lái)機(jī)械刻劃薄板，然后使之對(duì)施加于該材料的顯著彎矩 (bending moment)作出響應(yīng)而沿刻痕線裂開(kāi)。薄板通常因薄板內(nèi)部的應(yīng)力分布 而在水平和垂直(移動(dòng))方向上呈弓形而偏離平面。 一般在刻痕線周?chē)ㄟ^(guò)物理 方法彎曲脆性材料來(lái)施加彎矩。然而，必須小心控制彎曲位移量和薄板位移量， 因?yàn)閺澢鷷?huì)沿刻痕線產(chǎn)生多處斷裂起點(diǎn)，甚至導(dǎo)致碎裂(即，裂縫延伸到刻痕 線以外)。對(duì)于大的薄板，彎曲度易增加，從而導(dǎo)致彎曲分離更難和不可控。 彎曲還擾動(dòng)薄板形狀(因其弓形)，彎曲方法會(huì)在彎曲過(guò)程中致使薄板變平，然 后在分離后釋放該薄板。這可能會(huì)顯著導(dǎo)致薄板應(yīng)力。在最壞的情況下，如果 薄板彎曲度太高，彎曲分離無(wú)法進(jìn)行。此外，彎曲分離可能產(chǎn)生邊緣摩擦(特 別是薄板彎曲度較高)，這樣會(huì)沿著邊緣產(chǎn)生碎片。
第二種常規(guī)技術(shù)包括激光刻劃，例如美國(guó)專利號(hào)5，776，220所述。典型的 激光刻劃包括用連續(xù)波激光加熱脆性材料的局部區(qū)域，然后通過(guò)施加冷卻劑， 例如氣體，或液體，例如水來(lái)立即猝冷該加熱區(qū)域?？舍娪脧澢?，例如機(jī)械刻 劃而通過(guò)機(jī)械斷裂，或通過(guò)第二高能激光束實(shí)現(xiàn)激光刻劃材料的分離。利用第 二高能激光束能在不產(chǎn)生彎曲的情況下進(jìn)行分離。然而，該分離緩慢且常難于
4控制裂縫延伸。第二激光束還產(chǎn)生熱裂(thermal checks)并引入高殘留應(yīng)力。
應(yīng)該注意的是，物理/機(jī)械接觸薄板，例如用硬質(zhì)、尖銳探頭沿刻痕線敲 擊薄板以促進(jìn)裂縫和分離會(huì)有破壞和/或使玻璃薄板碎裂的危險(xiǎn)。此外，裂縫分 離后，兩條新形成的邊緣有在一起摩擦進(jìn)而導(dǎo)致邊緣破壞，例如碎裂的危險(xiǎn)。 因此，需要快速、可重復(fù)且一致的分離方法從而能最大程度減少脆性材料 薄板的彎曲，最大程度減少對(duì)薄板的操作并最大程度減少硬質(zhì)物件與玻璃薄板 的物理接觸。還需要最大程度減少可在垂直成形工藝(拉制法)或水平成形(例 如，浮法玻璃)期間采用的擾動(dòng)分離。還需要降低通常與劇烈彎曲誘導(dǎo)分離相 關(guān)的扭曲-鋸齒變形，并改進(jìn)分離邊緣質(zhì)量。需要沿刻痕線一致性地分離脆性 材料，而無(wú)需物理彎曲該材料，或引入極端的溫度梯度。特別需要在極短時(shí)間 內(nèi)(短于1秒)從連續(xù)移動(dòng)的脆性材料長(zhǎng)帶上分離方片，同時(shí)能減少可沿著該長(zhǎng) 帶向上游方向延伸的所造成的擾動(dòng)。
因此，需要能解決上述問(wèn)題并具有上述優(yōu)點(diǎn)的設(shè)備和方法。
發(fā)明概述
本發(fā)明通過(guò)將流體(例如，水、空氣)施加于刻痕線而在無(wú)需施加彎矩并且 無(wú)需使玻璃薄板與硬質(zhì)或尖銳探頭接觸的情況下，通過(guò)沖擊負(fù)荷快速分離脆性 材料，而不產(chǎn)生顯著的剪切運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)還能從連續(xù)移動(dòng)的脆性材料長(zhǎng)帶上快 速、可重復(fù)且一致地分離脆性材料方片，同時(shí)能減少在該長(zhǎng)帶中引入的擾動(dòng)。 本系統(tǒng)還能分離脆性材料薄板，從而降低通常與劇烈彎矩誘導(dǎo)分離相關(guān)的扭曲 -鋸齒變形，因此能改進(jìn)邊緣質(zhì)量并減少分離產(chǎn)生的玻璃顆粒。本系統(tǒng)可用于 分離靜止的、獨(dú)立的或固定的材料薄板。然而，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)尤其適用于從材料長(zhǎng) 帶分離方片，現(xiàn)還發(fā)現(xiàn)適用于從移動(dòng)的玻璃長(zhǎng)帶分離玻璃方片。
在本發(fā)明的另一方面，分離脆性材料薄板的方法包括將賦能流體流沿刻痕 線引向薄板，該流體流具有足夠的流體能量以引發(fā)裂縫并使裂縫沿刻痕線延 伸。
在本發(fā)明還有另一方面，分離具有刻痕線的薄板的設(shè)備包括流體施加裝 置，該裝置支撐并安置有噴嘴以將賦能/壓縮流體沿刻痕線引向薄板來(lái)引發(fā)裂縫 并使裂縫沿刻痕線延伸。作為清潔和可重復(fù)方法的一部分，本發(fā)明的目的之一是通過(guò)空氣的單次爆
射(single burst of air)來(lái)分離脆性薄板，例如玻璃。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)下文詳述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從詳述中不難 明白，或如本文所述實(shí)施本發(fā)明可認(rèn)識(shí)到這些特征和優(yōu)點(diǎn)。為了描述，以下討 論根據(jù)玻璃制造作以說(shuō)明。然而，應(yīng)該理解隨附權(quán)利要求所限定和列舉的發(fā)明 不限于此，除了規(guī)定脆性材料是玻璃的那些權(quán)利要求。
應(yīng)該知道，上文概述和下文詳述只是示范本發(fā)明，是要提供理解下述發(fā)明 性質(zhì)和特征的概要或框架。上文所列的本發(fā)明諸方面及以下討論和聲稱的本發(fā) 明優(yōu)選和其它實(shí)施方式可單獨(dú)或以任何和所有組合使用。
包括的附圖是為進(jìn)一步理解本發(fā)明，應(yīng)納入并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。附 圖說(shuō)明本發(fā)明的各種實(shí)施方式，結(jié)合說(shuō)明書(shū)用于解釋本發(fā)明的原理和實(shí)施。應(yīng) 該注意，附圖中說(shuō)明的各種特征不一定按比例繪制。事實(shí)上，為清楚地討論， 可以隨意增大或減小尺度。
附圖描述


圖1和2是顯示形成脆性材料長(zhǎng)帶的設(shè)備的透視示意圖和正視圖。
圖3是長(zhǎng)帶邊緣的放大圖。
圖4是改進(jìn)的靜止設(shè)備的正面仰視示意圖。
實(shí)施方式詳述
在以下詳述中，為了解釋而非限制的目的，列舉了揭示具體細(xì)節(jié)的示例性 實(shí)施方式以完全理解本發(fā)明。然而，從本文獲益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)明白 可采用脫離本文披露具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施方式來(lái)實(shí)施本發(fā)明。此外，對(duì)熟知裝 置、方法和材料的描述可以省去而不會(huì)混淆本發(fā)明描述。
本發(fā)明的設(shè)備和方法提供脆性材料的沖擊誘導(dǎo)分離而同時(shí)無(wú)需整體上彎 曲該脆性材料。本發(fā)明設(shè)備和方法還能避免用硬質(zhì)物件進(jìn)行單次高作用力打擊 以造成裂縫延伸。本發(fā)明設(shè)備和方法還提供控制分離時(shí)間和邊緣質(zhì)量的方式。 在一種構(gòu)型中(參見(jiàn)圖1-2)，本發(fā)明能從移動(dòng)的材料長(zhǎng)帶上分離脆性材料方片， 而不會(huì)引入可在長(zhǎng)帶中向上游方向延伸的擾動(dòng)。在另一種構(gòu)型中(參見(jiàn)圖4)，以靜態(tài)/靜止分批操作將玻璃薄板切成較小的薄板。出于描述目的，圖3所示設(shè) 備最初作為從移動(dòng)的玻璃長(zhǎng)帶上分離玻璃方片來(lái)闡述。
圖1是通常用于熔化工藝類型的玻璃制造設(shè)備10的示意圖。設(shè)備10包括
在空腔11中接受熔融態(tài)玻璃(未顯示)的成形溢流槽(forming isopipe)12。熔融 態(tài)的玻璃流過(guò)空腔11的上緣，沿溢流槽12的外側(cè)向下流到根部14以形成玻 璃長(zhǎng)帶20。玻璃長(zhǎng)帶20離開(kāi)根部14后，穿過(guò)與玻璃薄板20的球形邊緣部分 36接合的固定輥式拉邊器(fixed edge roller)16。因而形成了脆性材料長(zhǎng)帶20， 其長(zhǎng)度從根部14延伸到終末游離端22。這種下拉法薄板(draw down sheet)或 熔化工藝描述于美國(guó)專利號(hào)3,338,696 (Dockerty)和美國(guó)專利號(hào)3,682,609 (Dockerty)，該兩份專利通過(guò)引用納入本文。然而，應(yīng)該注意，其它類型的 玻璃制造設(shè)備可與本發(fā)明聯(lián)用，例如層壓下拉法、狹縫拉制法和層壓熔化 工藝以及水平和浮法玻璃制造設(shè)備。
隨著玻璃長(zhǎng)帶20從溢流槽12向下運(yùn)動(dòng)，該長(zhǎng)帶從柔軟長(zhǎng)帶，例如根部 14處的50毫米厚的液體形式變成約0.03 mm-2.0mm厚(例如在終末端22處) 和1000 mm或以上寬度的堅(jiān)硬玻璃長(zhǎng)帶。
刻劃組件40用于在長(zhǎng)帶20的第一側(cè)32上形成刻痕線26?？虅澖M件40 包括劃線器，在某些構(gòu)型中還包括刻劃砧。出于描述的目的，劃線器和刻劃 砧描述為可在圖2所示共用滑架100上運(yùn)動(dòng)。該滑架100可相對(duì)于框架102 移動(dòng)，其中可通過(guò)任何機(jī)械裝置，包括機(jī)械或電機(jī)械裝置，例如馬達(dá)、齒輪、 齒條和小齒條使得該滑架移動(dòng)以使其與長(zhǎng)帶20的速度矢量匹配。負(fù)荷組件80
對(duì)玻璃薄板施加負(fù)荷以通過(guò)較快的裂縫延伸來(lái)促進(jìn)和加速分離?？梢曌罴呀Y(jié) 果所需來(lái)調(diào)整負(fù)荷，例如2磅到80磅。負(fù)荷優(yōu)選至少約0.2 1b/in(即，每1300 mm寬的薄板約10磅)或更高，例如25-80磅作用力以協(xié)助獲得快速分離，例 如不到l秒或甚至0.5秒。
如圖3所示，流體施加裝置70用于壓縮流體并將加壓的流體流與刻痕線 76成一直線引向玻璃薄板上的未刻劃側(cè)。該流體流以賦能流體的單次爆射施 加于玻璃，當(dāng)利用空氣時(shí)，非常清潔且高效?？蓪⑹┘友b置70安置在其下的 滑架100或類似裝置上，控制器77控制滑架100、刻劃組件40和流體施加裝 置70。施加裝置70設(shè)定成能從非刻劃側(cè)向有刻痕的玻璃薄板20突然釋放壓縮/加壓的流體71。
施加裝置的噴嘴的優(yōu)選外形控通常是狹窄的矩形狹縫，其長(zhǎng)邊與刻痕線平 行，雖然也可采用其它外形，例如圓形或橢圓形。應(yīng)注意，長(zhǎng)寬比會(huì)影響分
離。所述噴嘴的推薦范圍是10-20，更優(yōu)選15-50，比例較高通常更好。然而， 如果該比例太高，會(huì)使過(guò)多的壓縮流體轉(zhuǎn)向而不能產(chǎn)生裂縫。長(zhǎng)2"-6"，寬 0.125''-0.25"的狹縫成功地用于在寬1300 mm的薄板和厚0.7 mm的薄板中進(jìn) 行不到1秒的可接受快速分離。噴嘴和玻璃表面之間的距離可以是影響分離 的另一重要參數(shù)。如果噴嘴太近，其可在分離后導(dǎo)致邊緣破壞和薄板振動(dòng)。 如果噴嘴太遠(yuǎn)，不能進(jìn)行分離。然而，可根據(jù)操作參數(shù)，玻璃的類型和厚度 以及相關(guān)因素調(diào)整優(yōu)選距離。在任何情形中，推薦邊緣引導(dǎo)裝置或邊緣限制 裝置以防分離的邊緣自由運(yùn)動(dòng)或與毗鄰邊緣摩擦。對(duì)于有效分離，提供最初 的流體爆射可能是重要的。估計(jì)射出的流體流足以導(dǎo)致沖擊波。
隨著流體71擊打在玻璃薄板20的表面，動(dòng)力學(xué)局部負(fù)荷施加于接觸區(qū)域 上， 一般如圖3中箭頭所示。沖擊區(qū)域附近產(chǎn)生的應(yīng)力在刻痕線側(cè)表面72附 近的位置74處是張力，在沖擊側(cè)表面73處是壓力，如圖3所示。局部應(yīng)力 在裂縫頂端(2-D)或裂縫前端(3-D)導(dǎo)致集中的張力應(yīng)力。當(dāng)動(dòng)力學(xué)彎曲應(yīng)力大 于臨界值從而導(dǎo)致玻璃薄板中動(dòng)力學(xué)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 時(shí)，裂縫通過(guò)薄板的厚度延伸并產(chǎn)生1型斷裂。流體沖擊誘導(dǎo)的振動(dòng)有助于 裂縫沿著刻痕線延伸。高速攝像法分析明確顯示薄板的分離沒(méi)有明顯的可觀 察到的側(cè)面薄板運(yùn)動(dòng)和彎曲。
應(yīng)力強(qiáng)度因子通常與結(jié)構(gòu)和裂縫幾何形狀、施加的彎曲應(yīng)力和裂縫大小呈 函數(shù)關(guān)系。所示的施加裝置對(duì)著刻痕線相背側(cè)的玻璃薄板20射出流體流71， 同時(shí)施加裝置70沿著刻痕線26運(yùn)動(dòng)，其中流體流71在刻痕線的垂直方向上 的寬度較窄，而在沿著刻痕線方向上可能略寬。估計(jì)可沿著薄板20的寬度改 變流體壓力、施加持續(xù)時(shí)間和裝置70的位置及距離和/或可使流體流71以脈 沖形式施加以產(chǎn)生最佳裂縫引發(fā)特征。估計(jì)如果沖擊是在刻痕線的相背側(cè)， 當(dāng)前配置效果最佳，因?yàn)樵诳毯劬€側(cè)誘導(dǎo)張力應(yīng)力，而在另一側(cè)產(chǎn)生壓縮應(yīng) 力。還估計(jì)將薄板繃緊使得沖擊能量更有效地轉(zhuǎn)化，因此有助于分離。
例如，當(dāng)流體71是氣體，例如空氣時(shí)，流過(guò)約3/16'、5''(或l"直徑)噴嘴
8開(kāi)口的約300psi壓力對(duì)于分離玻璃薄板作用良好。氣體，例如空氣有利地提 供非常清潔的分離方法。當(dāng)流體71是液體，例如水時(shí)，流過(guò)約1/16"x4"(或 3/16"直徑)噴嘴開(kāi)口的約500 psi壓力對(duì)于分離玻璃薄板作用良好。
圖4顯示了切割玻璃薄板20，例如將較大薄板切成較小薄板的批處理藝 示意圖。用頂部的3個(gè)夾鉗75將玻璃薄板20垂直固定。底部的真空帽(Vacuum cup)76對(duì)該薄板施加向下的作用力?？虅澓?，氣動(dòng)流體施加裝置70用壓縮流 體，例如空氣從未刻劃玻璃側(cè)沖擊玻璃薄板20極短的時(shí)間。施加裝置70沿 著刻痕線26移動(dòng)以造成分離?？赏ㄟ^(guò)與該流體施加裝置操作性連接的控制器 77控制影響分離的工藝/設(shè)備變量。工藝/設(shè)備變量包括流體壓力、釋放時(shí) 間、孔口外形、裝置與玻璃表面的距離、施加位置、流體溫度和粘度以及薄 板上的向下的作用力。估計(jì)為分離過(guò)程中的最佳結(jié)果可以最佳地控制這些變 量。利用壓縮空氣的初步測(cè)試產(chǎn)生了有希望的結(jié)果，因?yàn)閷?duì)于1300mm寬的 薄板，分離一致而快速(不到1秒)。初步斷裂邊緣分析證明模式類似于其它已 知的分離方法，但沒(méi)有接觸區(qū)域破壞。
雖然已結(jié)合具體的示范性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于 上文明顯可知許多替代形式、改進(jìn)和改變。因此，本發(fā)明應(yīng)包括所有這樣的 替代形式、改進(jìn)和改變，它們屬于隨附權(quán)利要求書(shū)的精神和寬范圍。
權(quán)利要求
1. 一種分離具有刻痕線的脆性材料薄板的方法，該方法包括以下步驟將賦能流體流沿刻痕線引向薄板，該液流具有足夠的流體能量，足以引發(fā)裂縫并使裂縫沿刻痕線延伸。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，包括壓縮該流體的步驟。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括在施加裝置上提供噴嘴 的步驟，所述噴嘴形成狹窄的狹縫，其長(zhǎng)邊延伸與刻痕線平行，其中引導(dǎo)步驟 包括推動(dòng)所述流體流通過(guò)狹縫。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述狹縫的長(zhǎng)寬比是至少約 10-20。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括使噴 嘴沿著刻痕線移動(dòng)以使得裂縫延伸。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括不使 流體流沿著刻痕線移動(dòng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括提供 氣體作為所述流體。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括以至 少約300 psi的壓力推動(dòng)該流體。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括推動(dòng) 加壓的液體。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括以至 少約500 psi的壓力推動(dòng)該液體。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括通過(guò) 寬度低于約0.25英寸的噴嘴開(kāi)口推動(dòng)液體，該寬度方向與刻痕線的長(zhǎng)度垂直。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)流體流的步驟包括提供 流體施加裝置，該裝置構(gòu)建成將加壓的集中流體流與刻痕線成一直線射向薄板 的未刻劃側(cè)。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，包括與流體施加裝置操作性相連的控制器，該流體施加裝置設(shè)置成引導(dǎo)賦能流，還包括利用該控制器控制 流體施加裝置以控制流體壓力和釋放時(shí)間的步驟。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，包括在與刻痕線垂直的方向 上向薄板施加張力。
15. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，包括沿刻痕線長(zhǎng)度的橫向方 向向薄板施加張力。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，施加張力的步驟包括施加 至少約0.01磅/mm薄板寬度的作用力。
17. —種分離具有刻痕線的薄板的設(shè)備，包括具有噴嘴的流體施加裝置，該噴嘴的取向和位置能對(duì)薄板推動(dòng)賦能流體， 因而利用流體能量引發(fā)裂縫并使裂縫沿著刻痕線延伸。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述噴嘴具有在與刻痕線 平行的方向上伸長(zhǎng)的出口開(kāi)口。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述開(kāi)口伸長(zhǎng)至長(zhǎng)寬比為 約10-20。
20. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述開(kāi)口具有矩形狹縫。
21. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，包括與流體施加裝置操作 性相連的控制器以控制流體施加裝置。
22. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體施加裝置設(shè)置成 對(duì)著薄板推動(dòng)加壓氣體。
23. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，包括支持流體施加裝置的 可移動(dòng)滑架。
全文摘要
通過(guò)流體施加器，例如噴嘴或定向流體推動(dòng)裝置將流體能量(壓縮氣體或液體)施加入有刻痕的薄板材料來(lái)沿著刻痕線分離脆性材料，例如玻璃的平或弓形薄板。分離時(shí)間可以不到1秒且邊緣質(zhì)量平滑。脆性材料可以是玻璃薄板的移動(dòng)長(zhǎng)帶或靜止長(zhǎng)帶形式?？裳乜毯劬€橫向方向施加負(fù)荷(張力)以促進(jìn)裂縫沿著刻痕線延伸。為獲得最佳結(jié)果，控制器根據(jù)材料特性和結(jié)構(gòu)控制流體壓力、釋放時(shí)間和氣體工藝參數(shù)。
文檔編號(hào)B26F3/00GK101535016SQ200780042267
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者M·W·凱默爾, N·周 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司