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寶爵諦麒表為您詳細解密蘋果Apple Watch CNC加工工藝!

來源: 作者: 瀏覽:- 發布日期:2016-05-17 14:24:00 【

Apple Watch Edition上所使用的黃金有兩種顏色,一個是接近金原色的黃,另外一種是玫瑰金色。兩種款式的材質均為合金,在18k金中按照一定的比例混合了銀、、鈀,并調試出相應的顏色。

圖片16 

關于Apple Watch黃金版的材質此前就已經有不少傳言,它所使用的并不是普通的18k黃金,而是經過特殊加工工藝的處理。JonyIve在后續接受外媒采訪時也印證了這一消息,表示特殊的加工工藝使得金原子的聚合更加緊密,從而使Apple Wacth Edition版的金質外殼更加堅硬耐磨。而這僅僅是Apple Watch的材質和生產加工工藝的一個縮影。

一如既往,Apple Watch的官方宣傳片著重強調了產品的生產加工的細節,Atomic Delights對影片中所展示的內容條分縷析,為我們帶來了更多信息。

黃金

AppleWatchEdition上所使用的黃金有兩種顏色,一個是接近金原色的黃,另外一種是玫瑰金色。兩種款式的材質均為合金,在18k金中按照一定的比例混合了銀、銅、鈀,并調試出相應的顏色。視頻中,JonyIve深情地講述了AppleWatchEdition所采用的18k黃金的與眾不同之處:它有著兩倍于普通黃金的硬度,這就打消了人們對于Edition版手表外殼在硬度和耐磨性上的疑慮。而古往今來,無數的煉金術師和冶金學家為了克服和彌補黃金固有的缺陷幾乎將它和元素周期表上的所有金屬元素進行了一輪排列組合,以獲得具有某種特性的合金。

勞力士在日內瓦普朗萊烏特(Plan-les-Ouates)設立了一座室內鑄造廠生產此類貴金屬;宇舶(Hublot)則在2011年研制出了防刮耐磨的“魔力金”。蘋果的專利則顯示它已經找到一種能夠同時減少黃金的比重降低成本又能增加其耐用性的技術。視頻顯示,蘋果似乎并沒有使用什么獨特的冶金技術,而是多了一道“加工硬化”工序,也就是增加18k金的硬度。

加工硬化(WorkHardening)是金屬加工的專業術語:

金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時,會發生強度和硬度升高,而塑性和韌性降低的現象,又稱冷作硬化。產生的原因是金屬在塑性變形時,晶粒發生滑移,出現錯位的纏結,使晶粒拉長、破碎和纖維化,金屬內部產生了殘余應力。加工硬化的程度通常用加工后與加工前表面顯微硬度的比值和硬化深度來表示。

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加工硬化最突出的一個結果就是金屬的強度、硬度和耐磨性都會有大幅度的提高。坦克、拖拉機的履帶經常會用到加工硬化工藝。視頻中,黃金首先被加工成實心的金塊,而不是手表的大致輪廓。然后通過專業的工具進行精細打磨,剔除瑕疵。

如果你還是感覺加工硬化過于抽象的話,可以找一個長條狀的金屬片或者是曲別針,抓住兩端來回掰。你會發現在來回掰動的過程中,要花費的力氣會稍微有些增大,直到金屬片最后斷為兩段。但在這其中的一段時間里,你所作的工作可以稱之為加工硬化,金屬的某些特性在這一過程中也發生了變化。把所花費的力氣再增大數千倍,把金屬片換成價值5萬美元的金塊,這就是蘋果在加工硬化過程中所做的工作了。

接下來,蘋果用平面刀對黃金鑄錠進行切削,將鑄錠控制在一個特定的厚度,精確度可以達到0.01mm。之所以要保證如此的精確度是因為鑄錠表面的不平整會直接影響到所加工部件的最終硬度。

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接下來是真正的壓縮加工硬化流程,金屬鑄錠在滾壓機下方經過數個來回,每次整體的厚度被壓縮幾微米。整個流程結束后,剩下的就是一塊平整的高密度合金鑄坯,硬度和厚度也都控制在了目標水平上。

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之后,蘋果在視頻中省略了不少的流程,直接展示了一個接近于AppleWatch輪廓的鑄坯。上圖中,鑄坯還有加工過的痕跡,邊角也更加硬朗。在下面一張用超聲波密度檢測儀偵測瑕疵時,鑄坯的內側邊角上已經被打磨出了斜面倒角。也就是說蘋果將鑄坯從一臺數控銑(CNC)上挪到另外一臺上,僅僅是為了給鑄坯切割出倒角?這是從視頻中所發現的疑問,也不排除僅僅是為了視頻拍攝的需要,蘋果把流程做了一些調整。

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接下來的部分就是用超聲波探測儀檢測鑄坯的密度,從而將不合格的產品剔除出去,嚴格來講這應該叫做超聲浸沒探傷技術,對于一款消費級的產品來說,這一步驟常常會被省略掉,很多高級腕表也不例外。因為消費級的產品往往不需要如此高的精度,只有高強度持續工作的醫療植入式器械,以及飛機發動機中的旋轉部件才會需要嚴格的探傷檢測。這一過程不僅費時,而且需要有專門定制的設備,并且花費巨資。蘋果對細節的苛求在這里可見一斑。

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隨后的視頻中,蘋果展示了設計精巧、鋸齒狀DigitalCrown,不過是已經加工完成的產品,并沒與太多的細節。用于切割鋸齒紋路的刀具看起來像是定制的,刀軸的四周偏軟,用以增加硬度和刀具的使用壽命。

圖片24

隨后的視頻中,蘋果展示了設計精巧、鋸齒狀DigitalCrown,不過是已經加工完成的產品,并沒與太多的細節。用于切割鋸齒紋路的刀具看起來像是定制的,刀軸的四周偏軟,用以增加硬度和刀具的使用壽命。

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在最后的拋光部分,蘋果在視頻中成是由人工完成的。反觀前面的視頻內容,蘋果的自動化加工技術已經達到了很高的水平,并且滲透到產品的幾乎所有環節和幾乎所有部件,我們無法確認整個的拋光流程是否都是由手工完成,這么做的原因是因為人的眼睛或者是人的加工手法會比機器更加精確,亦或者僅僅是為產品增加一點手工制作的高貴氣質,我們不得而知。

不銹鋼

不銹鋼是制作高級腕表的常用材料。蘋果在AppleWatch上使用的材質相對保守一些,采用的是316L不銹鋼沒有采用液態金屬,也沒有使用很復雜的切割工藝。316L不銹鋼也常被稱為醫用不銹鋼,這種材料多用在醫療器械以及食品加工設備中,原因很簡單:防止內部組件中金屬原子的滲透。而正是出于相同的原因,316L不銹鋼成了在手表中應用最為廣泛的一種合金材料。手表廠商在數十年的時間里都在盡力降低鎳過敏的影響,其中勞力士和歐米茄已經將鎳過敏現象降低到幾乎不可感知的狀態了。因此,AtomicDelights猜測蘋果在金屬冶煉和加工過程中也一直在極力避免鎳過敏情況的出現。

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在蘋果介紹AppleWatch加工工藝的視頻中,首先出現的是一根熔融狀態的316L鋼板,也就是芯棒。熔融的不銹鋼從坩堝的底部流出,然后經過一次系列的塑形流程,最后隨著金屬分子粘性的增加形成固體。這一過程需要有精確的控制,以保證芯棒的晶粒結構和硬度。由于產品是大批量出貨,所以蘋果要對坩堝中的金屬成分和比例了如指掌,并且精確地調控回火(temper)、硬度以及芯棒的尺寸。


圖片27

蘋果在視頻中回避了AppleWatch生產加工中最為獨特也最為重要的一個步驟:冷鍛。在鍛造的過程中,金屬坯件被放置在兩塊堅硬的鋼制模具之間。然后會有一個接近一間房子大小的設備充當錘子的角色,對模具施加以數萬噸計的力。在如此巨大的壓力之下,金屬會達到一種叫做“塑性變形(plasticdeformation)”的狀態,然后彎曲,壓縮,進而填充到模具的腔體中去。在更為精確和復雜的鍛造中,模具的腔體呈遞進式加深,最終將金屬加工成預期中的形狀。

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上面這幅圖顯示的是鑄造(Casting,AppleWatchEdition采用的便是這種工藝),機床加工(machined)和鍛造(Forging)后晶粒結構的變化。

鍛造后得到的是一個凈成形(net-shape)部件;這一過程并不能加工出孔洞、卡槽、螺紋等更為精確的結構,這時候就輪到廠商最愛的CNC數控機床上場了。而鍛造最大的作用就是增加部件的強度。從上面的對比圖中可以看出,鍛造后的部件有著完整的晶格,類似于一種流動的狀態,并且晶格的走向和部件的形態是一致的,這就保證了被加工部件有著足夠的強度。上面的圖片也解釋了為什么在加工坦克履帶等高強度金屬部件時,業界通常會使用鍛造的工藝了。


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之后視頻中就出現了三個鍛坯,以及一個定制的五軸夾具。鍛造并不是一項很精確的工藝,所以在接下來CNC加工的過程中,挑戰之一就在于找到一個基準面,并以它為參照對部件的其他部分進行精確的加工。我們可以看到上圖右側鍛坯的頂部被銑成了方方正正的造型,這部分很可能是預留出用于翻轉之后固定鍛坯用的。

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接下來是用五軸銑刀切削出表冠、麥克風孔等細微構造。需要注意的是,在銑削按鍵和表冠卡槽時,蘋果所使用的并不是和開口同等寬度的銑刀,而是更加細小的刀具,這樣可以避免開口邊緣在加工過程中厚度變薄,保持表面的平整。

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然后就到了蘋果展現對品質和細節的極致追求的時刻了——CMM,全稱是CoordinateMeasuringMachine,三維坐標測量儀。在運動路徑上(X,Y,Z),CMM和此前常說的CNC機床類似,不同之處在于,CMM通常用花崗巖框架作為平臺,同時將銑刀換成了紅寶石探頭,能夠精確地測量物體表面樣本點的三維坐標,并與原始的CAD模型進行對比。CMM可以自動生成報告,判定部件是否合格,更跟蹤檢測某一批次的產品的尺寸浮動。而在最為精密的車間中,CMM的數據還可以直接反饋給CNC機床,后者對加工過程進行調整,從而抵消誤差。

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CMM探測之后就到了自動拋光流程。整體拋光的困難在于蘋果希望保持部件中應有的棱角和凌厲的切邊,而拋光輪則會觸及幾乎所有的邊緣和表面。控制不好不僅僅會把棱角變得光滑,也會損壞拋光輪。從視頻中可以看出,蘋果用灰色的聚合物對表鏈插槽和表冠、按鍵接口進行了填充,這樣就保證了表殼被充分拋光,也保存了表殼某些位置的棱角。

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在表殼加工的最后部分,JonyIve在宣傳片中快速講解了深空黑色的AppleWatch的上色過程,稱之為類鉆碳,其實就是碳化鎢涂層(TungstenDLC),非常堅固而且可以做得很薄。這一過程常常在真空室中進行,是很多高端腕表、刀具的上色方法。碳化鎢涂層的優點之一是有著非常好的耐用性。

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視頻的最后,蘋果展示了鏈式表帶和米蘭尼斯表帶的制作工藝。其中最有趣的是后者,雖然能夠一眼看出線材經過了電鍍拋光,但它究竟是在放入編織工具之前就已經繞好,還是先放入編織工具再纏繞而成的,目前還不得而知。

視頻的最后,蘋果展示了鏈式表帶和米蘭尼斯表帶的制作工藝。其中最有趣的是后者,雖然能夠一眼看出線材經過了電鍍拋光,但它究竟是在放入編織工具之前就已經繞好,還是先放入編織工具再纏繞而成的,目前還不得而知。





要說蘋果是世界上最精通鋁制品加工的企業估計沒多少人會否認,從早期的iPodClassic,到后來的MacBookAir,再到最新的iPhone6上,鋁合金出現在了蘋果全部的產品線之中。更為重要的是,蘋果已經建立起了一條全球性的鋁合金供應鏈,對于整個行業有著牽一發而動全身的影響力,更引來諸多對手的效仿。所以,蘋果采用自己最為駕輕就熟的鋁合金來生產“廉價版”的AppleWatchSport也就是情理之中的事。

在AppleWatchSport上,蘋果摒棄了之前常用的鋁合金6000系列(主要成分是鋁、鎂和硅),轉而全新研發了一款7000系列鋁合金,添加金屬鎂和鋅。JonyIve在視頻中講到全新研發的鋁合金強度提高了60%,并且維持了同樣的重量。根據AtomicDelights的分析,與描述最為接近的兩款現有商業用鋁合金分別是6061和7075。

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開場的畫面是叉車駛離巨大的坩堝爐,熔融的鋁合金被灌注進數個排列整齊的模具腔體中,形成圓柱形的鑄錠。緊接著就到了回火(tempering)流程——將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度,保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻的——這是一種對淬火金屬進行再加熱和冷卻的過程,目的是將分子結構控制在一定的方向。

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蘋果向來善于利用壓鑄工藝生產構造復雜的部件,即便是沒多少人會在意的細節也會進行精心的加工,比如AppleTV的遙控器,以及Mac上常見的觸控板。AppleWatchSport也不例外:兩根鋁制芯棒從擠壓機中被擠出,兩側已經有了圓弧狀的邊緣。最讓人吃驚的地方在于,芯棒的表面已經非常光滑平整,幾乎看不到瑕疵。然后芯棒被切割成SportWatch的鑄坯,經過CMM(三維坐標測量儀)對其三維尺寸進行探測,隨后就到了CNC銑削階段。

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除了壓鑄件和鍛鑄件的零件托持夾具,以及切削刀具有所不同外,三種材質的AppleWatch在這一流程的加工方式大同小異。之后從畫面中可以看到一個延長的刀具越過一個表殼,然后對另外一個表殼進行加工,其余的部分的步驟和常見的五軸加工器械相似。接下來我們就看到了一個會令很多機械加工專家坐立難安的場景:

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除了CNC和CMM外,蘋果在加工工藝上另外一個值得稱道的地方就是激光加工了。在這一段視頻中,激光加工總共出現了兩次,上面這幅圖是第一次。機械加工加工往往并不完美,會留加工的痕跡,邊緣會有0.05mm厚的金屬翹起,就是我們常說的毛刺。去除毛刺常見的方法是用很細小的工具剔除,或者是手工,還可以在滾筒和砂紙拋光中去除。蘋果的處理方式卻是有些獨特——用激光去除毛刺。我們能夠看到激光先是勾勒出開口的輪廓,緊接著伸進開口內壁快速掃過。AtomicDelights認為這是一個非常新穎的處理方式。

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然后就到了拋光階段,流程和不銹鋼表殼的處理方式接近,表帶的凹槽等部分也用聚合物填充保護起來。不過DigitalCrown(表冠)和按鍵的開口部分并沒有被保護起來,原因在于被壓鑄成型后,已經契合表殼最終的輪廓,這也從另外一個方面反映出蘋果在鋁合金壓鑄上的造詣。

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在氧化噴砂處理階段,蘋果使用了多孔徑旋轉噴嘴從各個角度對表殼的進行噴涂,以期做到全無死角的覆蓋。

經過塑形,加工,激光去毛刺,拋光和噴砂之后,整個加工流程就到了很多廠商津津樂道的陽極氧化階段:一般是以鋁合金部件作為陽極置于電解液中,利用電解作用在表面形成一層堅硬氧化鋁,在這一過程中還會形成蜂巢結構,可以添加染色顆粒物,獲得預期的顏色。不同于鋼鐵氧化后形成的斑




斑銹跡,這種精確控制下的鋁制品氧化的表面耐用性和耐磨性都會得到顯著的提升。這已經是很多消費電子屢試不爽的一種加工方式。

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雖然是陽極氧化已經是很普通的一種加工方式了,蘋果還是玩出了花樣:錢多任性。一般廠家會采用通用的夾子或者是鉤子把零部件固定住,蘋果的方式則非常簡單粗暴,定制了專門用于鋁合金表殼陽極氧化的塑制加持工具,鋁合金表殼密集的擺放在上面。當然,這種定制化的方式需要不少的財力投入。

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最后部分,蘋果在視頻中展示了AppleWatchSport的DigitalCrown的加工方式——激光。在18k金的AppleWatchEdition和不銹鋼的AppleWatch上,表冠的鋸齒狀紋路是用銑刀刻出來的,

而Sport上的鋸齒則是利用激光。有人指出表冠是經過噴砂處理的,但在視頻中很難辨別在激光沖刻鋸齒紋路是在噴砂之前還是之后。表冠被固定在一個旋轉的分度卡盤上,正好處在激光射線相切。黃金版和不銹鋼的表冠采用CNC加工的原因可能是這兩種材質的表面會反光,不適合用激光加工。

總結

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對比三款不同材質的手表的加工方式,很有趣的一個發現是Edition版表殼的內部構造做了數個凹槽,這在標準版和Sport版中都沒有。現在還很難判斷這些凹槽的作用究竟是用來對表殼進行加固,還是為了減輕黃金表殼的重量。

很多人都發現了在AppleWatch一側的表帶凹槽中有一個六針的接口,可能是用來灌制系統或者是檢測之用。由于視頻的錄制可能會是在發布前的數月完成的,最終量產的AppleWatch中是否還會有這個接口目前還是未知數。

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視頻中,包括在其他訪談中,講到設計、工藝時,JonyIve常常會“精心(care)”這個詞來形容。這其實是很值得推敲的一點,因為它既不指代傳統手工制作的匠氣,也不指代德國或者是日本車或是其他機械產品的精確和一絲不茍。“精心”更多展現出來的是對于制作產品不遺余力的一種追求,無論原材料和最終產品之間有著多么巨大的鴻溝。若非如此,恐怕蘋果會和其他人一樣放棄用鍛造的方式去加工不銹鋼的表殼;黃金合金的硬化流程估計也會不復出現,因為整個行業中幾乎都沒人去嘗試;蘋果也不會去細心地用激光去打磨麥克風開口內部的毛刺,因為沒幾個人會拆開手表去感受它的表里如一。

 

 


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