超长解读:Apple Watch 是怎样“炼”成的?

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2015-03-18 11:39

关于 Apple Watch 黄金版的材质此前就已经有不少传言,它所使用的并不是普通的 18k 黄金,而是经过特殊加工工艺的处理。Jony Ive 在后续接受外媒采访时也印证了这一消息,表示特殊的加工工艺使得金原子的聚合更加紧密,从而使 Apple Wacth Edition 版的金质外壳更加坚硬耐磨。而这仅仅是 Apple Watch 的材质和生产加工工艺的一个缩影。

一如既往,Apple Watch 的官方宣传片着重强调了产品的生产加工的细节,Atomic Delights 对影片中所展示的内容条分缕析,为我们带来了更多信息。

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黄金

Apple Watch Edition 上所使用的黄金有两种颜色,一个是接近金原色的黄,另外一种是玫瑰金色。两种款式的材质均为合金,在 18k 金中按照一定的比例混合了银、铜、钯,并调试出相应的颜色。视频中,Jony Ive 深情地讲述了 Apple Watch Edition 所采用的 18k 黄金的与众不同之处:它有着两倍于普通黄金的硬度,这就打消了人们对于 Edition 版手表外壳在硬度和耐磨性上的疑虑。而古往今来,无数的炼金术师和冶金学家为了克服和弥补黄金固有的缺陷几乎将它和元素周期表上的所有金属元素进行了一轮排列组合,以获得具有某种特性的合金。

劳力士在日内瓦普朗莱乌特(Plan-les-Ouates)设立了一座室内铸造厂生产此类贵金属;宇舶(Hublot)则在 2011 年研制出了防刮耐磨的“魔力金”。苹果的专利则显示它已经找到一种能够同时减少黄金的比重降低成本又能增加其耐用性的技术。视频显示,苹果似乎并没有使用什么独特的冶金技术,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(Work Hardening)是金属加工的专业术语:

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,会发生强度和硬度升高,而塑性和韧性降低的现象,又称冷作硬化。产生的原因是金属在塑性变形时,晶粒发生滑移,出现错位的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,金属内部产生了残余应力。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面显微硬度的比值和硬化深度来表示。

Apple Watch 3

加工硬化最突出的一个结果就是金属的强度、硬度和耐磨性都会有大幅度的提高。坦克、拖拉机的履带经常会用到加工硬化工艺。视频中,黄金首先被加工成实心的金块,而不是手表的大致轮廓。然后通过专业的工具进行精细打磨,剔除瑕疵。

如果你还是感觉加工硬化过于抽象的话,可以找一个长条状的金属片或者是曲别针,抓住两端来回掰。你会发现在来回掰动的过程中,要花费的力气会稍微有些增大,直到金属片最后断为两段。但在这其中的一段时间里,你所作的工作可以称之为加工硬化,金属的某些特性在这一过程中也发生了变化。把所花费的力气再增大数千倍,把金属片换成价值 5 万美元的金块,这就是苹果在加工硬化过程中所做的工作了。

接下来,苹果用平面铣刀对黄金铸锭进行切削,将铸锭控制在一个特定的厚度,精确度可以达到 0.01mm。之所以要保证如此的精确度是因为铸锭表面的不平整会直接影响到所加工部件的最终硬度。

 Apple Watch 4

接下来是真正的压缩加工硬化流程,金属铸锭在滚压机下方经过数个来回,每次整体的厚度被压缩几微米。整个流程结束后,剩下的就是一块平整的高密度合金铸坯,硬度和厚度也都控制在了目标水平上。

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之后,苹果在视频中省略了不少的流程,直接展示了一个接近于 Apple Watch 轮廓的铸坯。上图中,铸坯还有加工过的痕迹,边角也更加硬朗。在下面一张用超声波密度检测仪侦测瑕疵时,铸坯的内侧边角上已经被打磨出了斜面倒角。也就是说苹果将铸坯从一台数控铣床(CNC)上挪到另外一台上,仅仅是为了给铸坯切割出倒角?这是从视频中所发现的疑问,也不排除仅仅是为了视频拍摄的需要,苹果把流程做了一些调整。

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Apple Watch 7

接下来的部分就是用超声波探测仪检测铸坯的密度,从而将不合格的产品剔除出去,严格来讲这应该叫做超声浸没探伤技术,对于一款消费级的产品来说,这一步骤常常会被省略掉,很多高级腕表也不例外。因为消费级的产品往往不需要如此高的精度,只有高强度持续工作的医疗植入式器械,以及飞机发动机中的旋转部件才会需要严格的探伤检测。这一过程不仅费时,而且需要有专门定制的设备,并且花费巨资。苹果对细节的苛求在这里可见一斑。

 Apple Watch 8

上面的截图展示的是铸件通过中间的小孔被固定住,然后用专门定制的数控铣床将铸坯切削出全半径的边缘。另外,从图中可以清晰地看出苹果采用的是一个比较高的圆柱形工件夹具,所以极有可能使用的是五轴铣刀,右侧按键、Digital Crown(数字表冠)、麦克风孔也会在这一过程中切割成形。

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随后的视频中,苹果展示了设计精巧、锯齿状 Digital Crown,不过是已经加工完成的产品,并没有展示太多的细节。用于切割锯齿纹路的刀具看起来像是定制的,刀轴的四周偏软,用以增加硬度和刀具的使用寿命。

Apple Watch 10

表扣部分的加工流程苹果更是一带而过。Atomic Delights 认为这一过程可能远比表壳部分更加有意思。苹果重新设计的表扣表面更加复杂,这也可能是苹果首次使用表面仿形铣床加工零部件。苹果在大批量生产的消费级产品中向来有着出色的品控,这其中一部分原因在于它善于将生产过程分解为更为简单的挤压或冲压等 2.5D 刀具路径,同时保持产品的精确性和复杂度。而如果表扣部件也采用 3D 铣削的话,会更加复杂,同时也会耗费更多的时间。

Apple Watch 11

在最后的抛光部分,苹果在视频中成是由人工完成的。反观前面的视频内容,苹果的自动化加工技术已经达到了很高的水平,并且渗透到产品的几乎所有环节和几乎所有部件,我们无法确认整个的抛光流程是否都是由手工完成,这么做的原因是因为人的眼睛或者是人的加工手法会比机器更加精确,亦或者仅仅是为产品增加一点手工制作的高贵气质,我们不得而知。

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不锈钢

不锈钢是制作高级腕表的常用材料。苹果在 Apple Watch 上使用的材质相对保守一些,采用的是 316L 不锈钢没有采用液态金属,也没有使用很复杂的切割工艺。316L 不锈钢也常被称为医用不锈钢,这种材料多用在医疗器械以及食品加工设备中,原因很简单:防止内部组件中金属原子的渗透。而正是出于相同的原因,316L 不锈钢成了在手表中应用最为广泛的一种合金材料。手表厂商在数十年的时间里都在尽力降低镍过敏的影响,其中劳力士和欧米茄已经将镍过敏现象降低到几乎不可感知的状态了。因此,Atomic Delights 猜测苹果在金属冶炼和加工过程中也一直在极力避免镍过敏情况的出现。

Apple Watch Steel

在苹果介绍 Apple Watch 加工工艺的视频中,首先出现的是一根熔融状态的 316L 钢板,也就是芯棒。熔融的不锈钢从坩埚的底部流出,然后经过一次系列的塑形流程,最后随着金属分子粘性的增加形成固体。这一过程需要有精确的控制,以保证芯棒的晶粒结构和硬度。由于产品是大批量出货,所以苹果要对坩埚中的金属成分和比例了如指掌,并且精确地调控回火(temper)、硬度以及芯棒的尺寸。

 SSWatchForge

苹果在视频中回避了 Apple Watch 生产加工中最为独特也最为重要的一个步骤:冷锻。在锻造的过程中,金属坯件被放置在两块坚硬的钢制模具之间。然后会有一个接近一间房子大小的设备充当锤子的角色,对模具施加以数万吨计的力。在如此巨大的压力之下,金属会达到一种叫做“塑性变形(plastic deformation)”的状态,然后弯曲,压缩,进而填充到模具的腔体中去。在更为精确和复杂的锻造中,模具的腔体呈递进式加深,最终将金属加工成预期中的形状。

 grain-flow

上面这幅图显示的是铸造(Casting,Apple Watch Edition 采用的便是这种工艺),机床加工(machined)和锻造(Forging)后晶粒结构的变化。

锻造后得到的是一个净成形(net-shape)部件;这一过程并不能加工出孔洞、卡槽、螺纹等更为精确的结构,这时候就轮到厂商最爱的 CNC 数控机床上场了。而锻造最大的作用就是增加部件的强度。从上面的对比图中可以看出,锻造后的部件有着完整的晶格,类似于一种流动的状态,并且晶格的走向和部件的形态是一致的,这就保证了被加工部件有着足够的强度。上面的图片也解释了为什么在加工坦克履带等高强度金属部件时,业界通常会使用锻造的工艺了,

Apple Watch Steel 2

之后视频中就出现了三个锻坯,以及一个定制的五轴夹具。锻造并不是一项很精确的工艺,所以在接下来 CNC 加工的过程中,挑战之一就在于找到一个基准面,并以它为参照对部件的其他部分进行精确的加工。我们可以看到上图右侧锻坯的顶部被铣成了方方正正的造型,这部分很可能是预留出用于翻转之后固定锻坯用的。

Apple Watch Steel 3

接下来是用五轴铣刀切削出表冠、麦克风孔等细微构造。需要注意的是,在铣削按键和表冠卡槽时,苹果所使用的并不是和开口同等宽度的铣刀,而是更加细小的刀具,这样可以避免开口边缘在加工过程中厚度变薄,保持表面的平整。

Apple Watch Steel 4

然后就到了苹果展现对品质和细节的极致追求的时刻了——CMM,全称是 Coordinate Measuring Machine,三维坐标测量仪。在运动路径上(X,Y,Z),CMM 和此前常说的 CNC 机床类似,不同之处在于,CMM 通常用花岗岩框架作为平台,同时将铣刀换成了红宝石探头,能够精确地测量物体表面样本点的三维坐标,并与原始的 CAD 模型进行对比。CMM 可以自动生成报告,判定部件是否合格,更跟踪检测某一批次的产品的尺寸浮动。而在最为精密的车间中,CMM 的数据还可以直接反馈给 CNC 机床,后者对加工过程进行调整,从而抵消误差。

Apple Watch Steel 5

CMM 探测之后就到了自动抛光流程。整体抛光的困难在于苹果希望保持部件中应有的棱角和凌厉的切边,而抛光轮则会触及几乎所有的边缘和表面。控制不好不仅仅会把棱角变得光滑,也会损坏抛光轮。从视频中可以看出,苹果用灰色的聚合物对表链插槽和表冠、按键接口进行了填充,这样就保证了表壳被充分抛光,也保存了表壳某些位置的棱角。

Apple Watch Steel 6

在表壳加工的最后部分,Jony Ive 在宣传片中快速讲解了深空黑色的 Apple Watch 的上色过程,称之为类钻碳,其实就是碳化钨涂层(Tungsten DLC),非常坚固而且可以做得很薄。这一过程常常在真空室中进行,是很多高端腕表、刀具的上色方法。碳化钨涂层的优点之一是有着非常好的耐用性。

Apple Watch Milanese band

视频的最后,苹果展示了链式表带和米兰尼斯表带的制作工艺。其中最有趣的是后者,虽然能够一眼看出线材经过了电镀抛光,但它究竟是在放入编织工具之前就已经绕好,还是先放入编织工具再缠绕而成的,目前还不得而知。

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要说苹果是世界上最精通铝制品加工的企业估计没多少人会否认,从早期的 iPod Classic,到后来的 MacBook Air,再到最新的 iPhone 6 上,铝合金出现在了苹果全部的产品线之中。更为重要的是,苹果已经建立起了一条全球性的铝合金供应链,对于整个行业有着牵一发而动全身的影响力,更引来诸多对手的效仿。所以,苹果采用自己最为驾轻就熟的铝合金来生产“廉价版”的 Apple Watch Sport 也就是情理之中的事。

在 Apple Watch Sport 上,苹果摒弃了之前常用的铝合金 6000 系列(主要成分是铝、镁和硅),转而全新研发了一款 7000 系列铝合金,添加金属镁和锌。Jony Ive 在视频中讲到全新研发的铝合金强度提高了 60%,并且维持了同样的重量。根据 Atomic Delights 的分析,与描述最为接近的两款现有商业用铝合金分别是 6061 和 7075。

 Apple Watch Sport aluminum 1

开场的画面是叉车驶离巨大的坩埚炉,熔融的铝合金被灌注进数个排列整齐的模具腔体中,形成圆柱形的铸锭。紧接着就到了回火(tempering)流程——将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的——这是一种对淬火金属进行再加热和冷却的过程,目的是将分子结构控制在一定的方向。

Apple Watch Sport aluminum 3

苹果向来善于利用压铸工艺生产构造复杂的部件,即便是没多少人会在意的细节也会进行精心的加工,比如 Apple TV 的遥控器,以及 Mac 上常见的触控板。Apple Watch Sport 也不例外:两根铝制芯棒从挤压机中被挤出,两侧已经有了圆弧状的边缘。最让人吃惊的地方在于,芯棒的表面已经非常光滑平整,几乎看不到瑕疵。然后芯棒被切割成 Sport Watch 的铸坯,经过 CMM (三维坐标测量仪)对其三维尺寸进行探测,随后就到了 CNC 铣削阶段。

Apple Watch Sport aluminum 6

除了压铸件和锻铸件的零件托持夹具,以及切削刀具有所不同外,三种材质的 Apple Watch 在这一流程的加工方式大同小异。之后从画面中可以看到一个延长的刀具越过一个表壳,然后对另外一个表壳进行加工,其余的部分的步骤和常见的五轴加工器械相似。接下来我们就看到了一个会令很多机械加工专家坐立难安的场景:

 Apple Watch Sport aluminum 5

除了 CNC 和 CMM 外,苹果在加工工艺上另外一个值得称道的地方就是激光加工了。在这一段视频中,激光加工总共出现了两次,上面这幅图是第一次。机械加工加工往往并不完美,会留加工的痕迹,边缘会有 0.05mm 厚的金属翘起,就是我们常说的毛刺。去除毛刺常见的方法是用很细小的工具剔除,或者是手工,还可以在滚筒和砂纸抛光中去除。苹果的处理方式却是有些独特——用激光去除毛刺。我们能够看到激光先是勾勒出开口的轮廓,紧接着伸进开口内壁快速扫过。Atomic Delights 认为这是一个非常新颖的处理方式。

Apple Watch Sport aluminum Polishing

然后就到了抛光阶段,流程和不锈钢表壳的处理方式接近,表带的凹槽等部分也用聚合物填充保护起来。不过 Digital Crown(表冠)和按键的开口部分并没有被保护起来,原因在于被压铸成型后,已经契合表壳最终的轮廓,这也从另外一个方面反映出苹果在铝合金压铸上的造诣。

Apple Watch Sport aluminum 7

在氧化锆喷砂处理阶段,苹果使用了多孔径旋转喷嘴从各个角度对表壳的进行喷涂,以期做到全无死角的覆盖。

经过塑形,加工,激光去毛刺,抛光和喷砂之后,整个加工流程就到了很多厂商津津乐道的阳极氧化阶段:一般是以铝合金部件作为阳极置于电解液中,利用电解作用在表面形成一层坚硬氧化铝薄膜,在这一过程中还会形成蜂巢结构,可以添加染色颗粒物,获得预期的颜色。不同于钢铁氧化后形成的斑斑锈迹,这种精确控制下的铝制品氧化的表面耐用性和耐磨性都会得到显著的提升。这已经是很多消费电子屡试不爽的一种加工方式。

Apple Watch Sport aluminum 9

虽然是阳极氧化已经是很普通的一种加工方式了,苹果还是玩出了花样:钱多任性。一般厂家会采用通用的夹子或者是钩子把零部件固定住,苹果的方式则非常简单粗暴,定制了专门用于铝合金表壳阳极氧化的塑制加持工具,铝合金表壳密集的摆放在上面。当然,这种定制化的方式需要不少的财力投入。

Apple Watch Sport aluminum 10

最后部分,苹果在视频中展示了 Apple Watch Sport 的 Digital Crown 的加工方式——激光。在 18k 金的 Apple Watch Edition 和不锈钢的 Apple Watch 上,表冠的锯齿状纹路是用铣刀刻出来的,而 Sport 上的锯齿则是利用激光。有人指出表冠是经过喷砂处理的,但在视频中很难辨别在激光冲刻锯齿纹路是在喷砂之前还是之后。表冠被固定在一个旋转的分度卡盘上,正好处在激光射线相切。黄金版和不锈钢的表冠采用 CNC 加工的原因可能是这两种材质的表面会反光,不适合用激光加工。

总结

Apple Watch Edition Inside Pocket structure

对比三款不同材质的手表的加工方式,很有趣的一个发现是 Edition 版表壳的内部构造做了数个凹槽,这在标准版和 Sport 版中都没有。现在还很难判断这些凹槽的作用究竟是用来对表壳进行加固,还是为了减轻黄金表壳的重量。

很多人都发现了在 Apple Watch 一侧的表带凹槽中有一个六针的接口,可能是用来灌制系统或者是检测之用。由于视频的录制可能会是在发布前的数月完成的,最终量产的 Apple Watch 中是否还会有这个接口目前还是未知数。

Apple Watch Sport aluminum 8

视频中,包括在其他访谈中,讲到设计、工艺时,Jony Ive 常常会“精心(care)”这个词来形容。这其实是很值得推敲的一点,因为它既不指代传统手工制作的匠气,也不指代德国或者是日本车或是其他机械产品的精确和一丝不苟。“精心”更多展现出来的是对于制作产品不遗余力的一种追求,无论原材料和最终产品之间有着多么巨大的鸿沟。若非如此,恐怕苹果会和其他人一样放弃用锻造的方式去加工不锈钢的表壳;黄金合金的硬化流程估计也会不复出现,因为整个行业中几乎都没人去尝试;苹果也不会去细心地用激光去打磨麦克风开口内部的毛刺,因为没几个人会拆开手表去感受它的表里如一。

阐述 Apple Watch 的这三段视频虽然有着浓浓的炫技的味道,但你不得不承认这是一个团队不计成本的一种近乎奢侈的投入,重点已经不仅仅是供应链了。我们还很难预知苹果为了 Apple Watch 会采购多少的黄金和不锈钢,也很难预料它会不会像数年前大批量使用铝合金那样对相应材料的价格、加工工艺乃至整个行业产生深远的影响力。不得不说,苹果在对工艺的追求让人看到了一种仪式感,它在极力将生产的标准提升到全新的高度,也或许,因为它知道自己所要面对的是一个有着数百年历史的制表行业,里面聚集着数十家如雷贯耳的手表厂商。

 

编译整理自:Atomic Delights

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