Apple Watch 的三種材質(zhì)與打造技術(shù)剖析

1、Apple Watch 的三種材質(zhì)與打造技術(shù)剖析作者 愛范兒 | 發(fā)布日期 2015 年 03 月 19 日 | 關(guān)于 Apple Watch 黃金版的材質(zhì)之前就已經(jīng)有不少傳言，它所使用的并不是普通的 18K 黃金，而是經(jīng)過特殊加工工藝的處理。Jony Ive 在后續(xù)接受外媒采訪時也印證了這一消息，表示特殊的加工技術(shù)使得金原子的聚合更加緊密，從而使 Apple Watch Edition 版的金質(zhì)外殼更加堅硬耐磨。而這僅僅是 Apple Watch 的材質(zhì)和生產(chǎn)加工技術(shù)的一個縮影。一如既往，Apple Watch 的官方宣傳影片更是著重強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)品生產(chǎn)加工的細(xì)節(jié)，Atomic Delights&

2、#160;對影片中所展示的內(nèi)容進(jìn)行分析，為我們帶來了更多信息。黃金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(zhì)均為合金，在 18K 金中按照一定的比例混合了銀、銅、鈀，并調(diào)整出相應(yīng)的顏色。影片中，Jony Ive 用他那中年人富有磁性的嗓音，動情地講述了 Apple Watch Edition 所采用的 18K 黃金的與眾不同之處：兩倍于普通黃金的硬度，打消了人們對于 18K 金硬度和耐磨性上的疑慮。而古往今來，無數(shù)的煉金術(shù)師和冶金學(xué)家為了克服和彌補(bǔ)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(jìn)行了一輪排列組

3、合，以獲得具有某種特性的合金。勞力士在日內(nèi)瓦普朗萊烏特（Plan-les-Ouates）設(shè)立了一座室內(nèi)鑄造廠生產(chǎn)此類貴金屬；御博（Hublot）則在 2011 年研制出防刮耐磨的魔力金。蘋果的專利則顯示它已經(jīng)找到一種能夠同時降低黃金的重量又能增加其耐用性的技術(shù)。影片顯示，蘋果似乎并沒有使用什么獨(dú)特的冶金技術(shù)，而是多了一道加工硬化程序，也就是增加 18K 金的硬度。加工硬化（Work Hardening）是金屬加工的專業(yè)術(shù)語：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時，會發(fā)生強(qiáng)度和硬度升高、而塑性和韌性降低的現(xiàn)象，又稱冷作硬化。產(chǎn)生的原因是金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)錯位的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎

4、和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)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。加工硬化最突出的一個結(jié)果就是金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性都會有大幅度的提高。坦克、牽引機(jī)的履帶經(jīng)常會用到加工硬化技術(shù)。影片中，黃金首先被加工成實(shí)心的金塊，而不是手表的大致輪廓。然后透過專業(yè)的工具進(jìn)行精細(xì)打磨，剔除瑕疵，用更專業(yè)一點(diǎn)的術(shù)語來說是差排（dislocations）。剔除瑕疵是另外一項(xiàng)非常精細(xì)的工作，如果你還是感覺冷卻加工過于抽象的話，可以找一個長條狀的金屬片或是回形針，抓住兩端來回掰，你會發(fā)現(xiàn)在來回掰動的過程中，要花費(fèi)的力氣會稍微有些增大，直到金屬片最后斷為兩段。但在這其中一段時間里，

5、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發(fā)生了變化。把所花費(fèi)的力氣再增大數(shù)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，蘋果用平面銑刀對黃金鑄錠進(jìn)行切削，將鑄錠控制在一個特定的厚度，精確度可以達(dá)到 0.01mm。之所以要保證如此的精確度，是因?yàn)殍T錠表面的不平整會直接影響到所加工部件的最終硬度。接下來是真正的壓縮加工硬化流程，金屬鑄錠在滾壓機(jī)下方經(jīng)過數(shù)個來回，每次整體的厚度被壓縮幾微米。整個流程結(jié)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(biāo)水平上。之后，蘋果在影片中省略了不少流程，直接展示一個接近于 Apple

6、 Watch 輪廓的鑄坯。上圖中，鑄坯還有加工過的痕跡，邊角也更加強(qiáng)硬。在下面一張用超聲波密度檢測儀偵測瑕疵時，鑄坯的內(nèi)側(cè)邊角上已經(jīng)被打磨出了斜面導(dǎo)角。也就是說蘋果將鑄坯從一臺數(shù)控銑床（CNC）上挪到另外一臺上，僅僅是為了給鑄坯切割出導(dǎo)角？這是在影片中所發(fā)現(xiàn)的疑問，也不排除僅僅是為了影片拍攝的需要，蘋果把流程做了一些調(diào)整。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(chǎn)品剔除出去，嚴(yán)格來講這應(yīng)該叫做超聲浸沒探傷技術(shù)，對于一款消費(fèi)級的產(chǎn)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?yàn)橄M(fèi)級的產(chǎn)品往往不需要如此高的精度，只有高強(qiáng)度持續(xù)工作的醫(yī)療植入式器械，以及飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的

7、旋轉(zhuǎn)部件才會需要嚴(yán)格的探傷檢測。這一過程不僅費(fèi)時，需要有專門定制的設(shè)備，并且花費(fèi)巨資。蘋果對細(xì)節(jié)的苛求在這里可見一斑。上面的截圖展示的是鑄件通過中間的小孔被固定住，然后用專門定制的數(shù)控銑床將鑄坯切削出全半徑的邊緣。另外，從圖中可以清晰地看出蘋果采用的是一個比較高的圓柱形工件夾具，所以極有可能使用的是五軸銑刀，右側(cè)按鍵、Digital Crown（數(shù)字表冠）、麥克風(fēng)孔也會在這一過程中切割成形。隨后的影片中，蘋果展示了設(shè)計精巧、鋸齒狀 Digital Crown，不過是已經(jīng)加工完成的產(chǎn)品，并沒有太多的細(xì)節(jié)。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。表扣部

8、分的加工流程蘋果更是輕輕而過。Atomic Delights 認(rèn)為這一過程可能遠(yuǎn)比表殼部分更有意思。蘋果重新設(shè)計的表扣表面更加復(fù)雜，這也可能是蘋果首次使用表面仿形銑床加工零部件。蘋果在大批生產(chǎn)的消費(fèi)級產(chǎn)品中向來有著出色的品控，這其中一部分原因在于它善于將生產(chǎn)過程分解為更為簡單的擠壓或沖壓等 2.5D 刀具路徑，同時保持產(chǎn)品的精確性和復(fù)雜度。而如果表扣部件也采用 3D 銑削的話，會更加復(fù)雜，同時也會耗費(fèi)更多的時間。在最后的拋光部分，蘋果在影片中是由人工完成的。反觀前面的影片內(nèi)容，蘋果的自動化加工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，并且滲透到產(chǎn)品的所有環(huán)節(jié)和所有部件，我們無法確認(rèn)整個的拋光流程是否

9、都是由手工完成，這么做的原因是因?yàn)槿说难劬蛘呤侨说募庸な址〞葯C(jī)器更加精確，亦或者僅僅是為產(chǎn)品增加一點(diǎn)手工制作的高貴氣質(zhì)，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 Apple Watch 上使用的材質(zhì)相對保守一些，采用的是 316L 不銹鋼沒有采用液態(tài)金屬，也沒有使用很復(fù)雜的切割技術(shù)。316L 不銹鋼也常被稱為醫(yī)用不銹鋼，這種材料多用在醫(yī)療器械以及食品加工設(shè)備中，原因很簡單：防止內(nèi)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(yīng)用最為廣泛的一種合金材料。手表廠商在數(shù)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(jīng)

10、將鎳過敏現(xiàn)象降低到幾乎不可感知的狀態(tài)了。因此，Atomic Delights 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(xiàn)。在蘋果介紹 Apple Watch 加工工藝的影片中，首先出現(xiàn)的是一根熔融狀態(tài)的 316L 鋼板，也就是晶棒。熔融的不銹鋼從坩堝的底部流出，然后經(jīng)過一次系列的塑形流程，最后隨著金屬分子黏性增加形成固體。這一過程需要精確的控制，以保證晶棒的晶粒結(jié)構(gòu)和硬度。由于產(chǎn)品是大量出貨，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(diào)控回火（temper）、硬度以及晶棒的尺寸。蘋果在影片中回避了 Apple Watch 生產(chǎn)加工中最獨(dú)特也最重要的一個

11、步驟：冷鍛。在鍛造的過程中，金屬胚件被放置在兩塊堅硬的鋼制模具之間。然后有一個接近一間房子大小的設(shè)備充當(dāng)錘子的角色，對模具施加數(shù)萬噸計的力。在如此巨大的壓力之下，金屬會達(dá)到一種叫做塑性變形（plastic deformation）的狀態(tài)，然后彎曲、壓縮，進(jìn)而填充到模具的腔體中去。在更為精確和復(fù)雜的鍛造中，模具的腔體呈遞進(jìn)式加深，最終將金屬加工成預(yù)期中的形狀。 上面這幅圖顯示的是鑄造（Casting，Apple Watch Edition 采用的便是這種工藝）、機(jī)床加工（machined）和鍛造（Forging）后晶粒結(jié)構(gòu)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

12、加工出孔洞、卡槽、螺紋等更為精確的結(jié)構(gòu)，這時候就輪到廠商最愛的 CNC 數(shù)控機(jī)床上場了。而鍛造最大的作用就是增加部件的強(qiáng)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體結(jié)構(gòu)，類似于一種流動的狀態(tài)，并且晶體結(jié)構(gòu)的走向和部件的形態(tài)是一致的，這就保證了被加工部件有著足夠的強(qiáng)度。上面的圖片也解釋了為什么在加工坦克履帶等高強(qiáng)度金屬部件時，業(yè)界通常會使用鍛造的工藝了。之后影片中就出現(xiàn)了三個鍛胚，以及一個定制的五軸夾具。鍛造并不是一項(xiàng)很精確的工藝技術(shù)，所以在接下來 CNC 加工的過程中，挑戰(zhàn)之一就在于找到一個基準(zhǔn)面，并以它為參照對部件的其他部分進(jìn)行精確的加工。我們可以看到上圖右側(cè)鍛胚的頂部被銑成了方

13、方正正的造型，這部分很可能是預(yù)留出用于翻轉(zhuǎn)之后固定鍛胚用的。接下來是用五軸銑刀切削出表冠、麥克風(fēng)孔等細(xì)微構(gòu)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(xì)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。然后就到了蘋果展現(xiàn)對質(zhì)量和細(xì)節(jié)的極致追求的時刻了CMM，全名是 Coordinate Measuring Machine，三維坐標(biāo)測量儀。在運(yùn)動路徑上（X、Y、Z），CMM 和此前常說的 CNC 機(jī)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(diǎn)的三維坐標(biāo)，并

14、與原始的 CAD 模型進(jìn)行對比。CMM 可以自動產(chǎn)生報告，判定部件是否合格，更跟蹤檢測某一批次的產(chǎn)品的尺寸浮動。而在最為精密的車間中，CMM 的數(shù)據(jù)還可以直接回饋給 CNC 機(jī)床，后者對加工過程進(jìn)行調(diào)整，從而抵銷誤差。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(yīng)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?？刂撇缓貌粌H僅會把棱角變得光滑，也會損壞拋光輪。從影片中可以看出，蘋果用灰色的聚合物對表鏈插槽和表冠、按鍵接口進(jìn)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。在表殼加工的最后部分，Jony Ive 在宣傳片中快速講解了深空黑色的

15、 Apple Watch 的上色過程，稱之為類鉆碳，其實(shí)就是碳化鎢涂層（Tungsten DLC），非常堅固而且可以做得很薄。這一過程常常在真空環(huán)境中進(jìn)行，是很多高級腕表、刀具的上色方法。碳化鎢涂層的優(yōu)點(diǎn)之一是有著非常好的耐用性。影片的最后，蘋果展示了鏈?zhǔn)奖韼Ш兔滋m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(jīng)過了電鍍拋光，但它究竟是在放入編織工具之前就已經(jīng)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(yè)估計沒多少人會否認(rèn)，從早期的 iPod Classic，到后來的 MacBook Air，再到最新的 iPhone 6 上，鋁合金出

16、現(xiàn)在了蘋果全部的產(chǎn)品線之中。更為重要的是，蘋果已經(jīng)建立起了一條全球性的鋁合金供應(yīng)鏈，對于整個行業(yè)有著牽一發(fā)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(chǎn)廉價版的 Apple Watch Sport 也就是情理之中的事。在 Apple Watch Sport 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(zhuǎn)而全新研發(fā)了一款 7000 系列鋁合金，添加金屬鎂和鋅。Jony Ive 在影片中講到全新研發(fā)的鋁合金強(qiáng)度提高了 60%，并且維持了同樣的重量。根據(jù) Atomic Delights 的分析，與描述最為接近的兩款現(xiàn)有商業(yè)用鋁合金分別

17、是 6061 和 7075。開場的畫面是堆高機(jī)駛離巨大的坩堝爐，熔融的鋁合金被灌注進(jìn)數(shù)個排列整齊的模具腔體中，形成圓柱形的鑄錠。緊接著就到了回火流程將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的這是一種對淬火金屬進(jìn)行再加熱和冷卻的過程，目的是將分子結(jié)構(gòu)控制在一定的方向。蘋果向來善于利用壓鑄工藝生產(chǎn)構(gòu)造復(fù)雜的零件，即便是沒多少人會在意的細(xì)節(jié)也會進(jìn)行精心的加工，比如 Apple TV 的遙控器以及 Mac 上常見的觸摸板。Apple Watch Sport 也不例外：兩根鋁制晶棒從擠壓機(jī)中被擠出，兩側(cè)已經(jīng)有了圓弧狀的邊緣。最讓人吃驚的地方在于，晶棒的

18、表面已經(jīng)非常光滑平整，幾乎看不到瑕疵。然后晶棒被切割成 Sport Watch 的鑄坯，經(jīng)過 CMM （三維坐標(biāo)測量儀）對其三維尺寸進(jìn)行探測，隨后就到了 CNC 銑削階段。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(zhì)的 Apple Watch 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(jìn)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(jī)械加工專家坐立難安的場景：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雷射加工了。在這一段影片中，雷射加工總共出現(xiàn)了兩次，上面

19、這幅圖是第一次。機(jī)械加工往往不完美，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(xì)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(dú)特用雷射去除毛刺。我們能夠看到雷射先是勾勒出開口的輪廓，緊接著伸進(jìn)開口內(nèi)壁快速掃過。Atomic Delights 認(rèn)為這是一個非常新穎的處理方式。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(hù)起來。不過 Digital Crown（表冠）和按鍵的開口部分并沒有被保護(hù)起來，原因在于被壓鑄成型后，已經(jīng)契合表殼最終的輪廓，這也從另外一個方面反

20、映出蘋果在鋁合金壓鑄上的造詣。在氧化鋯噴砂處理階段，蘋果使用了多孔徑旋轉(zhuǎn)噴嘴從各個角度對表殼的進(jìn)行噴涂，以期做到全無死角的覆蓋。經(jīng)過塑形、加工、雷射去毛刺、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薄膜，在這一過程中還會形成蜂巢結(jié)構(gòu)，可以添加染色顆粒物，獲得預(yù)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(jīng)是很多消費(fèi)電子屢試不爽的一種加工方式。雖然是陽極氧化已經(jīng)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。一般廠商會采用

21、通用的夾子或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(dāng)然，這種定制化的方式需要不少的財力投入。最后部分，蘋果在影片中展示了 Apple Watch Sport 的 Digital Crown 的加工方式雷射。在 18K 金的 Apple Watch Edition 和不銹鋼的 Apple Watch 上，表冠的鋸齒狀紋路是用銑刀刻出來的，而 Sport 上的鋸齒則是利用雷射。有人指出表冠是經(jīng)過噴砂處理的，但在影片中很難辨別在雷射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(zhuǎn)的分度卡盤上，正好處在雷射射線相切。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(zhì)的表面會反光，不適合用雷射加工。 總結(jié)對比三款不同材質(zhì)的手表的加工方式，很有趣的一個發(fā)現(xiàn)是 Editio