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金属机身加工工艺:铸造、锻造、冲压、CNC

来源:材料馆|

发表时间:2016-09-05

点击:894

近两年来,金属手机成为行业的热点,在消费电子产品中应用越来越广,本文详细介绍几种金属加工工艺及相关产品应用。


例如:


1、CNC 阳极:iPhone 5/6, HTC M7


2、锻造 CNC:华为P8,HTC M8


3、一次压铸:三星A7

4、冲压、液压成型:HTC ONE MAX


5、冲压 CNC:华为MATE 7

下图描述了几种手机外壳金属加工工艺在加工成本、CNC用量、加工周期、成品率、可设计性、外观质感的比较。


从整体上分析,一个工艺雷达图的面积越大,一般说明其综合性能越佳;从单个维度分析,每个维度划分了10个等级,分数越高说明某个工艺在该维度越佳。


铸造 | Casting


铸造是人类较早掌握的一种金属热加工工艺,是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造毛坯因近乎成型,而达到免机械加工或少量加工的目的,降低了成本并一定程度上减少了时间。


金属铸造是将把熔化的金属液注入用耐高温材料制作的中空铸型内,冷凝后得到预期形状的制品;所得到的制品就是铸件。

图:液体金属--充型--凝固收缩--铸件


铸造的分类


一、重力铸造 | Gravity Casting


是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺,也称浇铸。其金属液一般采用手工倒入浇口,依靠金属液自重充满型腔、排气、 冷却、开模得到产品。


重力浇铸具有工艺简单,模具成本低,内部气孔少,可进行热处理等优势,但同时具有致密性差,强度稍差,不宜生产薄壁零件,表面光洁度低,生产效率低,成本高等缺陷。


二、压力铸造(压铸) | Die Casting


在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型(压铸模具)型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。

高压铸造能够快速充型,生产效率极高,产品致密性好,硬度高,表面光洁度好,能够生产壁厚比较薄的零件;同时由于采用高压空气进行充型,内部卷入气体较多,容易在产品内部形成气孔,故此不可以进行热处理(热处理时内部气体会膨胀,导致产品出现鼓包或裂开等缺陷)及加工量过大的后期机加工(避免穿透表面致密层,露出皮下气孔,造成工件报废)。


不过,普通铝压铸工艺存在很难进行光滑的铝氧化膜处理的课题。原因是,为了提高流动性使其流遍模具的所有区域,在原料中添加了硅。因此,如果要为铝压铸件着色,涂装之后可能会因为显得像塑料而失去高档感。


压铸工艺应用于手机,可因为表面无法阳极氧化,大部分企业采用喷涂处理,如魅族最新发布的魅蓝Metal,如下图。

近日,日本欧达可公司(OTAX)宣布开发出低成本压铸工艺实现光滑铝氧化膜处理,提升产品高档感,已被应用于手机外壳和耳机部件,如下图为丹麦Bang&Olufsen公司采用铝压铸工艺生产的耳机部件。


锻造 | Forging


锻造是金属压力加工方法之一。指利用压力改变金属原料形状,以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的一种加工工艺。


锻造的分类


1、锤锻或打铁 | Hammer or Smith Forging


锤锻或打铁所用的方式相同,系将工作物加热到锻造温度,在平锤及钻板之间加以锻造; 小件可用手工称为打铁;大件则须使用蒸气锤(Steam Hammer),如下图。其中,工作物放在钻板与平面锤之间,至于蒸汽锤的构造,则依锻造容量而定,轻型者为单机架式, 重型者为双机架式。

2、落锤锻造 | Drop Hammer Forging


落锤锻造与平面锻造的不同,在于落锤锻造的锤有模穴,工作件在模穴中承受兩方面的压力或冲击力作用,进而依模穴的形状作塑性变形。 如下图所示,为了使金属的流动能确实而充份,往往将锻造分为若干级次,每级的变化为渐进式,以利控制流动方向,至于级数的多寡, 端视锻件的形状与大小,金属的可锻性及工件尺寸精度要求。

3、压力锻造(锻压) | Press Forging


压力锻造是以慢速的压力,使金属在模内挤压造形的锻造法,由于金属受力的时间颇长,挤压作用不仅行之于锻件表面,也及于工件的中心部份,因此,能达到内外均一的效果,其制品的质量亦较锤锻者为佳。


锻压用于手机外壳制程可有效减少CNC的时间,从而相对成本较低;并且可选用铝含量超过95%的铝合金,可进行阳极氧化。制程:先通过锻压得到较厚的手机结构件粗型;再CNC铣掉不需要的部分;NMT得到金属 塑料一体结构件;阳极氧化表面处理;最后胶合天线盖。


如OPPO R7/R7 PLUS,如下图


4、锻粗或端压锻造 | Upset Forging

锻粗或端压锻造通常是针对一均匀长杆的一端欲进行锻粗或造形而來,如下图所示。将长杆在模子内夹紧,其一端加热至高温,并顺其轴向,再该端加压,使其锻粗或造形。

5、滚轧锻造 | Roll Forging

滚轧锻造的原理如下图。

以两个非百分之百为圆形的辊子(有 25~75%的直径缩减率,其余部份可依需要切成槽形),将杆料送入其间并夹持之,而后继续转动,使杆料受轧压,使直径缩减并向前推送;当辊子再转到开口位置时,可将杆料抽回到原来的位置,以备次一循环轧滚,或送到另一沟槽作另一种施工。


冲压 | Punching


金属冲压成型是一种金属冷处理加工方法,又被称之为冷冲压或板料冲压,借助冲压设备的动力,使金属板材在模具内直接受力成型,冲压的零件广泛应用于汽车零件制造和家用电器的制造。


适用材料:适合大多数金属板材,尤其适合:碳钢板,不锈钢板,铝板,镁板,铜板和锌板


工艺过程

1、将金属板材固定在模具台面上

2、上方冲头垂直下落,使金属板材在模具内部受力成型

3、冲头上升,零件被取出等待下一步修边打磨工序,整个过程在1s-1min左右


最近新上市的红米Note3使用的就是冲压工艺制作的金属后盖。


冲压的一个直接好处就是节省成本,不用经纳米注塑,打磨后直接阳极氧化,量产爬坡很快;但该技术的缺点是机身上下两端必须是塑料拼接。无法做复杂的内部结构,只能用来做后盖。


CNC | 数控机床

CNC俗称“数控机床”,即由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,通过计算机译码,使机床执行规定好了的动作,将一块原始的金属板材通过长时间精密加工,最终打造成想要的形状。

CNC金属一体成型,也就是Unibody一体成型机身工艺。先是运用在苹果iPod,iPad,MacBook中,最终在iPhone5这一代产品上得以实现,开始引领全金属手机的狂潮。


iPhone 5、6采用铝合金一体成型,即机身和边框都是由一整块铝合金CNC加工而成,但考虑到手机的射频信号问题,机身会被分割成几段,一般在上下两端选择注塑等隔断。


为了获得更高品质的外观,还将进行阳级氧化、喷砂、抛光等表面处理,成就独特的色彩和光滑的触感。

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