Die Ursachen für Tigerhaut- und Orangenschalenmuster auf Aluminiumscheiben, die beim Stanzen und Strecken in Küchenutensilien verwendet werden

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Die Ursachen für Tigerhaut- und Orangenschalenmuster auf Aluminiumscheiben, die beim Stanzen und Strecken in Küchenutensilien verwendet werden

1. Einführung: Industrielle Auswirkungen von Oberflächenstrukturfehlern auf Aluminiumscheiben für Küchengeräte

Aluminiumscheiben für Küchenutensilien (hauptsächlich aus 3003, 5052, Und 1100 Legierungen, mit einer Dicke von 0,8–3,0 mm) Nach dem Stanzen und Ziehen entwickeln sich häufig zwei typische Oberflächenfehler: “Tigerstreifen” (periodisch, streifenförmige helle und dunkle Muster im Abstand von 2-5mm) Und “Orangenschale” (irregulär, unebene raue Oberflächen mit einer Rauheit Ra >1.6μm). Ihre Gefahren spiegeln sich in drei Aspekten wider:
  1. Aussehensfehler: Nichteinhaltung des Industriestandards für Küchengeschirroberflächen (“keine sichtbaren Muster, Ra ≤0,8μm”) (z.B., GB/T 32073-2015 Küchengeschirr aus Aluminium und Aluminiumlegierungen), mit einer maximalen Fehlerrate von 25%;
  1. Leistungsrisiken: In den strukturierten Bereichen sammeln sich leicht Ölflecken und Mikroorganismen an, und lokale Stresskonzentration (Stress in Tigerstreifengebieten ist 30% höher als in normalen Bereichen) verringert die Korrosionsbeständigkeit von Küchengeschirr (Die Lebensdauer im Salzsprühtest wurde verkürzt 40%);
  1. Kostenverluste: Mängel erhöhen die Nacharbeitsquote, Erhöhung der Stückverarbeitungskosten um 15-20% (z.B., Eine Küchengerätefabrik erleidet jährliche Verluste von mehr als 10 % 2 Millionen Yuan wegen Orangenschale).
Der Kern dieser beiden Mängel liegt darin ungleichmäßige plastische Verformung des Materials, aber ihre Entstehungsmechanismen unterscheiden sich, eine präzise Rückverfolgbarkeit aus mehreren Dimensionen erfordern. Vor allem, Die Analyse dieser Mängel ist ein wichtiger Teil der Lösung von Problemen bei der Verarbeitung von Aluminiumscheiben für Küchengeschirr.

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2. Definition und Merkmalsdifferenzierung von Tigerstreifen und Orangenschale

(1) Tigerstreifen

  • Aussehensmerkmale: Periodische helle und dunkle Streifen, die entlang der Zeichenrichtung verteilt sind, treten meist an tiefgezogenen Teilen auf (z.B., Topfseitenwände). Der Streifenabstand nimmt mit zunehmender Zeichentiefe ab (2mm-Abstand bei 50 mm Tiefe, 1.2mm Abstand bei 80mm Tiefe);
  • Testindikatoren: Mit bloßem Auge sichtbar (in einem 45°-Winkel unter natürlichem Licht beobachtet), mit einer Dickenabweichung >8% in Streifenbereichen (≤5 % in normalen Bereichen). Metallografische Beobachtungen zeigen, dass die Kornorientierung in Streifenbereichen gerichtet ist;
  • Typisches Szenario: Vorwiegend bei der Verarbeitung von tiefgezogenen Töpfen (Ziehverhältnis >2.0) verwenden 3003 Scheiben aus O-temperiertem Aluminium.

(2) Orangenschale

  • Aussehensmerkmale: Unregelmäßige unebene raue Oberflächen, ähnlich der Textur einer Orangenschale, treten meist an flach gezeichneten Teilen auf (z.B., Bratpfannenböden) oder Stanzteile, mit einer ungleichmäßigen Höhe von 0,05–0,2 mm;
  • Testindikatoren: Oberflächenrauheit Ra >1.6μm (Qualifiziertes Küchengeschirr erfordert Ra ≤0,8 μm), mit einem deutlich körnigen Gefühl bei Berührung. Die mikroskopische Betrachtung zeigt eine große Anzahl winziger Vorsprünge (0.1-0.5mm im Durchmesser) an der Oberfläche;
  • Typisches Szenario: Besonders häufig bei der Verarbeitung dünnwandiger Bratpfannen (Dicke <1.2mm) verwenden 5052 H14-gehärtete Aluminiumscheiben.

3. Hauptursachen für Tigerstreifen: Periodische Spannungsschwankungen und Richtungsverformung

(1) Richtungsunterschiede in der Materialmikrostruktur

  1. Ungleichmäßige Kornausrichtung: Beim Walzen von Aluminiumscheiben, ungleichmäßige Rollgeschwindigkeit (z.B., ±5 % Schwankung der Kaltwalzwerksgeschwindigkeit) bewirkt, dass sich die Körner entlang der Walzrichtung ausrichten (Texturgrad >0.8). Beim Stempeln und Zeichnen, gerichtete Körner unterliegen leicht “Chargenschein” in Spannungsrichtung, Es bilden sich periodische Verformungsbänder. Wenn der Abstand dieser Verformungsbänder die Lichtreflexionswellenlänge stört (400-760nm), Es erscheinen abwechselnd helle und dunkle Tigerstreifen.
Beispiel: Aufgrund von Geschwindigkeitsschwankungen beim Kaltwalzen (20m/min → 22m/min) von 3003 O-temperierte Aluminiumscheiben in einer Fabrik, der erreichte Texturgrad 0.85, und das Vorkommen von Tigerstreifen in tiefgezogenen Töpfen nahm zu 5% Zu 32%.
  1. Periodische Verteilung von Teilchen der zweiten Phase: In 3003 Aluminiumlegierung, AlFeSi-Partikel der zweiten Phase (1-3μm im Durchmesser) können periodische Aggregate bilden (2-5mm Abstand) beim Rollen. Beim Zeichnen, In der Matrix um die Partikel kommt es leicht zu Spannungskonzentrationen, Bildung von Verformungsstreifen im Einklang mit der Partikelverteilungsperiode. Wenn der Volumenanteil der Partikel >1.2%, die Häufigkeit von Tigerstreifen nimmt deutlich zu (28% Inzidenz bei 1.5% Volumenanteil, nur 8% bei 1.0%).

(2) Periodische Schwankungen der Prozessparameter

  1. Pulsierende Änderungen der Zeichengeschwindigkeit: Wenn der Druck des Hydrauliksystems in einer hydraulischen Ziehmaschine instabil ist (±0,5 MPa Schwankung), Die Ziehgeschwindigkeit ändert sich pulsierend (z.B., 1.0m/s → 1,2 m/s → 1,0 m/s). Wenn die Geschwindigkeit stark ansteigt, Die lokale Verformungsrate des Materials übersteigt die dynamische Erholungsrate (ca. 0,8m/s für 3003 O-Temperament), Bildung “Überdeformationsbänder”; wenn die Geschwindigkeit stark abfällt, Die Verformung verlangsamt sich “schwache Deformationsbänder”. Das abwechselnde Auftreten dieser Bänder bildet Tigerstreifen.
Labordaten: Wenn die Ziehgeschwindigkeit um ±10 % schwankt, Die Häufigkeit von Tigerstreifen nimmt zu 6% Zu 21%.
  1. Periodisches Ungleichgewicht der Rohlingshalterkraft: Wenn die Niederhalterkraft periodisch mit dem Prägehub schwankt (z.B., ±15 % Kraftschwankung durch Verschleiß des Nocken-Blechhaltermechanismus), Die Fließgeschwindigkeit des Kantenmaterials der Aluminiumscheibe ändert sich periodisch. Es bildet sich eine schnelle Strömungsgeschwindigkeit “dicke Bänder”, während sich eine langsame Strömungsgeschwindigkeit ausbildet “dünne Bänder”. Der Dickenunterschied führt zu einem unterschiedlichen Lichtreflexionsvermögen, Streifenmuster präsentieren. Beispiel: Wenn die Kraft des Blechhalters zwischen 5000 N und 5750 N schwankt, die Dickenabweichung der Topfseitenwand nimmt ab 5% Zu 12%, was zu deutlichen Tigerstreifen führt.

(3) Periodische Defekte von Schimmelpilzen

  1. Periodischer Verschleiß von Schimmeloberflächen: If the punch surface has periodic scratches (spacing consistent with the stamping stroke, approximately 3-5mm) due to insufficient lubrication, the scratches will be “kopiert” onto the aluminum disc surface during drawing, forming mechanical tiger stripes. When the mold surface roughness Ra increases from 0.4μm to 1.2μm, the incidence of such tiger stripes rises from 3% Zu 18%.
  1. Periodic Poor Ventilation in Mold Cavities: If the mold vent holes are distributed periodically (z.B., one φ1mm hole every 4mm) and some holes are blocked, the cavity pressure will change periodically (-0.01MPa → -0.03MPa) during drawing, leading to differences in local forming density of the material and forming light and dark stripes.

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4. Core Causes of Orange Peel: Local Plastic Inequality and Micro-Protrusions

(1) Material Aspect: Ungleichmäßige Mikrostruktur und harte Partikelverteilung

  1. Übermäßiger Unterschied in der Korngröße: Unsachgemäßer Glühprozess von Aluminiumscheiben (z.B., 3003 O-Temper bei 320℃ geglüht < Standard 340-360℃, Haltezeit 0,5h < Standard 1,5h) führt zu ungleichmäßiger Korngröße (maximale Körnung 50μm, Mindestkörnung 10μm). Beim Zeichnen, große Körner gehen leicht unter “intragranularer Schlupf”, während kleine Körner aufgrund des hohen Verformungswiderstands schwer zu verformen sind, Es bildet sich eine orangenschalenartige Oberfläche “große Kornvorsprünge und kleine Kornvertiefungen”.
Gemessene Daten: Wenn der Korngrößenunterschied >40μm, Das Vorkommen von Orangenhaut reicht aus 45%; wenn der Unterschied <20μm, die Inzidenz ist nur 12%.
  1. Vorhandensein harter Partikel und Einschlüsse: Harte Partikel, die durch Elemente wie Fe und Si in Aluminiumlegierungen gebildet werden (z.B., AlFeSi-Phase, Härte HV180, Matrixhärte HV30) oder Fremdeinschlüsse (z.B., Aluminiumoxidpartikel, 5-10μm im Durchmesser) lassen sich während des Ziehens nur schwer mit der Matrize verformen und werden “hochdrücken” die umgebende Matrix, um winzige Vorsprünge zu bilden. Wenn der Hartpartikelgehalt >0.7% (3003 Legierungsstandard ≤0,6 %), Das Auftreten von Orangenhaut nimmt zu 15% Zu 38%.
  1. Ungleichmäßige Dicke des Oxidfilms: Ungleichmäßige Dicke des Oxidfilms auf der Oberfläche der Aluminiumscheibe (5µm → 12µm) aufgrund unsachgemäßer Vorbehandlung (z.B., Schwankung der alkalischen Waschzeit 10 s → 20 s) führt zu einem hohen Verformungswiderstand in dicken Filmbereichen und einer leichten Überverformung in dünnen Filmbereichen, eine unebene Oberfläche bilden. In einer Fabrik, aufgrund ungleichmäßiger Temperatur im Alkaliwaschtank (50℃ → 60℃), Der Unterschied in der Dicke des Oxidfilms erreichte 8 μm, und die Orangenschalenrate wurde überschritten 40%.

(2) Prozessaspekt: Lokale Spannungskonzentration und Schmierungsversagen

  1. Zu hohes lokales Zeichnungsverhältnis: Beim Stempeln und Zeichnen, wenn die lokale Krümmung des Formhohlraums zu groß ist (z.B., R=2mm < Standard 5mm am Topfgriffanschluss), Das lokale Zeichnungsverhältnis wird erreicht 2.8 (weit über dem 3003 O-Temperament-Grenze von 2.2). Lokal “plastische Überverformung” Das Material bildet faltige Vorsprünge, die sich überlappen, um Orangenschale zu präsentieren. Beispiel: Wenn das Bratpfannenrandfilet R=3mm ist, das lokale Zeichnungsverhältnis ist 2.5, und die Orangenschalenrate beträgt 28%; wenn R=6mm, Das Ziehverhältnis beträgt 1.8, und die Rate sinkt auf 9%.
  1. Lokaler Reibungsunterschied durch ungleichmäßige Schmierung: Ungleichmäßiges Schmiermittelversprühen (z.B., lokales Fehlsprühen) erhöht den Reibungskoeffizienten ab 0.05 (Normal) Zu 0.18 (ungeschmierte Bereiche). Das Material reibt in ungeschmierten Bereichen direkt an der Form, produzieren “Widerstandsverformung” und bilden unregelmäßige Vorsprünge. In einer Küchengerätefabrik, aufgrund einer Verstopfung der automatischen Sprühdüse, Die Schmierungsdeckungsrate verringerte sich von 98% Zu 85%, und die Orangenschalenrate nahm zu 12% Zu 35%.
  1. Lokale Unzulänglichkeit der Rohlingshalterkraft: Parallelitätsabweichung des Blechhalters (>0.1mm/100mm) verursacht lokal eine unzureichende Blechhalterkraft (z.B., 3000N < Standard 5000N in einem bestimmten Bereich). Das Material in diesem Bereich fließt zu schnell, Bildung “angesammelte Vorsprünge” die Höhenunterschiede zu umgebenden Normalflächen erzeugen, präsentiert die Form einer Orangenschale.

(3) Schimmelaspekt: Oberflächenrauheit und Hohlraumfehler

  1. Übermäßige Rauheit der Formoberfläche: Unzureichende Politur der Stumpfoberfläche (Ra=1,6μm > Standard 0,4μm) bewirkt, dass seine Oberfläche rau ist “aufgedruckt” auf die Oberfläche der Aluminiumscheibe auftragen, Es bildet sich eine Orangenschale, die der Schimmelbeschaffenheit entspricht. Gemessene Ergebnisse: Wenn die Form Ra = 0,8 μm ist, die fertige Aluminiumscheibe Ra=1,2μm (Orangenschale); wenn Ra=0,2μm, das fertige Produkt Ra=0,6μm (qualifiziert).
  2. Winzige Hohlräume in Formhohlräumen: Aufgrund von Verarbeitungsfehlern verbleiben winzige Hohlräume im Formhohlraum (z.B., CNC-Fräsen restlicher winziger Vertiefungen, Tiefe 0,05 mm) verhindern, dass das Material beim Ziehen die Vertiefungen füllt, Bildung “umgekehrte Vorsprünge”. Die Überlagerung mehrerer Vertiefungen ergibt die Form einer Orangenschale. In einer Formenfabrik, durch Fräserverschleiß, die erreichte Hohlraumdepressionsrate 15%, Dies führt zu einer Orangenhautrate von mehr als 10 % 30% im Küchengeschirr.

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5. Überprüfung von Branchenfällen: Ursachenidentifizierung und Lösungen

Fall 1: Tigerstreifen auf tiefgezogenen Töpfen mit 3003 O-Temper-Aluminiumscheiben

  • Problemphänomen: Helle und dunkle Streifen mit 3 mm Abstand auf den Topfseitenwänden, 28% Fehlerquote;
  • Ursachenermittlung:
    1. Drehzahlschwankung Kaltwalzwerk ±8 %, Texturgrad der Aluminiumscheibe 0.88 (Standard ≤0,7);
    1. Druckschwankung der hydraulischen Ziehmaschine ±0,8 MPa, pulsierende Ziehgeschwindigkeit;
  • Überprüfungsmaßnahmen: Passen Sie die Stabilität der Kaltwalzgeschwindigkeit auf ±2 % an., Ersetzen Sie die Dichtungen des Hydrauliksystems (Druckschwankung auf ±0,2 MPa reduziert);
  • Ergebnis: Tigerstreifenrate reduziert auf 6%, Einhaltung von Industriestandards.

Fall 2: Orangenschale auf flachgezogenen Bratpfannen mit 5052 H14-gehärtete Aluminiumscheiben

  • Problemphänomen: Bratpfannenboden Ra=2,2μm, fühlt sich rau an, 35% Fehlerquote;
  • Ursachenermittlung:
    1. Glühtemperatur 310℃ (unter dem Standard 370-390℃), Korngrößenunterschied 55μm;
    1. Formoberfläche Ra=1,2μm (den Standard übertreffen);
  • Überprüfungsmaßnahmen: Glühprozess anpassen (380℃ × 2h), Form auf Ra=0,2μm polieren;
  • Ergebnis: Orangenschalenrate reduziert auf 10%, Ra stabilisierte sich bei 0,7–0,8 μm.

6. Ursachenorientierte Präventionsanweisungen (Erweiterte Anwendung)

  1. Materielles Ende: Kontrollieren Sie den Fe-Gehalt in 3003 Legierung ≤0,6 %, Korngrößenunterschied nach dem Glühen ≤20μm, Oxidfilmdicke 5-8μm (Abweichung ±1μm);
  1. Prozessende: Behalten Sie eine Stabilität der Ziehgeschwindigkeit von ±5 % bei, Niederhalterkraftschwankung ±5 %, Schmierstoffabdeckungsrate ≥98 %;
  1. Formende: Stellen Sie sicher, dass die Formoberfläche Ra ≤0,4 μm beträgt, keine Hohlräume im Hohlraum, gleichmäßiger Abstand der Entlüftungslöcher (≤3mm) und keine Blockade.
Diese Präventionsmaßnahmen sind entscheidend für die Lösung von Problemen bei der Verarbeitung von Aluminiumscheiben für Küchengeräte und für die Verbesserung der Produktqualität.

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7. Abschluss

Die Hauptursache für Tigerstreifen beim Stanzen und Ziehen von Aluminiumscheiben für Küchengeschirr ist ungleichmäßige Verformung durch periodische Faktoren (Kornorientierung, Prozessschwankungen, Schimmel periodische Mängel); während Orangenhaut verursacht wird durch Mikrovorsprünge, die durch nichtperiodische Faktoren hervorgerufen werden (ungleichmäßige Körner, harte Partikel, lokales Prozessungleichgewicht). Um die Ursachen dieser beiden Defekte zu ermitteln, ist die Integration der Materialmikrostruktur erforderlich, Prozessparameter, und Schimmelbedingungen. Durch “quantitative Kontrolle + gezielte Anpassung”, die Fehlerquote kann effektiv reduziert werden, Bietet Schutz für die Oberflächenqualität von Küchenutensilien aus Aluminium. Die Beseitigung dieser Texturfehler ist ein wichtiger Schritt zur umfassenden Lösung von Problemen bei der Verarbeitung von Aluminiumscheiben für Küchengeschirr.

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