As causas dos padrões de pele de tigre e casca de laranja em discos de alumínio usados em utensílios de cozinha durante estampagem e estiramento

1. Introdução: Impactos industriais de defeitos de textura superficial em discos de alumínio para utensílios de cozinha

Discos de alumínio para utensílios de cozinha (feito principalmente de 3003, 5052, e 1100 ligas, com uma espessura de 0,8-3,0 mm) frequentemente desenvolvem dois defeitos superficiais típicos após estampagem e desenho: “listras de tigre” (periódico, padrões claros e escuros em forma de tira com espaçamento de 2 a 5 mm) e “casca de laranja” (irregular, superfícies ásperas irregulares com rugosidade Ra >1.6μm). Seus perigos são refletidos em três aspectos:

Falha na aparência: Falha em atender aos padrões da indústria para superfícies de utensílios de cozinha (“sem padrões visíveis, Ra ≤0,8μm”) (por exemplo, GB/T 32073-2015 Utensílios de cozinha de alumínio e liga de alumínio), com uma taxa máxima de defeitos de 25%;

Riscos de desempenho: Manchas de óleo e microorganismos acumulam-se facilmente nas áreas texturizadas, e concentração de tensão local (estresse em áreas com listras de tigre é 30% maior do que em áreas normais) reduz a resistência à corrosão dos utensílios de cozinha (salt spray test life shortened by 40%);

Cost Losses: Defects increase the rework rate, raising the unit processing cost by 15-20% (por exemplo, a kitchenware factory suffers annual losses exceeding 2 million yuan due to orange peel).

The essence of these two defects lies in deformação plástica irregular do material, but their formation mechanisms differ, requiring precise traceability from multiple dimensions. Notavelmente, analyzing these defects is a key part of addressing Problems in processing aluminum discs for kitchenware.

2. Definition and Feature Differentiation of Tiger Stripes and Orange Peel

(1) Tiger Stripes

Appearance Features: Periodic light and dark stripes distributed along the drawing direction, mostly appearing on deep-drawn parts (por exemplo, pot sidewalls). The stripe spacing decreases as the drawing depth increases (2mm spacing at 50mm depth, 1.2espaçamento de mm a 80 mm de profundidade);

Indicadores de teste: Visível a olho nu (observado em um ângulo de 45° sob luz natural), com um desvio de espessura >8% em áreas de listras (≤5% em áreas normais). A observação metalográfica mostra que a orientação dos grãos nas áreas de listras é organizada de maneira direcional;

Cenário Típico: Altamente prevalente no processamento de potes de repuxo profundo (proporção de desenho >2.0) usando 3003 Discos de alumínio com têmpera O.

(2) Casca de laranja

Appearance Features: Superfícies ásperas irregulares e irregulares, semelhante à textura de casca de laranja, aparecendo principalmente em peças rasas (por exemplo, fundos de frigideira) ou peças estampadas, com uma altura irregular de 0,05-0,2 mm;

Indicadores de teste: Rugosidade superficial Ra >1.6μm (utensílios de cozinha qualificados requerem Ra ≤0,8μm), com uma sensação granular distinta quando tocado. A observação microscópica revela um grande número de pequenas saliências (0.1-0.5mm de diâmetro) na superfície;

Cenário Típico: Altamente prevalente no processamento de frigideiras de paredes finas (grossura <1.2milímetros) usando 5052 Discos de alumínio com têmpera H14.

3. Principais causas das listras de tigre: Flutuações periódicas de tensão e deformação direcional

(1) Diferenças direcionais na microestrutura do material

Orientação irregular de grãos: Durante a laminação de discos de alumínio, velocidade de rolamento irregular (por exemplo, Flutuação de ±5% na velocidade do laminador a frio) faz com que os grãos se alinhem direcionalmente ao longo da direção de laminação (grau de textura >0.8). Durante a estampagem e desenho, grãos direcionais sofrem facilmente “guia de lote” na direção do estresse, formando bandas de deformação periódica. Quando o espaçamento dessas bandas de deformação interfere no comprimento de onda da reflexão da luz (400-760nm), aparecem listras alternadas de tigre claras e escuras.

Exemplo: Devido às flutuações da velocidade de laminação a frio (20m/min → 22m/min) de 3003 Discos de alumínio com têmpera O em uma fábrica, o grau de textura alcançado 0.85, e a incidência de listras de tigre em vasos profundos aumentou de 5% para 32%.

Distribuição Periódica de Partículas de Segunda Fase: Em 3003 liga de alumínio, Partículas de segunda fase AlFeSi (1-3μm de diâmetro) pode formar agregados periódicos (2-5espaçamento mm) durante o rolamento. Durante o desenho, concentração de tensão ocorre facilmente na matriz ao redor das partículas, formando faixas de deformação consistentes com o período de distribuição de partículas. Quando a fração volumétrica das partículas >1.2%, a incidência de listras de tigre aumenta significativamente (28% incidência em 1.5% fração volumétrica, apenas 8% no 1.0%).

(2) Flutuações periódicas nos parâmetros do processo

Mudanças pulsantes na velocidade de desenho: Se a pressão do sistema hidráulico em uma trefiladeira hidráulica for instável (Flutuação de ±0,5MPa), a velocidade de desenho mudará de maneira pulsante (por exemplo, 1.0m/s → 1,2 m/s → 1,0 m/s). Quando a velocidade aumenta acentuadamente, a taxa de deformação local do material excede a taxa de recuperação dinâmica (aproximadamente 0,8 m/s para 3003 O-temperamento), formando “bandas de sobredeformação”; quando a velocidade cai drasticamente, deformação desacelera para formar “bandas de deformação fracas”. A aparência alternada dessas faixas forma listras de tigre.

Dados laboratoriais: Quando a velocidade de desenho flutua em ±10%, a incidência de listras de tigre aumenta de 6% para 21%.

Desequilíbrio periódico da força do suporte em branco: Se a força do suporte do blank flutuar periodicamente com o curso de estampagem (por exemplo, ±15% de flutuação de força causada pelo desgaste do mecanismo de suporte do blank tipo came), a velocidade de fluxo do material da borda do disco de alumínio mudará periodicamente. Formulários de velocidade de fluxo rápido “bandas grossas”, enquanto a velocidade de fluxo lenta se forma “bandas finas”. A diferença de espessura leva a diferentes refletividades da luz, apresentando padrões de listras. Exemplo: When the blank holder force fluctuates from 5000N to 5750N, the thickness deviation of the pot sidewall increases from 5% para 12%, resulting in obvious tiger stripes.

(3) Periodic Defects of Molds

Periodic Wear of Mold Surfaces: If the punch surface has periodic scratches (spacing consistent with the stamping stroke, approximately 3-5mm) due to insufficient lubrication, the scratches will be “copiado” 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% para 18%.

Periodic Poor Ventilation in Mold Cavities: If the mold vent holes are distributed periodically (por exemplo, one φ1mm hole every 4mm) and some holes are blocked, the cavity pressure will change periodically (-0.01MPa → -0.03MPa) during drawing, levando a diferenças na densidade de formação local do material e formando listras claras e escuras.

4. Principais causas da casca de laranja: Desigualdade Plástica Local e Micro-Saliências

(1) Aspecto Material: Microestrutura irregular e distribuição de partículas duras

Diferença excessiva no tamanho do grão: Processo de recozimento inadequado de discos de alumínio (por exemplo, 3003 O-temperamento recozido a 320℃ < padrão 340-360°C, tempo de espera 0,5h < padrão 1,5h) leva a tamanho de grão irregular (grão máximo 50μm, grão mínimo 10μm). Durante o desenho, grãos grandes sofrem facilmente “deslizamento intragranular”, enquanto grãos pequenos são difíceis de deformar devido à alta resistência à deformação, formando uma superfície semelhante a uma casca de laranja com “grandes saliências de grãos e pequenas depressões de grãos”.

Dados medidos: Quando a diferença no tamanho do grão >40μm, a incidência da casca de laranja atinge 45%; quando a diferença <20μm, a incidência é apenas 12%.

Presença de partículas duras e inclusões: Partículas duras formadas por elementos como Fe e Si em ligas de alumínio (por exemplo, Fase AlFeSi, dureza HV180, dureza da matriz HV30) ou inclusões estrangeiras (por exemplo, partículas de óxido de alumínio, 5-10μm de diâmetro) são difíceis de deformar com a matriz durante o desenho e “empurrar para cima” a matriz circundante para formar pequenas saliências. Quando o conteúdo de partículas duras >0.7% (3003 padrão de liga ≤0,6%), a incidência de casca de laranja aumenta de 15% para 38%.

Espessura irregular do filme de óxido: Espessura irregular da película de óxido na superfície do disco de alumínio (5µm → 12 µm) devido ao pré-tratamento inadequado (por exemplo, flutuação do tempo de lavagem alcalina 10s → 20s) leva a alta resistência à deformação em áreas de filme espesso e fácil superdeformação em áreas de filme fino, formando uma superfície irregular. Em uma fábrica, devido à temperatura irregular no tanque de lavagem alcalina (50℃ → 60 ℃), a diferença de espessura do filme de óxido atingiu 8μm, e a taxa de casca de laranja excedeu 40%.

(2) Aspecto do Processo: Concentração de tensão local e falha de lubrificação

Taxa de desenho local excessiva: Durante a estampagem e desenho, se a curvatura local da cavidade do molde for muito grande (por exemplo, R=2mm < padrão 5mm na conexão da alça da panela), a taxa de desenho local alcançará 2.8 (excedendo em muito o 3003 Limite de temperatura O de 2.2). Local “superdeformação plástica” do material forma saliências enrugadas, que se sobrepõem para apresentar casca de laranja. Exemplo: Quando o filé da borda da frigideira R=3mm, a proporção de desenho local é 2.5, e a taxa de casca de laranja é 28%; quando R=6mm, a proporção de desenho é 1.8, e a taxa cai para 9%.

Diferença de atrito local causada por lubrificação irregular: Pulverização irregular de lubrificante (por exemplo, pulverização local perdida) aumenta o coeficiente de atrito de 0.05 (normal) para 0.18 (áreas não lubrificadas). O material em áreas não lubrificadas esfrega diretamente contra o molde, produzindo “deformação por arrasto” e formando saliências irregulares. Em uma fábrica de utensílios de cozinha, devido ao bloqueio do bico pulverizador automático, a taxa de cobertura de lubrificação diminuiu de 98% para 85%, e a taxa de casca de laranja aumentou de 12% para 35%.

Insuficiência Local da Força do Suporte do Branco: Desvio de paralelismo do suporte do blank (>0.1mm/100mm) causa força local insuficiente no suporte do blank (por exemplo, 3000N < padrão 5000N em uma determinada área). O material nesta área flui muito rápido, formando “saliências acumuladas” que criam diferenças de altura com as áreas normais circundantes, apresentando formato de casca de laranja.

(3) Aspecto do molde: Rugosidade superficial e defeitos de cavidade

Rugosidade excessiva da superfície do molde: Polimento insuficiente da superfície da matriz (Ra = 1,6μm > padrão 0,4μm) causes its rough surface to be “imprinted” onto the aluminum disc surface, forming orange peel consistent with the mold texture. Measured Results: When the mold Ra=0.8μm, the finished aluminum disc Ra=1.2μm (casca de laranja); when Ra=0.2μm, the finished product Ra=0.6μm (qualified).
Tiny Cavities in Mold Cavities: Tiny cavities remaining in the mold cavity due to processing errors (por exemplo, CNC milling residual tiny depressions, profundidade 0,05 mm) prevent the material from filling the depressions during drawing, formando “reverse protrusions”. The superposition of multiple depressions presents an orange peel shape. In a mold factory, due to milling cutter wear, the cavity depression rate reached 15%, leading to an orange peel rate of over 30% in kitchenware.

5. Industry Case Verification: Cause Identification and Solutions

Caso 1: Tiger Stripes on Deep-Drawn Pots with 3003 O-Temper Aluminum Discs

Fenômeno Problemático: Listras claras e escuras com espaçamento de 3 mm nas paredes laterais do vaso, 28% taxa de defeito;

Investigação de Causa:

1. Flutuação da velocidade do laminador a frio ±8%, grau de textura do disco de alumínio 0.88 (padrão ≤0,7);

1. Flutuação de pressão da máquina de trefilação hidráulica ±0,8MPa, velocidade de desenho pulsante;

Medidas de verificação: Ajuste a estabilidade da velocidade de laminação a frio para ±2%, substituir as vedações do sistema hidráulico (flutuação de pressão reduzida para ±0,2MPa);

Resultado: Taxa de listras de tigre reduzida para 6%, atendendo aos padrões da indústria.

Caso 2: Casca de laranja em frigideiras rasas com 5052 Discos de alumínio com têmpera H14

Fenômeno Problemático: Fundo da frigideira Ra=2,2μm, áspero ao toque, 35% taxa de defeito;

Investigação de Causa:

1. Temperatura de recozimento 310℃ (abaixo do padrão 370-390℃), diferença de tamanho de grão 55μm;

1. Superfície do molde Ra=1,2μm (excedendo o padrão);

Medidas de verificação: Ajustar o processo de recozimento (380℃ × 2h), molde polonês para Ra = 0,2 μm;

Resultado: Taxa de casca de laranja reduzida para 10%, Ra estabilizado em 0,7-0,8 μm.

6. Instruções de prevenção orientadas para causas (Aplicação estendida)

Fim do material: Controle o conteúdo de Fe em 3003 liga ≤0,6%, diferença de tamanho de grão após recozimento ≤20μm, espessura do filme de óxido 5-8μm (desvio ±1μm);

Fim do Processo: Mantenha a estabilidade da velocidade de desenho ±5%, flutuação da força do suporte do blank ±5%, taxa de cobertura de lubrificante ≥98%;

Extremidade do molde: Garanta a superfície do molde Ra ≤0,4μm, sem cavidades na cavidade, espaçamento uniforme dos orifícios de ventilação (≤3 mm) e sem bloqueio.

Estas medidas de prevenção são cruciais para resolver problemas no processamento de discos de alumínio para utensílios de cozinha e melhorar a qualidade do produto.

7. Conclusão

A principal causa das listras de tigre na estampagem e estampagem de discos de alumínio para utensílios de cozinha é deformação irregular causada por fatores periódicos (orientação dos grãos, flutuações do processo, defeitos periódicos do molde); enquanto a casca de laranja é causada por micro-saliências induzidas por fatores não periódicos (grãos irregulares, partículas duras, desequilíbrio do processo local). Rastrear as causas desses dois defeitos requer a integração da microestrutura do material, parâmetros de processo, e condições do molde. Através “controle quantitativo + ajuste direcionado”, a taxa de defeito pode ser efetivamente reduzida, fornecendo proteção para a qualidade da superfície de utensílios de cozinha de alumínio. Resolver esses defeitos de textura é um passo fundamental para resolver de forma abrangente os problemas no processamento de discos de alumínio para utensílios de cozinha..

As causas dos padrões de pele de tigre e casca de laranja em discos de alumínio usados ​​em utensílios de cozinha durante estampagem e estiramento