Traitement d'estampage et de dessin de disques en aluminium: Analyse des principales causes de fissuration et de froissement des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine

Disque en aluminium Le traitement de l'estampage et de l'étirage est la technologie de base pour l'estampage et l'étirement des disques d'aluminium pour les ustensiles de cuisine. (matériaux de base pour woks et marmites à soupe) dans les structures de cavité. Cependant, fréquent “fissuration” et “rides” les défauts lors du traitement réduisent le taux de qualification du produit fini à seulement 75%-85%, augmentation significative des coûts de production. Se concentrer sur le principe de l'estampage des disques en aluminium et du traitement de l'étirage, cet article analyse systématiquement les causes des défauts en combinant les propriétés des matériaux en alliage d'aluminium, contrôle des paramètres de processus, et exigences de conception de moules: La fissuration provient d’une adaptabilité insuffisante du matériau, paramètres de processus déséquilibrés, concentration de stress de moisissure, et manque de prétraitement pendant le traitement; Le froissement est directement lié à une contrainte de force inefficace du serre-flan, rapport de dessin incompatible, écart géométrique du matériau, et erreur de positionnement du moule pendant le traitement. L'article révèle les effets interactifs de divers facteurs grâce à des données expérimentales quantitatives (par ex., changements de taux de défauts sous différents paramètres de traitement) et propose des schémas d'optimisation ciblés pour le traitement de l'emboutissage et de l'emboutissage des disques en aluminium, fournir un support technique pour améliorer la stabilité des processus.

1. Introduction

En tant que processus de déformation plastique à froid, Le traitement d'emboutissage et d'étirage des disques en aluminium joue un rôle clé dans la transformation des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine (2.0-4.0mm d'épaisseur) dans les structures de cavité. Par exemple, pour réaliser un wok d'un diamètre de 30 cm, ce processus est nécessaire pour étirer le disque en aluminium dans une cavité en forme d'arc d'une profondeur de 12 à 15 mm; pour produire une poêle plate, un estampage est nécessaire pour réaliser le pliage des bords et l'aplatissement du fond. Actuellement, ce processus représente plus de 80% du volume total de traitement des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine et sert de lien central pour la production en série d'ustensiles de cuisine en alliage d'aluminium de milieu à bas de gamme.
Cependant, “fissuration” (se produisant principalement au niveau du congé du fond de la cavité et au milieu de la paroi latérale) et “rides” (concentré au niveau de la zone de transition des bords et du flanc local) les défauts sont importants dans le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques en aluminium. Les données de l'industrie montrent que le taux de fissuration des lignes de production ordinaires est 8%-12% et le taux de froissement est 5%-8%. La combinaison de ces deux défauts conduit à un taux de rebut de produits semi-finis supérieur à 15%, avec une perte quotidienne de plus de 20,000 RMB par ligne de production. Actuellement, l'industrie s'appuie principalement sur des ajustements empiriques (par ex., réglage fin manuel des paramètres du processus) pour gérer les défauts, manque d'analyse systématique de l'essence du traitement d'emboutissage et d'étirage des disques d'aluminium. Donc, une exploration approfondie des principales causes des défauts dans ce processus est cruciale pour optimiser le flux de traitement et réduire les coûts.

2. Caractéristiques et manifestations de défauts du traitement d'emboutissage et d'étirage de disques en aluminium

2.1 Caractéristiques du processus de base

Le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques en aluminium doit répondre à deux exigences fondamentales: “former l'intégrité” et “stabilité mécanique”. Le premier ne nécessite aucune fissure ni pli dans la cavité après le traitement, avec une tolérance dimensionnelle de ≤±0,5 mm; ce dernier ne nécessite aucun durcissement excessif du substrat en aluminium après traitement (pour éviter toute déformation lors d'une utilisation ultérieure). Pendant le traitement, les disques en aluminium pour ustensiles de cuisine sont soumis à des contraintes combinées de “force du serre-flan (restreindre le flux de bord) – force de traction (entraîner le matériau dans la cavité du moule) – force de frottement (généré par le contact matériau-moule)”. L’uniformité de la répartition des contraintes détermine directement l’apparition de défauts – c’est la caractéristique essentielle qui distingue le traitement d’emboutissage et d’étirage des disques en aluminium des autres technologies de traitement de l’aluminium..

2.2 Manifestations typiques de défauts

• Défauts de fissuration: Classé par emplacement dans le traitement d'emboutissage et d'emboutissage de disques en aluminium, ils comprennent “fissuration du fond” (aux filets de moule, avec des longueurs de fissures de 1 à 5 mm, surtout pénétrant) et “fissuration des flancs” (au milieu du flanc ou de la zone de transition, longitudinal non pénétrant). Classé par cause, ils comprennent “fissuration fragile” (dureté excessive du matériau pendant le traitement, avec bords de fissures plats) et “fissuration du plastique” (contrainte de traitement dépassant la résistance à la traction du matériau, avec déformation en traction au bord des fissures).

• Défauts de rides: Classé par morphologie dans le traitement d'emboutissage et d'étirage de disques en aluminium, ils comprennent “rides des bords” (bords de disque en aluminium non contraints par le support de flan, formant des rides annulaires d'une hauteur de 0,3 à 1 mm) et “plissement des flancs” (accumulation de matière sur le flanc, former des rides longitudinales ou diagonales qui affectent l'adhérence du revêtement). Classé par cause, ils comprennent “rides de compression” (compression transversale du matériau dépassant la capacité de consommation de l'étirage pendant le traitement) et “cisaillement rides” (débit de matériau inégal provoquant une contrainte de cisaillement locale pendant le traitement).

3. Principales causes de fissuration lors du traitement d'emboutissage et d'emboutissage de disques en aluminium

3.1 Adaptabilité matérielle insuffisante: Inadéquation entre les caractéristiques de traitement et de qualité

Le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques en aluminium impose des exigences strictes en matière de performances des matériaux.. Les différences dans l'adaptabilité du traitement des qualités courantes de disques en aluminium pour ustensiles de cuisine (1050 aluminium pur, 3003 aluminium-alliage de manganèse) affectent directement le risque de fissuration, avec des paramètres spécifiques indiqués dans le tableau 1:
Tableau 1 Comparaison des performances et de l'adaptabilité des qualités courantes de disques en aluminium pour les ustensiles de cuisine dans le traitement de l'estampage et du dessin des disques en aluminium

• Sélection de note incorrecte: Dans le traitement de l'emboutissage et du dessin de disques en aluminium, 1050 l'aluminium pur a une faible résistance à la traction et ne convient que pour un emboutissage peu profond. Si utilisé pour l'emboutissage profond des woks, la paroi latérale est sujette aux fissures car la contrainte d’étirage dépasse la capacité de charge du matériau. Bien que 3003 L'alliage aluminium-manganèse convient à l'emboutissage profond, Une force excessive sur le serre-flan pendant le traitement provoque un durcissement des bords, conduisant à des fissures dans la zone de transition.

• Défauts de pureté des matériaux: Si les disques en aluminium pour ustensiles de cuisine contiennent des impuretés excessives (Al₂O₃, SiO₂ >0.5% ou Fe, Cu >0.3%), ces impuretés deviennent “points de concentration du stress” pendant le traitement. Par exemple, le composé Al₃Fe (Dureté Vickers (HT) 150) formé de Fe et Al est beaucoup plus dur que le substrat en aluminium (HT 30). Pendant l'estampage et le dessin, des microfissures se forment facilement autour des impuretés et se transforment en macrofissures. Les expériences montrent que lorsque la teneur en impuretés augmente de 0.2% à 0.8%, le taux de fissuration dans le traitement d'emboutissage et d'étirage de disques en aluminium passe de 5% à 18%.

3.2 Paramètres de processus déséquilibrés: Répartition des contraintes hors de contrôle pendant le traitement

La coordination des paramètres clés (vitesse de dessin, force du serre-flan, rapport de tirage) dans le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques en aluminium, cela affecte directement la répartition des contraintes, et le déséquilibre des paramètres est la principale cause de fissuration:

• Vitesse de dessin excessivement élevée: La plage de vitesse d'étirage raisonnable pour l'estampage et le traitement d'emboutissage de disques en aluminium est de 50 à 80 mm/s. (basé sur 1050/3003 notes). Si la vitesse dépasse 100 mm/s, la déformation du matériau ne peut pas être transmise uniformément, et les zones locales telles que les filets de moisissure sont sujettes aux fissures en raison de “pics de stress instantanés” (2-3 fois supérieure à la limite d’élasticité du matériau). Par exemple, quand une usine traitait 3003 disques en aluminium (3mm d'épaisseur) et augmenté la vitesse de 70 mm/s à 120 mm/s, le taux de fissuration des flancs est passé de 8% à 25%.

• Force de maintien du blanc déraisonnable: Pendant le traitement, la force du serre-flan doit être équilibrée “contraintes sur les bords” et “éviter d'écraser”, avec une plage raisonnable de 0,3 à 0,5 MPa (pour disques en aluminium d'un diamètre de 20 à 35 cm). Une force de serrage insuffisante entraîne un écoulement excessif des bords, conduisant à un amincissement des parois latérales (déviation >20%) et fissuration par concentration de contraintes locale. Lorsque la force du serre-flan dépasse 0,6 MPa, les bords du matériau durcissent (HV augmente de 35 à 50) et la ductilité diminue, entraînant des fissures dans la zone de transition pendant le dessin.

• Rapport de dessin excessivement grand: Dans le traitement de l'emboutissage et du dessin de disques en aluminium, le rapport de tirage (diamètre du disque en aluminium / diamètre d'ouverture de la pièce traitée) doit correspondre à l’allongement du matériau – le rapport d’étirage maximum est 1:1.5 pour 1050 aluminium pur et 1:1.8 pour 3003 alliage aluminium-manganèse. Si le rapport de tirage dépasse la limite (par ex., 3003 alliage utilisé pour 1:2.0 traitement), le taux d’amincissement des flancs dépasse 30%, et des fissures se produisent facilement en raison de “épaisseur insuffisante – surcharge de stress”.

3.3 Défauts de conception du moule: Transmission anormale des contraintes pendant le traitement

Les moules sont les supports de transmission de contraintes dans le traitement de l'emboutissage et de l'emboutissage des disques en aluminium., et les défauts de conception induisent directement des fissures:

• Rayon de congé excessivement petit: Les congés au fond du moule et à la transition des parois latérales sont des zones de concentration de contraintes pendant le traitement. Le rayon raisonnable devrait être 3-5 fois l'épaisseur du disque en aluminium (par ex., ≥7,5 mm pour les disques en aluminium de 2,5 mm d'épaisseur). Si le rayon est <5mm (par ex., 3mm), la contrainte de flexion augmente fortement lorsque le matériau traverse (le facteur de concentration de stress passe de 1.2 à 2.5), augmentant le risque de fissuration du fond. Des expériences de simulation montrent que lorsque le rayon du congé diminue de 8 mm à 4 mm, le taux de fissuration inférieur pendant le traitement augmente de 4% à 16%.

• Jeu inégal et rugosité excessive: Le jeu raisonnable entre le poinçon du moule et la matrice est 1.05-1.1 fois l'épaisseur du disque en aluminium (par ex., 2.1-2.2mm pour disques de 2 mm d'épaisseur). Si le jeu est inégal (par ex., 2.0mm d'un côté et 2,4 mm de l'autre), la différence de déformation entre les deux côtés du matériau dépasse 15% pendant le traitement, et le côté le plus fin est sujet aux fissures en raison d'un étirage excessif. Lorsque la rugosité de la surface du moule Ra >1.6µm, le coefficient de frottement augmente de 0.15 à 0.3, provoquant une résistance inégale à l'écoulement du matériau et des fissures des parois latérales dues à “glisser le stress”.

3.4 Manque de prétraitement: État du matériau inférieur aux normes avant le traitement

Le prétraitement avant l'emboutissage et le traitement d'étirage des disques en aluminium affecte directement les performances de formage. Les processus de prétraitement et l'adaptabilité du traitement des différentes qualités sont présentés dans le tableau 2:
Tableau 2 Paramètres du processus de recuit et performances de formage des disques en aluminium avant le traitement d'emboutissage et d'étirage

• Recuit insuffisant: Les disques en aluminium ont “écrouissage” après avoir roulé, et un recuit est nécessaire pour éliminer les contraintes internes. Si 1050 l'aluminium pur n'est recuit qu'à 250 ℃ pendant 0,5 h, la dureté du matériau s'élève à HV 45 pendant le traitement, le rendant sujet aux fissures fragiles. Si le temps de maintien pour 3003 l'alliage aluminium-manganèse est inférieur à 1h, l'allongement descend en dessous 18%, entraînant une fissuration des parois latérales en raison d'une plasticité insuffisante lors du traitement.

• Contamination des surfaces: Huile de roulement résiduelle (>5mg/m²) ou de la poussière (>1µm) sur la surface du disque en aluminium forme un “couche d'isolation” pendant le traitement. L'huile de roulement réduit le coefficient de friction, provoquant un flux de matériaux local trop rapide et une fissuration des parois latérales; la poussière forme des empreintes sur la surface du matériau, devenir le point de départ du craquage.

4. Principales causes de froissement lors du traitement d’emboutissage et d’étirage de disques en aluminium

4.1 Contrainte de force du support de pièce brute inefficace: Flux de bord hors de contrôle pendant le traitement

La force du support de flan est le paramètre essentiel pour supprimer le plissement des bords lors du traitement d'emboutissage et d'emboutissage de disques en aluminium., et une contrainte inefficace induit directement des défauts:

• Force du support de pièce brute inférieure à la valeur critique: Pendant le traitement, les bords du disque en aluminium produisent “déformation transversale en compression” en raison de “contrainte d'étirage radiale”. Si la force du serre-flan n’atteint pas la valeur critique (formule de calcul: F=k×t×D, où k est le coefficient matériel, t est l'épaisseur, et D est le diamètre), le matériau des bords s'accumule pour former des rides annulaires. Par exemple, la force critique du serre-flan pour 3003 disques en aluminium (2.5mm d'épaisseur, 30cm de diamètre) est de 0,35MPa; lorsque la force du serre-flan diminue à 0,2 MPa, le taux de froissement des bords pendant le traitement augmente de 3% à 22%.

• Déviation de concentricité du support vierge: Si l'écart de concentricité entre le serre-flan et la matrice dépasse 0,1 mm, La force locale du serre-flan est insuffisante pendant le traitement (par ex., 0.2MPa d'un côté et 0,4MPa de l'autre). Le matériau dans la zone insuffisante s'écoule excessivement, formation “plissement local des bords”, avec la direction des rides cohérente avec la direction de la déviation.

4.2 Rapport de dessin incompatible: Excédent de matière excessif pendant le traitement

Un taux d'étirage trop faible dans les moyens de traitement d'emboutissage et d'emboutissage de disques en aluminium “différence excessive entre la surface du disque en aluminium et la surface de la pièce traitée”. Le surplus de matière ne peut pas être consommé par déformation, conduisant à des rides:

• Rapport de diamètre trop petit: Par exemple, lors de la production d'un wok d'un diamètre de 25 cm, si un disque en aluminium d'un diamètre de 28 cm est utilisé (rapport de diamètre 1:1.12), ce qui est bien inférieur au rapport de diamètre raisonnable (1:1.8) pour 3003 traitement des alliages, le surplus de matériau forme des rides longitudinales sur le flanc. Les expériences montrent que lorsque le rapport des diamètres diminue de 1:1.8 à 1:1.2, le taux de froissement des parois latérales pendant le traitement passe de 4% à 19%.

• Déséquilibre du rapport d'étirage local causé par une épaisseur inégale: Si l'écart d'épaisseur du disque en aluminium dépasse ± 5 % (par ex., norme 2mm, réel 1,8 mm/2,2 mm), le taux d'étirage augmente dans la zone mince (matériau entièrement déformé) et diminue dans la zone épaisse (matériau insuffisamment déformé) pendant le traitement. La zone épaisse se forme “accumulation de rides”.

4.3 Erreur de positionnement du moule: Contrainte déséquilibrée du matériau pendant le traitement

La précision du positionnement du moule dans le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques en aluminium affecte directement l'uniformité de la contrainte du matériau.. La relation entre l'écart de positionnement et le taux de froissement est présentée dans le tableau 3:
Tableau 3 Effet de la déviation de la broche de localisation du moule sur le taux de froissement de 3003 Disques en aluminium (2.5mm d'épaisseur, 30cm Diamètre) en traitement d'estampage et de dessin

• Localisation de la déviation des broches: Si l'écart de la goupille de positionnement dépasse 0,2 mm pendant le traitement, le centre du disque en aluminium n'est pas coaxial au centre du moule. Le matériau d'un côté est surétiré (stress élevé) et compressé de l'autre côté (faible stress), provoquant des rides sur le côté comprimé. Par exemple, lorsque la goupille de positionnement d'une ligne de production s'écarte de 0,3 mm, le taux de froissement unilatéral pendant le traitement atteint 30%.

• Usure de la bague de guidage: L'usure de la douille de guidage provoque un jeu irrégulier entre le poinçon et la matrice (par ex., 2.1mm d'un côté et 2,3 mm de l'autre). Pendant le traitement, le matériau s'écoule plus rapidement dans la zone avec un dégagement plus grand et plus lentement dans la zone avec un dégagement plus petit, conduisant à une accumulation de matière et à un plissement du côté le plus lent.

5. Effets interactifs de la fissuration et du froissement dans le traitement d'emboutissage et d'étirage de disques en aluminium

La fissuration et le froissement ne sont pas indépendants dans le traitement de l'emboutissage et de l'étirage des disques d'aluminium, mais présentent des effets interactifs de “transfert de déséquilibre de contrainte”. Des données quantitatives spécifiques sont présentées dans le tableau 4:
Tableau 4 Taux de fissuration et de froissement de 3003 Disques en aluminium (2.5mm d'épaisseur, 30cm Diamètre) Sous différentes forces de support de flan lors du traitement d'emboutissage et de dessin

Comme le montre le tableau 4, dans le traitement de l'emboutissage et du dessin de disques en aluminium, le taux de défauts est le plus bas (taux de défauts total 11%) lorsque la force du serre-flan est de 0,35 MPa et la vitesse d'étirage est de 70 mm/s. Lorsque la force du serre-flan s'écarte de la plage raisonnable ou que la vitesse est anormale, les taux de fissuration et de froissement montrent “inverser les modifications” – une force de serrage insuffisante augmente le taux de froissement et diminue le taux de fissuration, tandis qu'une force excessive sur le serre-flan augmente le taux de fissuration et diminue le taux de froissement. Cela reflète essentiellement le transfert du déséquilibre de répartition des contraintes au cours du traitement..

6. Stratégies d'optimisation pour le traitement d'emboutissage et d'emboutissage de disques en aluminium

6.1 Optimisation des matériaux et du prétraitement

• Sélection précise des matériaux: Dans le traitement de l'emboutissage et du dessin de disques en aluminium, 1050 l'aluminium pur est sélectionné pour un étirage peu profond (casseroles plates, profondeur ≤5mm), et 3003 l'alliage aluminium-manganèse est sélectionné pour l'emboutissage profond (woks, profondeur 10-15mm). Le matériau doit avoir une teneur en impuretés ≤0,2 % et un écart d'épaisseur ≤±3 %.

• Prétraitement standardisé: Reportez-vous au processus dans le tableau 2 – 1050 l'aluminium pur est recuit à 300-320 ℃ pendant 1,2 h avec refroidissement par air, et 3003 L'alliage aluminium-manganèse est recuit à 330-350 ℃ pendant 1,8 h avec refroidissement par air. “Nettoyage alcalin (2% NaOH, 50℃, 30s) + nettoyage à l'eau + séchage à l'air chaud” est utilisé pour garantir une teneur en huile de surface ≤1 mg/m² et une poussière ≤0,5 μm.

6.2 Régulation coordonnée des paramètres du processus

• Vitesse de dessin: Contrôlez la vitesse de traitement à 60-70 mm/s pour 1050 aluminium pur et 50-60 mm/s pour 3003 alliage aluminium-manganèse, avec une fluctuation de vitesse de ≤ ± 5 mm/s.

• Calcul de la force du support de pièce brute: Calculer en utilisant la formule F=0,35×t×D (t = épaisseur, D = diamètre, unité: mm). Par exemple, la force du serre-flan pour 3003 disques en aluminium (2.5mm d'épaisseur, 30cm de diamètre) est 0,35×2,5×300=262,5N (environ 0,36 MPa), avec une plage de réglage réelle de ±0,02MPa.

• Contrôle du rapport de dessin: Le rapport des diamètres pour 1050 le traitement de l'aluminium pur est ≤1:1.5, et pour 3003 l'alliage aluminium-manganèse est ≤1:1.8. Le rapport d'épaisseur (épaisseur minimale après traitement / épaisseur d'origine) est ≥0,7 pour éviter un tirage excessif.

6.3 Amélioration de la structure du moule

• Conception de congés et de dégagements: Le rayon du congé inférieur = 4×t (t = épaisseur du disque en aluminium), et le rayon du congé de transition des parois latérales = 3×t (par ex., 10filet inférieur de mm et filet de transition de 7,5 mm pour disques en aluminium de 2,5 mm d'épaisseur). Le jeu poinçon-matrice = 1,08×t (±0,02 mm).

• Positionnement et traitement de surface: Reportez-vous aux exigences du tableau 3 – l'écart de concentricité entre la goupille de positionnement et le moule est ≤0,05 mm, et l'usure de la bague de guidage est ≤0,03 mm (inspecter et remplacer les pièces usées tous les 5,000 pièces traitées). La rugosité de la surface de travail du moule Ra ≤0,6 μm, avec une différence de rugosité de ≤0,2μm entre différentes zones.

7. Conclusion

Dans le traitement de l'emboutissage et du dessin de disques en aluminium, les fissures et les plissements des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine sont le résultat de l'action combinée de “adaptabilité matérielle – paramètres de processus – conception de moule – prétraitement”. Les principales causes de fissuration sont le mauvais choix des matériaux., paramètres déséquilibrés, concentration de stress de moisissure, et manque de prétraitement pendant le traitement; les principales causes du froissement sont la contrainte inefficace de la force du serre-flan, rapport de dessin incompatible, et écart de positionnement du moule pendant le traitement. Les deux défauts interagissent à travers “transfert de déséquilibre de contrainte”, augmentant encore le risque de défaut.
Grâce à une optimisation ciblée – garantissant l'adaptabilité du traitement du côté des matériaux, parvenir à la coordination des paramètres du côté du processus, amélioration du positionnement et de la précision géométrique côté moule, et normaliser le recuit et le nettoyage du côté du prétraitement - le taux de fissuration lors du traitement d'emboutissage et d'étirage des disques d'aluminium peut être réduit en dessous 5%, le taux de rides en dessous 3%, et le taux de défauts total à l'intérieur 8%. À l'avenir, combinant l'inspection visuelle de l'IA (identification des défauts en temps réel pendant le traitement) et simulation par éléments finis (prédire la répartition des contraintes de traitement) peut encore améliorer la précision du contrôle des processus et promouvoir le développement intelligent du traitement d'estampage et d'étirage de disques en aluminium.