Штамповка алюминиевых дисков и обработка волочения: Анализ основных причин растрескивания и сморщивания алюминиевых дисков для кухонной посуды

Алюминиевый диск обработка штамповкой и волочением является основной технологией штамповки и растяжки алюминиевых дисков для кухонной посуды. (основные материалы для воков и суповых кастрюль) в полостные структуры. Однако, частый “растрескивание” и “морщинистый” дефекты при обработке снижают уровень квалификации готовой продукции лишь до 75%-85%, существенное увеличение себестоимости продукции. Сосредоточение внимания на принципе штамповки алюминиевого диска и обработки волочения., в этой статье систематически анализируются причины дефектов путем объединения свойств материалов алюминиевых сплавов., контроль параметров процесса, и требования к конструкции пресс-формы: Растрескивание происходит из-за недостаточной адаптируемости материала., несбалансированные параметры процесса, концентрация напряжений в плесени, и отсутствие предварительной обработки во время обработки; Образование складок напрямую связано с неэффективным ограничением силы держателя заготовки., несоответствующее соотношение чертежей, геометрическое отклонение материала, и ошибка позиционирования формы во время обработки. В статье раскрывается интерактивное воздействие различных факторов посредством количественных экспериментальных данных. (например, Изменение количества дефектов при различных параметрах обработки) и предлагает целевые схемы оптимизации процесса штамповки и волочения алюминиевых дисков., предоставление технической поддержки для повышения стабильности процесса.

1. Введение

Как процесс холодной пластической деформации, штамповка и обработка алюминиевых дисков играют ключевую роль в преобразовании алюминиевых дисков для кухонной посуды. (2.0-4.0толщина мм) в полостные структуры. Например, изготовить вок диаметром 30см, этот процесс необходим для растягивания алюминиевого диска в дугообразную полость глубиной 12-15 мм.; изготовить плоскую кастрюлю, штамповка необходима для достижения подгиба края и уплощения дна. В настоящее время, на этот процесс приходится более 80% от общего объема переработки алюминиевых дисков для кухонной посуды и служит основным звеном для массового производства кухонной посуды из алюминиевых сплавов среднего и низкого качества..
Однако, “растрескивание” (чаще всего возникает на скруглении дна полости и в середине боковой стенки) и “морщинистый” (сосредоточено в области краевого перехода и на местной боковой стенке) дефекты заметны при штамповке и волочении алюминиевых дисков.. Отраслевые данные показывают, что скорость выхода из строя обычных производственных линий 8%-12% и скорость сморщивания 5%-8%. Сочетание этих двух дефектов приводит к тому, что процент брака полуфабрикатов превышает 15%, с ежедневными потерями более 20,000 юаней за производственную линию. В настоящее время, отрасль в основном полагается на эмпирические корректировки (например, ручная точная настройка параметров процесса) обрабатывать дефекты, отсутствует системный анализ сущности штамповки и обработки алюминиевых дисков.. Поэтому, углубленное исследование основных причин дефектов в этом процессе имеет решающее значение для оптимизации процесса обработки и снижения затрат..

2. Характеристики и проявления дефектов обработки штамповкой и волочением алюминиевых дисков

2.1 Характеристики основного процесса

Штамповка алюминиевых дисков и обработка волочением должны соответствовать двум основным требованиям.: “формирование целостности” и “механическая стабильность”. Первый требует отсутствия трещин и складок в полости после обработки., с допуском размеров ≤±0,5 мм; последнее не требует чрезмерной закалки алюминиевой подложки после обработки (во избежание деформации при последующем использовании). Во время обработки, Алюминиевые диски для кухонной посуды подвергаются комбинированным нагрузкам “усилие держателя заготовки (ограничение краевого потока) – сила притяжения (забивание материала в полость формы) – сила трения (создается при контакте материала с формой)”. Равномерность распределения напряжений напрямую определяет возникновение дефектов – это основная особенность, которая отличает штамповку и волочение алюминия от других технологий обработки алюминия..

2.2 Типичные проявления дефектов

• Растрескивание дефектов: Классифицируется по месту в штамповке и волочении алюминиевых дисков., они включают в себя “растрескивание дна” (в форме филе, с длиной трещины 1-5 мм, в основном проникающий) и “растрескивание боковины” (в середине боковины или переходной зоны, продольный непроникающий). Классифицируется по причине, они включают в себя “хрупкое растрескивание” (чрезмерная твердость материала при обработке, с плоскими краями трещин) и “растрескивание пластика” (напряжение обработки, превышающее предел прочности материала на разрыв, с растягивающей деформацией по краям трещины).

• Морщинистые дефекты: Классифицируется по морфологии при штамповке и волочении алюминиевых дисков., они включают в себя “сморщивание края” (алюминиевые края диска не ограничены держателем заготовки, образуя кольцевые морщины высотой 0,3-1мм.) и “сморщивание боковины” (скопление материала на боковине, образование продольных или диагональных складок, влияющих на адгезию покрытия). Классифицируется по причине, они включают в себя “компрессионное сморщивание” (поперечное сжатие материала, превышающее расходную способность волочения при обработке) и “сдвиговое сморщивание” (неравномерная скорость потока материала, вызывающая локальное напряжение сдвига во время обработки).

3. Основные причины растрескивания при штамповке и волочении алюминиевых дисков

3.1 Недостаточная адаптируемость материала: Несоответствие между обработкой и характеристиками сорта

Обработка штамповки и волочения алюминиевых дисков предъявляет строгие требования к характеристикам материала.. Различия в технологичности распространенных марок алюминиевых дисков для кухонной посуды (1050 чистый алюминий, 3003 алюминий-марганцевый сплав) напрямую влияет на риск растрескивания, с конкретными параметрами, указанными в таблице 1:
Стол 1 Сравнение производительности и адаптируемости распространенных марок алюминиевых дисков для кухонной утвари при штамповке и волочении алюминиевых дисков

• Неправильный выбор оценки: При штамповке и волочении алюминиевых дисков, 1050 чистый алюминий имеет низкую прочность на разрыв и пригоден только для мелкой волочения.. Если используется для глубокой вытяжки воков, боковая стенка склонна к растрескиванию, поскольку напряжение волочения превышает несущую способность материала. Хотя 3003 алюминиево-марганцевый сплав подходит для глубокой вытяжки, чрезмерное усилие держателя заготовки во время обработки приводит к закалке кромок, приводит к растрескиванию в переходной зоне.

• Дефекты чистоты материала: Если алюминиевые диски для посуды содержат лишние примеси (Al₂O₃, SiO₂ >0.5% или Fe, Cu >0.3%), эти примеси становятся “точки концентрации напряжений” во время обработки. Например, соединение Al₃Fe (Твердость по Виккерсу (ВН) 150) образованный Fe и Al, намного тверже, чем алюминиевая подложка. (ВН 30). Во время штамповки и рисования, микротрещины легко образуются вокруг примесей и в дальнейшем расширяются в макротрещины. Эксперименты показывают, что при увеличении содержания примесей от 0.2% к 0.8%, Скорость растрескивания при штамповке и волочении алюминиевых дисков возрастает с 5% к 18%.

3.2 Несбалансированные параметры процесса: Неконтролируемое распределение напряжения во время обработки

Координация основных параметров (скорость рисования, усилие держателя заготовки, коэффициент вытяжки) при штамповке и волочении алюминиевых дисков напрямую влияет на распределение напряжений., а дисбаланс параметров является основной причиной взлома:

• Чрезмерно высокая скорость рисования: Разумный диапазон скоростей волочения для штамповки алюминиевых дисков и обработки волочения составляет 50-80 мм/с. (на основе 1050/3003 оценки). Если скорость превышает 100 мм/с, деформация материала не может передаваться равномерно, и местные участки, такие как галтели формы, склонны к растрескиванию из-за “мгновенные пики напряжения” (2-3 раз превышает предел текучести материала). Например, когда фабрика обрабатывала 3003 алюминиевые диски (3толщина мм) и увеличил скорость с 70 мм/с до 120 мм/с., Скорость растрескивания боковин выросла с 8% к 25%.

• Необоснованная сила держателя заготовки: Во время обработки, сила держателя заготовки должна уравновешиваться “ограничивающие края” и “избегая дробления”, с разумным диапазоном 0,3-0,5 МПа (для алюминиевых дисков диаметром 20-35см.). Недостаточное усилие держателя заготовки приводит к чрезмерному растеканию кромок., приводит к истончению боковин (отклонение >20%) и растрескивание при местной концентрации напряжений. Когда сила держателя заготовки превышает 0,6 МПа., края материала затвердевают (ВН увеличивается с 35 к 50) и пластичность снижается, что приводит к растрескиванию в переходной зоне во время волочения.

• Чрезмерно большой коэффициент вытяжки: При штамповке и волочении алюминиевых дисков, коэффициент рисования (диаметр алюминиевого диска / диаметр отверстия обрабатываемой заготовки) должно соответствовать удлинению материала – максимальный коэффициент вытяжки составляет 1:1.5 для 1050 чистый алюминий и 1:1.8 для 3003 алюминиево-марганцевый сплав. Если коэффициент вытяжки превышает предел (например, 3003 сплав, используемый для 1:2.0 обработка), скорость утонения боковины превышает 30%, и растрескивание легко происходит из-за “недостаточная толщина – стрессовая перегрузка”.

3.3 Дефекты конструкции пресс-формы: Аномальная передача напряжения во время обработки

Формы являются носителями передачи напряжений при штамповке и волочении алюминиевых дисков., дефекты конструкции непосредственно вызывают растрескивание:

• Чрезмерно маленький радиус скругления: Галтели на дне формы и переходе к боковым стенкам являются областями концентрации напряжений во время обработки.. Разумный радиус должен быть 3-5 раза больше толщины алюминиевого диска (например, ≥7,5 мм для алюминиевых дисков толщиной 2,5 мм). Если радиус <5мм (например, 3мм), напряжение изгиба резко возрастает при протекании материала (коэффициент концентрации напряжений возрастает от 1.2 к 2.5), увеличивается риск растрескивания дна. Имитационные эксперименты показывают, что при уменьшении радиуса скругления с 8 мм до 4 мм, скорость донного растрескивания в процессе обработки возрастает от 4% к 16%.

• Неравномерный зазор и чрезмерная шероховатость: Разумный зазор между пуансоном и матрицей составляет 1.05-1.1 раза больше толщины алюминиевого диска (например, 2.1-2.2мм для дисков толщиной 2 мм.). Если зазор неровный (например, 2.0мм с одной стороны и 2,4 мм с другой.), разница деформаций между двумя сторонами материала превышает 15% во время обработки, а более тонкая сторона склонна к растрескиванию из-за чрезмерной вытяжки.. При шероховатости поверхности формы Ra >1.6мкм, коэффициент трения увеличивается с 0.15 к 0.3, вызывая неравномерное сопротивление потоку материала и растрескивание боковых стенок из-за “перетащить стресс”.

3.4 Отсутствие предварительной обработки: Некачественное состояние материала перед обработкой

Предварительная обработка перед штамповкой алюминиевого диска и обработкой волочением напрямую влияет на производительность формовки.. Процессы предварительной обработки и технологическая адаптация различных марок показаны в таблице. 2:
Стол 2 Параметры процесса отжига и характеристики формования алюминиевых дисков перед штамповкой и волочением

• Недостаточный отжиг: Алюминиевые диски имеют “закалка” после прокатки, и отжиг необходим для устранения внутренних напряжений. Если 1050 чистый алюминий отжигается только при температуре 250 ℃ в течение 0,5 часа., твердость материала повышается до HV 45 во время обработки, что делает его склонным к хрупкому растрескиванию. Если время выдержки 3003 алюминиево-марганцевый сплав менее 1ч., удлинение падает ниже 18%, приводящие к растрескиванию боковин из-за недостаточной пластичности при обработке.

• Загрязнение поверхности: Остатки прокатного масла (>5мг/м²) или пыль (>1мкм) на поверхности алюминиевого диска образует “изоляционный слой” во время обработки. Масло для прокатки снижает коэффициент трения, что приводит к слишком быстрому локальному потоку материала и растрескиванию боковых стенок.; пыль образует вмятины на поверхности материала, становится отправной точкой взлома.

4. Основные причины образования складок при штамповке и волочении алюминиевых дисков

4.1 Неэффективное ограничение силы держателя заготовки: Неконтролируемый краевой поток во время обработки

Усилие держателя заготовки является основным параметром для подавления складок кромок при штамповке алюминиевых дисков и обработке волочения., а неэффективное ограничение напрямую вызывает дефекты:

• Усилие держателя заготовки ниже критического значения: Во время обработки, края алюминиевого диска производят “поперечная деформация сжатия” из-за “радиальное напряжение волочения”. Если сила держателя заготовки не достигает критического значения (формула расчета: F=k×t×D, где k - коэффициент материала, т - толщина, и D - диаметр), Краевой материал накапливается, образуя кольцевые складки. Например, критическая сила держателя заготовки для 3003 алюминиевые диски (2.5толщина мм, 30см диаметр) составляет 0,35 МПа; когда усилие держателя заготовки уменьшается до 0,2 МПа, скорость сморщивания кромки во время обработки увеличивается с 3% к 22%.

• Отклонение концентричности держателя заготовки: Если отклонение соосности между держателем заготовки и матрицей превышает 0,1 мм., локальное усилие держателя заготовки недостаточно во время обработки (например, 0.2МПа с одной стороны и 0,4 МПа с другой.). Материал в недостаточной зоне течет слишком сильно., формирование “локальные краевые морщины”, с направлением складок, соответствующим направлению отклонения.

4.2 Несоответствующее соотношение чертежей: Чрезмерный избыток материала во время обработки

Слишком малый коэффициент вытяжки в средствах штамповки и обработки алюминиевых дисков. “чрезмерная разница между площадью алюминиевого диска и площадью обрабатываемой поверхности заготовки”. Излишки материала не могут быть израсходованы за счет деформации., приводит к образованию морщин:

• Слишком маленькое соотношение диаметров: Например, при изготовлении вока диаметром 25см, если используется алюминиевый диск диаметром 28см (соотношение диаметров 1:1.12), что намного ниже разумного соотношения диаметров (1:1.8) для 3003 обработка сплавов, излишки материала образуют продольные складки на боковине. Эксперименты показывают, что при уменьшении отношения диаметров от 1:1.8 к 1:1.2, Скорость сморщивания боковин во время обработки увеличивается с 4% к 19%.

• Локальный дисбаланс коэффициента вытяжки, вызванный неравномерной толщиной: Если отклонение толщины алюминиевого диска превышает ±5% (например, стандартный 2 мм, фактический 1,8 мм/2,2 мм), коэффициент вытяжки увеличивается в тонкой области (материал полностью деформирован) и уменьшается в толстой области (материал недостаточно деформирован) во время обработки. Толстая область образует “накопление морщин”.

4.3 Ошибка позиционирования пресс-формы: Несбалансированное напряжение материала во время обработки

Точность позиционирования пресс-формы при штамповке и волочении алюминиевых дисков напрямую влияет на равномерность напряжения материала.. Взаимосвязь между отклонением позиционирования и скоростью складок показана в таблице. 3:
Стол 3 Влияние отклонения установочного штифта формы на скорость образования складок 3003 Алюминиевые диски (2.5мм толщиной, 30см Диаметр) в области штамповки и обработки рисунков

• Обнаружение отклонения штифта: Если во время обработки отклонение установочного штифта превышает 0,2 мм., центр алюминиевого диска не соосен центру формы. Материал с одной стороны перетянут (высокий стресс) и сжат с другой стороны (низкий стресс), вызывая образование складок на сжатой стороне. Например, когда установочный штифт производственной линии отклонился на 0,3 мм, достигнута скорость одностороннего сморщивания во время обработки 30%.

• Износ направляющей втулки: Износ направляющей втулки приводит к неравномерному зазору между пуансоном и матрицей. (например, 2.1мм с одной стороны и 2,3 мм с другой.). Во время обработки, материал течет быстрее в зоне с большим зазором и медленнее в зоне с меньшим зазором, что приводит к накоплению материала и образованию складок на более медленной стороне.

5. Интерактивные эффекты растрескивания и складок при штамповке и волочении алюминиевых дисков

Растрескивание и образование складок не являются независимыми явлениями при штамповке и волочении алюминиевых дисков, а проявляют интерактивные эффекты. “перенос стрессового дисбаланса”. Конкретные количественные данные приведены в таблице. 4:
Стол 4 Скорость растрескивания и сморщивания 3003 Алюминиевые диски (2.5мм толщиной, 30см Диаметр) Под действием различных сил держателя заготовки при штамповке и обработке чертежей

Как показано в таблице 4, при штамповке алюминиевых дисков и обработке волочения, процент брака самый низкий (общий процент дефектов 11%) когда сила держателя заготовки составляет 0,35 МПа и скорость волочения 70 мм/с.. Когда сила держателя заготовки отклоняется от разумного диапазона или скорость ненормальная., скорость растрескивания и образования складок показывает “обратные изменения” – недостаточная сила держателя заготовки увеличивает скорость образования складок и снижает скорость растрескивания, в то время как чрезмерная сила держателя заготовки увеличивает скорость растрескивания и уменьшает скорость образования складок.. По сути, это отражает перенос дисбаланса распределения напряжений в процессе обработки..

6. Стратегии оптимизации процесса штамповки и волочения алюминиевых дисков

6.1 Оптимизация материалов и предварительной обработки

• Точный выбор материала: При штамповке и волочении алюминиевых дисков, 1050 для мелкой вытяжки выбирается чистый алюминий (плоские кастрюли, глубина ≤5 мм), и 3003 для глубокой вытяжки выбран алюминиево-марганцевый сплав (вокс, глубина 10-15мм). Материал должен иметь содержание примесей ≤0,2% и отклонение толщины ≤±3%..

• Стандартизированная предварительная обработка: См. процесс в таблице. 2 – 1050 чистый алюминий отжигается при температуре 300-320℃ в течение 1,2 часа с воздушным охлаждением., и 3003 алюминиево-марганцевый сплав отжигается при температуре 330-350℃ в течение 1,8 часа с воздушным охлаждением.. “Щелочная очистка (2% NaOH, 50℃, 30с) + очистка воды + сушка горячим воздухом” используется для обеспечения содержания масла на поверхности ≤1 мг/м² и пыли ≤0,5 мкм..

6.2 Скоординированное регулирование параметров процесса

• Скорость рисования: Контролируйте скорость обработки на уровне 60-70 мм/с для 1050 чистый алюминий и 50-60 мм/с для 3003 алюминиево-марганцевый сплав, с колебанием скорости ≤±5 мм/с.

• Расчет силы держателя заготовки: Рассчитаем по формуле F=0,35×t×D. (т = толщина, D = диаметр, единица: мм). Например, сила держателя заготовки для 3003 алюминиевые диски (2.5толщина мм, 30см диаметр) составляет 0,35×2,5×300=262,5 Н. (примерно 0,36 МПа), с фактическим диапазоном регулировки ±0,02МПа.

• Управление соотношением чертежей: Соотношение диаметров для 1050 обработка чистого алюминия составляет ≤1:1.5, и для 3003 алюминиево-марганцевый сплав ≤1:1.8. Соотношение толщины (минимальная толщина после обработки / исходная толщина) составляет ≥0,7, чтобы избежать чрезмерного вытягивания.

6.3 Улучшение структуры пресс-формы

• Проектирование скруглений и зазоров: Радиус нижнего скругления = 4×t (t = толщина алюминиевого диска), и радиус переходной галтели боковой стенки = 3×t (например, 10Нижний галтель толщиной 7,5 мм и переходный галтель толщиной 7,5 мм для алюминиевых дисков толщиной 2,5 мм.). Зазор пуансона = 1,08×t (±0,02 мм).

• Расположение и обработка поверхности: См. требования в таблице 3 – отклонение соосности между установочным штифтом и формой составляет ≤0,05 мм., и износ направляющей втулки составляет ≤0,03 мм. (проверять и заменять изношенные детали каждые 5,000 обработанные детали). Шероховатость рабочей поверхности формы Ra ≤0,6 мкм., с разницей шероховатости ≤0,2 мкм между различными областями.

7. Заключение

При штамповке и волочении алюминиевых дисков, Растрескивание и сморщивание алюминиевых дисков для кухонной посуды – результат совместного действия “материальная адаптируемость – параметры процесса – дизайн пресс-формы – предварительная обработка”. Основные причины растрескивания – неправильный выбор материала., несбалансированные параметры, концентрация напряжений в плесени, и отсутствие предварительной обработки во время обработки; Основными причинами образования складок являются неэффективное ограничение силы держателя заготовки., несоответствующее соотношение чертежей, и отклонение позиционирования формы во время обработки. Два дефекта взаимодействуют через “перенос стрессового дисбаланса”, дальнейшее увеличение риска возникновения дефектов.
За счет целенаправленной оптимизации – обеспечение адаптируемости обработки со стороны материала, достижение координации параметров на стороне процесса, улучшение позиционирования и геометрической точности на стороне формы, и стандартизация отжига и очистки на стороне предварительной обработки – скорость растрескивания при штамповке и волочении алюминиевых дисков может быть снижена до уровня ниже 5%, Скорость образования морщин ниже 3%, а общий процент брака с точностью до 8%. В будущем, объединение визуального контроля с использованием искусственного интеллекта (выявление дефектов в режиме реального времени во время обработки) и конечно-элементное моделирование (прогнозирование распределения технологического напряжения) может еще больше повысить точность управления процессом и способствовать интеллектуальному развитию обработки штамповки и волочения алюминиевых дисков..