銅箔皺折原因分析與生箔機(jī)技術(shù)改造*

阮躍進(jìn)

（銅陵市華創(chuàng)新材料有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 引言

HCXC公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)制造鋰電銅箔的生產(chǎn)廠家，2018年生產(chǎn)能力達(dá)到10000 t，主要生產(chǎn)設(shè)備有40臺(tái)國(guó)產(chǎn)生箔機(jī)，原產(chǎn)品大綱規(guī)定生產(chǎn)銅箔厚度規(guī)格為8～12μm。隨著新能源汽車(chē)動(dòng)力電池向高能量密度、大儲(chǔ)量、輕量化等方向快速發(fā)展，客戶(hù)對(duì)銅箔厚度的需求由之前8～12μm轉(zhuǎn)為現(xiàn)在4.5～6μm為主。這對(duì)十年前購(gòu)置的設(shè)備來(lái)說(shuō)，是一大挑戰(zhàn)。一般來(lái)說(shuō)，銅箔越薄，生產(chǎn)過(guò)程中皺折產(chǎn)生的概率就越大，一旦出現(xiàn)皺折現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)停機(jī)與不停機(jī)的兩難選擇：停機(jī)檢修，箔卷長(zhǎng)度不達(dá)標(biāo)，損失較大；另外，因設(shè)備缺陷問(wèn)題造成的皺折，很難在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)停機(jī)檢修解決，損失更大。針對(duì)銅箔皺折這一難題，采用纏膠帶的方式及時(shí)消除皺折，是生產(chǎn)一線經(jīng)常采用的解決方案，這也是銅箔行業(yè)普遍采用的土辦法。這種辦法雖然能暫時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，但又會(huì)帶來(lái)一系列新的問(wèn)題：一是銅箔在經(jīng)過(guò)纏上藍(lán)膠帶的導(dǎo)輥時(shí)，會(huì)被輥面上的凸起膠帶壓傷，這部分銅箔在分切時(shí)需要被切除，使得整個(gè)銅箔配切寬度不夠，導(dǎo)致寬幅利用率下降；二是輥面纏膠帶對(duì)員工技能要求高，操作難度較大，且每次停開(kāi)機(jī)需重新纏，員工工作量大；三是導(dǎo)輥多處纏上藍(lán)膠帶影響整個(gè)設(shè)備美觀，還會(huì)讓客戶(hù)對(duì)生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)性與產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生疑慮。因此，急需對(duì)生箔機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷和精度進(jìn)行優(yōu)化改造，以達(dá)到設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、消除銅箔皺折的目標(biāo)。

2 電解銅箔生箔機(jī)結(jié)構(gòu)型式和工作原理

電解銅箔生箔機(jī)結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，主要由陽(yáng)極槽、陰極輥、鈍化槽、烘箱、冷風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)輥系、驅(qū)動(dòng)裝置、收卷裝置、整流電源和張力控制系統(tǒng)等組成，其工作過(guò)程為：制備過(guò)濾好的硫酸銅溶液流過(guò)陽(yáng)極和陰極組成的電解槽并通入直流電進(jìn)行電解，電解液中的銅離子獲得電子沉積在鈦輥表面形成銅箔，銅箔從轉(zhuǎn)動(dòng)的鈦輥表面經(jīng)剝離輥剝離，經(jīng)過(guò)前張力輥進(jìn)入鈍化槽進(jìn)行防氧化處理后，經(jīng)液下輥出槽至液上輥時(shí)將箔面殘液擠干，然后先通過(guò)烘箱高溫烘烤，再經(jīng)冷風(fēng)機(jī)冷卻干燥，最后經(jīng)過(guò)導(dǎo)輥、后張力輥、計(jì)米輥及收卷輥收卷，獲得卷狀銅箔［1］。

圖1 原生箔機(jī)結(jié)構(gòu)型式

3 銅箔皺折原因分析

3.1 銅箔皺折問(wèn)題現(xiàn)狀

銅箔皺折主要原因是銅箔在生產(chǎn)過(guò)程中受到了不均衡拉力而產(chǎn)生的局部折皺變形，多呈折疊和揉折狀［2］。具體表現(xiàn)為銅箔表面不平整、應(yīng)力集中、張力不均勻、紋路傾斜不正等。銅箔皺折是銅箔生產(chǎn)中的常見(jiàn)問(wèn)題，也是銅箔生產(chǎn)痛點(diǎn)難題。造成銅箔皺折的因素較多，除電解液化學(xué)成分、結(jié)晶組織、添加劑、厚薄均勻性等工藝因素外，更多的是設(shè)備因素。HCXC公司的生箔機(jī)為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，使用時(shí)間長(zhǎng)，再加上國(guó)內(nèi)生箔機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)起步較晚，技術(shù)不成熟，設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度和控制精度等方面存在諸多不足，在生產(chǎn)超薄銅箔過(guò)程中極易產(chǎn)生銅箔皺折缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)量、成品率大幅下降，經(jīng)濟(jì)損失較大。為了維持穩(wěn)定生產(chǎn)，在銅箔邊部與過(guò)輥輥面接觸的地方纏上20～30mm寬的多層藍(lán)色膠帶（見(jiàn)圖2），將銅箔邊部墊高，調(diào)整銅箔表面平整度和各處張力的均勻性，以整平箔面紋路，達(dá)到消除銅箔皺折的目的。

圖2 生箔機(jī)纏膠帶處

3.2 銅箔皺折原因分析

生箔機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中極易產(chǎn)生皺折現(xiàn)象，本文重點(diǎn)從設(shè)備缺陷方面進(jìn)行追根溯源，對(duì)其進(jìn)行分析。

3.2.1 陰極輥制造精度不達(dá)標(biāo)

陰極輥是生箔機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能和制造精度要求極高。若陰極輥出現(xiàn)加工偏差大，存在輥筒不圓、有大小頭、直線度和同軸度不好、表面不光潔平整、有凹塌等質(zhì)量缺陷或者安裝不平行等問(wèn)題，都會(huì)使銅箔受力不均，易造成折皺［3］。

3.2.2 高溫烘烤、冷風(fēng)機(jī)吹掃造成箔面變形和波動(dòng)過(guò)大

銅箔經(jīng)鈍化槽的防氧化處理后，為保證箔面干燥，要在90～100℃烘箱中烘烤［5］，然后用冷風(fēng)機(jī)吹掃冷卻，劇烈溫差引起銅箔熱脹冷縮，使得內(nèi)應(yīng)力加劇，難以釋放；再加上風(fēng)機(jī)風(fēng)量較大，使得銅箔上下波動(dòng)幅度較大。這些問(wèn)題均會(huì)造成風(fēng)機(jī)出口導(dǎo)輥的銅箔產(chǎn)生皺折。

3.2.3 輥系結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)不合理

（1）輸送導(dǎo)輥之間跨距過(guò)大

銅箔在經(jīng)過(guò)相鄰導(dǎo)輥時(shí)，一邊由兩導(dǎo)輥支撐著銅箔，一邊由銅箔依靠與輥面貼合的摩擦力牽引著導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，剝離輥與前張力輥之間、液上輥與風(fēng)機(jī)出口第一個(gè)導(dǎo)輥之間跨度設(shè)計(jì)較長(zhǎng)，達(dá)到1200～1500mm，受銅箔重力作用導(dǎo)致中間下沉。若張力小、拉不直，易產(chǎn)生皺折；若張力大，銅箔即使不被拉斷，也會(huì)造成經(jīng)過(guò)前張力輥輥面的銅箔產(chǎn)生皺折。

（2）輸送導(dǎo)輥之間跨距過(guò)小

在烘箱風(fēng)機(jī)出口的導(dǎo)輥、后張力輥及計(jì)米輥三者之間，相互距離不到250mm，最佳合理跨距為600～800mm，它們均為被動(dòng)導(dǎo)輥，數(shù)量多且相對(duì)集中。銅箔從烘箱風(fēng)機(jī)出來(lái)后，受空間限制，來(lái)不及自由舒展，使得銅箔內(nèi)應(yīng)力無(wú)法釋放而產(chǎn)生皺折。

3.2.4 被動(dòng)導(dǎo)輥設(shè)計(jì)不合理

（1）導(dǎo)輥?zhàn)鳛樯瓩C(jī)的關(guān)鍵零件，起到輸送銅箔作用。其制造質(zhì)量關(guān)系到生箔機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，特別是對(duì)生產(chǎn)超薄銅箔的制造精度要求更高。因被動(dòng)輥無(wú)驅(qū)動(dòng)，完全依靠銅箔與輥面之間貼合的摩擦力來(lái)帶動(dòng)導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，除了導(dǎo)輥表面光滑平整的設(shè)計(jì)要求外，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)輕便、慣性好、靜平衡精度高。然而，目前生箔機(jī)被動(dòng)導(dǎo)輥采用碳鋼材料制造，笨重、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大，且輥徑設(shè)計(jì)過(guò)小，使得導(dǎo)輥與銅箔之間接觸包角和摩擦阻力過(guò)小，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)輥與銅箔之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和不同步［4］，也易造成銅箔皺折，甚至被劃傷。

（2）導(dǎo)輥的機(jī)械加工精度低，橢圓、彎曲、表面不平，或是導(dǎo)輥安裝不水平、相互不平行等問(wèn)題，使銅箔受到的拉力不均勻，在導(dǎo)輥上銅箔受力大的位置容易折皺。

（3）機(jī)列上的導(dǎo)向?qū)л佭^(guò)多，也是造成銅箔起折的原因之一。多一個(gè)導(dǎo)輥多一個(gè)被動(dòng)力，銅箔就多一個(gè)受力點(diǎn)，多一個(gè)起折的點(diǎn)。導(dǎo)輥由銅箔帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，多一根輥會(huì)增大銅箔的阻力，導(dǎo)輥直徑越小，銅箔受力面就越小，越容易出折皺。導(dǎo)輥多了，使銅箔在導(dǎo)輥上反復(fù)上下彎曲拉伸，造成銅箔結(jié)晶組織的改變，晶粒組織變得不均勻，而易于起折。銅箔收卷的輥筒直徑小，使銅箔在輥筒表面展開(kāi)的面積小，受力面小，單位面積受力就增大，導(dǎo)致銅箔易出現(xiàn)皺折。

3.2.5 導(dǎo)輥兩端支承軸承選型不合理

導(dǎo)輥兩端支承軸承選型很關(guān)鍵，尤其是被動(dòng)導(dǎo)輥。銅箔越薄，要求軸承轉(zhuǎn)動(dòng)輕便靈活，慣性大。而原生箔機(jī)導(dǎo)輥兩端配套的支承軸承采用的是帶座外球面球軸承，主要用在皮帶輸送機(jī)等重型設(shè)備上，該軸承存在旋轉(zhuǎn)精度低、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力大等缺點(diǎn)，在銅箔貼合輥面牽引被動(dòng)導(dǎo)輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?qū)л佫D(zhuǎn)動(dòng)阻力大帶不動(dòng)，這時(shí)銅箔與輥面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)輥與銅箔之間不同步，易造成銅箔折皺現(xiàn)象。

3.2.6 收卷裝置缺陷

收卷裝置由伺服電機(jī)、減速機(jī)、收卷輥及壓平輥等組成。在收卷過(guò)程中，銅箔在收卷輥上也極易產(chǎn)生皺折。其影響因素除張力控制外，還有收卷輥和壓平輥缺陷。

（1）收卷輥直徑過(guò)小，銅箔彎曲程度大，就會(huì)造成銅箔晶粒組織變形，產(chǎn)生皺折。

（2）收卷壓平輥隨著卷徑的增大始終與卷材保持壓緊狀態(tài)。若壓平輥壓不平，貼合不嚴(yán)，其兩端對(duì)銅箔壓力不均，壓力大的一端會(huì)把銅箔趕向壓力小的一端，趕料的同時(shí)會(huì)形成皺紋，在壓平輥壓力作用下則會(huì)產(chǎn)生皺折。若壓平輥與收卷輥速度不匹配，有卡頓，壓平輥與銅箔之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力作用下也會(huì)產(chǎn)生皺折。

3.2.7 張力自動(dòng)控制系統(tǒng)精度低

生箔機(jī)張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，它涉及生箔機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行。原生箔機(jī)張力控制系統(tǒng)功能配置不完善、控制精度低，運(yùn)行過(guò)程中張力波動(dòng)幅度大、同步性較差、運(yùn)行不平穩(wěn)。銅箔與輸送輥之間時(shí)常出現(xiàn)一松一緊和一快一慢的卡頓現(xiàn)象，極易導(dǎo)致銅箔表面產(chǎn)生皺折。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中，若張力設(shè)置過(guò)大，銅箔卷收卷時(shí)橫向受力分配不均勻，銅箔卷平整度較差，極易產(chǎn)生皺折；若張力設(shè)置太小，銅箔卷收卷時(shí)容易“跑偏”或產(chǎn)生箔卷松動(dòng)問(wèn)題。

4 改造措施

針對(duì)國(guó)產(chǎn)生箔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造精度和控制精度不高，設(shè)備性能跟不上超薄銅箔制造要求，造成銅箔在生產(chǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)皺折而需要纏膠帶的問(wèn)題，提出以下改造措施，具體見(jiàn)圖3所示。

4.1 提高陰極輥的制造精度和安裝精度

提高陰極輥制造精度、安裝精度和表面質(zhì)量等對(duì)銅箔質(zhì)量至關(guān)重要。相關(guān)精度要求為：陰極輥圓度與直線度控制在0.05～0.06mm；靜平衡≤300g；陰極輥與兩端軸承之間同軸度誤差≤0.05mm；表面光滑潔凈，粗糙度Ra≤0.25；安裝精度要求水平度和平行度≤0.05mm，并與其他導(dǎo)輥保持相互平行，運(yùn)轉(zhuǎn)圓滑勻速，無(wú)卡頓現(xiàn)象［5］。

4.2 增加橡膠展平輥裝置

（1）在生箔機(jī)烘箱和冷風(fēng)機(jī)出口，銅箔易出現(xiàn)起皺打折的導(dǎo)輥前200mm處，這一特殊位置加裝特別設(shè)計(jì)的橡膠展平輥裝置。通過(guò)調(diào)整弧高，對(duì)銅箔箔面進(jìn)行展平，使起折皺的箔面從中間向兩側(cè)慢慢舒展，箔面張力均勻，折皺難以產(chǎn)生；同時(shí)，高彈性橡膠展平輥輥面與銅箔接觸時(shí)能快速抵消來(lái)自經(jīng)高溫烘烤等產(chǎn)生的各種應(yīng)力，從而消除因應(yīng)力集中造成的折皺現(xiàn)象。

（2）剝離輥與前張力輥之間跨距較長(zhǎng)，達(dá)到1500mm。箔面因重力作用導(dǎo)致中間下沉，造成前張力輥上的銅箔容易產(chǎn)生皺折。針對(duì)這一現(xiàn)象，同樣在靠近前張力輥200mm處加裝特別設(shè)計(jì)的展平輥裝置，通過(guò)調(diào)整弧高對(duì)銅箔箔面進(jìn)行展平，使銅箔從中間向兩側(cè)舒展，使起折皺箔面紋路無(wú)法聚集，從而達(dá)到消除皺折的目的。

4.3 輥系結(jié)構(gòu)布局重新合理調(diào)整

（1）縮短剝離輥與前張力輥之間、液上輥烘箱和冷風(fēng)機(jī)出口的導(dǎo)輥之間的跨距，達(dá)到600～800mm，減少銅箔重力下沉，使得箔面維持平整度，保持張力的均勻性。

（2）對(duì)烘箱和冷風(fēng)機(jī)出口至收卷輥前的導(dǎo)輥進(jìn)行調(diào)整，將計(jì)米輥和張力輥合二為一，使得原來(lái)3根導(dǎo)輥改成2根，縮短銅箔行程長(zhǎng)度。再將另一導(dǎo)輥位置下移，適當(dāng)拉大兩輥之間距離至600～800mm，以增大銅箔自由伸縮空間［8］。

4.4 導(dǎo)輥設(shè)計(jì)優(yōu)化更換

（1）對(duì)被動(dòng)導(dǎo)輥進(jìn)行輕量化改造，將材質(zhì)由碳素鋼改成鋁合金；增大導(dǎo)輥直徑，將輥徑由原來(lái)的φ150mm增大至φ200mm，增大銅箔受力面積，同時(shí)減少銅箔在輥面的彎曲度，減輕導(dǎo)輥摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)阻力和銅箔牽引力，達(dá)到銅箔傳輸同步平穩(wěn)控制的效果。

（2）提高導(dǎo)輥機(jī)械加工精度和定期校正各導(dǎo)輥的水平和平行安裝精度，保證運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與陰極輥始終保持平行對(duì)正，使銅箔受到的拉力均勻一致。

（3）盡量減少機(jī)列上導(dǎo)輥數(shù)量，減少傳動(dòng)阻力，縮短銅箔總行程，以減少收卷張力。

4.5 導(dǎo)輥兩端軸承重新選型

將傳動(dòng)輥兩端軸承由帶座外球面球軸承改成調(diào)心球軸承，提高了旋轉(zhuǎn)精度，降低了摩擦阻力，提升了傳動(dòng)慣性，從而減輕銅箔牽引力，使銅箔與導(dǎo)輥之間運(yùn)轉(zhuǎn)速度高度同步，最終可以避免二者之間因產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)而導(dǎo)致銅箔皺折現(xiàn)象。

4.6 收卷裝置改進(jìn)

（1）增大收卷輥輥徑。收卷輥直徑大，銅箔彎曲程度小，可大大減少銅箔皺折現(xiàn)象，尤其是減少超薄銅箔的皺折?，F(xiàn)在行業(yè)中有的收卷輥筒直徑為200～300mm，且表面涂膠。

（2）改進(jìn)壓平輥，提高壓平輥與銅箔卷材之間貼合度和平行度，并保證銅箔卷寬度上各點(diǎn)的壓力均衡穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動(dòng)速度一致。具體措施：一是改進(jìn)壓緊方式，先在收卷裝置兩側(cè)安裝精密直線導(dǎo)軌，將壓平輥兩端軸承座固定在摩擦阻力小的直線導(dǎo)軌副的滑塊上，然后在兩端滑塊上系上鋼絲繩，鋼絲繩通過(guò)中間滑輪在其另一頭掛上等重的秤砣，使得壓平輥兩端始終以恒壓力貼合在收卷輥上的銅箔卷面上，并隨卷徑增大推動(dòng)壓平輥同步移動(dòng)，可取代之前因氣壓不穩(wěn)而造成壓緊力波動(dòng)的氣缸控制方式；二是提高壓平輥安裝精度和加工精度，如壓平輥與收卷輥之間水平度、平行度和輥面圓度、直線度和粗糙度等；三是壓平輥兩端采用調(diào)心軸承，減少轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。如此，保證了壓平輥與銅箔卷始終處于良好的壓緊狀態(tài)，有效解決了卷取時(shí)產(chǎn)生皺折問(wèn)題。

4.7 張力同步控制系統(tǒng)精度優(yōu)化提升

張力同步控制系統(tǒng)決定了設(shè)備運(yùn)行的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。采用日本三菱PLC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用PID閉環(huán)自動(dòng)控制，將張力控制精度提升至±3N，使各傳動(dòng)輥運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到高度同步穩(wěn)定，從而達(dá)到箔面寬度方向張力均勻一致，避免銅箔因張力波動(dòng)產(chǎn)生皺折現(xiàn)象。在生產(chǎn)過(guò)程中，張力設(shè)置過(guò)大，銅箔收卷時(shí)橫向受力分配不均勻，箔卷平整度較差；隨著卷徑增大和重量加重，卷內(nèi)底部銅箔易被壓傷或產(chǎn)生皺折；若張力設(shè)置太小，銅箔收卷時(shí)容易發(fā)生“跑偏”或箔卷松動(dòng)問(wèn)題。為此，動(dòng)態(tài)設(shè)置收卷張力，達(dá)到箔卷直徑增大和張力逐步減小的效果［7］，以避免成品卷內(nèi)底部銅箔被壓傷或?qū)е掳櫿廴毕荨?/p>

圖3 優(yōu)化改進(jìn)后生箔機(jī)結(jié)構(gòu)型式

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)生箔機(jī)傳動(dòng)輥系結(jié)構(gòu)和張力同步控制系統(tǒng)等進(jìn)行一系列優(yōu)化改造，并采用獨(dú)特的箔面展平技術(shù)，即在溫差較大的烘箱風(fēng)機(jī)出口以及導(dǎo)輥之間跨距大易起折的導(dǎo)輥前，加裝橡膠展平輥，解決因銅箔波動(dòng)、設(shè)備缺陷等原因造成的皺折問(wèn)題。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，設(shè)備改造后使用效果良好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，生箔不再起皺，提高了銅箔幅寬利用率，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度。40臺(tái)國(guó)產(chǎn)老舊生箔機(jī)經(jīng)技術(shù)改造，重新煥發(fā)生機(jī)，不僅能滿(mǎn)足高精度超薄銅箔4.5～6μm生產(chǎn)要求，而且大大降低了設(shè)備投資成本，每臺(tái)設(shè)備改造成本不足5萬(wàn)元，生產(chǎn)的高精度超薄銅箔質(zhì)量獲得客戶(hù)好評(píng)，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。