銅箔分切機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

阮躍進(jìn)

(銅陵市華創(chuàng)新材料有限公司,安徽 銅陵 244000)

隨著新能源電動汽車快速發(fā)展,為其配套的動力電池用負(fù)極材料鋰電銅箔需求旺盛。目前國內(nèi)暫時還沒有針對銅箔品質(zhì)特性要求制造銅箔分切機(jī)的專業(yè)廠家,如今市場上的銅箔分切機(jī)只是在原鋁箔或薄膜等分切機(jī)基礎(chǔ)上稍作改動,即作為銅箔分切機(jī)使用。銅箔與鋁箔等其他材料品質(zhì)特性完全不同,差異性較大,對分切機(jī)性能要求也完全不同,在使用過程中出現(xiàn)毛刺、壓坑、銅粉、劃痕、翹邊和皺折等銅箔外觀缺陷問題,造成客戶投訴批退,經(jīng)濟(jì)損失較大。為此,急需對現(xiàn)有分切機(jī)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn),使其符合超薄銅箔生產(chǎn)要求[1]。

1 現(xiàn)有銅箔分切機(jī)存在的問題描述

1.1 銅箔分切機(jī)結(jié)構(gòu)型式和工作原理

銅箔分切機(jī)主要由放卷機(jī)構(gòu)、機(jī)架、分刀機(jī)構(gòu)、輸送輥系、傳動機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、邊料卷取機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成。其工作原理為,先將生箔出來的銅箔原料卷吊運(yùn)至分切機(jī)放卷機(jī)構(gòu)上,從放卷機(jī)構(gòu)放出的銅箔,經(jīng)過若干根輸送導(dǎo)輥進(jìn)入分切機(jī)構(gòu)進(jìn)行銅箔幅寬分切,銅箔分切成若干段后,分別經(jīng)過上、下兩路導(dǎo)輥和收卷機(jī)構(gòu)收卷成若干符合規(guī)格要求的成品卷。同時將銅箔寬度方向兩端多余部分切除,通過邊料卷取機(jī)構(gòu)收卷成廢料卷回用[2]。

1.2 現(xiàn)有分切機(jī)存在的問題

(1)分切裝置結(jié)構(gòu)問題。目前分切機(jī)切刀方式有剃刀劃切和圓刀剪切兩種型式。剃刀劃切方式采用剃刀(或美工刀片)直接把銅箔沿厚度方向劃切斷開。這種方式缺點(diǎn)是始終使用一處刀尖切箔,時間用久了,刀刃容易磨損,易鈍,不鋒利。圓刀剪切方式采用的圓盤刀為上刀,與下刀配合對銅箔進(jìn)行剪切,先將圓盤刀固定在刀座上,然后再將刀座套裝在細(xì)長的刀架軸上,刀座可以沿刀架軸自由移動至切割位置,用緊固螺釘鎖緊定位,一般一根刀軸上安裝4～6把切刀,由一臺電機(jī)驅(qū)動一起旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的切刀裝置定位精度差,圓刀跳動和左右擺動較大,切刀無法單獨(dú)徑向調(diào)整和更換刀片等;分切時,容易產(chǎn)生大量銅粉、毛刺、翹邊和銅箔端面不整齊光亮等缺陷,這些銅粉等若粘在輥?zhàn)颖砻嬉惨桩a(chǎn)生銅箔劃線、壓坑等缺陷[3]。

(2) 傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)問題。分切機(jī)在設(shè)計(jì)時并未考慮主動輥與各過渡輥同步運(yùn)轉(zhuǎn)問題,除放卷機(jī)構(gòu)、上下收卷機(jī)構(gòu)外,只有牽引輥和刀槽輥是主動輥,用同步帶和同步輪聯(lián)接起來,由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn),其它大部分過渡輥是被動輥,其轉(zhuǎn)動完全依靠銅箔與輥面摩擦力來牽引,要克服輸送輥轉(zhuǎn)動阻力,與銅箔運(yùn)行速度不能完全達(dá)到同步,尤其在啟動、高速運(yùn)行和停機(jī)時,產(chǎn)生相對滑動更明顯,這時不僅造成輥面磨損,銅箔表面被劃傷,產(chǎn)生劃線,而且還產(chǎn)生銅箔皺褶和色差等缺陷。

(3) 吸塵裝置等銅粉處理功能配置不完善。目前現(xiàn)有銅箔分切機(jī)設(shè)計(jì)上存在較多弊端,其功能配置不全,未考慮到銅箔分切過程中產(chǎn)生的銅粉對銅箔外觀品質(zhì)造成較大影響,未采取清潔、去除和收集銅粉的針對性措施。大多數(shù)銅箔分切機(jī)出廠未配置吸塵裝置和清潔裝置等銅粉處理設(shè)施,企業(yè)只能采用傳統(tǒng)手工去除銅粉方式,卻難以徹底清理銅粉,引起客戶投訴。有的廠家雖然要求配置,但配置的吸塵裝置吸塵效果不佳,形同虛設(shè),也無法做到將銅粉去除干凈。

(4) 邊料收卷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。分切機(jī)的邊料收卷機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)控制方式是利用一臺電機(jī)來驅(qū)動磁粉離合器,然后再由磁粉離合器驅(qū)動收卷軸,通過調(diào)節(jié)磁粉離合器的電流來控制其所產(chǎn)生的阻力,以控制銅箔表面的張力。在運(yùn)行時易造成磁粉的高速摩擦,產(chǎn)生高溫,縮短其壽命,嚴(yán)重時會卡死,使機(jī)器運(yùn)行受阻,該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,故障率較高。邊料收卷機(jī)構(gòu)一旦運(yùn)行起來,銅箔分切過程中不允許出現(xiàn)斷箔現(xiàn)象,否則,會導(dǎo)致銅箔成品卷因卷長不足而報(bào)廢,給生產(chǎn)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

(5)輸送輥制造精度問題。分切過程中,銅箔由放卷機(jī)構(gòu)放出,中間經(jīng)過許多導(dǎo)輥、過輥,最后才到收卷機(jī)構(gòu)收卷成銅箔成品卷。因此,這些輸送輥制造精度對銅箔外觀品質(zhì)影響較大,其表面不得有機(jī)械損傷或者輥面粗糙,有刀痕印等。另外,要求輥系動、靜平衡要好,尤其是鋁制輥還要求表面要耐磨,否則,在使用過程中與銅箔接觸時,會將銅箔表面劃傷或被磨損,產(chǎn)生箔面劃線。經(jīng)檢測,目前分切機(jī)配套的輸送輥這些質(zhì)量指標(biāo)都達(dá)不到要求。

(6)壓平輥不平或速度不匹配。分切卷取中收卷壓平輥是隨著卷徑的增大始終與卷材壓緊的,以保證收卷輥上的銅箔板型和卷端面質(zhì)量。若壓平輥壓不平,貼合不嚴(yán),其兩端對銅箔壓力不均,壓力大的一端會把銅箔趕向壓力小的一端,趕料的同時會形成皺紋,在壓平輥壓力作用下則會產(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產(chǎn)生摩擦力,在摩擦力作用下也會產(chǎn)生皺折。

(7) 張力控制系統(tǒng)控制精度問題。傳統(tǒng)分切機(jī)張力控制系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動磁粉離合器方式較多,該張力控制精度不高,張力波動幅度大,運(yùn)行不平穩(wěn),銅箔與輸送輥之間易產(chǎn)生頓挫現(xiàn)象,極易造成銅箔表面產(chǎn)生劃線,甚至皺折。另外,在分切過程中,張力設(shè)置過大,銅箔卷收卷時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,銅箔卷收卷時容易發(fā)生跑邊、銅箔卷松動等缺陷。

2 優(yōu)化改進(jìn)

針對銅箔分切機(jī)結(jié)構(gòu)問題,導(dǎo)致銅箔在分切過程中產(chǎn)生各種缺陷,采取以下優(yōu)化改進(jìn)措施,如圖1所示。

圖1 優(yōu)化改進(jìn)后分切機(jī)結(jié)構(gòu)型式Fig.1 Optimize and improved slitter structure type

2.1 分切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

針對現(xiàn)有銅箔分切機(jī)分切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不合理,存在刀座套裝在基準(zhǔn)軸上定位精度差,圓刀易跳動和左右搖擺大,調(diào)整和更換刀不便等問題,分切時易產(chǎn)生銅粉、毛刺和翹邊等缺陷,改進(jìn)思路采用圓盤刀剪切方式。先單獨(dú)設(shè)計(jì)制造一個切刀總成,由軸承座、刀座及驅(qū)動電機(jī)等組成,該切刀總成從加工工藝上,將傳動軸與刀座做成一體式,裝上軸承,再安裝到軸承座里,由微型電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。這樣減少加工累計(jì)誤差,從而保證整個切刀總成旋轉(zhuǎn)時,徑向跳動誤差可控制在0.005mm以內(nèi),左右擺動為0±0.01mm。然后在基準(zhǔn)軸上再裝上一根長直線導(dǎo)軌,根據(jù)切刀數(shù)量要求,配上4～6個滑塊,每個滑塊上裝上X-Y軸手動精密十字滑臺,在滑臺上再裝上切刀總成。這樣分切時,不僅定位準(zhǔn)確可靠,精度高,未出現(xiàn)擺動現(xiàn)象,而且切刀可以單獨(dú)自由調(diào)整和更換,有效解決銅粉、毛刺和翹邊等問題,滿足各種規(guī)格超薄銅箔的分切要求。

2.2 傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

現(xiàn)有銅箔分切機(jī)傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時未考慮將各過渡輥與主動輥一起同步運(yùn)轉(zhuǎn),結(jié)果造成銅箔在分切過程中產(chǎn)生劃線和皺褶等缺陷。為此,在主動輥及各過渡輥的輥軸上分別加裝同步帶輪和轉(zhuǎn)向張緊輪,通過同步帶將各過渡輥與主動輥連接起來,以保證各輸送輥能同步運(yùn)轉(zhuǎn),減少被動輥,與銅箔之間無相對滑動。這樣不僅可消除銅箔箔面出現(xiàn)的劃線問題,減少銅箔分切中皺紋的產(chǎn)生,提升銅箔品質(zhì),提高銅箔成品率,并有助于銅箔分切的生產(chǎn)穩(wěn)定,同時降低了銅箔分切時發(fā)生的色差問題,減少了銅箔的報(bào)廢[4]。

2.3 銅粉處理裝置等功能配置完善

銅箔分切過程中,由于分切機(jī)精度差,圓刀跳動和左右擺動較大,以及切刀磨損等均會產(chǎn)生大量銅粉,銅粉飄落在箔面或者粘附在輥面上,導(dǎo)致銅箔外觀品質(zhì)異常,造成客戶投訴批退,經(jīng)濟(jì)損失較大。為此,提出以下改進(jìn)思路。

(1)為便于銅粉收集,在分切機(jī)構(gòu)的下刀輥上面增加除靜電裝置,消除銅箔與輥面之間摩擦產(chǎn)生的靜電,減小銅粉附著力。

(2)在下刀輥下面加裝銅粉自動清潔裝置和大功率吸塵收集裝置,先通過銅粉自動清潔裝置中的旋轉(zhuǎn)的毛刷輥將輥面上的銅粉進(jìn)行清掃,使輥面上的銅粉掉入吸塵收集裝置中的吸塵收集盒里,再經(jīng)大功率吸塵器吸走,保證殘留在輥面的銅粉被及時去除收集[5]。

(3)為確保銅箔成品卷箔面100%無銅粉等異物殘留,在上、下收卷機(jī)構(gòu)前分別加裝銅箔粘塵清潔裝置,通過粘塵清潔裝置中的粘塵膠輥與箔面貼合,并隨其一起轉(zhuǎn)動,在此過程中,使得箔面上殘留的銅粉被粘附到粘塵膠輥上,能夠及時有效清理銅箔表面的銅粉等雜物,然后再用粘塵紙輥將粘塵膠輥上的粘附的銅粉等異物進(jìn)行二次清除,從而保證粘塵膠輥表面始終保持干凈,達(dá)到能重復(fù)使用,當(dāng)粘塵紙輥表面粘滿銅粉時,將紙卷表面一層剝?nèi)?使用下一層,直到粘塵紙輥中的紙卷全部用完,再更換新的紙卷[6]。

2.4 邊料卷取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

邊料卷取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)以前由普通電機(jī)驅(qū)動磁粉離合器,再由磁粉離合器驅(qū)動收卷軸的?，F(xiàn)直接改成伺服電機(jī)驅(qū)動收卷軸,這樣結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,克服磁粉離合器因磁粉損耗失效造成故障率高的弊病。

2.5 輸送輥制造質(zhì)量提升改造

為防止銅箔在分切過程中因?qū)л佡|(zhì)量問題產(chǎn)生劃線、皺褶等缺陷,對達(dá)不到精度要求的原輸送輥進(jìn)行質(zhì)量提升改造。具體措施:一是將各輸送鋼輥沿全輥面寬度方向徑向開槽,槽寬0.5mm,槽深0.5mm,且相鄰兩槽間隔10mm,各槽口要求去毛刺倒鈍,避免劃傷銅箔;分切中,這些輥面開滿槽的輥與銅箔接觸時,可以對箔面進(jìn)行舒展,還可以將銅箔與輥面之間包裹的空氣排放掉,防止產(chǎn)生空氣,造成銅箔起折。二是提高輥?zhàn)蛹庸ぞ?如輥面圓度、圓柱度及同軸度等形位公差誤差小于0.01mm;校正輥?zhàn)觿悠胶饩取?g;表面粗糙度Ra值要小于0.4。

2.6 改進(jìn)壓平輥

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)動速度一致,表面狀態(tài)平穩(wěn)。具體措施:一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;二是壓平輥兩端采用調(diào)心軸承,減少轉(zhuǎn)動阻力;三是根據(jù)分切銅箔卷寬度選擇合適的壓平輥重量也至關(guān)重要,以提高收卷壓輥與銅箔卷貼合度及壓緊力,避免壓得太輕或太重,造成銅箔起折。通過上述改進(jìn)保證了壓平輥與銅箔卷始終處于良好的壓緊狀態(tài),有效解決卷取時產(chǎn)生皺折問題。

2.7 張力控制系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

優(yōu)化張力自動控制系統(tǒng),控制方式由以前的電機(jī)加磁粉離合器控制改成PLC伺服電機(jī)驅(qū)動控制,并采用PID閉環(huán)動態(tài)控制,提升張力控制精度至±3N,以實(shí)現(xiàn)對分切機(jī)的閉環(huán)張力控制及放卷、牽引、收卷電機(jī)的同步運(yùn)動控制,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而導(dǎo)致銅箔起折問題。另外,在分切過程中,張力設(shè)置過大,銅箔卷收卷時橫向受力分配不均勻,銅箔卷平整度較差,隨著卷徑增大或重量變重,卷內(nèi)底部的銅箔易被壓傷等,極易產(chǎn)生皺折。若張力設(shè)置太小,銅箔卷收卷時容易發(fā)生跑邊、銅箔卷松動等缺陷。為此,對張力控制程序做特別設(shè)計(jì),引入錐度張力控制技術(shù),動態(tài)調(diào)整收卷張力,隨著銅箔卷直徑的增大,逐步減小收卷張力,以防止銅箔卷出現(xiàn)內(nèi)松外緊的問題,從而造成銅箔卷內(nèi)底部銅箔易被壓傷或產(chǎn)生皺折[7]。

3 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有銅箔分切機(jī)在分切銅箔過程中產(chǎn)生的問題,根據(jù)銅箔品質(zhì)特性要求,對其原因深刻分析,找到銅箔分切機(jī)結(jié)構(gòu)存在的一些不足,采取一系列針對性的優(yōu)化改進(jìn)措施。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用,效果良好,各種缺陷得到有效遏制,客戶投訴率得到大幅降低,銅箔外觀質(zhì)量獲得客戶認(rèn)可,完全滿足高精度超薄銅箔生產(chǎn)要求,改造取得了圓滿成功。