铜箔分切机结构优化改造

阮跃进

(铜陵市华创新材料有限公司,安徽 铜陵 244000)

随着新能源电动汽车快速发展,为其配套的动力电池用负极材料锂电铜箔需求旺盛。目前国内暂时还没有针对铜箔品质特性要求制造铜箔分切机的专业厂家,如今市场上的铜箔分切机只是在原铝箔或薄膜等分切机基础上稍作改动,即作为铜箔分切机使用。铜箔与铝箔等其他材料品质特性完全不同,差异性较大,对分切机性能要求也完全不同,在使用过程中出现毛刺、压坑、铜粉、划痕、翘边和皱折等铜箔外观缺陷问题,造成客户投诉批退,经济损失较大。为此,急需对现有分切机结构提出改进,使其符合超薄铜箔生产要求[1]。

1 现有铜箔分切机存在的问题描述

1.1 铜箔分切机结构型式和工作原理

铜箔分切机主要由放卷机构、机架、分刀机构、输送辊系、传动机构、收卷机构、边料卷取机构和控制系统等组成。其工作原理为,先将生箔出来的铜箔原料卷吊运至分切机放卷机构上,从放卷机构放出的铜箔,经过若干根输送导辊进入分切机构进行铜箔幅宽分切,铜箔分切成若干段后,分别经过上、下两路导辊和收卷机构收卷成若干符合规格要求的成品卷。同时将铜箔宽度方向两端多余部分切除,通过边料卷取机构收卷成废料卷回用[2]。

1.2 现有分切机存在的问题

(1)分切装置结构问题。目前分切机切刀方式有剃刀划切和圆刀剪切两种型式。剃刀划切方式采用剃刀(或美工刀片)直接把铜箔沿厚度方向划切断开。这种方式缺点是始终使用一处刀尖切箔,时间用久了,刀刃容易磨损,易钝,不锋利。圆刀剪切方式采用的圆盘刀为上刀,与下刀配合对铜箔进行剪切,先将圆盘刀固定在刀座上,然后再将刀座套装在细长的刀架轴上,刀座可以沿刀架轴自由移动至切割位置,用紧固螺钉锁紧定位,一般一根刀轴上安装4～6把切刀,由一台电机驱动一起旋转。这种结构设计的切刀装置定位精度差,圆刀跳动和左右摆动较大,切刀无法单独径向调整和更换刀片等;分切时,容易产生大量铜粉、毛刺、翘边和铜箔端面不整齐光亮等缺陷,这些铜粉等若粘在辊子表面也易产生铜箔划线、压坑等缺陷[3]。

(2) 传动机构结构问题。分切机在设计时并未考虑主动辊与各过渡辊同步运转问题,除放卷机构、上下收卷机构外,只有牵引辊和刀槽辊是主动辊,用同步带和同步轮联接起来,由电机减速机驱动旋转,其它大部分过渡辊是被动辊,其转动完全依靠铜箔与辊面摩擦力来牵引,要克服输送辊转动阻力,与铜箔运行速度不能完全达到同步,尤其在启动、高速运行和停机时,产生相对滑动更明显,这时不仅造成辊面磨损,铜箔表面被划伤,产生划线,而且还产生铜箔皱褶和色差等缺陷。

(3) 吸尘装置等铜粉处理功能配置不完善。目前现有铜箔分切机设计上存在较多弊端,其功能配置不全,未考虑到铜箔分切过程中产生的铜粉对铜箔外观品质造成较大影响,未采取清洁、去除和收集铜粉的针对性措施。大多数铜箔分切机出厂未配置吸尘装置和清洁装置等铜粉处理设施,企业只能采用传统手工去除铜粉方式,却难以彻底清理铜粉,引起客户投诉。有的厂家虽然要求配置,但配置的吸尘装置吸尘效果不佳,形同虚设,也无法做到将铜粉去除干净。

(4) 边料收卷机构设计问题。分切机的边料收卷机构传统控制方式是利用一台电机来驱动磁粉离合器,然后再由磁粉离合器驱动收卷轴,通过调节磁粉离合器的电流来控制其所产生的阻力,以控制铜箔表面的张力。在运行时易造成磁粉的高速摩擦,产生高温,缩短其寿命,严重时会卡死,使机器运行受阻,该结构稳定性差,故障率较高。边料收卷机构一旦运行起来,铜箔分切过程中不允许出现断箔现象,否则,会导致铜箔成品卷因卷长不足而报废,给生产造成严重经济损失。

(5)输送辊制造精度问题。分切过程中,铜箔由放卷机构放出,中间经过许多导辊、过辊,最后才到收卷机构收卷成铜箔成品卷。因此,这些输送辊制造精度对铜箔外观品质影响较大,其表面不得有机械损伤或者辊面粗糙,有刀痕印等。另外,要求辊系动、静平衡要好,尤其是铝制辊还要求表面要耐磨,否则,在使用过程中与铜箔接触时,会将铜箔表面划伤或被磨损,产生箔面划线。经检测,目前分切机配套的输送辊这些质量指标都达不到要求。

(6)压平辊不平或速度不匹配。分切卷取中收卷压平辊是随着卷径的增大始终与卷材压紧的,以保证收卷辊上的铜箔板型和卷端面质量。若压平辊压不平,贴合不严,其两端对铜箔压力不均,压力大的一端会把铜箔赶向压力小的一端,赶料的同时会形成皱纹,在压平辊压力作用下则会产生皱折。若压平辊与收卷辊速度不匹配,有卡顿,压平辊与铜箔之间会产生摩擦力,在摩擦力作用下也会产生皱折。

(7) 张力控制系统控制精度问题。传统分切机张力控制系统采用电机驱动磁粉离合器方式较多,该张力控制精度不高,张力波动幅度大,运行不平稳,铜箔与输送辊之间易产生顿挫现象,极易造成铜箔表面产生划线,甚至皱折。另外,在分切过程中,张力设置过大,铜箔卷收卷时横向受力分配不均匀,铜箔卷平整度较差,极易产生皱折。若张力设置太小,铜箔卷收卷时容易发生跑边、铜箔卷松动等缺陷。

2 优化改进

针对铜箔分切机结构问题,导致铜箔在分切过程中产生各种缺陷,采取以下优化改进措施,如图1所示。

图1 优化改进后分切机结构型式Fig.1 Optimize and improved slitter structure type

2.1 分切机构结构优化改进

针对现有铜箔分切机分切机构结构不合理,存在刀座套装在基准轴上定位精度差,圆刀易跳动和左右摇摆大,调整和更换刀不便等问题,分切时易产生铜粉、毛刺和翘边等缺陷,改进思路采用圆盘刀剪切方式。先单独设计制造一个切刀总成,由轴承座、刀座及驱动电机等组成,该切刀总成从加工工艺上,将传动轴与刀座做成一体式,装上轴承,再安装到轴承座里,由微型电机单独驱动。这样减少加工累计误差,从而保证整个切刀总成旋转时,径向跳动误差可控制在0.005mm以内,左右摆动为0±0.01mm。然后在基准轴上再装上一根长直线导轨,根据切刀数量要求,配上4～6个滑块,每个滑块上装上X-Y轴手动精密十字滑台,在滑台上再装上切刀总成。这样分切时,不仅定位准确可靠,精度高,未出现摆动现象,而且切刀可以单独自由调整和更换,有效解决铜粉、毛刺和翘边等问题,满足各种规格超薄铜箔的分切要求。

2.2 传动机构结构改进

现有铜箔分切机传动机构设计时未考虑将各过渡辊与主动辊一起同步运转,结果造成铜箔在分切过程中产生划线和皱褶等缺陷。为此,在主动辊及各过渡辊的辊轴上分别加装同步带轮和转向张紧轮,通过同步带将各过渡辊与主动辊连接起来,以保证各输送辊能同步运转,减少被动辊,与铜箔之间无相对滑动。这样不仅可消除铜箔箔面出现的划线问题,减少铜箔分切中皱纹的产生,提升铜箔品质,提高铜箔成品率,并有助于铜箔分切的生产稳定,同时降低了铜箔分切时发生的色差问题,减少了铜箔的报废[4]。

2.3 铜粉处理装置等功能配置完善

铜箔分切过程中,由于分切机精度差,圆刀跳动和左右摆动较大,以及切刀磨损等均会产生大量铜粉,铜粉飘落在箔面或者粘附在辊面上,导致铜箔外观品质异常,造成客户投诉批退,经济损失较大。为此,提出以下改进思路。

(1)为便于铜粉收集,在分切机构的下刀辊上面增加除静电装置,消除铜箔与辊面之间摩擦产生的静电,减小铜粉附着力。

(2)在下刀辊下面加装铜粉自动清洁装置和大功率吸尘收集装置,先通过铜粉自动清洁装置中的旋转的毛刷辊将辊面上的铜粉进行清扫,使辊面上的铜粉掉入吸尘收集装置中的吸尘收集盒里,再经大功率吸尘器吸走,保证残留在辊面的铜粉被及时去除收集[5]。

(3)为确保铜箔成品卷箔面100%无铜粉等异物残留,在上、下收卷机构前分别加装铜箔粘尘清洁装置,通过粘尘清洁装置中的粘尘胶辊与箔面贴合,并随其一起转动,在此过程中,使得箔面上残留的铜粉被粘附到粘尘胶辊上,能够及时有效清理铜箔表面的铜粉等杂物,然后再用粘尘纸辊将粘尘胶辊上的粘附的铜粉等异物进行二次清除,从而保证粘尘胶辊表面始终保持干净,达到能重复使用,当粘尘纸辊表面粘满铜粉时,将纸卷表面一层剥去,使用下一层,直到粘尘纸辊中的纸卷全部用完,再更换新的纸卷[6]。

2.4 边料卷取机构结构改进

边料卷取机构结构以前由普通电机驱动磁粉离合器,再由磁粉离合器驱动收卷轴的。现直接改成伺服电机驱动收卷轴,这样结构简单,性能稳定,克服磁粉离合器因磁粉损耗失效造成故障率高的弊病。

2.5 输送辊制造质量提升改造

为防止铜箔在分切过程中因导辊质量问题产生划线、皱褶等缺陷,对达不到精度要求的原输送辊进行质量提升改造。具体措施:一是将各输送钢辊沿全辊面宽度方向径向开槽,槽宽0.5mm,槽深0.5mm,且相邻两槽间隔10mm,各槽口要求去毛刺倒钝,避免划伤铜箔;分切中,这些辊面开满槽的辊与铜箔接触时,可以对箔面进行舒展,还可以将铜箔与辊面之间包裹的空气排放掉,防止产生空气,造成铜箔起折。二是提高辊子加工精度,如辊面圆度、圆柱度及同轴度等形位公差误差小于0.01mm;校正辊子动平衡精度≤5g;表面粗糙度Ra值要小于0.4。

2.6 改进压平辊

改进压平辊,提高压平辊与铜箔卷材之间贴合度和平行度,并保证铜箔卷宽度上各点的压力均衡稳定,转动速度一致,表面状态平稳。具体措施:一是提高压平辊安装精度和加工精度,如压平辊与收卷辊之间水平度、平行度和辊面圆度、直线度和粗糙度等;二是压平辊两端采用调心轴承,减少转动阻力;三是根据分切铜箔卷宽度选择合适的压平辊重量也至关重要,以提高收卷压辊与铜箔卷贴合度及压紧力,避免压得太轻或太重,造成铜箔起折。通过上述改进保证了压平辊与铜箔卷始终处于良好的压紧状态,有效解决卷取时产生皱折问题。

2.7 张力控制系统优化改进

优化张力自动控制系统,控制方式由以前的电机加磁粉离合器控制改成PLC伺服电机驱动控制,并采用PID闭环动态控制,提升张力控制精度至±3N,以实现对分切机的闭环张力控制及放卷、牵引、收卷电机的同步运动控制,从而达到箔面宽度方向张力均匀一致,避免铜箔因张力波动而导致铜箔起折问题。另外,在分切过程中,张力设置过大,铜箔卷收卷时横向受力分配不均匀,铜箔卷平整度较差,随着卷径增大或重量变重,卷内底部的铜箔易被压伤等,极易产生皱折。若张力设置太小,铜箔卷收卷时容易发生跑边、铜箔卷松动等缺陷。为此,对张力控制程序做特别设计,引入锥度张力控制技术,动态调整收卷张力,随着铜箔卷直径的增大,逐步减小收卷张力,以防止铜箔卷出现内松外紧的问题,从而造成铜箔卷内底部铜箔易被压伤或产生皱折[7]。

3 结束语

通过对现有铜箔分切机在分切铜箔过程中产生的问题,根据铜箔品质特性要求,对其原因深刻分析,找到铜箔分切机结构存在的一些不足,采取一系列针对性的优化改进措施。经生产实践应用,效果良好,各种缺陷得到有效遏制,客户投诉率得到大幅降低,铜箔外观质量获得客户认可,完全满足高精度超薄铜箔生产要求,改造取得了圆满成功。