銅箔皺折原因分析與生箔機技術改造*

阮躍進

（銅陵市華創新材料有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 引言

HCXC公司是一家專業研發制造鋰電銅箔的生產廠家，2018年生產能力達到10000 t，主要生產設備有40臺國產生箔機，原產品大綱規定生產銅箔厚度規格為8～12μm。隨著新能源汽車動力電池向高能量密度、大儲量、輕量化等方向快速發展，客戶對銅箔厚度的需求由之前8～12μm轉為現在4.5～6μm為主。這對十年前購置的設備來說，是一大挑戰。一般來說，銅箔越薄，生產過程中皺折產生的概率就越大，一旦出現皺折現象，會出現停機與不停機的兩難選擇：停機檢修，箔卷長度不達標，損失較大；另外，因設備缺陷問題造成的皺折，很難在短時間內通過停機檢修解決，損失更大。針對銅箔皺折這一難題，采用纏膠帶的方式及時消除皺折，是生產一線經常采用的解決方案，這也是銅箔行業普遍采用的土辦法。這種辦法雖然能暫時解決現場問題，但又會帶來一系列新的問題：一是銅箔在經過纏上藍膠帶的導輥時，會被輥面上的凸起膠帶壓傷，這部分銅箔在分切時需要被切除，使得整個銅箔配切寬度不夠，導致寬幅利用率下降；二是輥面纏膠帶對員工技能要求高，操作難度較大，且每次停開機需重新纏，員工工作量大；三是導輥多處纏上藍膠帶影響整個設備美觀，還會讓客戶對生產的專業性與產品質量的穩定性產生疑慮。因此，急需對生箔機結構缺陷和精度進行優化改造，以達到設備運行穩定、消除銅箔皺折的目標。

2 電解銅箔生箔機結構型式和工作原理

電解銅箔生箔機結構型式如圖1所示，主要由陽極槽、陰極輥、鈍化槽、烘箱、冷風機、傳動輥系、驅動裝置、收卷裝置、整流電源和張力控制系統等組成，其工作過程為：制備過濾好的硫酸銅溶液流過陽極和陰極組成的電解槽并通入直流電進行電解，電解液中的銅離子獲得電子沉積在鈦輥表面形成銅箔，銅箔從轉動的鈦輥表面經剝離輥剝離，經過前張力輥進入鈍化槽進行防氧化處理后，經液下輥出槽至液上輥時將箔面殘液擠干，然后先通過烘箱高溫烘烤，再經冷風機冷卻干燥，最后經過導輥、后張力輥、計米輥及收卷輥收卷，獲得卷狀銅箔［1］。

圖1 原生箔機結構型式

3 銅箔皺折原因分析

3.1 銅箔皺折問題現狀

銅箔皺折主要原因是銅箔在生產過程中受到了不均衡拉力而產生的局部折皺變形，多呈折疊和揉折狀［2］。具體表現為銅箔表面不平整、應力集中、張力不均勻、紋路傾斜不正等。銅箔皺折是銅箔生產中的常見問題，也是銅箔生產痛點難題。造成銅箔皺折的因素較多，除電解液化學成分、結晶組織、添加劑、厚薄均勻性等工藝因素外，更多的是設備因素。HCXC公司的生箔機為國產設備，使用時間長，再加上國內生箔機的研發生產起步較晚，技術不成熟，設備在結構設計、制造精度和控制精度等方面存在諸多不足，在生產超薄銅箔過程中極易產生銅箔皺折缺陷，導致產量、成品率大幅下降，經濟損失較大。為了維持穩定生產，在銅箔邊部與過輥輥面接觸的地方纏上20～30mm寬的多層藍色膠帶（見圖2），將銅箔邊部墊高，調整銅箔表面平整度和各處張力的均勻性，以整平箔面紋路，達到消除銅箔皺折的目的。

圖2 生箔機纏膠帶處

3.2 銅箔皺折原因分析

生箔機在生產過程中極易產生皺折現象，本文重點從設備缺陷方面進行追根溯源，對其進行分析。

3.2.1 陰極輥制造精度不達標

陰極輥是生箔機的關鍵部件，其性能和制造精度要求極高。若陰極輥出現加工偏差大，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、有凹塌等質量缺陷或者安裝不平行等問題，都會使銅箔受力不均，易造成折皺［3］。

3.2.2 高溫烘烤、冷風機吹掃造成箔面變形和波動過大

銅箔經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］，然后用冷風機吹掃冷卻，劇烈溫差引起銅箔熱脹冷縮，使得內應力加劇，難以釋放；再加上風機風量較大，使得銅箔上下波動幅度較大。這些問題均會造成風機出口導輥的銅箔產生皺折。

3.2.3 輥系結構布局設計不合理

（1）輸送導輥之間跨距過大

銅箔在經過相鄰導輥時，一邊由兩導輥支撐著銅箔，一邊由銅箔依靠與輥面貼合的摩擦力牽引著導輥轉動。如圖1所示，剝離輥與前張力輥之間、液上輥與風機出口第一個導輥之間跨度設計較長，達到1200～1500mm，受銅箔重力作用導致中間下沉。若張力小、拉不直，易產生皺折；若張力大，銅箔即使不被拉斷，也會造成經過前張力輥輥面的銅箔產生皺折。

（2）輸送導輥之間跨距過小

在烘箱風機出口的導輥、后張力輥及計米輥三者之間，相互距離不到250mm，最佳合理跨距為600～800mm，它們均為被動導輥，數量多且相對集中。銅箔從烘箱風機出來后，受空間限制，來不及自由舒展，使得銅箔內應力無法釋放而產生皺折。

3.2.4 被動導輥設計不合理

（1）導輥作為生箔機的關鍵零件，起到輸送銅箔作用。其制造質量關系到生箔機運行的穩定性，特別是對生產超薄銅箔的制造精度要求更高。因被動輥無驅動，完全依靠銅箔與輥面之間貼合的摩擦力來帶動導輥轉動，所以，除了導輥表面光滑平整的設計要求外，還要求其轉動輕便、慣性好、靜平衡精度高。然而，目前生箔機被動導輥采用碳鋼材料制造，笨重、轉動阻力大，且輥徑設計過小，使得導輥與銅箔之間接觸包角和摩擦阻力過小，運行時導輥與銅箔之間會產生相對滑動和不同步［4］，也易造成銅箔皺折，甚至被劃傷。

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

（3）機列上的導向導輥過多，也是造成銅箔起折的原因之一。多一個導輥多一個被動力，銅箔就多一個受力點，多一個起折的點。導輥由銅箔帶動運轉，多一根輥會增大銅箔的阻力，導輥直徑越小，銅箔受力面就越小，越容易出折皺。導輥多了，使銅箔在導輥上反復上下彎曲拉伸，造成銅箔結晶組織的改變，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的面積小，受力面小，單位面積受力就增大，導致銅箔易出現皺折。

3.2.5 導輥兩端支承軸承選型不合理

導輥兩端支承軸承選型很關鍵，尤其是被動導輥。銅箔越薄，要求軸承轉動輕便靈活，慣性大。而原生箔機導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等重型設備上，該軸承存在旋轉精度低、轉動摩擦阻力大等缺點，在銅箔貼合輥面牽引被動導輥運轉時，因導輥轉動阻力大帶不動，這時銅箔與輥面之間產生相對滑動，導致導輥與銅箔之間不同步，易造成銅箔折皺現象。

3.2.6 收卷裝置缺陷

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

（1）收卷輥直徑過小，銅箔彎曲程度大，就會造成銅箔晶粒組織變形，產生皺折。

（2）收卷壓平輥隨著卷徑的增大始終與卷材保持壓緊狀態。若壓平輥壓不平，貼合不嚴，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生摩擦力，在摩擦力作用下也會產生皺折。

3.2.7 張力自動控制系統精度低

生箔機張力控制系統的設計非常關鍵，它涉及生箔機能否穩定運行。原生箔機張力控制系統功能配置不完善、控制精度低，運行過程中張力波動幅度大、同步性較差、運行不平穩。銅箔與輸送輥之間時常出現一松一緊和一快一慢的卡頓現象，極易導致銅箔表面產生皺折。另外，在生產過程中，若張力設置過大，銅箔卷收卷時橫向受力分配不均勻，銅箔卷平整度較差，極易產生皺折；若張力設置太小，銅箔卷收卷時容易“跑偏”或產生箔卷松動問題。

4 改造措施

針對國產生箔機結構設計不合理、制造精度和控制精度不高，設備性能跟不上超薄銅箔制造要求，造成銅箔在生產過程中極易出現皺折而需要纏膠帶的問題，提出以下改造措施，具體見圖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、安裝精度和表面質量等對銅箔質量至關重要。相關精度要求為：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，并與其他導輥保持相互平行，運轉圓滑勻速，無卡頓現象［5］。

4.2 增加橡膠展平輥裝置

（1）在生箔機烘箱和冷風機出口，銅箔易出現起皺打折的導輥前200mm處，這一特殊位置加裝特別設計的橡膠展平輥裝置。通過調整弧高，對銅箔箔面進行展平，使起折皺的箔面從中間向兩側慢慢舒展，箔面張力均勻，折皺難以產生；同時，高彈性橡膠展平輥輥面與銅箔接觸時能快速抵消來自經高溫烘烤等產生的各種應力，從而消除因應力集中造成的折皺現象。

（2）剝離輥與前張力輥之間跨距較長，達到1500mm。箔面因重力作用導致中間下沉，造成前張力輥上的銅箔容易產生皺折。針對這一現象，同樣在靠近前張力輥200mm處加裝特別設計的展平輥裝置，通過調整弧高對銅箔箔面進行展平，使銅箔從中間向兩側舒展，使起折皺箔面紋路無法聚集，從而達到消除皺折的目的。

4.3 輥系結構布局重新合理調整

（1）縮短剝離輥與前張力輥之間、液上輥烘箱和冷風機出口的導輥之間的跨距，達到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）對烘箱和冷風機出口至收卷輥前的導輥進行調整，將計米輥和張力輥合二為一，使得原來3根導輥改成2根，縮短銅箔行程長度。再將另一導輥位置下移，適當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 導輥設計優化更換

（1）對被動導輥進行輕量化改造，將材質由碳素鋼改成鋁合金；增大導輥直徑，將輥徑由原來的φ150mm增大至φ200mm，增大銅箔受力面積，同時減少銅箔在輥面的彎曲度，減輕導輥摩擦轉動阻力和銅箔牽引力，達到銅箔傳輸同步平穩控制的效果。

（2）提高導輥機械加工精度和定期校正各導輥的水平和平行安裝精度，保證運轉時與陰極輥始終保持平行對正，使銅箔受到的拉力均勻一致。

（3）盡量減少機列上導輥數量，減少傳動阻力，縮短銅箔總行程，以減少收卷張力。

4.5 導輥兩端軸承重新選型

將傳動輥兩端軸承由帶座外球面球軸承改成調心球軸承，提高了旋轉精度，降低了摩擦阻力，提升了傳動慣性，從而減輕銅箔牽引力，使銅箔與導輥之間運轉速度高度同步，最終可以避免二者之間因產生相對滑動而導致銅箔皺折現象。

4.6 收卷裝置改進

（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象，尤其是減少超薄銅箔的皺折?，F在行業中有的收卷輥筒直徑為200～300mm，且表面涂膠。

（2）改進壓平輥，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的壓力均衡穩定，轉動速度一致。具體措施：一是改進壓緊方式，先在收卷裝置兩側安裝精密直線導軌，將壓平輥兩端軸承座固定在摩擦阻力小的直線導軌副的滑塊上，然后在兩端滑塊上系上鋼絲繩，鋼絲繩通過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，并隨卷徑增大推動壓平輥同步移動，可取代之前因氣壓不穩而造成壓緊力波動的氣缸控制方式；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心軸承，減少轉動阻力。如此，保證了壓平輥與銅箔卷始終處于良好的壓緊狀態，有效解決了卷取時產生皺折問題。

4.7 張力同步控制系統精度優化提升

張力同步控制系統決定了設備運行的精準度和穩定性。采用日本三菱PLC伺服電機驅動控制系統，并采用PID閉環自動控制，將張力控制精度提升至±3N，使各傳動輥運轉達到高度同步穩定，從而達到箔面寬度方向張力均勻一致，避免銅箔因張力波動產生皺折現象。在生產過程中，張力設置過大，銅箔收卷時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，卷內底部銅箔易被壓傷或產生皺折；若張力設置太小，銅箔收卷時容易發生“跑偏”或箔卷松動問題。為此，動態設置收卷張力，達到箔卷直徑增大和張力逐步減小的效果［7］，以避免成品卷內底部銅箔被壓傷或導致皺折缺陷。

圖3 優化改進后生箔機結構型式

5 結束語

通過對生箔機傳動輥系結構和張力同步控制系統等進行一系列優化改造，并采用獨特的箔面展平技術，即在溫差較大的烘箱風機出口以及導輥之間跨距大易起折的導輥前，加裝橡膠展平輥，解決因銅箔波動、設備缺陷等原因造成的皺折問題。經生產實踐驗證，設備改造后使用效果良好，設備運行穩定，生箔不再起皺，提高了銅箔幅寬利用率，降低了員工勞動強度。40臺國產老舊生箔機經技術改造，重新煥發生機，不僅能滿足高精度超薄銅箔4.5～6μm生產要求，而且大大降低了設備投資成本，每臺設備改造成本不足5萬元，生產的高精度超薄銅箔質量獲得客戶好評，提高了企業競爭力和經濟效益。