静电吸附装置在薄膜拉伸领域的应用和改进

2018-01-18

制造业自动化 2017年9期

（北京机械工业自动化研究所自控中心，北京 100120）

1 概述

1.1 塑料薄膜成型工艺简介

目前塑料薄膜的成型方法基本分为压延法、流延法、平膜拉伸法、管膜法、真空射溅法等，如图1所示。其中平膜拉伸法与管膜法为双向拉伸生产方式的两种常见工艺。

在上述膜成型生产方法中，目前应用最多的是管膜法吹塑薄膜生产技术用于生产农用膜、地膜及通用包装材料；平膜双向拉伸法生产的薄膜厚度均匀、拉伸强度高，主要用来生产用于制造高级包装膜、光学膜、电池隔膜、太阳能背板膜等高端产品的薄膜。以上两种成型方法是目前薄膜成型技术的主流方式。

图1 薄膜成型生产方法

管膜法属双向一步拉伸法；平膜法又分为双向一步拉伸、双向两步拉伸以及双向三步拉伸三种方法。管膜法具有设备简单、投资少、占地小、无边料损失、操作简单等优点，但由于存在生产效率低、产品厚度公差大等缺点，自20世纪80年代以来几乎没有发展，目前仅用于生产PP、PVC热收缩膜等特殊品种。平膜双向一步拉伸法制得的产品纵横向性能均衡，拉伸过程中几乎不破膜，但因设备复杂、制造困难、价格昂贵、边料损失多、难于高速化、产品厚度受限制等问题，目前尚未得到大规模采用。而双向两步拉伸法设备成熟、生产效率高、适于大批量生产，被绝大多数企业所采用。

1.2 平膜拉伸工艺简介

典型单/多层挤出-双向二次拉伸法薄膜生产工艺流程图如图2所示。

1.3 挤出和铸片系统

挤出与铸片是指在平膜拉膜生产线上物料经过配料与混合以及结晶与干燥的过程后，物料经挤出机形成熔融体，通过计量泵前后粗、精过滤器，在计量泵压力的推动下，强行通过模头的长形口膜，并在外力（静电、气流、真空）作用下，使熔融体迅速贴附在冷鼓（也称急冷辊）表面上冷却结晶制成固态片材的过程。

挤出铸片工艺流程如图3所示。

1.4 塑料薄膜平膜拉伸设备中的附片技术

附片装置是挤出和铸片系统的关键一环，是它将挤出的片材紧密地贴附在急冷辊上，如果薄膜不能紧密贴合急冷辊，膜与辊之间将混入空气造成薄膜局部冷却不均产品质量不稳定易造成产品质量缺陷。附片技术的成熟与否，直接关系到薄膜生产的成与败。

图2 典型单/多层挤出-双向二次拉伸法薄膜生产工艺流程图

图3 挤出铸片工艺流程图

常见的铸片附片装置有静电吸附装置、真空吸附装置、气刀贴附装置、接触辊贴附装置等。

1.5 静电吸附原理在塑料拉薄膜生产中的应用

静电吸附装置附片是平膜拉伸工艺生产中应用较普遍的附片方法，特别适合于生产PET（聚酯）、PA（尼龙）等材料的拉伸工艺，其作用是使铸片与急冷辊紧密接触，防止急冷辊快速转动时卷入空气，以保证传热、冷却效果。静电吸附装置由金属丝电极（0.15～0.18mm的钼丝或钨丝）、高压发生器及电极丝卷曲电机等组成。其工作原理是：利用高压发生器产生的数千至上万伏直流电压（6～12kV），使电极丝、铸片辊分别变成负极和正极（铸片辊接地），膜材在此高压静电场中因静电感应而带上与铸片辊极性相反的静电荷，在异性相吸的作用下，膜材与急冷辊表面紧密吸附在一起，达到排除空气和均匀冷却膜片的目的。由于电极丝在生产过程中容易吸附膜材的挥发物而影响吸附效果，故而须将静电丝设计成按一定速度运动的状态而保持电极丝实时更新。静电吸附装置主要由以下部分组成：电极丝收丝端、电极丝放丝端、高压发生器以及三维位置调节机构等相关部件。

2 静电吸附装置的结构和改进

下面着重静电吸附装置的结构和改进的过程。

2.1 静电吸附装置的结构和工作原理

静电丝（0.15～0.18mm的钼丝或钨丝）被接入高压电源（6～12kV），在收丝端伺服电机的驱动下，以缓慢的速度（约0.5m～1m/min）由放丝端的放丝轮卷入收丝端的收丝轮。为了使静电丝保持平直，静电丝需要保持一定的张力。通过三维调节机构，使静电丝与铸片辊保持正确的工作位置。

图4 静电吸附装置

2.2 阻尼装置的改进

阻尼装置为静电丝保持平直的工作状态提供适宜、稳定的张力，现对以下两种提供收丝张力的装置进行比较。

2.2.1 永磁铁手调张力阻尼器

为了使静电吸附丝始终处于紧绷状态而又不至于被拉断，需要在收放丝轮之间建立一定的张力，最初的设计是在放丝轴上安装一只永磁铁制动器，可根据经验判断静电丝的张紧程度而进行手动调节制动器的扭矩，但随着放丝轮外径的递减，静电丝的张力也随之衰减，这样就要经常对永磁铁制动器进行调节，这样的设计不仅增加了操作人员的劳动强度，而且对操作人员的操作经验提出了较高的要求。

图5 放丝端手调张力阻尼器示意图

2.2.2 磁滞自动张力阻尼器

鉴于永磁铁手调张力阻尼器的诸多缺陷，我们将永磁制动器换成磁滞制动器，可通过电流调节制动器扭矩，并在收丝端安装张力传感器，在上位机上设定张力，根据设定张力，系统自动调节磁滞制动器的电流，闭环控制扭矩，达到张力自动调节的效果。改进后的静电丝运行平稳，张力基本保持恒定，贴附效果显著提高。

图6 放丝端磁滞制动器示意图

2.3 收丝轮排线机构的改进

静电丝在释放静电的同时，还要以非常缓慢的速度行走，以达到实时更新的目的，这个过程是由收丝端伺服电机带动收丝轮旋转实现的。收丝轮的外径×内径×高度为：Φ90×Φ60×15；如果静电丝总在收丝轮宽度的一个位置缠绕的话，势必形成一个尖点，很容易造成垮塌现象从而引起静电丝的张力瞬时波动，影响贴附效果，甚至造成静电丝与膜片接触放电、击穿膜片的现象，因此必须在收丝端设计静电丝的排线装置，使静电丝在收丝轮的宽度方向上有序排列，这样对静电丝的张力稳定是十分有益的。静电丝的排线机构我们也是经过多次改进而形成今天的设计效果。

以下为改进过程。

2.3.1 圆锥齿轮传动导轮游动排线

图7 圆锥齿轮传动导轮

最初的设计是在收丝主轴上安装一圆锥齿轮副，通过圆锥齿轮副带动凸轮轴的旋转和垂直换向运动，通过凸轮副的运动，带动直线导轨上的导向轮进行上下往复运动，从而达到静电丝在收丝轮上的有序排布。通过生产过程的实践，发现以上设计存在诸多缺陷，首先，结构复杂安装精度难以保证；其次，由于结构的限制，圆锥齿轮的速比无法做到很大（目前是1:2），丝轮轴每转2周，导轮就要游动一个周期，不仅造成静电丝张力波动，而且排线间隙过大，造成收丝轮空隙过大，更换收丝轮过于频繁。

3.2 往复螺纹导轮排线

为了简化结构，我们借鉴了电线生产行业的布线机构，利用带有往复螺纹的槽筒作为导向轮，实现静电丝在收丝轮上的排布。虽然结构大大简化了，但槽筒外径受结构的限制无法做到大直径，往复螺纹也难以做到多匝结构，以上的缺陷也无法有效克服。

3.3 蜗杆传动槽轮机构收丝轮游动排线

通过以上两种排线机构的缺陷分析，我们确定了需要突破的两个关键问题：其一是导轮游动属于强制排线，会引起静电丝的张力波动；其二排线游动的速度如果与收丝轮转动速度过于接近，会造成排线间隙过大，静电丝在收丝轮上空隙过大，更换收丝轮过于频繁。

图8 往复螺纹导向轮示意图

抓住以上的关键点，我们的研发有了明确的方向，通过参考类似机构（钓鱼竿收线轮等），我们设计出第三套方案：主传动轴设计成花键轴，在花键轴上套一个单头蜗杆，与蜗杆配套的蜗轮端面上安装一个偏心滚轮，偏心滚轮带动直线导轨上的滑体做上下往复游动，滑体上装有拨轮机构，拨轮带动与花键轴配合的花键套往复运动，而与花键套刚性连接的收丝轮同时进行往复运动。由于导轮是不做往复运动的，而收丝轮的运动不会造成对静电丝的强制移动，又能让静电丝整齐地在收丝轮的宽度空间上有序排列，也不会造成静电丝的张力剧烈波动，这样第一个问题就迎刃而解了。至于第二个问题，由于是蜗轮蜗杆传动，其特点是可实现大速比，前面我们提到收丝轮的高度是15mm；静电丝的直径是0.15～0.18mm；我们将静电丝的排列间隙设定为0.2mm，这样收丝轮宽度上排满为：15mm/0.2mm=75匝；也就是说收丝轮旋转75转，由上到下游动一个周期，也就是装有偏心滚轮的蜗轮旋转1/2圈；这样我们计算出蜗轮蜗杆的传动比需要1:150（75×2），这样收丝轮（蜗杆）每转动150转，蜗轮旋转一周，而蜗轮上的偏心滚轮一个轮回。由速比可知，蜗轮的齿数需要150齿，模数为1的蜗轮分度圆直径d=m×z=150×1=φ150mm，由于空间的限制，蜗轮的外径最好限制在φ60mm以内，我们取蜗轮分度圆直径d=φ58，齿数z=58，外径φ60mm，速比=1:58，也就是蜗轮旋转0.5圈收丝轮排满一个高度，58/2=29匝，反算，静电丝间距约等于0.5mm。这样就大大缩小了静电丝的排列间隙，使收丝轮使用效率得到有效提高。