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 蔣俊坤  董為民  張少鶴  羅勁松  相元杰  涂皓

（1．昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電裝備集成開發(fā)研究所；2．云南銅業(yè)股份有限公司）

摘要  通過分析Cu電解過程中影響始極片懸垂度的主要因素，設(shè)計(jì)了一種在始極片正反兩面壓制連續(xù)的寬紋來提高其懸垂度的方法。利用Deform-3D軟件建立了變厚度(0. 8～1.5 mm)始極片壓紋整形的有限元模型，分析新設(shè)計(jì)的寬紋紋路是否有效，當(dāng)懸垂度達(dá)到±5 mm，符合企業(yè)要求。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，隨機(jī)選取26組始極片進(jìn)行壓紋整形試驗(yàn)，結(jié)果約70%的始極片懸垂度達(dá)到±5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，與模擬結(jié)果相符合，能夠滿足生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞  Cu電解傳統(tǒng)法；始極片懸垂度；Deform-3D

 傳統(tǒng)電解法精煉Cu生產(chǎn)工藝成熟可靠，在其生產(chǎn)過程中粗Cu板（陽極）和始極片（陰極）的懸垂度對(duì)陰極Cu質(zhì)量的影響很大。較差的懸垂度會(huì)引起短路、陰極Cu表面長(zhǎng)粒子和析出厚度不均勻等一系列問題。由于Cu始極片厚度較薄（1 mm左右），且厚薄不均勻，軟硬程度不易控制，使懸垂度的控制有一定的難度，而有效提高Cu始極片懸垂度的方法還有待探索。

 目前大多數(shù)Cu電解精煉使用反彎矯直理論指導(dǎo)始極片整形，但整形后的始極片懸垂度波動(dòng)較大，質(zhì)量不穩(wěn)定。反彎矯直理論對(duì)于始極片厚度范圍要求較高，一旦始極片的厚度參數(shù)有變化時(shí)其整形效果就會(huì)顯著下降，需要重新調(diào)整設(shè)備參數(shù)，從而降低生產(chǎn)效率。因此，研究如何高效地提高始極片的懸垂度是提高陰極Cu質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

1  影響Cu始極片懸垂度的主要因素

 Cu始極片加工工藝流程包括：電解，出槽剝離，輸送儲(chǔ)存，整形，掛耳上導(dǎo)電棒。始極片總體要求為：結(jié)晶致密、表面平滑無粒子，各處厚薄均勻，具有較高的懸垂度。

1.1彈性

 電解槽內(nèi)溫度、電解液流速、Cu離子濃度和添加劑（骨膠、硫脲、鹽酸等）的加入量都會(huì)影響始極片彈性。這些因素中，添加劑對(duì)其彈性影響最大。

1.2厚度

 生產(chǎn)實(shí)踐表明，厚的始極片比薄的始極片其整形效果更好，更易得到較好的懸垂度，所以始極片厚度由原來的0. 4～0.5 mm逐漸增加到0.8～1.O mm。始極片的最佳厚度為0.9 mm。

 加工性能好的始極片應(yīng)該是單張厚薄均勻和同一批始極片厚度差異小。單張始極片厚薄不均，通過反彎矯直機(jī)時(shí)，輥?zhàn)訉?duì)各部分壓力不同，易產(chǎn)生碾壓變形，導(dǎo)致瓢曲。同一批始極片厚度差異大，整形機(jī)組設(shè)定的參數(shù)難以適應(yīng)始極片厚度的變化，從而不能保證整形效果。

1.3加工工藝

 目前，大多數(shù)企業(yè)采用以反彎矯直機(jī)和軋紋機(jī)為主的反彎式整形裝置。先矯平再壓紋，一方面使已矯平的板再次出現(xiàn)應(yīng)力分布不均，另一方面會(huì)使彎曲或卷曲變形得不到消除，使始極片容易發(fā)生變形。經(jīng)過反彎輥式整形后其懸垂度效果不穩(wěn)定，達(dá)不到±5 mm的要求。反彎輥式整形中軋紋是壓制窄紋，其壓紋越深懸垂度越好，但壓紋過深，在其電解中易在紋路上長(zhǎng)粒子，發(fā)生尖端放電現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短路。

 由于原反彎整形、軋制窄紋和整體整形的工藝存在不足，根據(jù)寬紋整形思路設(shè)計(jì)了一種寬紋紋路，在始極片正反兩面逐漸地壓制15條連續(xù)的寬紋，以提高其懸垂度、增加其剛度及減少紋路上長(zhǎng)粒子的可能性。

圖1為Cu始極片壓紋整形示意圖。壓紋整形裝置包括對(duì)輥1～3。通過對(duì)輥1在始極片正反兩面壓制出五條連續(xù)的寬紋，對(duì)輥2、對(duì)輥3分別在這5條寬紋中間各壓制一條紋，共計(jì)15條紋路，壓紋寬度為54mm，深度為1.4 mm。壓紋過程中通過兩次大變形（加工硬化）來提高其硬度，壓制出多條連續(xù)的寬紋來提高其懸垂度。

2  Cu始極片壓紋整形工藝的仿真研究

2.1  有限元模型的建立

采用四面體單元的網(wǎng)絡(luò)劃分方式，對(duì)Cu始極片劃分網(wǎng)格數(shù)約為30萬個(gè)。由于Deform-3D軟件材料庫中無Cu始極片材料數(shù)據(jù)，需先測(cè)試Cu始極片材料性能導(dǎo)入到軟件中。根據(jù)對(duì)Cu始極片厚度、原始撓度測(cè)量結(jié)果的分析，建立Cu始極片仿真模型，從左至右厚度變化值為0. 8～1.5 mm，彎曲撓度為60 mm。Cu始極片幾何尺寸和材料性能見表1，壓紋整形機(jī)基本參數(shù)見表2。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

 計(jì)算完成后，利用Deform-3D post進(jìn)行模擬后處理與數(shù)據(jù)分析，主要提取等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和點(diǎn)坐標(biāo)追蹤數(shù)據(jù)來研究如何提高Cu始極片懸垂度。

2. 2.1  應(yīng)力應(yīng)變分析

圖2為Cu始極片應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖。由圖2a可看出整體應(yīng)力分布均勻?qū)ΨQ。橫向上的應(yīng)力分布比中間區(qū)域的應(yīng)力分布更為緊密，說明了中間未壓紋的部分也受到了兩邊壓紋的拉伸作用。特別在中間原始彎曲弧頂位置應(yīng)力分布已經(jīng)串聯(lián)在一起，說明此處的橫向應(yīng)力分布更加均勻。左側(cè)整體應(yīng)力分布較右側(cè)小，這是由于從左至右始極片厚度不斷增加，可見厚度分布對(duì)應(yīng)力分布影響極大，厚度薄的地方由于塑性變形量較小，會(huì)造成較大的彈性回復(fù)從而會(huì)影響整形效果。由圖2b可以看出，應(yīng)變?cè)茍D分布情況和應(yīng)力云圖分布大體相同，均勻?qū)ΨQ，右側(cè)較厚處等效應(yīng)變分布較集中、緊密。

2.2.2懸垂度分析

圖3為始極片壓紋前后的懸垂度。可以看出，壓紋后整形效果良好，懸垂度較壓紋前大幅度提高�，F(xiàn)沿著Cu始極片縱向方向選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量其y軸坐標(biāo)。圖4為測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)追蹤圖，左側(cè)數(shù)據(jù)即為測(cè)量點(diǎn)的原始y軸坐標(biāo)，最大值和最小值分別為159 mm和101  mm，與懸垂面161 mm的差值（懸垂度）為60 mm。圖4右側(cè)數(shù)據(jù)即為測(cè)量點(diǎn)壓紋后y軸坐標(biāo)，最大值和最小值分別為166 mm和156 mm，與懸垂面161 mm的差值（懸垂度）為5 mm，懸垂度質(zhì)量較高，達(dá)到性能要求。

3  始極片壓紋整形試驗(yàn)研究

對(duì)Cu始極片進(jìn)行壓紋整形試驗(yàn)，隨機(jī)選取26個(gè)始極片進(jìn)行試驗(yàn)，Cu始極片壓紋前后懸垂度見圖5�？梢钥闯�，試樣原始懸垂度集中在45 mm左右，且都是正的，說明始極片原始懸垂度都是彎向一邊，壓紋過后懸垂度大幅度提升，大多集中在±5 mm之間，約占70%。未達(dá)標(biāo)的幾組數(shù)據(jù)其原始懸垂度大多集中在41～46 mm之間，約占20%，這部分始極片還需挑出進(jìn)一步整形才可下槽電解；始極片原始懸垂度超過50mm的有6組，其中5組壓紋后懸垂度都在±5 mm之間，說明原始懸垂度越大整形效果越好。

 在寬紋紋路整形方式下，Cu始極片的懸垂度基本能達(dá)到企業(yè)要求±5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，效果優(yōu)于反彎輥式整形和整體壓紋整形，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

4  結(jié)論

 設(shè)計(jì)了一種寬紋紋路，在Cu始極片正反兩面逐漸地壓制出15條連續(xù)的寬紋來提高其懸垂度，利用De-form-3D塑性成形軟件對(duì)Cu始極片整形過程進(jìn)行數(shù)值分析，并且設(shè)計(jì)制造出試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合良好。寬紋紋路整形可以使Cu始極片的懸垂度基本達(dá)到±5 mm。