廢棄液晶面板剪切破碎機結構設計*

王玉琳，李明會 ，王景偉

(1. 合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合 肥 230009；2. 上海第二工業(yè)大學 上海電子廢棄物資源化產學研合作開發(fā)中心，上 海 201209)

0 引言

隨著電器電子產品的快速更新?lián)Q代，廣泛用于其中的LCD顯示屏被大量廢棄。采用機械物理法對廢棄的液晶面板進行綠色回收，不僅可以獲得高價值的液晶材料、稀貴金屬銦和高品質的玻璃[1]，還能夠避免其內的有毒、有害物質對環(huán)境和人類健康產生危害[2]。

在液晶面板中，液晶材料被灌注在兩塊ITO玻璃基板中間，層厚約6～10μm，玻璃基板的外表面貼有光學偏光片。破碎是廢棄液晶面板資源化回收預處理階段的一個重要的環(huán)節(jié)。而廢棄的液晶面板不易彎曲，在連續(xù)破碎過程中會發(fā)熱，如果溫度過高會使液晶材料發(fā)生改性甚至分解成有毒氣體而失去回收價值[3]，這就要求液晶面板必須在低溫(不超過65℃)條件下進行破碎[4]。目標回收物液晶和金屬銦的純度受雜質含量的影響很大，需要在破碎過程中有效控制玻璃碎渣以及金屬離子性雜質的產生。另外，液晶面板的表面比較光滑，在剪切破碎過程需要有輔助送料機構使面板能夠平穩(wěn)順利進入。目前市場上通用的破碎機雖說種類繁多，但多是應用在礦山、冶金、化工等行業(yè)，且破碎過程轉速高、發(fā)熱大、物料粒度難控制、金屬刀片易生銹、產生的雜質多。因此，現(xiàn)有破碎機很難達到理想的效果，無法滿足液晶面板的回收需求。

針對以上破碎要求，為了實現(xiàn)液晶面板的大規(guī)模、產業(yè)化、高效綠色回收，同時為了確保得到的目標回收物具有未改性、未被污染且純度高的特點，亟待開發(fā)一種廢棄液晶面板專用破碎設備。

1 液晶面板剪切破碎機總體設計

1.1 結構設計及工作原理

液晶面板剪切破碎機主要由雙軸剪切機構、旋轉裁切機構和進料機構等組成，其具體結構如圖1和圖2所示。

1.機架 2.減速電機 3.聯(lián)軸器 4.旋轉裁切機構 5.后刀軸齒輪 6.上刀軸齒輪 7.三角帶 8.進料機構 9.剪切機構 10.摩擦輪圖1 廢棄液晶面板剪切破碎機的結構

1.下引料輥 2.液晶面板 3.上引料輥 4.導料板 5.上刀盤 6.動刀片 7.后刀軸 8.定刀片 9.下刀盤圖2 破碎機剪切原理圖

進料機構中，下引料輥與上引料輥之間利用壓緊的摩擦輪實現(xiàn)摩擦傳動，表面帶有偏光片的液晶面板在引料輥的作用下經導料板進入雙軸剪切機構的破碎腔內。

雙軸剪切機構中，上、下剪切刀盤形狀相同，剪切刀盤沿軸向為雙側刃口，在剪切刀盤的外圓周上均勻分布有凹形槽口，各相鄰的剪切刀盤沿軸向形成插齒，上刀盤與下刀盤以插齒互相楔入，以相向轉動實現(xiàn)液晶面板的剪切，出料呈條狀落在定刀片的上表面。

旋轉裁切機構中，與下刀盤相配軸的一側，在后刀軸的外圓柱面上開有角形槽，形成均勻分布的各道齒，在各道齒同一朝向的齒面上利用螺栓安裝有隨后刀軸轉動的動刀片，動刀片的前沿是沿后刀軸的軸線方向上的動刀片刃口，與旋轉的動刀片形成裁切機構的定刀片處在后刀軸總成與下刀軸總成之間的位置上，且直立固定在機座上，旋轉的動刀片以其動刀片刃口與定刀片刃口相切，將超出定刀片上表面的條狀液晶面板裁切成粒塊狀。

1.2 結構特點

此款破碎機根據液晶面板的特點設計而成，先將廢棄的液晶面板剪切成條狀，后經旋轉的動刀片刃口裁切，得到粒塊狀物料，過程簡單且效率高，其結構特點如下：

(1)通過合理設置各傳動機構的傳動比，適當調整減速電機的轉速，即可實現(xiàn)液晶面板在低轉速狀態(tài)下的剪切破碎，在不大幅降低破碎機工作效率的前提下可以有效抑制液晶面板的溫升，確保被剪切破碎后液晶面板內部的液晶材料不會因溫度過高而改變其化學性質。

(2)剪切刀盤的圓周面上開有成組的凹形槽口，形成稀疏的外圓周齒，有利于液晶面板被卷入，顯著降低剪切破碎過程中所產生的玻璃粉塵。兩組相互楔入的刀盤頂部和根部之間形成有間隙，當?shù)侗P旋轉時，能帶動周圍的空氣產生快速流動，使刀盤上因摩擦而產生的很大一部分熱量可以迅速散失到空氣中。

(3)剪切破碎過程中，上、下刀盤嚙合面積小，液晶面板通過嚙合區(qū)域時摩擦距離短，摩擦產生的熱量相對也較少；由于液晶面板的線速度較高，摩擦接觸時間短，液晶面板和刀盤之間傳熱時間短，有效抑制了液晶面板的溫升。

2 關鍵零部件結構設計

2.1 剪刀盤的設計

2.1.1 刀盤直徑和厚度

剪刀盤通過相向運動互相楔入，將廢棄液晶面板剪切成條狀。在剪切過程中，較大的刀盤直徑不但能改善剪切時的咬入條件，而且也會增強刀盤的剪切能力。但是，刀盤直徑增大，剪切時剪刃和液晶面板接觸區(qū)域就會增大，剪切力也會增大。另外，刀盤直徑增大也會使機構的結構尺寸變大，成本也相應增加。

刀盤的厚度主要根據剪切得到的條狀液晶面板的寬度來選擇，同時也要考慮刀盤強度的影響。刀盤太薄，則其撓度可能不足，剪切過程中刀盤運動可能不平穩(wěn)，就會改變刀盤的側隙使其剪切效果受到影響，同時也加快了刀盤的磨損。

刀盤直徑可由下式求得[5]：

(1)

式中，h為液晶面板的厚度，典型值為1.8mm；δ為上、下刀盤的重合量，取0.45mm；β為咬入角，取11.4°。

根據式(1)，取刀盤的直徑D盤=100mm，刀盤的形狀為圓柱形，在其圓周面上開有成組的凹形槽口，刀盤的刃角為90°。文獻[5]推薦刀盤的厚度b=(0.06～0.1)×D盤，取b=8mm。

2.1.2 剪切刀盤側向間隙和重疊量

剪切刀盤裝配時側向間隙和重疊量的選擇取決于液晶面板的厚度和強度，合理設定其數(shù)值，直接關系到刀盤的使用壽命和剪切質量，其裝配示意圖如圖3所示。

圖3 剪切刀盤裝配示意圖

剪切過程中，相比較于重疊量δ，側向間隙c對液晶面板的剪切質量的影響顯得更加明顯，所以合理設置側向間隙是確保機器平穩(wěn)運行的關鍵。側向間隙過小會使剪切力變大，不僅增加了設備的負載，還會使刀具磨損加快；側向間隙過大時，增大了剪切時的剪切彎矩，使其上下剪切裂紋不重合，此時液晶面板不是被剪斷，而是被強行拉斷，這樣就會嚴重影響剪切效果。

剪切刀盤重合量δ主要根據液晶面板的厚度來選擇。重疊量越小，剪切力就越大，機器的負荷就越大，可能導致液晶面板無法被剪斷；當重疊量太大時，在剪切過程中剪切力增加速度太快，使刀盤的磨損變得更加劇烈[5]。

根據以上分析，先對液晶面板的厚度進行測量，得其厚度h=1.6～1.9mm，然后在一定范圍內進行多次剪切試驗，觀察剪切效果，最終選取側向間隙c= 0.3mm，重疊量δ= 0.45mm。刀盤的加工精度和裝配精度也是決定能否成功剪切的關鍵因素，裝配后刀盤的端面跳動和徑向跳動均不得超過0.05mm，可以通過塞尺來檢查裝配后的縫隙是否滿足設定要求。

2.2 旋轉裁切刀片設計

2.2.1 動刀片前角、后角和刃口寬

在旋轉裁切機構中，動刀是直刃式旋轉刀，其幾何形狀主要受前角γ、后角α和刃口寬f決定，動刀片與定刀片裁切原理如圖4所示。

圖4 旋轉裁切示意圖

前角的大小直接影響動刀片受到的切削反作用力和動刀片刃口的強度。前角增大，可以改善切削性能，但動刀片的強度就越?。磺敖窃叫?，動刀片受到的反作用力越大，使刀具磨損加快，影響動刀片的使用時間[6]。對于液晶面板，其強度和硬度都不高，可以在保證刀具強度的前提下，適當增大其前角的取值。

后角的作用主要是減少刃面和液晶面板的摩擦阻力，在裁切的瞬間，條狀液晶面板繼續(xù)向前運動，然后與后刃面接觸發(fā)生摩擦。后角越大，其摩擦阻力越小，但過大的后角會使動刀片刃部厚度減少，使其強度受到影響。

刃口寬反應的是動刀刃的鋒利程度，刃口過寬則刀刃太鈍，使液晶面板的玻璃碎屑增多，甚至無法切斷液晶面板；刃口太窄，刀刃就會很鋒利，但其強度降低，耐磨性變差。

根據上述分析，通過對廢棄液晶面板進行多次反復裁切試驗，最終選擇動刀片的前角γ= 30°，后角α= 15°，刃口寬f= 0.2mm，這樣可以保證動刀片既鋒利又經得起沖擊。

2.2.2 切割間隙

如圖4所示，切割間隙m是動刀刀刃與定刀刀刃之間形成的一個很小的間隙。切割間隙主要與液晶面板的抗剪強度有關，合適的間隙是動刀能夠正常裁切并得到形狀規(guī)則的粒塊狀物料的關鍵。切割間隙過大，液晶面板受到的切削力就會很小，物料不是被切斷而是被拉斷，甚至拉不斷。反之，切割間隙過小，產生的切削力就會很大，刀具磨損劇烈，刀片的裁切刃口有可能產生崩刃現(xiàn)象[7]。

因此，切割間隙的確定要合適恰當。試驗結果表明，控制切割間隙在0.04～0.06mm時，既可保證一定的切削力又可得到合格的粒塊狀物料。

2.3 各軸轉速的確定

在雙軸剪切機構中，如果剪切軸轉動過快，液晶面板與刀盤圓周面的摩擦系數(shù)將會降低[8]，這樣面板進入剪切腔的咬入條件就被破壞，從而使剪切質量受到影響；但剪切軸轉速過慢，也會影響生產效率。裝配有動刀片的裁切刀軸的轉速主要由切出的液晶面板料粒長度來決定，轉速越高，切出的顆粒越短。同時裁切刀軸的轉速可以根據其刀體上動刀片的數(shù)量來調整，其轉速可以隨著動刀片的數(shù)量的增加而降低。

通過以上分析，根據實際剪切效果和所需的料粒尺寸，取剪切刀軸的轉速n剪= 60r/min，裁切刀軸的轉速n裁=100r/min，液晶面板被剪切時的剪切速度與液晶面板的運動速度相同[9]，均為18.8m/min。

2.4 刀具材質的選擇

在液晶面板的剪切破碎過程中，如果刀具表面不光潔，在液晶面板的表面以及斷口處將會留下離子性雜質，這就加大了后續(xù)液晶和金屬銦提取工作的難度，導致提取的液晶純度不高。所以要求與面板直接接觸的刀具不但要刃口鋒利、耐磨損，而且還要耐腐蝕、不生銹。綜合考慮耐腐蝕性、硬度、經濟性等因素，剪切刀盤的材料選用耐腐蝕的塑料模具鋼3Cr2Mo，經熱處理后磨削加工而成，旋轉動刀片的材料選擇鎢鈷類硬質合金[10]。這樣有效保證了刀片的硬度，上刀盤、下刀盤、動刀片以及定刀片的表面不會輕易被氧化，磨削后光潔的表面還會減少剪切破碎后粒狀液晶面板上附著的離子性雜質。

3 剪切破碎機力能參數(shù)計算

3.1 剪切力的數(shù)值計算

剪切力的計算是破碎機力能參數(shù)計算的基礎。液晶面板的剪切過程比較復雜，剪切力測量困難，對其暫無精準的計算公式，但可進行估算。對于圓盤式剪切機構在剪切薄板、帶鋼時的剪切力計算，選擇使用相對來說與實際值比較吻合的B B HocanB公式[11]來對剪切力進行估算，公式為：

(2)

其中，

(3)

式中，F(xiàn)為作用在一個刀盤上的剪切力；σb為液晶面板的剪切強度極限；h為液晶面板的厚度；ε為剪斷時的相對切入深度；δ為上、下刀盤的重合量；β為咬入角。

將σb=50MPa，h=1.8mm，ε=0.313，δ=0.45mm，β=11.4° 帶入式(2)和式(3)，算得剪切力F=214N。

3.2 破碎機功率確定和電機選型

已知剪切圓盤所在軸的轉速為60r/min，二級減速器的總傳動比合理值應在8～25之間，則電機的相應轉速應為480～1500r/min。通過比較在這個轉速范圍內的電機轉速和所用的減速器傳動比，最終選擇此破碎機使用的電機滿載轉速為n= 960 r/min，則減速器的傳動比為i=16。

通過計算可知，裝有動刀片的旋轉軸在裁切液晶面板時，作用在旋轉軸上的扭矩很小，可以忽略不計。作用在剪切軸上的剪切力矩[12]M=n′×F×D盤×sinβ= 211 N·m。式中：M為一對刀盤的剪切力矩；n′為工作中的剪切刀盤的對數(shù)(以剪切19英寸液晶面板來計算)；F為作用在一個刀盤上的剪切力；D盤為剪刀盤的直徑；β為咬入角。則折算到電機軸上的負載轉矩T=M/i= 13.2N·m。

電機所需功率P=k×T×n/9550×η= 2.02kW。式中，k為安全系數(shù)，取1.3；η為總傳動效率，取0.85。根據功率和轉矩，查機械設計手冊選用電動機型號為Y112M-6，滿載轉速940r/min，額定功率2.2kW。

4 試驗結果分析

根據上述參數(shù)，設計制造了廢棄液晶面板專用剪切破碎機。為了測試樣機對于液晶面板的剪切破碎效果，筆者選用目前市場上已有的“印刷線路板三輥式破碎機”[13]，與樣機進行剪切破碎效果對比試驗。在國內現(xiàn)有的破碎機中，文獻[13]所述的破碎機與本文所研制的樣機相似度最高。

以拆解好的500塊19英寸液晶面板為破碎對象(面積420mm×250mm)，在兩款機器上進行剪切破碎試驗。試驗場地溫度為26℃，先將兩款破碎機空載開啟10min，觀察其運轉有無異常?？蛰d運轉結束后開始計時，從投料口投入液晶面板，觀察液晶面板在兩款破碎機中是否卡料，能否順利被切斷。對收集得到的料粒尺寸進行測量，并且采集液晶面板的溫度、觀察玻璃碎渣的產生量，最后采用專用設備和工藝對液晶材料進行了回收、提純和成份分析[14-17]，最終得到兩款破碎機的破碎效果如表1所示。

表1 兩款破碎機液晶面板破碎效果對比

表1顯示，印刷線路板破碎機的最大優(yōu)點是破碎效率高，但在破碎過程中偶爾會卡料、出料尺寸大、產生的玻璃碎渣多、溫升高，且會導致液晶材料改性。而專門設計的液晶面板剪切破碎機在破碎過程中不會卡料、出料尺寸細小均勻、很少產生玻璃碎渣、溫升也低，且不會使得液晶發(fā)生改性。對液晶面板進行破碎回收的主要目的是提取未改性的、高價值的液晶材料，回收稀貴金屬銦以及高品質的玻璃。從這方面來看，專用破碎機的優(yōu)點更加明顯，符合液晶面板的破碎要求，而傳統(tǒng)破碎機則不適合。

試驗表明，專用破碎機在破碎過程中運轉平穩(wěn)，產生的玻璃碎渣少，得到的料粒形狀較規(guī)則，顆粒尺寸基本控制在3～5mm左右。試驗中剪切圓盤的轉速設定為60r/min，連續(xù)破碎500塊19英寸的液晶面板總共耗時37min，即使采用人工上料，其破碎效率也可達到800塊/小時。

5 結論

基于廢棄液晶顯示器綠色回收的特殊性，研制了一種適合廢棄液晶面板的專用剪切破碎設備，設計過程兼顧了破碎質量和生產效率的統(tǒng)一。該設備具有結構簡單、功耗低、粉塵少、噪音小、效率高、散熱快、溫升低、雜質少、操作維護方便等優(yōu)點，可將廢棄的液晶面板剪切破碎成3～5mm的粒塊狀物料，因摩擦而產生的熱量大部分可以迅速散去，能夠有效抑制液晶面板的溫升，使得被破碎后的面板顆粒上黏附的液晶不因溫度過高而改變其化學性質。