Im thermischen Feldsystem eines Photovoltaik-Einkristallofens übernimmt das isostatisch gepresste Graphitführungsgestänge mit einem Durchmesser von Φ300-500 mm und einer Länge von 400-600 mm die doppelte Funktion der Führung der Siliziumschmelze und der Wärmeisolation des thermischen Feldes. Die Rundheit der Innenwand (≤ 0,025 mm gefordert), das Längen-Durchmesser-Verhältnis (Anpassbarkeit im Bereich 2,5–4:1) sowie die Oberflächenrauheit (Ra ≤ 0,8 μm) beeinflussen direkt die Kontinuität des Silizium-Einkristallwachstums. Überschreitet die Rundheit der Innenwand den zulässigen Toleranzbereich, kann dies leicht zu einer ungleichmäßigen Strömung des Siliziummaterials führen und zum Bruch der Kristalledges führen. Die Eigenschaften von Graphit – wie geringe Härte (Mohs 1–2), hohe Sprödigkeit und Neigung zur Staubansammlung – in Kombination mit Problemen bei der Bearbeitungsablenkung aufgrund eines hohen Seitenverhältnisses erschweren es herkömmlichen Verfahren, Genauigkeit und Effizienz ausreichend zu vereinen. Ein führendes inländisches Unternehmen für photovoltaische Graphitbauteile sieht sich bei der Bearbeitung hochreiner, isostatisch gepresster Graphitführungsröhren (hergestellt aus Toyo Carbon TFG-85, mit einer Rohdichte ≥ 1,82 g/cm³) drei zentralen Engpässen gegenüber.
1. Genauigkeitsverlust bei der Kontrolle: Traditionell sind vier Prozesse erforderlich: „horizontale Drehmaschine, grobe Bearbeitung der Außenwand → vertikale Bohrmaschine, feines Ausbohren der Innenwand → manuelle Korrektur der Geradheit → Staubentfernung mit Hochdruckluft“. Mehrfaches Spannen führt zu einer Koaxialitätsabweichung zwischen Innenwand und Flanschbezug von mehr als 0,04–0,06 mm, zudem ist das Längen-Durchmesser-Verhältnis zu groß, was zu einem Geradheitsfehler der Innenwand von 0,08–0,1 mm führt. Die Ausschussrate aufgrund von Verbiegungsverformungen beträgt 16 %, die Qualifikationsrate des Endprodukts liegt somit nur bei 78 %;
2. Staubproblem: Graphitstaub sammelt sich in der tiefen Kavität der Innenwand des Führungsrohrs an. Nach der Reinigung mit Hochdruckluft verbleiben immer noch 8 % Staub im Produkt, was eine zusätzliche Ultraschallreinigung erforderlich macht und die Herstellungskosten um 20 % erhöht; gleichzeitig dringt Staub in die Spindellager und Führungsschienen der Anlage ein, was zu durchschnittlich 11 Werkzeugmaschinenausfällen pro Monat führt und die Präzisionsabbauzeit der Führungsschienen auf 4 Monate verkürzt;
3. Geringe Effizienz: Der Bearbeitungszyklus eines einzelnen Führungsrohrs beträgt bis zu 42 Minuten, wobei manuelle Nachbearbeitung und Staubreinigung 35 % ausmachen und die Zusammenarbeit von zwei Bedienern erfordern. Die Arbeitskosten pro Einzelprodukt übersteigen 32 Yuan; Diamantschneidwerkzeuge neigen aufgrund von Schneidvibrationen zur Bruchanfälligkeit, haben eine Lebensdauer von nur 30 Stück pro Klinge und verursachen Materialkosten von 26 Yuan pro Produkt.
Kundennutzungsszenarien
Um die Schwierigkeiten zu überwinden, führte das Unternehmen eine speziell angepasste Taiwan Cloud KD500 Graphit-Spezial-CNC-Vertikaldrehmaschine ein und errichtete ein dediziertes Bearbeitungssystem für das Führungsrohr mit „Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis-Anpassung + staubgeschützte präzise Doppelsteuerung“:
Spezielle Konstruktion des Gerätekerns:
1. Steifigkeit und Verformungskontrolle: Es wird ein natürliches Granitbett (Wärmeausdehnungskoeffizient ≤ 0,4 × 10⁻⁶/°C) verwendet, bei dem nach 20-monatiger natürlicher Alterung die inneren Spannungen abgebaut wurden. In Kombination mit einer Dreipunkt-Lagerung aus „Spindel + 2 Sätze verstellbarer Hilfstützen“ wird der Abstand der Stützen mittels Finite-Elemente-Analyse optimiert, wodurch die Durchbiegung des Führungsrohrs mit einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 4:1 auf ≤ 0,01 mm begrenzt wird. Ausgestattet mit dem Fanuc 31i-B5 CNC-System und einem Vollschleifen-Positionierregelkreis mit Messschieber (Auflösung 0,01 μm) erreicht es eine Positioniergenauigkeit von ± 0,005 mm und erfüllt exakt die Toleranzanforderungen der H7-Ebene der Innenwand.
2. Umfassende Staubkontrolle: Integriert mit einem „Spindel-integrierten Zyklonabscheider (Staubabscheideeffizienz von 93 %) + ringförmige Seitenabsaughaube (Luftmenge von 1800 m³/h) + HEPA-13-Filter der Hochleistungsklasse (Filtergenauigkeit von 0,3 μm)“ – dreistufiges Staubschutzsystem; die Staubkonzentration im Arbeitsbereich bleibt stabil ≤ 1,2 mg/m³ und liegt damit deutlich unter dem in der nationalen Norm GBZ 2.1-2019 festgelegten Grenzwert von 4 mg/m³; gleichzeitig werden staubgeschützte Kabelzugketten und ölfreie Schmierungsführungen eingesetzt, um zu verhindern, dass Staub und Schmiermittel sich vermischen und Werkstücke sowie Geräte verunreinigen.
Exklusive Konfiguration des Schneidsystems:
Durch die Verwendung einer porösen Vakuumsauger-Membran mit Φ 500 mm (mit einer Adsorptionskraft von 0,11 MPa und einer Adsorptionsflächen-Abdeckungsrate von 90 %) wird eine Verformung der Klemmung des Graphit-Führungrohrs durch gleichmäßigen Unterdruck vermieden; Konfiguration eines innenliegenden Drehwerkzeugs mit Diamantbeschichtung (mit einer abgerundeten Schneidkante von 0,01 mm und einer Schneidkantenradius von 0,02 mm) sowie eines Trockeneis-Kaltluftkühlsystems bei -18 °C, um die Temperatur im Schneidbereich unter 22 °C zu halten und Rissbildung an der Innenwand infolge thermischer Spannungen im Graphit zu unterdrücken; Die Spindel verfügt über ein vibrationsarmes Design (Schwingungsbeschleunigung ≤ 0,07 g), das den Anforderungen an die hochgradige Sprödigkeit von Graphit beim Bearbeitungsprozess gerecht wird.
In Bezug auf technologische Innovation wurde bei der Präzisionsbearbeitung von photovoltaischen Graphit-Führungrohren mittels eines einzigen Spannprozesses ein Durchbruch erzielt
1. Prozessintegration: Die Anlage integriert eine Vakuumsaugnapf, ein 8-Stationen-Servoturret (mit einer Werkzeugwechselzeit von 1,4 Sekunden) und einen speziellen Langmesserhalter für die Innenwand. Sie kann in einem Arbeitsgang das Präzisionsdrehen der Außenwand des Führungsrohrs (Rundheit ≤ 0,018 mm), das Präzisionsbohren der Innenwand (Zylindrizität ≤ 0,01 mm), das Präzisionsdrehen der Flanschendfläche (Ebenheit ≤ 0,025 mm) sowie das Bohren des unteren Führungsdurchbruchs (Positionsgenauigkeit ≤ 0,12 mm) durchführen, wodurch manuelle Nachbearbeitung und Ultraschallreinigung direkt entfallen und der Prozess um 50 % verkürzt wird;
2. Verformungs- und Sprödigkeitskontrolle: Innovative "segmentierte progressive Schneidmethode" – bei unterschiedlichem Längen-Durchmesser-Verhältnis wird die Führungsleitung in 3–4 Abschnitte zur Bearbeitung unterteilt, wobei jeder Abschnitt die Parameter „niedrige Drehzahl (700–900 min⁻¹) + langsames Vorschub (40–70 mm/min) + mikroskopischer Rückwärtsschliff (≤ 0,05 mm)“ verwendet. In Kombination mit einem Renishaw-Maschinenmessfühler (Messgenauigkeit ± 0,0008 mm) werden Echtzeitdaten zur Rundlaufgenauigkeit der Innenwand erfasst und die Hilfsstützkraft dynamisch angepasst (Kompensationsgenauigkeit 0,002 mm), sodass der Rundlauffehler der Innenwand auf ≤ 0,05 mm begrenzt bleibt und die Kantenabsplitterung ≤ 0,006 mm beträgt;
3. Optimierung der Rüsteffizienz: Ausgestattet mit 22 Sätzen photovoltaischer Graphitführungsröhren (geeignet für 12-18-Zoll-Einkristallöfen) und dazugehörigen Prozessparametervorlagen. Der Modellwechsel erfordert lediglich das Abrufen des entsprechenden Programms und den Austausch des speziellen Langmesser-Schneidwerkzeugs. Die Umstellzeit verkürzt sich dadurch von traditionell 3 Stunden auf 15 Minuten und erfüllt so die Anforderungen der Serienproduktion mit mehreren Spezifikationen.
Die Umsetzungsergebnisse entsprechen vollständig den strengen Standards der Photovoltaikindustrie:
Genauigkeit und Qualitätsquote: Die Rundheitstabilität der Innenwand der Graphitführungsröhre beträgt ≤ 0,02 mm, die Koaxialität ≤ 0,03 mm und die Oberflächenrauhigkeit erreicht Ra 0,6 μm. Damit werden die technischen Anforderungen nach GB/T 3074.1-2019 „Graphitelektrode“ und für Wärmefeldkomponenten von photovoltaischen Einkristallöfen vollständig erfüllt. Die Produktqualitätsquote ist von 78 % auf 99,3 % gestiegen, die Ausschussrate aufgrund von Verformungen hat sich auf 0,7 % verringert;
Effizienz und Kosten: Die Bearbeitungszeit pro Stück wurde von 42 Minuten auf 20 Minuten reduziert, und die tägliche Produktionskapazität stieg von 90 auf 210 Stück; manuelle Korrektur und Ultraschallreinigung wurden abgeschafft, wodurch sich die Arbeitskosten um 32 Yuan pro Produkt verringerten; Die Lebensdauer von Diamantschneidwerkzeugen erhöhte sich durch optimierte Schneidparameter um 80 % (von 30 Stück/Blatt auf 54 Stück/Blatt), und die Kosten für Schneidwerkzeuge pro Stück sanken auf 14 Yuan;
Gerätebetrieb und Wartung: Das dreistufige Staubschutzsystem hat die monatliche Durchschnittszahl an Geräteausfällen von 11 auf 0,7 reduziert, die Präzisionskalibrierungsintervalle der Führungsschiene auf 2,5 Jahre verlängert, die Gesamtnutzungsrate der Anlage von 65 % auf 94 % gesteigert, den jährlichen Stillstand um 680 Stunden verringert und jährlich über 220.000 Yuan an Wartungskosten eingespart.
Kundenbearbeitungsszenarien
Die Taiwan Cloud Precision Machinery KD500 hat die branchenüblichen Probleme bei Graphitführungsröhren gelöst, wie etwa hohes Längen-Durchmesser-Verhältnis, leichte Verformbarkeit, schwierige Entstaubung und geringe Effizienz. „Unsere Führungsrohre sind derzeit von JA Solar und Trina Solar zertifiziert und wurden erfolgreich in einer 18-Zoll-Hochleistungs-Einkristallöfen-Produktionslinie eingesetzt“, erklärte der Produktionsleiter des Unternehmens. „Sie erfüllen die Anforderung, dass die Abschwächung der Wärmedämmleistung nach 15-monatigem Dauerbetrieb ≤ 5 % beträgt, was uns eine zentrale Unterstützung bietet, um mit hochwertigen Graphitkomponenten für die Photovoltaik einen Marktanteil von 38 % zu erreichen.“ Dieser Fall bestätigt, dass die CNC-Vertikal-Drehmaschine durch die tiefe Synergie aus „kundenspezifischem Design des Längen-Durchmesser-Verhältnisses bei der Bearbeitung + Prozessanpassung an die Graphit-Sprödigkeit + integrierter Staubbehandlung“ ein Schlüsselgerät zur Überwindung des ,dreifachen Engpasses bezüglich Präzision, Effizienz sowie Betrieb und Wartung‘ in der Herstellung von isostatisch gepressten Graphitführungsröhren für die Photovoltaik geworden ist.
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