En el sistema de campo térmico de un horno fotovoltaico de cristal único, el tubo guía de grafito prensado isostáticamente de Φ300-500 mm y una longitud de 400-600 mm cumple las funciones duales de guiar el material fundido de silicio y aislar el campo térmico. La redondez de su pared interna (requerida ≤ 0,025 mm), la relación longitud/diámetro (2,5-4:1) adaptable y la rugosidad superficial (Ra ≤ 0,8 μm) afectan directamente la continuidad del crecimiento del cristal único de silicio. Si la redondez de la pared interna excede el estándar, puede provocar fácilmente un flujo desigual del material de silicio y causar roturas en los bordes del monocristal; Las características del grafito, como baja dureza (Mohs 1-2), alta fragilidad y facilidad para acumular polvo, combinadas con el problema de desviación en el mecanizado debido a una gran relación de aspecto, hacen difícil que los procesos tradicionales equilibren precisión y eficiencia. Una empresa nacional líder en componentes de grafito fotovoltaico enfrenta tres cuellos de botella clave al procesar tubos guía de grafito prensado isostáticamente de alta pureza (fabricados con Toyo Carbon TFG-85, con densidad aparente ≥ 1,82 g/cm³):
1. Pérdida de precisión del control: Tradicionalmente, requiere cuatro procesos: "torno horizontal para el desbaste de la pared exterior → máquina de barrenado vertical para el acabado fino de la pared interior → corrección manual de la rectitud → eliminación de polvo con flujo de aire a alta presión". El múltiple agarre provoca una desviación de coaxialidad entre la pared interior y la referencia de la brida superior a 0,04-0,06 mm, y la relación longitud/diámetro es demasiado grande, lo que resulta en un error de rectitud de la pared interior de 0,08-0,1 mm. La tasa de desecho causada por deformación por flexión es del 16 %, y la tasa de aprobación del producto final es solo del 78 %;
2. Problema de polvo: El polvo de grafito se acumula en la cavidad profunda de la pared interna del tubo guía. Después de la limpieza con aire a alta presión, aún queda un 8 % de polvo residual en el producto, lo que requiere una limpieza ultrasónica adicional y aumenta los costos de fabricación en un 20 %; al mismo tiempo, el polvo penetra en los rodamientos del husillo y en los rieles guía del equipo, provocando un promedio de 11 fallos mensuales en las máquinas-herramienta, y acortando el ciclo de degradación de precisión de los rieles guía a 4 meses;
3. Baja eficiencia: El ciclo de procesamiento de un solo tubo guía es tan largo como 42 minutos, de los cuales la corrección manual y la limpieza de polvo representan el 35 %, y requieren la cooperación de 2 operarios. El costo laboral por producto individual supera los 32 yuanes; las herramientas de corte de diamante son propensas a romperse debido a la vibración durante el corte, con una vida útil de solo 30 piezas por hoja y un costo de herramienta de 26 yuanes por producto.
Escenarios de uso del cliente
Para superar las dificultades, la empresa introdujo un torno vertical CNC personalizado de grafito específico Taiwan Cloud KD500 y construyó un sistema de procesamiento dedicado para el tubo guía con "adaptación de la relación longitud/diámetro + control dual preciso a prueba de polvo":
Diseño personalizado del núcleo del equipo:
1. Rigidez y control de deflexión: Se utiliza un bastidor principal de granito natural (coeficiente de expansión térmica ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃), cuya tensión interna se elimina tras 20 meses de envejecimiento natural. Combinado con una estructura de posicionamiento de tres puntos de "eje principal + 2 juegos de soportes auxiliares ajustables", el espaciado entre soportes se optimiza mediante análisis por elementos finitos, y la deflexión del tubo guía con una relación longitud/diámetro de 4:1 se controla dentro de ≤ 0,01 mm. Equipado con el sistema CNC Fanuc 31i-B5 y control en bucle cerrado total mediante regla de escala (resolución 0,01 μm), logra una precisión de posicionamiento de ± 0,005 mm y cumple exactamente con los requisitos de tolerancia del nivel H7 de la pared interior.
2. Control integral del polvo: Integrado con un sistema de prevención de polvo en tres niveles: "separador ciclónico incorporado en el husillo (eficiencia de eliminación de polvo del 93 %) + campana de recolección de polvo con succión anular lateral (caudal de aire de 1800 m³/h) + filtro de alta eficiencia HEPA 13 (precisión de filtrado de 0,3 μm)", logrando una concentración estable de polvo en el área de trabajo ≤ 1,2 mg/m³, muy por debajo del límite de 4 mg/m³ especificado en la norma nacional GBZ 2.1-2019; al mismo tiempo, se utilizan cadenas portacables antipolvo y guías de lubricación sin aceite para evitar que el polvo y los lubricantes se mezclen y contaminen las piezas y el equipo.
Configuración exclusiva del sistema de corte:
Utilizando una ventosa porosa de vacío de Φ 500 mm (con una fuerza de adsorción de 0,11 MPa y una tasa de cobertura del área de adsorción del 90 %), se evita la deformación del sujeción del tubo guía de grafito mediante una presión negativa uniforme; se configura una herramienta de torneado de agujero interno recubierta con diamante (con un borde redondeado de 0,01 mm y un radio de punta de 0,02 mm) y un sistema de enfriamiento con aire frío de hielo seco a -18 ℃ para controlar la temperatura de la zona de corte por debajo de 22 ℃ y suprimir las grietas en la pared interna causadas por el esfuerzo térmico del grafito; el husillo adopta un diseño de baja vibración (aceleración de vibración ≤ 0,07 g), adecuado para los requisitos de mecanizado de alta fragilidad del grafito.
En cuanto a la innovación tecnológica, se ha logrado un avance en el mecanizado de precisión de tubos guía de grafito para fotovoltaicos mediante un proceso de sujeción única
1. Integración del proceso: El equipo integra una ventosa de vacío, una torreta servo de 8 estaciones (con un tiempo de cambio de herramienta de 1,4 segundos) y un portaútiles especializado para cuchillas largas en la pared interna. Puede completar en un solo paso el torneado de precisión de la pared exterior del tubo guía (redondez ≤ 0,018 mm), el mandrinado de precisión de la pared interior (cilindricidad ≤ 0,01 mm), el torneado de precisión de la cara extremo de la brida (planicidad ≤ 0,025 mm) y el taladrado del orificio guía inferior (precisión posicional ≤ 0,12 mm), eliminando directamente los procesos de corrección manual y de limpieza ultrasónica, acortando el proceso en un 50 %;
2. Control de deflexión y fragilidad: Innovador "método de corte progresivo segmentado" - para la diferencia en la relación longitud-diámetro, el tubo guía se divide en 3-4 secciones para su procesamiento, cada sección adopta los parámetros de "baja velocidad (700-900 r/min) + avance lento (40-70 mm/min) + herramienta de retrocorte microscópico (≤ 0,05 mm)", combinado con un palpador de medición en máquina Renishaw (precisión de medición ± 0,0008 mm) para recopilar datos en tiempo real sobre la rectitud de la pared interna, ajustando dinámicamente la fuerza de soporte auxiliar (precisión de compensación 0,002 mm), logrando que el error de rectitud de la pared interna se controle dentro de ≤ 0,05 mm y la cantidad de rebaba sea ≤ 0,006 mm;
3. Optimización de la eficiencia de cambio Equipado con 22 conjuntos de tubos guía de grafito fotovoltaicos (adecuados para hornos de monocristal de 12-18 pulgadas) y plantillas de parámetros de proceso, el cambio solo requiere recuperar el programa correspondiente y reemplazar la herramienta de corte especial de hoja larga. El tiempo de cambio se reduce de las 3 horas tradicionales a 15 minutos, satisfaciendo así las necesidades de producción por lotes con múltiples especificaciones.
Los resultados de la implementación cumplen plenamente con las estrictas normas de la industria fotovoltaica:
Precisión y tasa de aceptación: La estabilidad de redondez de la pared interna del tubo guía de grafito es ≤ 0,02 mm, la coaxialidad es ≤ 0,03 mm y la rugosidad superficial alcanza Ra0,6 μm, cumpliendo completamente con los requisitos técnicos de GB/T 3074.1-2019 "Electrodo de grafito" y los componentes del campo térmico de hornos de monocristal fotovoltaicos. La tasa de aceptación del producto ha aumentado del 78 % al 99,3 %, y la tasa de desecho por deformación por deflexión ha disminuido al 0,7 %;
Eficiencia y costo: El tiempo de procesamiento por pieza se ha reducido de 42 minutos a 20 minutos, y la capacidad de producción diaria ha aumentado de 90 piezas a 210 piezas; se han eliminado los procesos de corrección manual y limpieza ultrasónica, reduciendo los costos laborales en 32 yuanes por producto; la vida útil de las herramientas de corte de diamante se ha extendido en un 80 % gracias a parámetros de corte optimizados (de 30 piezas/hoja a 54 piezas/hoja), y el costo de las herramientas de corte por producto se ha reducido a 14 yuanes;
Operación y mantenimiento del equipo: El sistema de prevención de polvo de tres niveles ha reducido el número promedio mensual de fallas del equipo de 11 a 0,7, extendido el ciclo de calibración de precisión del riel guía a 2,5 años, aumentado la tasa de utilización integral del equipo del 65 % al 94 %, reducido el tiempo de inactividad anual en 680 horas y ahorrado más de 220000 yuanes anuales en costos de mantenimiento.
Escenarios de procesamiento del cliente
La máquina herramienta de precisión Taiwan Cloud KD500 ha resuelto los problemas industriales de los tubos guía de grafito, como la gran relación de aspecto, la fácil deformación, la dificultad para limpiar el polvo y la baja eficiencia. "El director de producción de la empresa declaró: 'Actualmente, nuestro tubo guía ha sido certificado por JA Solar y Trina Solar, y se ha aplicado con éxito en una línea de producción de hornos monocristalinos de alta eficiencia de 18 pulgadas. Cumple con el requisito de 'atenuación del rendimiento de aislamiento térmico ≤ 5 % tras 15 meses de uso continuo', lo cual nos proporciona un soporte fundamental para ocupar el 38 % de la cuota de mercado en componentes de grafito de gama alta para fotovoltaica'. Este caso confirma que el torno vertical CNC se ha convertido en un equipo clave para superar el 'triple cuello de botella de precisión, eficiencia y operación y mantenimiento' en la fabricación de tubos guía de grafito isostático de grado fotovoltaico, gracias a la profunda sinergia entre 'diseño personalizado del procesamiento de la relación longitud-diámetro + proceso adaptado a la fragilidad del grafito + tratamiento integrado del polvo'.
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