راه‌حل ماشین‌کاری دقیق برای لوله راهنماي گرافيتي ايزوستاتيک درجه فتوولتائيك

در سیستم میدان حرارتی کور فتوولتائیک تک‌بلور، لوله راهنما گرافیتی با قطر Φ300-500mm و طول 400-600mm که به روش پرس ایزوستاتیک تولید شده است، دو عملکرد هدایت مذاب سیلیکون و عایق‌بندی میدان حرارتی را بر عهده دارد. گردی دیواره داخلی آن (که نیازمند ≤ 0.025mm است)، نسبت طول به قطر (2.5-4:1) و زبری سطح (Ra ≤ 0.8 μm) به طور مستقیم بر تداوم رشد بلور تک‌سیلیکون تأثیر می‌گذارند. در صورتی که گردی دیواره داخلی از حد مجاز فراتر رود، ممکن است جریان مواد سیلیکونی نامتوازن شده و منجر به شکستن لبه بلور تک‌سیلیکون شود؛ ویژگی‌های گرافیت از قبیل سختی پایین (موهس 1-2)، شکنندگی بالا و تمایل به تجمع گرد و غبار، همراه با مشکل انحراف در فرآیند ماشین‌کاری ناشی از نسبت ابعادی بزرگ، باعث می‌شود فرآیندهای سنتی در تعادل بین دقت و کارایی با دشواری مواجه شوند. یک شرکت پیشرو داخلی در زمینه قطعات گرافیت فتوولتائیک هنگام پردازش لوله‌های راهنمای گرافیتی خالص تولید شده به روش پرس ایزوستاتیک (ساخته شده از کربن تویو TFG-85 با چگالی حجمی ≥ 1.82g/cm³) با سه محدودیت اصلی مواجه است:
1. از دست دادن دقت کنترل: به طور سنتی نیاز به چهار فرآیند دارد: «پیش‌خراش در ماشین تراش افقی → پرداخت دقیق دیواره داخلی در ماشین سوراخکاری عمودی → تصحیح دستی صافی → تمیزکاری گرد و غبار با جریان هوای فشار قوی». چندین بار درگیری باعث انحراف هممحوری بین دیواره داخلی و مرجع فلنج می‌شود که از 0.04-0.06 میلی‌متر تجاوز می‌کند، همچنین نسبت طول به قطر بیش از حد زیاد است و خطای صافی دیواره داخلی را به میزان 0.08-0.1 میلی‌متر ایجاد می‌کند. نرخ ضایعات ناشی از تغییر شکل خمشی 16٪ است و نرخ صلاحیت محصول نهایی تنها 78٪ می‌باشد؛
2. مشکل گرد و غبار: گرد و غبار گرافیت در حفره عمیق دیواره داخلی لوله راهنما تجمع می‌یابد. پس از تمیزکاری با جریان هوای فشار قوی، همچنان ۸٪ گرد و غبار در محصول باقی می‌ماند که نیازمند تمیزکاری اولتراسونیک اضافی است و هزینه‌های تولید را تا ۲۰٪ افزایش می‌دهد؛ همزمان، گرد و غبار به یاتاقان‌های اسپیندل و ریل‌های راهنما نفوذ کرده و موجب بروز متوسط ۱۱ خرابی ماشین‌آلات در ماه شده و چرخه تخریب دقت ریل‌ها را به ۴ ماه کاهش می‌دهد؛
۳. کارایی پایین: چرخه پردازش یک لوله راهنما تکی تا ۴۲ دقیقه طول می‌کشد که از این مدت، ۳۵٪ آن صرف اصلاح دستی و تمیزکاری گرد و غبار می‌شود و نیازمند همکاری دو اپراتور است. هزینه نیروی کار برای هر محصول تکی بیش از ۳۲ یوان است؛ ابزارهای برش الماسی به دلیل ارتعاشات برش مستعد شکستن هستند و عمر آنها تنها ۳۰ عدد در هر تیغه است و هزینه ابزار برای هر محصول تکی ۲۶ یوان می‌باشد.

سناریوهای استفاده مشتری
برای غلبه بر دشواری‌ها، شرکت یک ماشین تراش عمودی CNC اختصاصی از نوع Taiwan Cloud KD500 با گرافیت خاص و یک سیستم پردازش اختصاصی برای لوله راهنما با «سازگاری نسبت طول به قطر + کنترل دوگانه دقیق ضد گرد وغبار» معرفی کرد:
طراحی سفارشی هسته تجهیزات:
1. صلبیت و کنترل خمش: از بدنه طبیعی گرانیت (ضریب انبساط حرارتی ≤ 0.4 × 10⁻⁶/℃) استفاده شده که پس از 20 ماه پیری طبیعی، تنش داخلی آن رفع شده است. این ساختار با ترکیب یک سیستم موقعیت‌یابی سه‌نقطه‌ای از نوع «اسپیندل + 2 مجموعه تکیه‌گاه کمکی قابل تنظیم» و بهینه‌سازی فاصله تکیه‌گاه‌ها از طریق تحلیل المان محدود، خمش لوله راهنما با نسبت طول به قطر 4:1 را در حد ≤ 0.01 میلی‌متر کنترل می‌کند. این دستگاه مجهز به سیستم کنترل عددی FANUC 31i-B5 و حلقه کنترل کاملاً بسته با خط‌کش شیاردار (دقت 0.01 میکرومتر) است و دقت موقعیت‌یابی ±0.005 میلی‌متر را به دست می‌آورد و به‌طور دقیق با الزامات تلورانس سطح H7 دیواره داخلی تطابق دارد.
2. کنترل جامع گرد و غبار: ادغام‌شده با سیستم سه‌سطحی پیشگیری از گرد و غبار شامل «جداکننده سانتریفوژ داخلی اسپیندل (با راندمان حذف گرد و غبار 93%) + هود مکنده جانبی حلقوی (دبی هوای 1800 متر مکعب بر ساعت) + فیلتر کارآمد بسیار بالا از نوع HEPA درجه 13 (دقت فیلتراسیون 0.3 میکرومتر)»، به‌طوری که غلظت گرد و غبار در محیط کار به‌صورت پایدار ≤ 1.2 میلی‌گرم بر مترمکعب است که بسیار پایین‌تر از حد مجاز 4 میلی‌گرم بر مترمکعب تعیین‌شده در استاندارد ملی GBZ 2.1-2019 می‌باشد؛ هم‌زمان از زنجیرهای کابل‌کشی ضد گرد و غبار و راهنمایی‌های روان‌کار بدون روغن نیز استفاده شده تا از اختلاط گرد و غبار و روغن‌کاری و آلوده‌شدن قطعات و تجهیزات جلوگیری شود.
تجهیزات اختصاصی سیستم برش:
با استفاده از یک کاپشنر مکش خلأ متخلخل با قطر 500 میلی‌متر (با نیروی جذب 0.11 مگاپاسکال و نرخ پوشش سطح جذب 90٪)، تغییر شکل در بستن لوله راهنما گرافیتی از طریق فشار منفی یکنواخت جلوگیری می‌شود؛ همچنین یک ابزار پرداخت سوراخ داخلی با پوشش الماس (با لبه گردشده 0.01 میلی‌متر و شعاع نوک 0.02 میلی‌متر) و یک سیستم خنک‌کننده هوای سرد دی‌اکسید کربن جامد با دمای 18- درجه سانتی‌گراد تعبیه شده است تا دمای منطقه برش زیر 22 درجه سانتی‌گراد کنترل شود و ترک‌خوردگی دیواره داخلی ناشی از تنش حرارتی گرافیت کاهش یابد؛ سر محور از طراحی کم‌لرزش استفاده می‌کند (شتاب لرزش ≤ 0.07g)، که برای الزامات فرآیندی با تردی بالای گرافیت مناسب است.
از نظر نوآوری فناوری، دستاوردی بزرگ در ماشین‌کاری دقیق لوله‌های راهنما گرافیتی فتوولتائیک از طریق فرآیند یک‌بار گیره‌گیری حاصل شده است
1. یکپارچه‌سازی فرآیند: این تجهیزات متشکل از یک چسبنده خلاء، یک برج سروو ۸ ایستگاهی (با زمان تعویض ابزار ۱٫۴ ثانیه) و یک نگهدارنده تیغ بلند اختصاصی برای دیواره داخلی است. این دستگاه قادر است در یک مرحله کامل، عملیات خراطی دقیق دیواره خارجی لوله راهنما (گردی ≤ ۰٫۰۱۸ میلیمتر)، فرزکاری دقیق دیواره داخلی (استوانه‌ای بودن ≤ ۰٫۰۱ میلیمتر)، خراطی دقیق صفحه فلنج (تختی ≤ ۰٫۰۲۵ میلیمتر) و همچنین سوراخکاری سوراخ راهنما در کف (دقت موقعیتی ≤ ۰٫۱۲ میلیمتر) را انجام دهد و به‌طور مستقیم مراحل اصلاح دستی و تمیزکاری اولتراسونیک را حذف کند و فرآیند را تا ۵۰٪ کوتاه‌تر نماید؛
۲. کنترل انحراف و شکنندگی: روش نوآورانه «برش پیشرفتۀ قطعه‌ای» - با توجه به تفاوت نسبت طول به قطر، لوله راهنما به ۳ تا ۴ بخش تقسیم می‌شود تا پردازش شود، هر بخش از پارامترهای «سرعت پایین (700-900r/min) + پیشروی آهسته (40-70mm/min) + ابزار تراش عقب میکرو (≤ 0.05mm)» استفاده می‌کند، همراه با کنتاکت سنج ماشین رنیشا (دقت اندازه‌گیری ± 0.0008mm) برای جمع‌آوری داده‌های زمان واقعی از صافی دیواره داخلی، و به‌صورت پویا نیروی پشتیبانی کمکی را تنظیم می‌کند (دقت جبران 0.002mm)، به‌طوری‌که خطای صافی دیواره داخلی در حد ≤ 0.05mm و مقدار شکستگی لبه ≤ 0.006mm کنترل می‌شود؛
3. بهینه‌سازی کارایی تعویض مجهز به 22 مجموعه از لوله‌های راهنما گرافیتی فتوولتائیک (مناسب برای کوره‌های تک‌بلور 12 تا 18 اینچی) با الگوهای پارامترهای فرآیند، که در آن تغییر تنظیمات فقط شامل بازیابی برنامه مربوطه و تعویض ابزار برش تیغه بلند اختصاصی است. زمان تغییر تنظیمات از 3 ساعت سنتی به 15 دقیقه کاهش یافته است و نیاز تولید انبوه با چندین مشخصه فنی را برآورده می‌کند.
نتایج اجرایی کاملاً با استانداردهای سخت‌گیرانه صنعت فتوولتائیک سازگار است:
دقت و نرخ صلاحیت: ثبات گردی دیواره داخلی لوله راهنما گرافیتی ≤ 0.02 میلی‌متر، هم‌محوری ≤ 0.03 میلی‌متر و زبری سطح به Ra0.6 میکرومتر می‌رسد که کاملاً با الزامات فنی استاندارد GB/T 3074.1-2019 "الکترود گرافیتی" و اجزای میدان حرارتی کوره تک‌بلور فتوولتائیک سازگار است. نرخ صلاحیت محصول از 78٪ به 99.3٪ افزایش یافته و نرخ ضایعات ناشی از تغییر شکل خمشی به 0.7٪ کاهش یافته است؛
بهره‌وری و هزینه: زمان پردازش هر قطعه از ۴۲ دقیقه به ۲۰ دقیقه کاهش یافته و ظرفیت تولید روزانه نیز از ۹۰ قطعه به ۲۱۰ قطعه افزایش پیدا کرده است؛ فرآیندهای تصحیح دستی و تمیزکاری اولتراسونیک حذف شده‌اند که منجر به کاهش ۳۲ یوانی هزینه نیروی کار در هر محصول شده است؛ با بهینه‌سازی پارامترهای برش، عمر ابزارهای برش الماسی ۸۰٪ افزایش یافته (از ۳۰ قطعه/نوع به ۵۴ قطعه/نوع) و هزینه ابزار برش هر محصول به ۱۴ یوان کاهش یافته است؛
عملیات و نگهداری تجهیزات: سیستم سه‌مرحله‌ای جلوگیری از گرد و غبار، میانگین ماهانه خرابی تجهیزات را از ۱۱ به ۰٫۷ کاهش داده، دوره کالیبراسیون دقت ریل راهنما را به ۲٫۵ سال افزایش داده، نرخ استفاده ترکیبی از تجهیزات را از ۶۵٪ به ۹۴٪ بالا برده، توقف سالانه را ۶۸۰ ساعت کاهش داده و بیش از ۲۲۰۰۰۰ یوان در سال هزینه تعمیر و نگهداری را صرفه‌جویی کرده است.

سناریوهای پردازش مشتری
دستگاه ماشین‌کاری دقیق ابر تایوان KD500، مشکلات صنعتی لوله‌های راهنما گرافیتی مانند نسبت طول به قطر بالا، تغییر شکل آسان، تمیزکردن دشوار گرد و غبار و کارایی پایین را حل کرده است. «مدیر تولید شرکت اظهار کرد: در حال حاضر، لوله راهنمای ما توسط JA Solar و Trina Solar تأیید شده و با موفقیت در خط تولید کوره بلور تکی با راندمان بالا به قطر 18 اینچ به کار گرفته شده است. این محصول نیازمندی «کاهش عملکرد عایق‌بندی میدان حرارتی ≤ 5٪ پس از 15 ماه کار مداوم» را برآورده می‌کند که هسته اصلی پشتیبانی از سهم بازار 38 درصدی ما در بخش اجزای گرافیتی پیشرفته فتوولتائیک را فراهم کرده است.» این مورد تأیید می‌کند که تراش عمودی CNC از طریق هم‌افزایی عمیق «طراحی سفارشی نسبت طول به قطر در فرآیند ماشین‌کاری + فرآیند سازگاری با شکنندگی گرافیت + مدیریت یکپارچه گرد و غبار»، به تجهیزات کلیدی برای عبور از «سه گلوگاه دقت، کارایی و نگهداری و تعمیر» در تولید لوله‌های راهنماي گرافیتی متراکم ایزوستاتیک درجه فتوولتائیک تبدیل شده است.