Dans le système de champ thermique d'un four à cristal unique photovoltaïque, le tube de guidage en graphite pressé isostatiquement de Φ300-500 mm et d'une longueur de 400-600 mm assure une double fonction : guider la fonte de silicium et assurer l'isolation du champ thermique. La circularité de sa paroi intérieure (exigée ≤ 0,025 mm), son rapport longueur sur diamètre (2,5-4:1) adaptable et sa rugosité de surface (Ra ≤ 0,8 μm) influencent directement la continuité de la croissance du cristal unique de silicium. Si la circularité de la paroi intérieure dépasse la norme, cela peut facilement provoquer un écoulement irrégulier du matériau de silicium et entraîner une rupture au bord du monocristal ; Les caractéristiques du graphite, telles que sa faible dureur (échelle de Mohs 1-2), sa grande fragilité et sa tendance à accumuler la poussière, combinées au problème de déviation en usinage lié à un grand rapport d'aspect, rendent difficile pour les procédés traditionnels de concilier précision et efficacité. Une entreprise nationale leader dans les composants en graphite photovoltaïque fait face à trois goulots d'étranglement principaux lors de l'usinage de tubes de guidage en graphite pressé isostatiquement haute pureté (fabriqués en TFG-85 Toyo Carbon, avec une masse volumique ≥ 1,82 g/cm³) :
1. Perte de précision du contrôle : Traditionnellement, cela nécessite quatre opérations : « tour horizontal ébauche de la paroi extérieure → machine à aléser verticale finition de la paroi intérieure → correction manuelle de la rectitude → élimination de la poussière par flux d'air sous haute pression ». Plusieurs serrages entraînent un écart de coaxialité entre la paroi intérieure et la référence de bride dépassant 0,04-0,06 mm, et le rapport longueur sur diamètre étant trop élevé, ce qui provoque une erreur de rectitude de la paroi intérieure de 0,08-0,1 mm. Le taux de rebut dû à la déformation par flambage est de 16 %, et le taux de conformité final du produit n'est que de 78 % ;
2. Problème de poussière : La poussière de graphite s'accumule dans la cavité profonde de la paroi intérieure du tube de guidage. Après un nettoyage par flux d'air sous haute pression, il reste encore 8 % de poussière résiduelle dans le produit, ce qui nécessite un nettoyage supplémentaire par ultrasons et augmente les coûts de fabrication de 20 %. Par ailleurs, la poussière pénètre dans les roulements de broche et les rails de guidage de l'équipement, entraînant en moyenne 11 pannes d'outils machines par mois, et le cycle de dégradation de la précision des rails de guidage est réduit à 4 mois ;
3. Faible efficacité : Le cycle de traitement d'un seul tube de guidage dure jusqu'à 42 minutes, dont 35 % sont consacrées à la correction manuelle et au nettoyage de la poussière, et nécessitent la collaboration de 2 opérateurs. Le coût de main-d'œuvre pour un produit unique dépasse 32 yuans ; les outils de coupe en diamant sont sujets à la rupture en raison des vibrations de coupe, avec une durée de vie limitée à 30 pièces par lame, et un coût d'outil de 26 yuans par produit.
Scénarios d'utilisation client
Pour surmonter les difficultés, l'entreprise a introduit un tour vertical CNC personnalisé Taiwan Cloud KD500 spécifiquement conçu pour le graphite et a mis en place un système de traitement dédié pour le tube-guide avec « adaptation du rapport longueur/diamètre + double contrôle précis étanche à la poussière » :
Conception personnalisée du cœur de l'équipement :
1. Rigidité et contrôle de la flèche : Un bâti en granit naturel (coefficient de dilatation thermique ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃) est utilisé, dont les contraintes internes sont éliminées après 20 mois de vieillissement naturel. Associé à une structure de positionnement à trois points « broche + 2 jeux de supports auxiliaires réglables », l'espacement des supports est optimisé par analyse par éléments finis, ce qui permet de maintenir la flèche du tube-guide, dont le rapport longueur/diamètre est de 4:1, inférieure ou égale à 0,01 mm. Équipé du système CNC Fanuc 31i-B5 et d'une règle de mesure en réseau optique en boucle fermée totale (résolution 0,01 μm), il atteint une précision de positionnement de ± 0,005 mm et répond exactement aux exigences de tolérance de niveau H7 de la paroi intérieure.
2. Contrôle complet de la poussière : Intégré avec un système de prévention de la poussière en trois niveaux « séparateur cyclonique intégré au brochet (efficacité de dépoussiérage de 93 %) + hotte de captage de poussière annulaire à aspiration latérale (débit d'air de 1800 m³/h) + filtre haute efficacité de niveau HEPA 13 (précision de filtration de 0,3 μm) », la concentration de poussière dans la zone de travail est stable à ≤ 1,2 mg/m³, bien en dessous de la limite de 4 mg/m³ spécifiée dans la norme nationale GBZ 2.1-2019 ; Par ailleurs, des chaînes porte-câbles antipoussière et des guides à lubrification sans huile sont utilisés afin d'éviter le mélange de poussière et de lubrifiant, qui pourrait contaminer les pièces et l'équipement.
Configuration exclusive du système de coupe :
En utilisant une ventouse à vide poreuse de Φ 500 mm (avec une force d'adsorption de 0,11 MPa et un taux de couverture de la surface d'adsorption de 90 %), la déformation du serrage du tube guide en graphite est évitée grâce à une pression négative uniforme ; configurez un outil de tournage de trou interne revêtu de diamant (avec un bord arrondi de 0,01 mm et un rayon de pointe de 0,02 mm) et un système de refroidissement par air froid à dioxyde de carbone à -18 ℃ pour maintenir la température de la zone de coupe en dessous de 22 ℃ et supprimer les fissures des parois internes causées par les contraintes thermiques du graphite ; la broche adopte une conception à faible vibration (accélération vibratoire ≤ 0,07 g), adaptée aux exigences de traitement de haute fragilité du graphite.
En matière d'innovation technologique, une percée a été réalisée dans l'usinage de précision des tubes guides en graphite photovoltaïque grâce à un procédé de serrage unique
1. Intégration du processus : L'équipement intègre une ventouse à vide, une tourelle servo-motorisée à 8 stations (avec un temps de changement d'outil de 1,4 seconde) et un porte-outil long spécifique pour la paroi intérieure. Il permet d'effectuer en une seule opération le tournage de précision de la paroi extérieure du tube de guidage (rondité ≤ 0,018 mm), le alésage de précision de la paroi intérieure (cylindricité ≤ 0,01 mm), le tournage de précision de la face d'extrémité de la bride (planéité ≤ 0,025 mm) et le perçage du trou de guidage inférieur (précision de positionnement ≤ 0,12 mm), éliminant ainsi directement les corrections manuelles et les étapes de nettoyage ultrasonique, réduisant le processus de 50 % ;
2. Maîtrise de la déflexion et de la fragilité : Méthode de coupe progressive « segmentée » innovante - pour tenir compte du rapport différent entre la longueur et le diamètre, le tube de guidage est divisé en 3 à 4 sections pour le traitement ; chaque section adopte les paramètres « faible vitesse (700-900 tr/min) + avance lente (40-70 mm/min) + outil de passe arrière microscopique (≤ 0,05 mm) ». Cette méthode s'appuie sur un palpeur de mesure intégré dans la machine Renishaw (précision de mesure ± 0,0008 mm) pour collecter en temps réel les données de rectitude de la paroi intérieure, puis ajuste dynamiquement la force de support auxiliaire (précision de compensation 0,002 mm), ce qui permet de maintenir l'erreur de rectitude de la paroi intérieure à ≤ 0,05 mm et la taille des bavures à ≤ 0,006 mm ;
3. Optimisation de l'efficacité de changement de série : Équipé de 22 jeux de tubes guides en graphite photovoltaïques (adaptés aux fours à cristal unique de 12 à 18 pouces) et de modèles de paramètres de processus, le changement de série ne nécessite que la récupération du programme correspondant et le remplacement de l'outil de coupe long spécialisé. Le temps de changement est réduit de 3 heures traditionnelles à 15 minutes, répondant ainsi aux besoins de production par lots multi-spécifications.
Les résultats obtenus sont entièrement conformes aux normes strictes de l'industrie photovoltaïque :
Précision et taux de conformité : La stabilité de circularité de la paroi intérieure du tube guide en graphite est ≤ 0,02 mm, la coaxialité est ≤ 0,03 mm, et la rugosité de surface atteint Ra 0,6 μm, satisfaisant pleinement aux exigences techniques de la norme GB/T 3074.1-2019 "Électrode en graphite" et des composants de champ thermique pour fours à cristal unique photovoltaïques. Le taux de conformité des produits est passé de 78 % à 99,3 %, et le taux de rebut dû à la déformation par flambage a diminué à 0,7 % ;
Efficacité et coût : Le temps de traitement d'une pièce a été réduit de 42 minutes à 20 minutes, et la capacité de production journalière est passée de 90 pièces à 210 pièces ; suppression des processus de correction manuelle et de nettoyage ultrasonique, réduisant les coûts de main-d'œuvre de 32 yuans par produit ; la durée de vie des outils de coupe en diamant a été prolongée de 80 % grâce à l'optimisation des paramètres de coupe (passant de 30 pièces/lame à 54 pièces/lame), et le coût des outils de coupe par produit a été réduit à 14 yuans ;
Fonctionnement et maintenance des équipements : Le système de prévention de la poussière en trois niveaux a réduit le nombre moyen mensuel de pannes d'équipement de 11 à 0,7, étendu le cycle de calibrage de précision du rail de guidage à 2,5 ans, augmenté le taux d'utilisation global de l'équipement de 65 % à 94 %, réduit le temps d'arrêt annuel de 680 heures et permis une économie annuelle de plus de 220 000 yuans sur les coûts de maintenance.
Scénarios de traitement client
La machine-outil de précision Taiwan Cloud KD500 a résolu les problèmes industriels des tubes guides en graphite, tels qu'un grand rapport d'aspect, une déformation facile, un nettoyage difficile des poussières et une faible efficacité. « Actuellement, notre tube guide a été certifié par JA Solar et Trina Solar, et a été appliqué avec succès sur une ligne de production de fours à cristal unique haute efficacité de 18 pouces », a déclaré le directeur de production de l'entreprise. « Il répond à la spécification suivante : "l'atténuation des performances d'isolation du champ thermique ≤ 5 % après 15 mois d'utilisation continue", ce qui nous apporte un soutien essentiel pour occuper 38 % de part de marché dans le domaine des composants graphite haut de gamme pour le photovoltaïque. » Ce cas confirme que le tour vertical CNC est devenu un équipement clé permettant de surmonter le « triple goulot d'étranglement lié à la précision, à l'efficacité et à l'exploitation-maintenance » dans la fabrication de tubes guides en graphite isostatique de qualité photovoltaïque, grâce à la synergie approfondie entre « conception personnalisée du traitement du rapport longueur/diamètre + procédé adapté à la fragilité du graphite + traitement intégré des poussières ».
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