Nel sistema del campo termico di un forno fotovoltaico per cristalli singoli, il tubo guida in grafite pressata isostaticamente con diametro Φ300-500mm e lunghezza di 400-600mm svolge una doppia funzione: guidare la fusione del silicio e isolare il campo termico. La rotondità della parete interna (richiesta ≤ 0,025 mm), l'adattabilità del rapporto lunghezza/diametro (2,5-4:1) e la rugosità superficiale (Ra ≤ 0,8 μm) influiscono direttamente sulla continuità della crescita del cristallo singolo di silicio. Se la rotondità della parete interna supera lo standard, può facilmente causare un flusso irregolare del materiale di silicio e portare alla rottura dei bordi del cristallo singolo; Le caratteristiche della grafite, come bassa durezza (Mohs 1-2), elevata fragilità e facile accumulo di polvere, unite al problema della deviazione di lavorazione causata da un elevato rapporto dimensionale, rendono difficile per i processi tradizionali bilanciare precisione ed efficienza. Un'azienda leader nazionale nel settore dei componenti in grafite fotovoltaici si trova attualmente ad affrontare tre colli di bottiglia fondamentali nella lavorazione dei tubi guida in grafite pressata isostaticamente ad alta purezza (realizzati in Toyo carbon TFG-85, con densità volumica ≥ 1,82 g/cm³):
1. Perdita di accuratezza del controllo: Tradizionalmente, sono necessari quattro processi: "tornitura orizzontale del guscio esterno grezzo → alesatura fine della parete interna con macchina verticale → correzione manuale della rettilineità → rimozione della polvere con flusso d'aria ad alta pressione". I multipli serraggi provocano una deviazione della coassialità tra la parete interna e il riferimento della flangia superiore a 0,04-0,06 mm, e il rapporto lunghezza/diametro è troppo elevato, causando un errore di rettilineità della parete interna di 0,08-0,1 mm. La percentuale di scarto causata dalla deformazione per flessione è del 16%, e il tasso di conformità del prodotto finale è solo del 78%;
2. Problema della polvere: La polvere di grafite si accumula nella cavità profonda della parete interna del tubo guida. Dopo la pulizia con flusso d'aria ad alta pressione, rimane comunque l'8% di polvere residua nel prodotto, richiedendo una pulizia ultrasuonica aggiuntiva e aumentando i costi di produzione del 20%; allo stesso tempo, la polvere penetra nei cuscinetti del mandrino e nei binari di scorrimento dell'apparecchiatura, causando in media 11 guasti mensili alle macchine utensili e riducendo il ciclo di degrado della precisione dei binari a 4 mesi;
3. Bassa efficienza: Il ciclo di lavorazione di un singolo tubo guida è lungo fino a 42 minuti, di cui il 35% è dedicato alla correzione manuale e alla pulizia della polvere, richiedendo la collaborazione di 2 operatori. Il costo del lavoro per un singolo prodotto supera i 32 yuan; gli utensili diamantati sono soggetti a rottura a causa delle vibrazioni di taglio, con una durata limitata a soli 30 pezzi per lama e un costo utensile di 26 yuan per prodotto.
Scenari di utilizzo del cliente
Per superare le difficoltà, l'azienda ha introdotto un tornio verticale CNC personalizzato Taiwan Cloud KD500 specifico per grafite e ha realizzato un sistema di lavorazione dedicato per il tubo guida con "adattamento del rapporto lunghezza/diametro + doppio controllo preciso antipolvere":
Progettazione personalizzata del nucleo dell'equipaggiamento:
1. Controllo della rigidità e della flessione: Viene utilizzato un basamento in granito naturale (coefficiente di dilatazione termica ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃), con tensioni interne eliminate dopo 20 mesi di invecchiamento naturale. Combinato con una struttura a tre punti di posizionamento "mandrino + 2 set di supporti ausiliari regolabili", la distanza tra i supporti è ottimizzata tramite analisi agli elementi finiti, controllando la flessione del tubo guida con rapporto lunghezza/diametro di 4:1 entro ≤ 0,01 mm. Dotato del sistema CNC Fanuc 31i-B5 e controllo ad anello chiuso completo con riga ottica (risoluzione 0,01 μm), raggiunge un'accuratezza di posizionamento di ± 0,005 mm, soddisfacendo con precisione i requisiti di tolleranza di livello H7 della parete interna.
2. Controllo completo della polvere: Integrato con un sistema di prevenzione della polvere a tre livelli "separatore ciclonico integrato nell'alberino (efficienza di rimozione della polvere del 93%) + cappa di aspirazione laterale anulare (portata d'aria di 1800 m³/h) + filtro ad alta efficienza HEPA 13 (accuratezza di filtrazione di 0,3 μm)", la concentrazione di polvere nell'area di lavoro è stabile ≤ 1,2 mg/m³, ben al di sotto del limite di 4 mg/m³ stabilito dalla norma nazionale GBZ 2.1-2019; allo stesso tempo, vengono utilizzate catene portacavi antipolvere e guide a lubrificazione senza olio per evitare che polvere e lubrificanti si mescolino e contaminino i pezzi e l'equipaggiamento.
Configurazione esclusiva del sistema di taglio:
Utilizzando un attacco a vuoto poroso con ventosa di Φ 500 mm (con una forza di adsorbimento di 0,11 MPa e una copertura dell'area di adsorbimento del 90%), si evita la deformazione del bloccaggio del tubo guida in grafite mediante una pressione negativa uniforme; configurare uno strumento per tornitura fori interni rivestito in diamante (con spigolo arrotondato di 0,01 mm e raggio della punta di 0,02 mm) e un sistema di raffreddamento ad aria fredda con ghiaccio secco a -18 ℃ per mantenere la temperatura della zona di taglio al di sotto di 22 ℃ e sopprimere le crepe delle pareti interne causate dagli sforzi termici nella grafite; il mandrino adotta un design a bassa vibrazione (accelerazione delle vibrazioni ≤ 0,07 g), adatto ai requisiti di lavorazione ad alta fragilità della grafite.
In termini di innovazione tecnologica, è stato raggiunto un breakthrough nella lavorazione di precisione dei tubi guida in grafite per fotovoltaico attraverso un processo di serraggio singolo
1. Integrazione del processo: L'equipaggiamento integra un attacco a vuoto, una torretta servo con 8 stazioni (con un tempo di cambio utensile di 1,4 secondi) e un portautensile dedicato per lamiera lunga specifico per la parete interna. Può completare in un'unica passata la tornitura di precisione della parete esterna del tubo guida (rotondità ≤ 0,018 mm), lo alesaggio di precisione della parete interna (cylindricità ≤ 0,01 mm), la tornitura di precisione della faccia terminale della flangia (planarità ≤ 0,025 mm) e la foratura del foro guida inferiore (precisione posizionale ≤ 0,12 mm), eliminando direttamente le operazioni manuali di correzione e il processo di pulizia ad ultrasuoni, riducendo il ciclo produttivo del 50%;
2. Controllo della deflessione e della fragilità: Innovativo "metodo di taglio progressivo segmentato" - per la differenza tra rapporto lunghezza e diametro, il tubo guida è suddiviso in 3-4 sezioni per la lavorazione; ogni sezione adotta i parametri "bassa velocità (700-900 giri/min) + avanzamento lento (40-70 mm/min) + utensile micro ritrancio (≤ 0,05 mm)", combinati con una sonda di misura Renishaw integrata nella macchina (precisione di misura ± 0,0008 mm) per raccogliere dati in tempo reale sulla rettilineità della parete interna, regolando dinamicamente la forza di supporto ausiliario (precisione di compensazione 0,002 mm), in modo da mantenere l'errore di rettilineità della parete interna entro ≤ 0,05 mm e la dimensione dello smusso ≤ 0,006 mm;
3. Ottimizzazione dell'efficienza di cambio produzione: Dotato di 22 set di tubi guida in grafite fotovoltaici (adatti a forni per cristalli singoli da 12-18 pollici) con modelli di parametri di processo; il cambio richiede solamente il richiamo del programma corrispondente e la sostituzione dell'utensile specifico a lama lunga. Il tempo di cambio è stato ridotto da 3 ore tradizionali a 15 minuti, soddisfacendo le esigenze di produzione batch multi-specifica.
I risultati implementati sono pienamente conformi agli elevati standard del settore fotovoltaico:
Precisione e tasso di conformità: La stabilità della rotondità della parete interna del tubo guida in grafite è ≤ 0,02 mm, la coassialità è ≤ 0,03 mm e la rugosità superficiale raggiunge Ra0,6 μm, soddisfacendo pienamente i requisiti tecnici della norma GB/T 3074.1-2019 "Elettrodi in grafite" e delle componenti del campo termico dei forni per cristalli singoli fotovoltaici. Il tasso di conformità del prodotto è aumentato dal 78% al 99,3%, mentre la percentuale di scarto per deformazione da flessione si è ridotta allo 0,7%;
Efficienza e costo: Il tempo di lavorazione per un singolo pezzo è stato ridotto da 42 minuti a 20 minuti, e la capacità produttiva giornaliera è aumentata da 90 pezzi a 210 pezzi; eliminati i processi di correzione manuale e di pulizia ad ultrasuoni, con una riduzione dei costi del lavoro di 32 yuan per prodotto; la durata degli utensili diamantati per il taglio è stata estesa dell'80% grazie all'ottimizzazione dei parametri di taglio (da 30 pezzi/lama a 54 pezzi/lama), e il costo degli utensili di taglio per singolo prodotto è stato ridotto a 14 yuan;
Funzionamento e manutenzione dell'attrezzatura: Il sistema di prevenzione della polvere a tre livelli ha ridotto il numero medio mensile di guasti dell'attrezzatura da 11 a 0,7, esteso il ciclo di calibrazione della precisione della guida a 2,5 anni, aumentato il tasso di utilizzo complessivo dell'attrezzatura dal 65% al 94%, ridotto l'arresto annuo di 680 ore e permesso un risparmio sui costi di manutenzione superiore a 220000 yuan all'anno.
Scenari di lavorazione del cliente
Il macchinario di precisione Taiwan Cloud KD500 ha risolto i problemi comuni del settore relativi ai tubi guida in grafite, come il grande rapporto dimensionale, la facile deformazione, la difficoltà nella pulizia della polvere e la bassa efficienza. "Il direttore della produzione dell'azienda ha dichiarato: "Attualmente, il nostro tubo guida è stato certificato da JA Solar e Trina Solar ed è stato applicato con successo in una linea di produzione di forni monocristallini ad alta efficienza da 18 pollici. Soddisfa il requisito secondo cui 'l'attenuazione delle prestazioni termiche di isolamento deve essere ≤ 5% dopo 15 mesi di utilizzo continuativo', fornendo un supporto fondamentale per conquistare il 38% della quota di mercato nei componenti grafite di fascia alta per il fotovoltaico". Questo caso conferma che il tornio verticale CNC è diventato un'attrezzatura chiave per superare il 'triplice collo di bottiglia relativo a precisione, efficienza e manutenzione operativa' nella produzione di tubi guida in grafite isostatica per applicazioni fotovoltaiche, grazie alla sinergia profonda tra 'progettazione personalizzata del rapporto lunghezza/diametro + processo adattato alla fragilità della grafite + trattamento integrato della polvere'.
EN
