W systemie pola termicznego pieca do wytwarzania monokryształu fotowoltaicznego, rura prowadząca z grafitu izostatycznie prasowanego o średnicy Φ300-500 mm i długości 400-600 mm pełni podwójną funkcję kierowania ciekłym krzemem oraz izolacji pola termicznego. Obręcz wewnętrznej ścianki (wymagana wartość ≤ 0,025 mm), stosunek długości do średnicy (2,5–4:1) oraz chropowatość powierzchni (Ra ≤ 0,8 μm) bezpośrednio wpływają na ciągłość wzrostu monokryształu krzemu. Jeśli obręcz wewnętrznej ścianki przekracza normę, może to łatwo prowadzić do nieregularnego przepływu materiału krzemowego i powodować pęknięcia krawędzi monokryształu; Charakterystyka grafitu, taka jak niska twardość (skala Mohsa 1–2), duża kruchość oraz skłonność do nagromadzania się pyłu, w połączeniu z problemem odchylenia podczas obróbki wynikającym z dużego współczynnika kształtu, utrudnia tradycyjnym procesom osiągnięcie równowagi między dokładnością a wydajnością. Jedno z wiodących krajowych przedsiębiorstw specjalizujących się w komponentach grafitycznych fotowoltaicznych napotyka trzy kluczowe problemy podczas obróbki rur prowadzących z wysokoczystego grafitu izostatycznie prasowanego (wykonanych z Toyo Carbon TFG-85, o gęstości objętościowej ≥ 1,82 g/cm³):
1. Strata dokładności kontroli: Tradycyjnie wymaga czterech procesów: «tokarka pozioma – zgrubne toczenie ścianki zewnętrznej → wiertarka pionowa – dokładne wytaczanie ścianki wewnętrznej → ręczna korekta prostoliniowości → usuwanie pyłu strumieniem powietrza pod wysokim ciśnieniem». Wielokrotne mocowanie powoduje odchylenie współosiowości między ścianką wewnętrzną a powierzchnią kołnierza przekraczające 0,04–0,06 mm, a stosunek długości do średnicy jest zbyt duży, co prowadzi do błędu prostoliniowości ścianki wewnętrznej wynoszącego 0,08–0,1 mm. Odrzut spowodowany odkształceniem giętnym wynosi 16%, a końcowa frekwencja akceptacji produktu to zaledwie 78%;
2. Problem z pyłem: Pył grafitu gromadzi się w głębokiej wnęce wewnętrznej ścianki rury prowadzącej. Po oczyszczeniu strumieniem sprężonego powietrza w produkcie pozostaje nadal 8% pyłu, co wymaga dodatkowego czyszczenia ultradźwiękowego i zwiększa koszty produkcji o 20%; jednocześnie pył przedostaje się do łożysk wrzeciona i prowadnic maszyny, powodując średnio 11 awarii obrabiarek miesięcznie, a cykl degradacji dokładności prowadnic skraca się do 4 miesięcy;
3. Niska wydajność: Cykl przetwarzania pojedynczej rury prowadzącej trwa aż 42 minuty, z czego ręczna korekta i czyszczenie pyłu zajmują 35% czasu oraz wymagają współpracy dwóch operatorów. Koszt pracy przy jednym produkcie przekracza 32 yuany; narzędzia diamentowe są podatne na pęknięcia spowodowane drganiami podczas cięcia, ich żywotność wynosi zaledwie 30 sztuk na ostrze, a koszt narzędzi na jeden produkt to 26 yuanów.
Scenariusze użycia przez klienta
Aby pokonać trudności, firma wprowadziła dostosowany do potrzeb tajwański tokarko-wiertarkę CNC typu Cloud KD500 przeznaczoną specjalnie do grafitu oraz zbudowała dedykowany system obróbki rury prowadzącej z funkcją „adaptacji stosunku długości do średnicy + dwukontrola precyzyjna zabezpieczająca przed pyłem”:
Dostosowana konstrukcja rdzenia urządzenia:
1. Sztywność i kontrola ugięcia: Naturalne granitowe korpusy (współczynnik rozszerzalności termicznej ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃) poddane są 20-miesięcznemu naturalnemu starzeniu w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych. W połączeniu z trzypunktowym układem pozycjonowania „wrzeciło + 2 zestawy regulowanych podpór pomocniczych”, odległość podpór zoptymalizowano za pomocą analizy metodą elementów skończonych, dzięki czemu ugięcie rury prowadzącej o stosunku długości do średnicy 4:1 jest ograniczone do wartości ≤ 0,01 mm. Wyposażone w system CNC Fanuc 31i-B5 oraz pełną pętlę zamkniętą z siatką skalową (rozdzielczość 0,01 μm), osiąga dokładność pozycjonowania na poziomie ± 0,005 mm, dokładnie odpowiadając wymaganiom tolerancji klasy H7 ścianki wewnętrznej.
2. Kompleksowa kontrola pyłu: Zintegrowany system trzystopniowej ochrony przed pyłem składający się z «wiertła z wbudowanym cyklonem (sprawność usuwania pyłu na poziomie 93%) + pierścieniowej osłony zbierającej pył bocznie (wydajność powietrza 1800 m³/h) + filtra HEPA klasy 13 (skuteczność filtracji 0,3 μm)» zapewnia stabilne stężenie pyłu w strefie roboczej na poziomie ≤1,2 mg/m³, znacznie poniżej dopuszczalnego limitu 4 mg/m³ określonego w normie krajowej GBZ 2.1-2019; równocześnie stosowane są pyłoszczelne łańcuchy przesuwne kabli oraz prowadnice bezsmarowe, zapobiegające mieszaniu się pyłu i środków smarnych oraz zanieczyszczaniu przedmiotów i urządzeń.
Wyłącznie skonfigurowany system cięcia:
Stosując porowatą przyspawaczą tuleję próżniową o średnicy Φ 500 mm (z siłą adsorpcji 0,11 MPa i stopniem pokrycia powierzchni adsorpcji wynoszącym 90%), unika się odkształcenia zaciskania tulei prowadzącej z grafitem dzięki jednolitemu ciśnieniu negatywnemu; konfiguruje się diamentowe narzędzie tokarskie do wytaczania otworów wewnętrznych (z zaokrąglonym krawędzią 0,01 mm i promieniem wierzchołka 0,02 mm) oraz system chłodzenia suchym powietrzem z lodem suchym o temperaturze -18 ℃, aby kontrolować temperaturę strefy skrawania poniżej 22 ℃ i tłumić pęknięcia ścianek wewnętrznych spowodowane naprężeniami termicznymi grafitu; wrzeciło posiada niskowibracyjną konstrukcję (przyspieszenie drgań ≤ 0,07g), odpowiednią dla wymagań związanych z obróbką materiałów o wysokiej kruchości, takich jak grafit.
W zakresie innowacji technologicznych osiągnięto przełom w precyzyjnej obróbce tulei grafitych do fotowoltaiki poprzez proces jednokrotnego zamocowania
1. Integracja procesu: Urządzenie integruje próżniową przyssawkę, wieżyczkę serwoturniejową o 8 stacjach (z czasem wymiany narzędzia 1,4 sekundy) oraz dedykowany trzpień długiego noża do ściany wewnętrznej. Może ono jednorazowo wykonać precyzyjne toczenie ściany zewnętrznej rury prowadzącej (okrągłość ≤ 0,018 mm), precyzyjne wytaczanie ściany wewnętrznej (cylindryczność ≤ 0,01 mm), precyzyjne toczenie powierzchni końcowej kołnierza (płaskość ≤ 0,025 mm) oraz wiercenie otworu prowadzącego na dnie (dokładność położenia ≤ 0,12 mm), eliminując bezpośrednio procesy ręcznej korekty i czyszczenia ultradźwiękowego, skracając tym samym cykl technologiczny o 50%;
2. Kontrola ugięcia i kruchej struktury: Innowacyjna „metoda sekwencyjnego cięcia progresywnego” – ze względu na różnice stosunku długości do średnicy, rura prowadząca jest dzielona na 3–4 odcinki do obróbki; każdy odcinek wykorzystuje parametry „niska prędkość (700–900 obr/min) + powolne posuwanie (40–70 mm/min) + mikro narzędzie do docierania wstecznego (≤ 0,05 mm)”, w połączeniu z sondą pomiarową Renishaw do pomiarów w maszynie (dokładność pomiaru ± 0,0008 mm) do zbierania danych rzeczywistej prostoliniowości ścianki wewnętrznej, dynamicznej regulacji siły wspomagania pomocniczego (dokładność kompensacji 0,002 mm), co pozwala ograniczyć błąd prostoliniowości ścianki wewnętrznej do ≤ 0,05 mm, a wartość skrawania krawędzi do ≤ 0,006 mm;
3. Optymalizacja efektywności przeustawiania: Wyposażony w 22 zestawy fotowoltaicznych rur prowadzących z grafitu (przeznaczonych do pieców jednokrystalicznych o średnicy 12-18 cali) oraz szablony parametrów procesu, zmiana konfiguracji wymaga jedynie pobrania odpowiedniego programu i wymiany specjalistycznego długa ostrza tnącego. Czas zmiany skrócono z tradycyjnych 3 godzin do 15 minut, co spełnia potrzeby produkcji partii wielu specyfikacji.
Otrzymane wyniki w pełni spełniają rygorystyczne standardy przemysłu fotowoltaicznego:
Dokładność i wskaźnik zgodności: Stabilność okrągłości ścianki wewnętrznej rury prowadzącej z grafitu wynosi ≤ 0,02 mm, współosiowość ≤ 0,03 mm, a chropowatość powierzchni osiąga Ra 0,6 μm, co w pełni odpowiada wymaganiom technicznym normy GB/T 3074.1-2019 „Elektroda grafitowa” oraz komponentom pola termicznego pieców do krzemu jednokrystalicznego. Wskaźnik zgodności produktu wzrósł z 78% do 99,3%, a wskaźnik odpadów spowodowanych odkształceniem giętym zmniejszył się do 0,7%;
Wydajność i koszt: Czas przetwarzania pojedynczego elementu skrócono z 42 minut do 20 minut, a dzienne zdolności produkcyjne wzrosły z 90 sztuk do 210 sztuk; Wyeliminowano proces ręcznej korekcji i ultradźwiękowego czyszczenia, co obniżyło koszty pracy o 32 jenów na produkt; Żywotność diamentowych narzędzi tnących wydłużono o 80% dzięki zoptymalizowanym parametrom cięcia (ze 30 sztuk/naprawa do 54 sztuk/naprawa), a koszt narzędzi tnących na pojedynczy produkt zmniejszono do 14 jenów;
Eksploatacja i konserwacja urządzeń: Trójstopniowy system zapobiegania pyłom zmniejszył średnią miesięczną liczbę awarii sprzętu z 11 do 0,7, wydłużył cykl kalibracji precyzyjnej prowadnicy do 2,5 roku, zwiększył całkowity współczynnik wykorzystania sprzętu z 65% do 94%, skrócił roczny czas przestojów o 680 godzin oraz zaoszczędził ponad 220000 jenów rocznie na kosztach utrzymania ruchu.
Scenariusze przetwarzania u klienta
Taiwan Cloud Precision Machinery KD500 rozwiązał problem przemysłowy związany z rurkami prowadzącymi z grafitu, takie jak duża stosunek długości do średnicy, łatwa odkształcalność, trudności w czyszczeniu pyłu oraz niska wydajność. "Obecnie nasze rurki zostały certyfikowane przez JA Solar i Trina Solar oraz zostały pomyślnie wdrożone na linii produkcyjnej wysokowydajnych pieców jednokrystalicznych o wymiarze 18 cali. Spełniają one wymóg 'osłabienia właściwości izolacyjnych pola termicznego ≤ 5% po 15 miesiącach ciągłego użytkowania', co stanowi kluczowe wsparcie dla naszego udziału w rynku na poziomie 38% w segmencie wysokiej jakości komponentów grafitowych do fotowoltaiki" – stwierdził dyrektor produkcji firmy. Ten przypadek potwierdza, że tokarka CNC typu pionowego stała się kluczowym urządzeniem umożliwiającym przełamanie "potrójnego wąskiego gardła: precyzji, wydajności oraz konserwacji i obsługi" w procesie wytwarzania rurek prowadzących z grafitu izostatycznego do zastosowań fotowoltaicznych dzięki głębokiej synergii "niestandardowego projektu przetwarzania stosunku długości do średnicy + procesu dostosowanego do kruchej struktury grafitu + kompleksowego usuwania pyłu".
EN
