No sistema de campo térmico de um forno de cristal único fotovoltaico, o tubo guia de grafite prensado isostaticamente com diâmetro de Φ300-500mm e comprimento de 400-600mm exerce as funções duplas de orientar o derretimento do silício e isolar o campo térmico. A redondeza da parede interna (requerida ≤ 0,025 mm), a relação comprimento/diâmetro (2,5-4:1) adaptável e a rugosidade superficial (Ra ≤ 0,8 μm) afetam diretamente a continuidade do crescimento do cristal único de silício. Se a redondeza da parede interna exceder o padrão, pode facilmente provocar fluxo irregular do material de silício e causar ruptura nas bordas do cristal único; As características da grafite, como baixa dureza (Mohs 1-2), alta fragilidade e facilidade de acúmulo de poeira, combinadas ao problema de desvio no processamento decorrente da grande proporção entre comprimento e largura, tornam difícil para os processos tradicionais equilibrar precisão e eficiência. Uma empresa nacional líder em componentes de grafite fotovoltaicos enfrenta três gargalos principais ao processar tubos guias de grafite prensado isostaticamente de alta pureza (feitos de Toyo carbon TFG-85, com densidade aparente ≥ 1,82 g/cm³):
1. Perda de precisão no controle: Tradicionalmente, são necessários quatro processos: "torno horizontal para desbaste da parede externa → máquina vertical de mandrilamento para acabamento da parede interna → correção manual da retidão → remoção de poeira com jato de ar sob alta pressão". O múltiplo fixamento resulta em um desvio de coaxialidade entre a parede interna e o referencial do flange superior a 0,04-0,06 mm, além de uma relação comprimento/diâmetro excessivamente elevada, gerando um erro de retidão da parede interna de 0,08-0,1 mm. A taxa de refugo causada por deformação por flexão é de 16%, e a taxa de aprovação final do produto é apenas de 78%;
2. Problema de poeira: A poeira de grafite acumula-se na cavidade profunda da parede interna do tubo guia. Após a limpeza com fluxo de ar de alta pressão, ainda resta 8% de poeira no produto, o que exige uma limpeza adicional por ultrassom e aumenta os custos de fabricação em 20%; ao mesmo tempo, a poeira penetra nos rolamentos do fuso e nos trilhos guia dos equipamentos, resultando em uma média de 11 falhas mensais nas máquinas-ferramentas, e o ciclo de degradação da precisão dos trilhos guia é reduzido para 4 meses;
3. Baixa eficiência: O ciclo de processamento de um único tubo guia é de até 42 minutos, dos quais a correção manual e a limpeza de poeira representam 35%, exigindo a cooperação de 2 operadores. O custo de mão de obra por produto ultrapassa 32 yuans; as ferramentas de corte de diamante são propensas a quebra devido à vibração de corte, com vida útil de apenas 30 peças por lâmina e custo de ferramenta de 26 yuans por produto.
Cenários de uso do cliente
Para superar as dificuldades, a empresa introduziu um torno vertical CNC personalizado de grafite específico Taiwan Cloud KD500 e construiu um sistema de processamento dedicado para o tubo-guia com "adaptação da relação comprimento/diâmetro + controle duplo preciso à prova de poeira":
Projeto personalizado do núcleo do equipamento:
1. Controle de rigidez e deflexão: Utiliza estrutura natural em granito (coeficiente de expansão térmica ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃), com tensão interna eliminada após 20 meses de envelhecimento natural. Combinado com uma estrutura de posicionamento de três pontos do tipo "fuso principal + 2 conjuntos de suportes auxiliares ajustáveis", o espaçamento entre os suportes é otimizado por meio de análise de elementos finitos, controlando a deflexão do tubo-guia com relação comprimento/diâmetro de 4:1 dentro de ≤ 0,01 mm. Equipado com sistema CNC Fanuc 31i-B5 e controle fechado total com escala óptica (resolução de 0,01 μm), alcança precisão de posicionamento de ± 0,005 mm, atendendo com exatidão aos requisitos de tolerância nível H7 da parede interna.
2. Controle abrangente de poeira: Integrado com um sistema de prevenção de poeira em três níveis "separador ciclônico embutido no fuso (eficiência de remoção de poeira de 93%) + coifa de coleta de poeira por sucção anular (vazão de ar de 1800m³/h) + filtro de alta eficiência HEPA nível 13 (precisão de filtração de 0,3 μm)", a concentração de poeira na área de trabalho é estável em ≤ 1,2 mg/m³, muito abaixo do limite de 4 mg/m³ especificado na norma nacional GBZ 2.1-2019; ao mesmo tempo, são utilizadas correntes protetoras antipoeira para cabos e guias com lubrificação isenta de óleo para evitar que poeira e lubrificantes se misturem e contaminem peças e equipamentos.
Configuração exclusiva do sistema de corte:
Utilizando um copo de sucção a vácuo poroso de Φ 500 mm (com uma força de adsorção de 0,11 MPa e taxa de cobertura da área de adsorção de 90%), evita-se a deformação do aperto do tubo guia de grafite por meio de pressão negativa uniforme; configure uma ferramenta de torneamento de furo interno com revestimento de diamante (com borda arredondada de 0,01 mm e raio de ponta de 0,02 mm) e um sistema de refrigeração a ar frio com gelo seco de -18 ℃ para controlar a temperatura da zona de corte abaixo de 22 ℃ e suprimir trincas na parede interna causadas pelo estresse térmico da grafite; o eixo adota um design de baixa vibração (aceleração de vibração ≤ 0,07 g), adequado aos requisitos de usinagem de alta fragilidade da grafite.
Em termos de inovação tecnológica, foi alcançado um avanço na usinagem precisa de tubos guia de grafite para fotovoltaicos por meio de um processo único de fixação
1. Integração de processo: O equipamento integra um copo de sucção a vácuo, uma torreta servo com 8 estações (com tempo de troca de ferramenta de 1,4 segundos) e um porta-ferramenta longo dedicado para a parede interna. Ele pode realizar em um único processo a torneamento de precisão da parede externa do tubo guia (circularidade ≤ 0,018 mm), o alargamento de precisão da parede interna (cilindricidade ≤ 0,01 mm), o torneamento de precisão da face da flange (planicidade ≤ 0,025 mm) e a furação do orifício guia inferior (precisão posicional ≤ 0,12 mm), eliminando diretamente os processos de correção manual e limpeza ultrassônica, reduzindo o processo em 50%;
2. Controle de deflexão e fragilidade: Inovador "método segmentado de corte progressivo" - para a diferença na relação entre comprimento e diâmetro, o tubo guia é dividido em 3-4 seções para processamento, cada seção adota os parâmetros de "baixa velocidade (700-900r/min)+avanço lento (40-70mm/min)+ferramenta de passes micro-retrógrados (≤ 0,05mm)", combinado com um sensor de medição Renishaw integrado à máquina (precisão de medição ± 0,0008mm) para coletar dados em tempo real da retilineidade da parede interna, ajustando dinamicamente a força de suporte auxiliar (precisão de compensação 0,002mm), de modo que o erro de retilineidade da parede interna seja controlado dentro de ≤ 0,05mm, e a quantidade de rebarbação nas bordas seja ≤ 0,006mm;
3. Otimização da eficiência de troca: Equipado com 22 conjuntos de tubos guia de grafite fotovoltaicos (adequados para fornos de cristal único de 12-18 polegadas) com modelos de parâmetros de processo, a troca requer apenas recuperar o programa correspondente e substituir a ferramenta de corte especial de lâmina longa. O tempo de troca é reduzido de 3 horas tradicionais para 15 minutos, atendendo às necessidades de produção em lote com múltiplas especificações.
Os resultados da implementação estão totalmente em conformidade com os rigorosos padrões da indústria fotovoltaica:
Precisão e taxa de aprovação: A estabilidade da circularidade da parede interna do tubo guia de grafite é ≤ 0,02 mm, a coaxialidade é ≤ 0,03 mm e a rugosidade superficial atinge Ra0,6 μm, atendendo plenamente aos requisitos técnicos da norma GB/T 3074.1-2019 "Eletrodo de Grafite" e dos componentes do campo térmico de fornos de cristal único fotovoltaicos. A taxa de aprovação do produto aumentou de 78% para 99,3%, e a taxa de sucata por deformação por deflexão diminuiu para 0,7%;
Eficiência e Custo: O tempo de processamento de uma peça foi reduzido de 42 minutos para 20 minutos, e a capacidade diária de produção aumentou de 90 peças para 210 peças; Cancelados os processos de correção manual e limpeza por ultrassom, reduzindo os custos trabalhistas em 32 yuans por produto; A vida útil das ferramentas de corte diamantadas foi prolongada em 80% devido à otimização dos parâmetros de corte (de 30 peças/lâmina para 54 peças/lâmina), e o custo das ferramentas de corte por produto foi reduzido para 14 yuans;
Operação e manutenção de equipamentos: O sistema de prevenção de poeira em três níveis reduziu a média mensal de falhas dos equipamentos de 11 para 0,7, estendeu o ciclo de calibração de precisão do trilho-guia para 2,5 anos, aumentou a taxa de utilização abrangente dos equipamentos de 65% para 94%, reduziu o tempo de inatividade anual em 680 horas e gerou economia anual de mais de 220000 yuans em custos de manutenção.
Cenários de processamento do cliente
A Taiwan Cloud Precision Machinery KD500 resolveu os problemas do setor relacionados aos tubos guia de grafite, como grande relação de aspecto, deformação fácil, limpeza difícil da poeira e baixa eficiência. "O diretor de produção da empresa afirmou: 'Atualmente, nossos tubos guia já foram certificados pela JA Solar e pela Trina Solar, e já foram aplicados com sucesso em uma linha de produção de fornos monocristalinos de alta eficiência de 18 polegadas. Atendemos ao requisito de 'atenuação do desempenho de isolamento térmico ≤ 5% após 15 meses de uso contínuo', o que nos oferece suporte essencial para ocupar 38% da participação de mercado nos componentes de grafite de alto desempenho para fotovoltaicos'." Este caso confirma que o torno CNC vertical se tornou um equipamento fundamental para superar o "triplo gargalo de precisão, eficiência e operação e manutenção" na fabricação de tubos guia de grafite isostático de grau fotovoltaico, por meio da sinergia profunda entre "projeto personalizado do processamento da relação comprimento/diâmetro + processo adaptado à fragilidade do grafite + tratamento integrado de poeira".
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