В системе теплового поля одноместного фотогальванического реактора графитовая направляющая труба диаметром Φ300-500 мм и длиной 400-600 мм, полученная изостатическим прессованием, выполняет двойную функцию — направление потока расплавленного кремния и теплоизоляцию. Круглость внутренней стенки (требуется ≤ 0,025 мм), соотношение длины к диаметру (2,5–4:1), адаптивность и шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,8 мкм) напрямую влияют на непрерывность роста монокристаллического кремния. Если круглость внутренней стенки выходит за допустимые пределы, это может легко привести к неравномерному течению кремниевого материала и вызвать разрушение края монокристалла; Свойства графита, такие как низкая твёрдость (по шкале Мооса 1–2), высокая хрупкость и склонность к накоплению пыли, в сочетании с проблемой отклонения при обработке из-за большого соотношения сторон, затрудняют для традиционных технологий достижение баланса между точностью и эффективностью. Ведущее отечественное предприятие по производству графитовых компонентов для фотоэлектрической промышленности сталкивается с тремя основными узкими местами при обработке высокочистых графитовых направляющих труб, полученных изостатическим прессованием (изготовленных из Toyo Carbon TFG-85, с объёмной плотностью ≥ 1,82 г/см³):
1. Потеря точности управления: Традиционно требуется четыре процесса: «горизонтальный токарный станок для черновой обработки наружной стенки → вертикально-расточной станок для финишного растачивания внутренней стенки → ручная корректировка прямолинейности → удаление пыли с помощью воздушного потока под высоким давлением». Многократная установка приводит к отклонению соосности между внутренней стенкой и фланцевой базой более чем на 0,04–0,06 мм, а также к большой длине относительно диаметра, в результате чего погрешность прямолинейности внутренней стенки составляет 0,08–0,1 мм. Процент брака из-за деформации прогиба достигает 16 %, а процент годной продукции — всего 78 %;
2. Проблема пыли: Графитовая пыль накапливается в глубокой полости внутренней стенки направляющей трубки. После очистки сжатым воздухом в продукте остается 8% остаточной пыли, что требует дополнительной ультразвуковой очистки и увеличивает производственные затраты на 20%; одновременно пыль проникает в шпиндельные подшипники и направляющие станка, в результате чего в среднем происходит 11 отказов оборудования в месяц, а цикл деградации точности направляющих сокращается до 4 месяцев;
3. Низкая эффективность: Цикл обработки одной направляющей трубки составляет целых 42 минуты, из которых ручная корректировка и очистка от пыли занимают 35% времени и требуют участия двух операторов. Стоимость рабочей силы на одно изделие превышает 32 юаня; алмазные режущие инструменты склонны к поломкам из-за вибрации при резке, срок службы составляет всего 30 деталей на один резец, а стоимость инструмента на одно изделие — 26 юаней.
Сценарии использования клиентами
Для преодоления трудностей компания внедрила специальный станок с ЧПУ KD500 от Taiwan Cloud, предназначенный для графита, вертикально-токарный, и создала выделенную систему обработки направляющей трубки с «адаптацией соотношения длины к диаметру + пылезащитный точный двойной контроль»:
Индивидуальный дизайн основных узлов оборудования:
1. Жесткость и контроль прогиба: Используется естественный гранитный корпус (коэффициент теплового расширения ≤ 0,4 × 10⁻⁶/℃), внутренние напряжения снимаются после 20 месяцев естественного старения. В сочетании с трехточечной конструкцией позиционирования «шпиндель + 2 комплекта регулируемых вспомогательных опор», расстояние между опорами оптимизировано с помощью анализа методом конечных элементов, а прогиб направляющей трубки с соотношением длины к диаметру 4:1 контролируется в пределах ≤ 0,01 мм. Оснащен системой ЧПУ Fanuc 31i-B5 и полным замкнутым контуром управления с линейкой с решеткой (разрешение 0,01 мкм), обеспечивает точность позиционирования ± 0,005 мм и точно соответствует требованиям допуска уровня H7 внутренней стенки.
2. Комплексный контроль пыли: Интегрированная трехступенчатая система предотвращения пыли «циклонный сепаратор со шпинделем (эффективность удаления пыли 93%) + кольцевой боковой всасывающий пылесборник (объем воздуха 1800 м³/ч) + высокоэффективный фильтр класса HEPA 13 (точность фильтрации 0,3 мкм)», концентрация пыли в рабочей зоне стабильно ≤ 1,2 мг/м³, что значительно ниже предела 4 мг/м³, установленного в национальном стандарте GBZ 2.1-2019; одновременно используются пылезащитные кабельные тяговые цепи и направляющие с безмасляной смазкой для предотвращения смешивания пыли и смазки и загрязнения заготовок и оборудования.
Эксклюзивная конфигурация системы резки:
Использование пористого вакуумного захвата с диаметром Φ 500 мм (с силой адсорбции 0,11 МПа и коэффициентом покрытия зоны адсорбции 90 %) позволяет избежать деформации зажима графитовой направляющей трубки за счёт равномерного отрицательного давления; комплектация алмазным резцом с покрытием для обработки внутренних отверстий (с радиусом закругления кромки 0,01 мм и радиусом вершины 0,02 мм) и системой охлаждения сухим льдом при температуре -18 ℃ позволяет поддерживать температуру в зоне резания ниже 22 ℃ и подавлять растрескивание внутренней стенки, вызванное тепловым напряжением графита; шпиндель оснащён конструкцией с низким уровнем вибраций (ускорение вибрации ≤ 0,07g), что соответствует высоким требованиям к обработке хрупких графитовых деталей.
В области технологических инноваций достигнут прорыв в точной обработке фотогальванических графитовых направляющих труб за один установочный процесс
1. Интеграция процессов: Оборудование оснащено вакуумным присосом, 8-позиционной серво башенной головкой (с временем смены инструмента 1,4 секунды) и специальным держателем длинного резца для обработки внутренней стенки. Оно способно за одну установку выполнить прецизионное точение наружной стенки направляющей трубки (круглость ≤ 0,018 мм), прецизионное растачивание внутренней стенки (цилиндричность ≤ 0,01 мм), прецизионное точение торцевой поверхности фланца (плоскостность ≤ 0,025 мм) и сверление нижнего направляющего отверстия (точность позиционирования ≤ 0,12 мм), полностью исключая ручную доводку и ультразвуковую очистку, сокращая технологический процесс на 50%;
2. Контроль прогиба и хрупкости: Инновационный «сегментированный прогрессивный метод резки» — при различном соотношении длины к диаметру направляющая трубка разделяется на 3–4 секции для обработки, каждая из которых использует параметры «низкая скорость (700–900 об/мин) + медленная подача (40–70 мм/мин) + инструмент с микроскопическим обратным резанием (≤ 0,05 мм)», в сочетании с измерительным зондом Renishaw для измерения в станке (точность измерения ± 0,0008 мм), который собирает данные о прямолинейности внутренней стенки в реальном времени и динамически регулирует усилие вспомогательной опоры (точность компенсации 0,002 мм), что позволяет контролировать погрешность прямолинейности внутренней стенки в пределах ≤ 0,05 мм, а величину скола кромки — в пределах ≤ 0,006 мм;
3. Оптимизация эффективности переналадки: Оснащен 22 комплектами фотоэлектрических графитовых направляющих труб (подходит для одноместных кристаллизаторов 12–18 дюймов), шаблонами технологических параметров; смена осуществляется путем вызова соответствующей программы и замены специального режущего инструмента с длинным лезвием. Время переналадки сократилось с традиционных 3 часов до 15 минут, что отвечает потребностям серийного производства с множеством спецификаций.
Результаты реализации полностью соответствуют строгим стандартам фотоэлектрической промышленности:
Точность и коэффициент годности: Стабильность круглости внутренней стенки графитовой направляющей трубы ≤ 0,02 мм, соосность ≤ 0,03 мм, шероховатость поверхности достигает Ra0,6 мкм, что полностью соответствует техническим требованиям ГОСТ 3074.1-2019 «Графитированные электроды» и компонентам теплового поля одноместных кристаллизаторов для фотоэлектрических кремниевых пластин. Коэффициент годности продукции вырос с 78 % до 99,3 %, а процент брака по деформации изгиба снизился до 0,7 %;
Эффективность и стоимость: Время обработки одной детали сократилось с 42 минут до 20 минут, суточная производственная мощность увеличилась с 90 до 210 штук; отменены ручная корректировка и ультразвуковая очистка, что позволило снизить затраты на оплату труда на 32 юаня на одно изделие; срок службы алмазных режущих инструментов увеличился на 80% благодаря оптимизации параметров резания (с 30 штук/лезвие до 54 штук/лезвие), стоимость режущего инструмента на одно изделие снизилась до 14 юаней;
Эксплуатация и обслуживание оборудования: Трехступенчатая система защиты от пыли сократила среднемесячное количество отказов оборудования с 11 до 0,7, увеличила цикл калибровки точности направляющих до 2,5 лет, повысила комплексный коэффициент использования оборудования с 65% до 94%, сократила простои в год на 680 часов и позволила ежегодно экономить более 220000 юаней на затратах на техническое обслуживание.
Сценарии обработки заказчика
Тайваньский станок с ЧПУ KD500 компании Cloud Precision Machinery решил отраслевые проблемы, связанные с графитовыми направляющими трубами, такие как большое соотношение длины к диаметру, склонность к деформации, трудности очистки от пыли и низкая эффективность. «Директор по производству компании заявил: „В настоящее время наши направляющие трубы прошли сертификацию компаний JA Solar и Trina Solar и успешно внедрены на производственной линии высокоэффективных монокристаллических печей формата 18 дюймов. Изделия соответствуют требованию „ослабление теплоизоляционных характеристик теплового поля ≤ 5 % после 15 месяцев непрерывного использования“, что обеспечивает ключевую поддержку для завоевания нами 38 % доли рынка в сегменте высококачественных графитовых компонентов для фотогальваники“. Данный пример подтверждает, что вертикальный токарный станок с ЧПУ стал ключевым оборудованием для преодоления „тройного узкого места — точности, эффективности и технического обслуживания“ при производстве изостатически прессованных графитовых направляющих труб для фотоэлектрической промышленности за счёт глубокой синергии „индивидуальной конструкции обработки соотношения длины к диаметру + технологического процесса адаптации к хрупкости графита + комплексной обработки пыли“.
EN
