德国和日本压铸模冷却系统到底有什么区别！

  德国和日本在压铸模冷却这条道上走了两条完全不同的路线，所用的压铸材料也略有差异，一个是以技术为驱动的追求稳定可靠，一个是以目标为驱动的追求精细化控制，两个不同方向的背后是几十年的不断创新与改进，就个人目前来看以后两条路线也很难有交点，只会是越走越远，除非出现新的技术革新。如今中国的压铸已经发展到一定的水准，同时对压铸模的冷却系统也是越来越重视，我们的该如何选择，是寻找延续还是追求创新？

理念

  首先我们先聊一聊德国和日本的制造业理念，我虽然没有深入到德国和日本企业，但是关于德国和日本制造业方面的文章倒是看过很多，也做一些研究。

  德国的理念是技术创新为动力，他们尊重制定的标准和流程，以执行它们为荣，严谨的作风和精益求精对品质的不懈追求为根本。以奥迪汽车为例，奥迪汽车的理念秉承“突破科技，启迪未来”，他们认为竞争是从不睡觉，只有不停的技术创新才能引领未来，这一点说明德国民族自豪感并不是空洞的，它源自由来已久的创新，创造的传承。德国豪华汽车品牌全球销量占比为60%-70%，日本的汽车的可靠性并不比德国人差，为什么豪华汽车的销量敌不过德国，说明高端市场更看重科技的创新，对幕后团队的敬佩与肯定。奥迪A8在1995年就实现全铝车身的制造，压铸结构件20多年前就早已实现量产。

  压铸模冷却系统在德国同样秉承技术为驱动、追求稳定可靠的理念，冷却系统设计十分先进，为了生产过程中高效和稳定前期会花大量的时间去思考。德国压铸行业在粉末激光3D打印随形冷却镶块的应用也早已实现大批量生产，而且寿命和普通加工成型的镶件不相上下。

奥迪V8引擎裙架的一个粉末激光3D打印镶块  

  日本的理念是目标为导向的精细化控制，成本、效率、质量、标准化的极致追求。大企业走人本主义，质量主义的精益化道路，小企业源于耐得住寂寞的工匠精神的传承。  

  把成本能压到不可思议的地步，把生产效率提高到不可思议的境界，这两条是我做此行业感受最深的两点。举个简单的例子：注意一下日本的模具你就会发现他们的模具吊装孔能打两个的不打四个；能打一个的不打两个，他们把成本控制做到了极致。当然如果你只看到成本方面就太可惜了，其背后还有更深层次的考虑：易于标准化作业；减少误操作提高安全性；提升效率等等也是其中隐藏的秘密。研究日本模具某个点一定要从多个方面去考虑，不然你会漏掉很多有价值的思路。

技术与概念         

  关于压铸模冷却系统的技术，可讲之处虽然很多，但是能把实践得来的经验进行理论统计梳理后表现出来确实比较困难，一是本人自身的水平有限，无法展开深入的学术性研究和总结；二是行业和公司未形成一个积极的研讨氛围，缺少讨论做什么，怎么做的一个环境。现实中我们只能是了解一些概念和公式，设计过程中很少有人会认真的去计算冷却水的管路，即使能计算出大概的数据，实际碍于顶杆，销子，形状结构的干扰也难于排布。

  闲暇之时拿一两套德国设计的模具计算冷却水管路，得出的结论总是和计算结果相差很多，有些相差多达2倍。这里有个概念：压铸的循环周期取决于铸件最热部位固化的时间，做模具和压铸的人都明白料饼和直流道是最容易爆料的部分，因此解决了这两处，问题实际也就解决了，从这个角度来看我倒是理解了德国人设计冷却水路的初衷。  

  或许有些人会说，我们的模具在压铸生产过程中局部经常粘铝、拉伤从而导致停机或生产循环周期拉长，虽然听起来好像很有道理，但是从整个系统来看局部点的热节和整体热平衡并不冲突，粘铝拉伤只能说是局部点的材料耐受力不够导致硬度下降铝液粘结所导致，因此我们只需解决某个点就好，无需为整个热平衡系统烦扰。  

  目前接触的都是一些基础的概念，往前看我们仍是要做一点“简单而又深入”的了解，如关于热量传导方式、热占比、热传递、热交换、冷却管路计算，热传介质等。

热量传导方式  

  压铸生产过程中熔化的铝液通过料管高速高压进入模具，铝液在凝固过程中释放的结晶热（潜热，固化热）被压铸模具所吸收，使得铝液冷却和固化，铝液在模具中渐渐冷却直到形成一个零件，压铸模具通过辐射，对流，热传导给环境和压铸机提供热量，其中模具内部的热量无法在短时间内被辐射，对流，热传导所带走，所以模具内部热量输送出去要通过一定量的热传介质（水和热传油）  

热占比  

  假设一次压射铝液带给模具的热量为Q，热传导给压铸机的热量为Q1，约占总热量的20%；通过热辐射和对流形式的热量为Q2，约占总热量的5%；通过铸件排出的热量Q3，约占总热量的25%；通过热传介质带走的热量Q4,约占总热量的20%（做的比较好的状态），由喷涂带走的热量Q5，约占总热量的10%（优秀的冷却系统只需要喷涂带走5%的总热量即可实现高效循环，实际国内很多单位Q5和Q4热量占比正好做了一个位置对调）；热传递留在模具内的热量Q6。压铸循环的周期主要是通过Q5和Q4进行转换调节。

那么可以得出Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 

冷却管路的计算

  热平衡是计算确定输入和输出的热量，也就是系统中热通量的比较。在一个系统数据框架内达到的模具热平衡是压铸生产追求的终极目标，如何保证品质的稳定和生产效率模具热平衡起着重要的作用，然而模具内热传介质带走的热量Q4是热平衡的关键要点，在设置冷却通道时通道的数量，大小是怎么确定的，以下热传导的公式可以作为简单计算的一个参考：

  Q0=mc(T1-T2)

  Q0--- 模具内总热量

  m---单位时间内注入模具的合金总质量

  C--- 合金的热容量

  T1，T2—合金射入和开模时的温度  

  在热占比里通过热传介质带走的热量Q4约占总热量的20%，通过换算Q4约占模具内总热量Q0的30%，因此我们可以通过公式计算得出单位时间所需的管道传热面积：  

  A= Q4/K (T3-T4) t

  K---冷却水和冷却管壁热传系数

  T3，T4—冷却水进水和出水的温度

  t---冷却的时间   

  有了单位时间内的冷却管道面积，再根据铸件的热量分布结合去设计冷却的排布，如此就有了基础数据的沉淀.

热传介质

  热传介质一般采用水和油两种，在日常的模具温控概念中水用来冷却、油用来加热，实际两者之间是可以相互替换的，但两种介质的物理特性决定了它们更擅长的使用范围。水的优点有哪些呢：1，水的比热容是4200J/(kg·℃）大概是油的两倍，即热载体能携带能多的热能性质。2，水和模具钢材之间的热传速率也是油传导速率的2倍。3，水的粘度低，且整个控温范围内基本处于恒定，不会因为温度的变化而变化。4，水的膨胀率比较小，例如：将100ml水从20℃加热至140℃，体积增加约7.4升;另一方面，油是10.4升。因此在使用油为介质的情况下，盛放容器比水要大。5，水更环保，不会产生焦化。6，水的不可燃性。以上的这些优点在过去几年中已经慢慢使用水在作为热传导介质，相信以后水在温控系统中的作用会越来越被广泛的使用。

压力与水沸点的关系列表            

  水作为温控介质既然有这么多好处，那油是不是会有被淘汰的可能呢，其实不然，镁合金比热远远低于铝合金，因此压铸填充过程中对模具加热的要求较高，一些薄壁件的镁合金完全依赖于模温机生产，一般镁合金压铸模要求油温达到250度左右，水在5bar的压力下温度最高只能达到150度，因此用水模温机是很难完成的。 

德国压铸模冷却系统

  以上介绍了一些基础的概念性，继续写下去就怕偏离了主题，就此打住。德国作为世界制造业强国，铸造行业在欧洲一直处于领先地位，BBA在压铸件的研发上一直作为压铸行业的标杆引领着潮流。模具是决定压铸生产的第一要素，温度在压铸生产稳定性与生产效率上起着关键的作用，德国人乃至整个欧洲最信奉的压铸生产标准是稳定可靠，德国人有一个非常有意思的观点：不相信人！他们根深蒂固的一个观念就是人都会犯错，如果在压铸批量生产过程中有过多人参与负面作用必定在各个环节被影响放大，最终必然会影响铸件的品质，理解了这个理念再去看德国人的模具冷却就容易的多。

  德国压铸模具冷却统一的设计风格：高压大流量循环冷却系统，多层次的冷却管路和储水井结合是最完美的搭配。接触德式（欧式）冷却源于10年前的一份PDF文件，是介绍意大利SAPP集团的模具结构，图片十分精美排版也很用心，我想在那个时候拥有这份文件的设计师似乎都看到了一盏明灯，就今天看来设计思路仍是非常的先进。德国的这种冷却方式到底有什么好处呢？

稳定可靠：曾经看过一篇文章介绍德国的家用马桶储水器安装在墙壁里面，耐用时间长达几十年之久，为什么德国人对自己产品有如此高的信心？个人认为结构简单和材料优质这两点是最主要的原因。德国压铸模具内部冷却通道结构看似复杂，横七竖八的横水道贯穿于各种功能孔之间，可为什么它仍然可靠呢，其实简单和复杂并不是完全处于对立面，它们很多时候是可以相互过渡与转化，德国的工程师是通过复杂的通道设计和加工过程建立起一个简单的使用界面，举个简单的例子：iphone的设计为极简风格，乔帮主要求手机只能有一个实体按键，其极简的背后是大量工程师创新与努力的结果。优质的冷却配件材料可以杜绝长期在恶劣的压铸生产环境下产生锈蚀、堵塞、断裂等问题，解决了生产过程中的后顾之忧。  

方便快捷：简单的界面是为装配和生产人员而准备的，一套复杂的离合器或变速器模具冷却进出通道只有20组左右，装模时可以节约大量的装配时间，同时后续维护便捷性也大大提高。压铸生产时与之匹配的快插接口能高效的完成对接从而减少压铸机上装模时间。  

高压大流量通道：高压大流量冷却是德国压铸模保持热平衡一个基础条件。横水路和储水井是此系统中一组完美的搭配，储水井和横水路交叉对接，储水井通过纵向空间延伸到热节点位置且理论上它的冷却散热面积可以有限的扩大到理想数值。由于冷却通道的减少就必须保证仅有的通道畅通无阻，否则一旦堵塞就会出现整条线上大面积的温度不平衡，因此冷却水的流量监控系统就显得十分重要，现在新的压铸机一般匹配浮标式流量监控系统。有人或许要问横水路和储水井这种冷却方案对整条通道温度一致性是否有影响，如开始冷却效果较好末端由于水的温度升高而导致冷却效果不佳。我对此也产生过怀疑，后来通过水的温度与吸热能力变化的曲线图表了解到水的吸热能力并不会随着温度的升高而下降，而是随着温度的升高而变大直到达到一个临界值时才会缓慢下降，再有实际压铸生产的热成像对比图也证明了此方案的可靠性。下图是应用此冷却方案的一个典型的案例：齿形镶块的冷却只需要一进一出就能保证镶块温度的平衡。

节省成本：采购成本和使用成本低廉是德国模具冷却系统的另一大优势，由于管路的减少冷却配件的采购可减少一半以上，一些大型模具少则节省几万元，多则可达十几万元，在模具使用上由于维护减少，维护时间的缩短都能给企业带来可观的效益，从财务角度来看节省的钱就是企业的利润。  

说了几点德国冷却系统的优点，那还有哪些不足之处需要注意呢。首先此冷却系统对工程师的要求较高，设计之初要充分了解产品的热量分布状态，且要控制好储水井到型腔表面的距离，防止实际生产出现局部过冷或过热的情况；再有由于横通道的形状复杂，对深孔钻设备的要求较高（最好是有5轴深孔钻设备）；此冷却系统注重的是模具整体热平衡，设计不合理热节过多的铸件要慎用；水质不好的地区要慎用……  

日本压铸模冷却系统

前面说过日本和德国走了两条不同的路线，因此两者之间一定存在一些不同点，如日本的冷却系统以精确控制为方向，铸件中各个热节点的温度都要求在可控的范围内。日本的技术风向一向紧盯美欧，基于基础材料和电子产业的支撑日本的很多技术并不比欧美差，那为什么日本的压铸模具冷却系统没有跟随欧美的脚步，而是走了一条不同路线呢。     

说说我个人的猜想：我看过很多从日本车上拆下来的缸体、自动变速箱等汽车零部件，其中很多零件现以成为国内很多汽车厂家逆向仿造的对象，通过仔细的分析发现大多数零部件的结构十分复杂，且壁厚不均匀，甚至第一眼看到这些压铸件让我误认为是低压铸造工艺。这些铸件用压铸工艺来做是有一些难度的，国内的很多压铸厂和机主厂都吃过苦头（成品率低、常常出现批量问题），这些不假思索的逆向需有一段时间的慢慢消化。由于设计上的种种原因，导致使用欧美方式的冷却系统解决不了铸件的质量问题，因此日本使用了更容易控制的点冷却方式，那单点冷却系统有什么优点呢。

单点精确控制：压铸汽车零部件对铸件内部的气缩孔有较高的要求，由于气缩孔导致的泄漏问题目前是缸体，自动档变速箱等复杂铸件最具代表性的缺陷。如何控制气缩孔及泄漏的发生，局部冷却是最直接的有效方案。点冷却的特点是以点为单位，每一个点都是独立的单元，冷却水的流量和温度可以单独控制。通过CAE模拟软件分析热结点，根据热结点的位置设置点冷却的直径与数量，由于每一个冷却点都可以单个调节，在实际压铸生产过程中热节点的温度就可以有效地控制，从而保证铸件的质量。

设计、加工方便：上面说过德国的冷却系统设计时考虑了铸件和填充热量的分布平衡，因此设计之初会考虑的比较周全。日本的冷却系统由于是单个控制可以有效的防止因设计不合理导致的区域间的温度不平衡，所以冷却系统的设计对工程师的要求相对要低（参照CAE温度场，限定到型腔表面距离标准即可）。点冷却加工对设备和人员的要求也比较低，只要人员能识别孔径和深度要求就能加工。日本的模具厂因小而精而闻名，因此单点冷却方式的冷却系统非常适合日本小模具厂的规模和思维。

冷却效果好：点冷却的设计对空间位置要求较宽松，不会因为销子、顶杆、镶件的位置而产生影响。且日本冷却系统对点冷却有一定的数量要求，一套模具设计完成在点冷却接口的数量一般是德国的2到3倍，内部有效冷却的数量也远多于德国的冷却系统，有效冷却的数量加上单独的可控性保证了日本冷却系统的冷却效果优秀。举个现实的例子：日本丰田四缸体压铸生产的循环周期在100秒以内，而德国的效率远低于这个值，留模停机保养打光的次数德国也高于日本。德国缸体模具生产一段时间表面烧结、发白的位置较为严重，在铸件非重要位置到可以接受，然而四缸体本体冷却水路和油路密布，粘结、拉伤必将对铸件的质量产生一定的影响，因此日本的冷却系统方式在复杂的铸件上相比较存在一定的优势。

日本冷却系统的优点远不止以上几点，在销子的冷却上日本人比德国人要用心的多，日本对销子的冷却十分看重，能铸出的销子一定要想尽办法铸出，至于销子的寿命问题再通过不断的研究去优化改进；德国对销孔完全是另一种看法，能不铸出尽量不铸出，避免因为不可控的断销引起的不稳定性，至于气缩孔的问题可通过浇排系统的技术来改善，实际压铸生产来看，局部重点位置的销子如没有冷却不如学习德国的方案来的直接。可视化管理是日本企业现场管理的重要一环，如何让冷却水生产运行状态展示在现场工作人员的面前，日本人发明了可视化的冷却水结构，虽然结构很简单---将一根根管子接到一个开放的盛水器里，如此就能观察每个冷却水的运行状态，哪根水流正常，哪根水流缓慢一眼就能识别出来，因此日本现场管理充分展现了人的价值，在管理现场对机器和人的态度一直是德国和日本明显的区别。 

现场管理

  德国乃至整个欧洲对压铸现场冷却系统的管理并没有我们想象的那么先进，从上面马桶水箱的案例我们可以了解到德国品质的可靠性，有些冷却系统的冷却管路使用不锈钢管折弯而成，在水质可靠的状态下模具整个生命周期内冷却系统都无需进行过多的维护。德国的压铸量产状态和国内还是有一定的区别，大众、奥迪等汽车的零部件产量少则都是以百万为单位的，因此一套模具压铸机上生产一次都是几万的量，很少存在像国内这个月3000、下个月2000这样下订单。因此一套模具的压铸上下3-5次模具寿命就到了。      

  有了模具冷却系统的可靠性，压铸机外接的部分完全就是辅助装置，因此德国的冷却系统的管理完全可以用轻松二字来形容。从另外一个角度来看，德国冷却系统对人员要求低同时管理成本也是低廉的。      

  日本对冷却的管理相对来看就要复杂的多，由于数量的增加且各式各样的冷却水管的应用无形中增加了故障的几率（密封圈直插、宝塔直插、锥螺纹拧紧、直螺纹拧紧、方形高压、圆形高压、六角式等等，据我知道的就有几十种），因此各种点检表、标准化作业书、现场问题看板、冷却水分布图、喷涂路径图等应运而生。

  国内一些著名的日本压铸厂在冷却系统管理方面还是值得借鉴的，很多内容详细到想犯错都难。例如：插拔式水冷装配作业指导书、模芯水管孔保养作业指导书、冷却管密封圈安装作业指导书、冷却水点检表、模具温度控制图表等等。制作一份表格是比较容易的事情，但要做到像日本的现场管理人与表做到合二为一是需要时间和毅力。是当作一份事业从心而发的想把事情做完美、让自己和公司共同成长；还是应付式的完成任务和公司一起碌碌无为。      

  重点是先改变员工工作的基本态度，公司以服务客户为中心，然而服务客户是通过员工来实现的，学习日本的管理方法首先要学习日本以人为本管理模式。

  日本管理是对过程的管控，过程控制好了结果自然是良性的，中国管理高层最喜欢说的一句话是：不管过程如何，我要的是结果！完全以结果为导向就会失去过程控制的基本原则，美好的结果只是昙花一现。专业一点的高层或许会深入到现场问几个细节方面的问题，如：这个产品的压铸生产循环周期是多少，喷涂冷却时间是多少（竞争对手的时间是多少）；喷涂前后模具重点位置的温度每4个小时变化曲线图；每个铸件平均的涂膜剂费用是多少；冷却系统在此套模具维修时间的比率占到多少（类似模具占比又是多少），如果你能问上这几个问题，管理者还能拿出具体的分析数据，你还会担心模具的冷却系统不够精确？压铸的循环周期时间还不够竞争力吗？

  日本和德国冷却系统的区别就像特斯拉和比亚迪电池理念的差别：能量密度和安全的矛盾，从使用上来说能量密度很重要，续航能力直接影响到用户的体验，而更深层次需求是安全的需求，两者都是理想选择，关键的是使用的过程中谁会让整个系统至上而下的持续优化、创新、升级。    

  随着汽车工业的发展，中国压铸也迎来了走上高端的机会，压铸和模具的冷却配套系统是支撑整条路线稳定，可靠的保证。德国和日本的冷却系统都是不错的选择，但是两者一个偏左一个偏右，中国的压铸模具冷却之路应该延续我们老祖宗的智慧，走中庸之道，中庸是对“度”把握的极致。我们应该根据不同的产品，选择不同的压铸材料，不同的复杂程度去设计合适的冷却系统，总的思想：简单的铸件学习德国，复杂的铸件学习日本，模具钢材选择金华洲，最重要的是将优点进行整合，将两个圈形成交点，我们取走交点内的精华即可。