德国和日本压铸模冷却路线差异大，中国该如何选择？

德国和日本在压铸模具冷却领域走了两条截然不同的路线，一条是技术驱动，追求稳定可靠，一条是目标驱动，追求精细化控制。两个不同方向的背后，是几十年来的不断创新和进步。以我现在的观点来看，未来两条路线很难有交集，除非有新的技术创新出现，否则只会越走越远。如今，中国压铸发展到一定水平，同时也越来越重视压铸模具的冷却系统，我们该如何选择，是寻求延续，还是追求创新？

主意

首先说一下德国和日本的制造理念，虽然我没有深入研究过德国和日本的企业，但是看过不少关于德国和日本制造的文章，也做过一些研究。

德国人的理念是以技术创新为驱动力，他们尊重既定的标准和流程，并引以为傲地去执行，以严谨的作风和对品质的不懈追求为工作立足点，精益求精。以奥迪为例，奥迪的理念是“突破技术，启迪未来”，他们认为竞争永不眠，唯有不断的技术创新，才能引领未来。这说明德国人的民族自豪感不是空洞的，而是来自于长久以来的创新和创造的传承。德国豪华车品牌占全球销量的60%-70%，日本车的可靠性一点也不比德国车差，豪华车的销量为何无法与德国相抗衡？这说明高端市场更注重技术创新，尊重和肯定幕后的团队。奥迪A8在1995年就实现了全铝车身制造，压铸结构件在20多年前就已实现量产。

德国压铸模具的冷却系统同样秉承着技术驱动、追求稳定可靠的理念。冷却系统设计非常先进，前期会花很多时间去思考，以求生产过程中的效率和稳定性。德国压铸行业在粉末激光3D打印随形冷却镶件的应用上早已实现量产，使用寿命堪比普通机加工镶件。

用于奥迪 V8 发动机裙部的粉末激光 3D 打印插件

日本的理念是目标导向的精细化管控，对成本、效率、品质、标准化的极致追求，大企业走的是人本主义、品质导向的精益之路，小企业则源于对耐得住寂寞的工匠精神的传承。

这个行业让我感触最深的两点就是成本可以压低到不可思议的程度，生产效率可以提升到不可思议的程度。举个简单的例子：如果你留意日本模具，就会发现他们能用两个吊装孔就不用四个，能用一个吊装孔就不用两个，把成本控制做到了极致。当然如果只看成本方面就太可惜了，背后还有更深层次的考虑：便于标准化操作；减少误操作提高安全性；提高效率等也是隐藏的秘密。在研究日本模具的某一点时，一定要从多个方面去考虑，否则会错过很多有价值的想法。

技术与理念

关于压铸模具冷却系统技术虽然有很多可说的，但要把理论统计整理后从实践中得到的经验表达出来，确实有些困难。一是自身水平有限，不能进行深入的学术研究和总结；二是行业和公司还没有形成积极的讨论氛围，缺少讨论做什么、怎么做的环境。现实中，我们只能了解一些概念和公式，很少有人会在设计过程中认真计算冷却水管路，即使能算出近似的数据，也会因为顶针、销子、形状结构的干扰而难以安排。闲暇时，我曾拿一两套德国设计的模具去计算冷却水管路，得出的结论总是与计算结果相差很大，有的相差2倍之多。这里要提一个概念：压铸周期取决于铸件最热部位的凝固时间。做模具、做压铸的人都知道饼干和直流是最容易爆裂的部位，所以解决了这两点其实问题就解决了，从这个角度我才明白德国人设计冷却水路的初衷。

有人可能会说，我们的模具在压铸生产过程中，经常会粘铝、划伤，导致停机或延长生产周期。虽然听起来很有道理，但从整个系统来看，局部热节点和整体热平衡并不冲突。粘铝、划伤只能说是局部材料耐受力不够，导致硬度下降、铝液黏连。所以我们只需要解决某一点，不需要担心整个热平衡系统。目前我们接触到的是一些基础概念，展望未来，我们还需要做一些“简单深入”的了解，比如热传导方式、热比例、热传递、热交换、冷却管路计算、传热介质等。

热传导方式

压铸生产过程中，熔融的铝液通过料管以高速、高压的方式进入模具，铝液在凝固过程中放出的结晶热（潜热、凝固热）被压铸模具吸收，使铝液冷却凝固，铝液在模具中逐渐冷却，直至成型出零件。压铸模具通过辐射、对流、热传导等方式向环境和压铸机提供热量。模具内部的热量在短时间内无法靠辐射、对流、热传导带走，因此必须通过一定量的传热介质（水、导热油）将模具内部的热量输送出去。热量比

设铝液一次压铸带给模具的热量为Q，通过热传导传递给压铸机的热量为Q1，约占总热量的20%；通过热辐射和对流传递的热量为Q2，约占总热量的5%；通过铸件排出的热量为Q3，约占总热量的25%；传热介质带走的热量为Q4，约占总热量的20%（相对较好的状态），喷淋带走的热量为Q5，约占总热量的10%（优秀的冷却系统只需要喷淋带走总热量的5%，就能达到高效循环，其实国内很多单位只是将Q5与Q4的热量比例对调了一下）；传递给模具的热量为Q6。压铸周期的周期主要通过Q5、Q4进行转换和调整。然后可以得出Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

冷却回路计算

热平衡就是热量输入与输出的计算，也就是系统中热流量的比较。在一个系统数据框架内达到模具热平衡是压铸生产的最终目标。如何保证稳定的质量和生产效率，模具热平衡起着重要作用。然而模具中导热介质带走的热量Q4是热平衡的关键点。在设置冷却水道时，如何确定水道的数量和尺寸呢？可以参考下面的导热公式进行简单计算：

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—合金注入开模时的温度在热量比中，传热介质带走的热量Q4约占总热量的20%，经换算，Q4约占模具内总热量Q0的30%，因此，我们可以通过公式计算出单位时间内所需的管道传热面积：

A=Q4/K(T3-T4)tK---冷却水及冷却管壁传热系数t3、T4--冷却水进出口温度t---冷却时间用单位时间内的冷却管面积，根据铸件的热量分布来设计冷却布置，这样就积累了基础数据。

传热介质

导热介质一般采用水和油，在日常的模具控温概念中，水是用来冷却的，油是用来加热的，其实二者是可以互相转换的，只是两种介质的物理性质决定了它们更好的使用范围。水有哪些优点：1、水的比热容为4200J/(kg·℃)，约为油的两倍，即热载体可以携带更多的热能。2、水与模具钢之间的热传导速率也是油传导速率的两倍。3、水的粘度低，在整个控温范围内基本恒定，不会因温度变化而变化。4、水的膨胀率比较小，比如100ml的水从20℃加热到140℃，体积增加约7.4升；而油则是10.4升。因此，采用油为介质时，容器比水要大。 5、水比较环保，不会产生结焦现象。6、水不易燃。以上优点使得近几年来水作为传热介质逐渐被人们采用。相信未来水在温控系统中的应用会越来越广泛。

水的沸点与压力关系表

既然水作为控温介质有这么多优点，那么油有没有可能被淘汰呢？其实镁合金的比热容比铝合金要小很多，因此对压铸充型时模具加热的要求比较高，一些薄壁镁合金件的生产完全依赖于模温机，一般镁合金压铸模具要求油温能达到250度左右，而水在5bar压力下最高温度也只能达到150度，因此用水模温机很难完成。

德国压铸模具冷却系统

上面介绍了一些基本概念，如果继续写下去，怕跑题，就写到这里。德国作为世界制造业强国，在欧洲铸造行业一直处于领先地位，BBA一直是压铸行业的标杆，在压铸件研发上引领潮流。模具是决定压铸生产的第一要素，温度对压铸生产的稳定性和生产效率起着关键作用，德国人乃至整个欧洲最信赖的压铸生产标准就是稳定性和可靠性。德国人有一个很有意思的观点：不要相信人！他们根深蒂固的观念之一就是人都会犯错，如果太多人参与压铸批量生产，负面效应必然会在各个环节受到影响和放大，最终影响铸件的质量。理解了这个概念再看看德国模具冷却就容易多了。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，多级冷却管路和储水井的完美结合。我第一次接触德国（欧洲）冷却，是10年前的一个PDF文件，介绍意大利SAPP集团的模具结构，图片非常精美，排版非常用心。我觉得当时有这个文件的设计师们，仿佛看到了明灯一般。今天看来，设计思路还是很先进的。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，德国家用马桶储水箱安装在墙内，可以使用几十年。为什么德国人对自己的产品有这么高的信心？我个人认为简单的结构和优质的材料是两个主要原因。德国压铸模具内部的冷却通道结构看似复杂，横向水道贯穿各个功能孔，但为什么它依然可靠呢？其实简单和复杂并不是完全对立的，它们往往可以相互过渡、相互转化。德国工程师通过复杂的通道设计和加工工艺，建立了简单的用户界面。比如iPhone的设计就是极简主义的，乔布斯要求手机只能有一个物理按键。其极简的背后是大量工程师创新和努力的结果。优质的冷却附件材料可以在恶劣的压铸生产环境中长期防止生锈、堵塞、断裂等问题，解决了生产过程中的后顾之忧。

方便快捷：为装配、生产人员准备了简洁的接口，一套复杂的离合器或变速箱模具冷却进出水道只有20组左右，在安装模具时可以节省大量的装配时间，后续维护的便捷性也大大提高。压铸生产时配套的快插接口，可以高效完成对接，减少压铸机压铸时间。

高压大流量通道：高压大流量冷却是德国压铸模具保持热平衡的基本条件，横水道与储水井是此系统中绝配，储水井与横水道交叉连接，储水井通过纵向空间延伸至热节点位置，理论上其冷却散热面积可以限制在理想值。由于冷却通道的减少，必须保证唯一通道的畅通，否则一旦堵塞，整条线路就会出现大面积的温度不平衡。因此冷却水的流量监控系统非常重要，现在新型压铸机一般都配有浮标流量监控系统。有人会问横水道与储水井的冷却方案对整条通道的温度一致性是否有影响，比如开始冷却效果好，但最后由于水温升高导致冷却效果变差，我对此也曾有过怀疑。后来通过水温与吸热量的曲线图，我了解到水的吸热量并不是随着温度的升高而降低的，而是随着温度的升高而升高，直到达到一个临界值后再缓慢降低。实际压铸生产热成像对比图也证明了此方案的可靠性。下图是此冷却方案的一个典型应用示例：齿形镶块的冷却只需要一个进水口和一个出水口，保证镶块的温度均衡。

节省成本：购买成本和使用成本低是德国模具冷却系统的另一大优势。由于管路的减少，冷却配件的购买量可减少一半以上。一些大型模具少则可节省几万元，多则数十万元。在模具的使用中，由于维修的减少，维修时间的缩短，能给企业带来可观的效益。从财务角度来说，省下来的钱就是企业的利润。

说了这么多德国冷却系统的优点，那需要注意的缺点又有哪些呢？首先，此冷却系统对工程师的要求较高，设计之初就要充分了解产品的热分布，控制好储水井到型腔表面的距离，防止实际生产中出现局部过冷或过热的情况；另外由于横水道形状复杂，对深孔钻设备的要求较高（最好是5轴深孔钻设备）；此冷却系统注重模具整体热平衡，设计不合理、热节点过多的铸件慎用；水质较差的地区慎用……

日本压铸模具冷却系统

上文提到，日本与德国走了两条不同的路线，那么两者之间肯定存在一些差异。比如日本的冷却系统是面向精确控制的，要求铸件内部各个热节点的温度都在可控范围内。日本的技术一直紧跟美欧，基于基础材料和电子产业的支持，日本的很多技术并不逊色于欧美。那么为何日本的压铸模具冷却系统没有追随欧美的脚步，而是走了一条不一样的路线呢？

先说一下我个人的猜测：我见过很多从日系车上拆下来的缸体、自动变速箱等汽车零部件，其中很多零部件都成为国内很多汽车厂家逆向仿制的对象。通过仔细分析发现，大部分零件的结构非常复杂，壁厚不均，甚至第一眼看去还误以为这些压铸件是低压铸造的。用压铸技术制造这些铸件难度很大，国内很多压铸厂和机台老板都吃过亏（良率低，批量问题频出）。这些没有思路的逆向工程需要一段时间慢慢消化。由于各种设计原因，采用欧美的冷却系统并不能解决铸件的质量问题，因此日本采用更容易控制的点冷却方式。单点冷却系统有什么优势呢？

单点精确控制：汽车压铸件对铸件内部缩孔的要求很高，缩孔引起的漏液问题是目前缸体、自动变速箱等复杂铸件最具代表性的缺陷。如何控制缩孔、漏液的发生，局部冷却是最直接有效的解决办法。点冷却的特点是以点为单位，每个点都是独立的单元，可以单独控制冷却水的流量和温度。通过CAE模拟软件对热节点进行分析，根据热节点的位置设定点冷却的直径和数量。由于每个冷却点都可以单独调节，因此在实际压铸生产过程中可以有效控制热节点的温度，从而保证铸件的质量。

易于设计加工：如上文所述，德国冷却系统设计考虑到铸造和填充热量的分布平衡，因此在设计之初就会考虑得比较全面。由于日本冷却系统是单点控制，可以有效防止设计不合理造成的区域间温度不平衡，因此冷却系统的设计对工程师的要求相对较低（参考CAE温度场，限制在型腔面距离标准以内）。点冷却加工对设备和人员的要求也相对较低，只要人员能识别孔径和深度要求就可以加工。日本模具厂以小而精著称，所以采用单点冷却方式的冷却系统非常适合日本小型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比较宽松，不会受到顶针、顶杆、镶件位置的影响。另外，日本的冷却系统对点冷却有一定的数量要求，一套模具设计中点冷却接口数量一般是德国的2~3倍，内部有效冷却数量也比德国的冷却系统多很多。有效冷却数量加上个体可控性保证了日本冷却系统冷却效果的优良。举一个实际的例子：日本丰田四缸压铸生产周期在100秒以内，而德国的效率远低于这个数值，德国停机维修、抛光的次数也高于日本。经过一段时间的生产，德国缸模表面烧结、发白现象比较严重，在铸件非重要位置尚可接受。但四缸机体冷却水路、油路密集，粘结、应变必然对铸件质量造成一定影响，因此日系冷却系统在复杂铸件上具有一定优势。

日本冷却系统的优点远不止以上几点，在销钉的冷却方面，日本人比德国人用心得多。日本非常重视销钉的冷却，能浇铸的销钉一定要浇铸，至于销钉的寿命，则通过不断的研究进行优化改进。而德国对销孔则有完全不同的看法，能避免断销不可控造成不稳定，最好不要浇铸。至于缩孔问题，则可以通过浇注系统的技术进行改进。从实际压铸生产来看，如果局部关键位置的销钉没有得到冷却，最好借鉴德国​​的解决方案。可视化管理是日本企业现场管理的重要组成部分，如何将冷却水的生产运行状况展现在现场工作人员面前呢？日本人发明了一种可视化的冷却水结构，虽然结构很简单——将管道连接到一个敞开的水容器上，就能观察到各个冷却水的运行状况。哪里水流正常，哪里水流慢，一眼就能辨别出来。所以日本的现场管理充分体现了人的价值。管理现场对待机器和人的态度，一直是德国和日本的明显区别。

站点管理

德国乃至欧洲的压铸现场冷却系统的管理并没有我们想象的那么先进，从上面的马桶水箱案例，我们就可以了解到德国品质的可靠性。有些冷却系统的冷却管采用弯曲的不锈钢管，在水质可靠的情况下，冷却系统在模具的整个生命周期内不需要过多的维护。德国压铸的量产现状和国内还是有些差别的，大众、奥迪等汽车的零部件产量至少在几百万件以上，所以一套模具在压铸机上一次生产就几万件，国内很少出现这个月3000件，下个月2000件这样的订单，所以一套模具压铸3-5次之后寿命就结束了。

有了模具冷却系统的可靠性，压铸机外部完全是辅助设备，所以德国冷却系统的管理可谓是轻松自如，从另一个角度来说，德国冷却系统对人员的要求低，管理成本低。

日本的冷却管理相对复杂一些，由于数量的增加和各种类型冷却水管的使用，无形中增加了故障的概率（密封圈直插式、宝塔直插式、锥形螺纹紧固式、直螺纹紧固式、方形高压、圆形高压、六角型等，据我所知有几十种），于是各种检查表格、标准化工作簿、现场问题板、冷却水分布图、喷淋路径图等应运而生。

国内一些著名的日本压铸厂在冷却系统管理方面值得我们借鉴，很多内容非常详细，很难出错。例如：外挂式水冷装配作业指导书、芯水管孔维护作业指导书、冷却管密封圈安装作业指导书、冷却水检验表、模具温控图等。做表格相对容易，但要像日本的现场管理者一样做到人与表格的融合，需要时间和毅力。你是把它当成一份事业，想把事情做得完美，自己和公司一起成长；还是只是敷衍了事地完成任务，与公司无所作为。

关键是先改变员工在工作中的基本态度。公司是以客户为中心，但客户服务是通过员工来实现的。要学​​习日本的管理方式，首先要学习日本以人为本的管理模式。

日本的管理就是过程的控制，过程控制得好，结果自然是积极的。中国高层管理最喜欢说的一句话就是：不管过程如何，我要的就是结果！完全以结果为导向，就会失去过程控制的基本原则，再好的结果也只是昙花一现。比较专业的高层管理可能会深入现场问几个详细的问题，比如：这款产品的压铸生产周期是多长，喷涂冷却时间是多少（竞争对手的时间是多少）；每4小时喷涂前后模具关键位置的温度变化曲线是多少；平均每套铸件的涂装剂成本是多少；这套模具的维修时间中，冷却系统占比是多少（同类模具占比是多少）。如果能问出这些问题，管理者也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吗？压铸的周期时间不够有竞争力吗？

日系和德系的散热系统差异，就像特斯拉和比亚迪的电池理念差异：能量密度和安全性的矛盾。从使用上来说，能量密度很重要，续航直接影响用户体验，更深层次的需求则是安全性的需求。两者都是理想的选择，关键看谁会在使用过程中，从上到下，不断优化、创新、升级整个系统。

随着汽车工业的发展，我国压铸也迎来了迈向高端的机遇。压铸件和模具的冷却系统是支撑整个路线稳定可靠的保障。德国和日本的冷却系统都是不错的选择，但一个偏左，一个偏右。我国压铸模具的冷却之路应该延续祖先的智慧，走中庸之道。中庸之道就是对“度”的极致把握，要根据不同的产品、不同的复杂程度，设计合适的冷却系统。总的思路是：简单铸件学德国，复杂铸件学日本。最重要的是要融合两者的优势，在两个圈子之间形成一个交集，取交集的精华。