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德國和日本壓鑄模冷卻系統到底有什么區別!

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文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2017-10-09 15:17:00

  德國和日本在壓鑄模冷卻這條道上走了兩條完全不同的路線,所用的壓鑄材料也略有差異,一個是以技術為驅動的追求穩定可靠,一個是以目標為驅動的追求精細化控制,兩個不同方向的背后是幾十年的不斷創新與改進,就個人目前來看以后兩條路線也很難有交點,只會是越走越遠,除非出現新的技術革新。如今中國的壓鑄已經發展到一定的水準,同時對壓鑄模的冷卻系統也是越來越重視,我們的該如何選擇,是尋找延續還是追求創新?

理念

  首先我們先聊一聊德國和日本的制造業理念,我雖然沒有深入到德國和日本企業,但是關于德國和日本制造業方面的文章倒是看過很多,也做一些研究。

  德國的理念是技術創新為動力,他們尊重制定的標準和流程,以執行它們為榮,嚴謹的作風和精益求精對品質的不懈追求為根本。以奧迪汽車為例,奧迪汽車的理念秉承“突破科技,啟迪未來”,他們認為競爭是從不睡覺,只有不停的技術創新才能引領未來,這一點說明德國民族自豪感并不是空洞的,它源自由來已久的創新,創造的傳承。德國豪華汽車品牌全球銷量占比為60%-70%,日本的汽車的可靠性并不比德國人差,為什么豪華汽車的銷量敵不過德國,說明高端市場更看重科技的創新,對幕后團隊的敬佩與肯定。奧迪A8在1995年就實現全鋁車身的制造,壓鑄結構件20多年前就早已實現量產。

  壓鑄模冷卻系統在德國同樣秉承技術為驅動、追求穩定可靠的理念,冷卻系統設計十分先進,為了生產過程中高效和穩定前期會花大量的時間去思考。德國壓鑄行業在粉末激光3D打印隨形冷卻鑲塊的應用也早已實現大批量生產,而且壽命和普通加工成型的鑲件不相上下。

奧迪V8引擎裙架的一個粉末激光3D打印鑲塊  

  日本的理念是目標為導向的精細化控制,成本、效率、質量、標準化的極致追求。大企業走人本主義,質量主義的精益化道路,小企業源于耐得住寂寞的工匠精神的傳承。  

  把成本能壓到不可思議的地步,把生產效率提高到不可思議的境界,這兩條是我做此行業感受最深的兩點。舉個簡單的例子:注意一下日本的模具你就會發現他們的模具吊裝孔能打兩個的不打四個;能打一個的不打兩個,他們把成本控制做到了極致。當然如果你只看到成本方面就太可惜了,其背后還有更深層次的考慮:易于標準化作業;減少誤操作提高安全性;提升效率等等也是其中隱藏的秘密。研究日本模具某個點一定要從多個方面去考慮,不然你會漏掉很多有價值的思路。

技術與概念         

  關于壓鑄模冷卻系統的技術,可講之處雖然很多,但是能把實踐得來的經驗進行理論統計梳理后表現出來確實比較困難,一是本人自身的水平有限,無法展開深入的學術性研究和總結;二是行業和公司未形成一個積極的研討氛圍,缺少討論做什么,怎么做的一個環境?,F實中我們只能是了解一些概念和公式,設計過程中很少有人會認真的去計算冷卻水的管路,即使能計算出大概的數據,實際礙于頂桿,銷子,形狀結構的干擾也難于排布。

  閑暇之時拿一兩套德國設計的模具計算冷卻水管路,得出的結論總是和計算結果相差很多,有些相差多達2倍。這里有個概念:壓鑄的循環周期取決于鑄件最熱部位固化的時間,做模具和壓鑄的人都明白料餅和直流道是最容易爆料的部分,因此解決了這兩處,問題實際也就解決了,從這個角度來看我倒是理解了德國人設計冷卻水路的初衷。  

  或許有些人會說,我們的模具在壓鑄生產過程中局部經常粘鋁、拉傷從而導致停機或生產循環周期拉長,雖然聽起來好像很有道理,但是從整個系統來看局部點的熱節和整體熱平衡并不沖突,粘鋁拉傷只能說是局部點的材料耐受力不夠導致硬度下降鋁液粘結所導致,因此我們只需解決某個點就好,無需為整個熱平衡系統煩擾。  

  目前接觸的都是一些基礎的概念,往前看我們仍是要做一點“簡單而又深入”的了解,如關于熱量傳導方式、熱占比、熱傳遞、熱交換、冷卻管路計算,熱傳介質等。

熱量傳導方式  

  壓鑄生產過程中熔化的鋁液通過料管高速高壓進入模具,鋁液在凝固過程中釋放的結晶熱(潛熱,固化熱)被壓鑄模具所吸收,使得鋁液冷卻和固化,鋁液在模具中漸漸冷卻直到形成一個零件,壓鑄模具通過輻射,對流,熱傳導給環境和壓鑄機提供熱量,其中模具內部的熱量無法在短時間內被輻射,對流,熱傳導所帶走,所以模具內部熱量輸送出去要通過一定量的熱傳介質(水和熱傳油)  

熱占比  

  假設一次壓射鋁液帶給模具的熱量為Q,熱傳導給壓鑄機的熱量為Q1,約占總熱量的20%;通過熱輻射和對流形式的熱量為Q2,約占總熱量的5%;通過鑄件排出的熱量Q3,約占總熱量的25%;通過熱傳介質帶走的熱量Q4,約占總熱量的20%(做的比較好的狀態),由噴涂帶走的熱量Q5,約占總熱量的10%(優秀的冷卻系統只需要噴涂帶走5%的總熱量即可實現高效循環,實際國內很多單位Q5和Q4熱量占比正好做了一個位置對調);熱傳遞留在模具內的熱量Q6。壓鑄循環的周期主要是通過Q5和Q4進行轉換調節。

那么可以得出Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 

冷卻管路的計算

  熱平衡是計算確定輸入和輸出的熱量,也就是系統中熱通量的比較。在一個系統數據框架內達到的模具熱平衡是壓鑄生產追求的終極目標,如何保證品質的穩定和生產效率模具熱平衡起著重要的作用,然而模具內熱傳介質帶走的熱量Q4是熱平衡的關鍵要點,在設置冷卻通道時通道的數量,大小是怎么確定的,以下熱傳導的公式可以作為簡單計算的一個參考:

  Q0=mc(T1-T2)

  Q0--- 模具內總熱量

  m---單位時間內注入模具的合金總質量

  C--- 合金的熱容量

  T1,T2—合金射入和開模時的溫度  

  在熱占比里通過熱傳介質帶走的熱量Q4約占總熱量的20%,通過換算Q4約占模具內總熱量Q0的30%,因此我們可以通過公式計算得出單位時間所需的管道傳熱面積:  

  A= Q4/K (T3-T4) t

  K---冷卻水和冷卻管壁熱傳系數

  T3,T4—冷卻水進水和出水的溫度

  t---冷卻的時間   

  有了單位時間內的冷卻管道面積,再根據鑄件的熱量分布結合去設計冷卻的排布,如此就有了基礎數據的沉淀.

熱傳介質

  熱傳介質一般采用水和油兩種,在日常的模具溫控概念中水用來冷卻、油用來加熱,實際兩者之間是可以相互替換的,但兩種介質的物理特性決定了它們更擅長的使用范圍。水的優點有哪些呢:1,水的比熱容是4200J/(kg·℃)大概是油的兩倍,即熱載體能攜帶能多的熱能性質。2,水和模具鋼材之間的熱傳速率也是油傳導速率的2倍。3,水的粘度低,且整個控溫范圍內基本處于恒定,不會因為溫度的變化而變化。4,水的膨脹率比較小,例如:將100ml水從20℃加熱至140℃,體積增加約7.4升;另一方面,油是10.4升。因此在使用油為介質的情況下,盛放容器比水要大。5,水更環保,不會產生焦化。6,水的不可燃性。以上的這些優點在過去幾年中已經慢慢使用水在作為熱傳導介質,相信以后水在溫控系統中的作用會越來越被廣泛的使用。

壓力與水沸點的關系列表            

  水作為溫控介質既然有這么多好處,那油是不是會有被淘汰的可能呢,其實不然,鎂合金比熱遠遠低于鋁合金,因此壓鑄填充過程中對模具加熱的要求較高,一些薄壁件的鎂合金完全依賴于模溫機生產,一般鎂合金壓鑄模要求油溫達到250度左右,水在5bar的壓力下溫度最高只能達到150度,因此用水模溫機是很難完成的。 

德國壓鑄模冷卻系統

  以上介紹了一些基礎的概念性,繼續寫下去就怕偏離了主題,就此打住。德國作為世界制造業強國,鑄造行業在歐洲一直處于領先地位,BBA在壓鑄件的研發上一直作為壓鑄行業的標桿引領著潮流。模具是決定壓鑄生產的第一要素,溫度在壓鑄生產穩定性與生產效率上起著關鍵的作用,德國人乃至整個歐洲最信奉的壓鑄生產標準是穩定可靠,德國人有一個非常有意思的觀點:不相信人!他們根深蒂固的一個觀念就是人都會犯錯,如果在壓鑄批量生產過程中有過多人參與負面作用必定在各個環節被影響放大,最終必然會影響鑄件的品質,理解了這個理念再去看德國人的模具冷卻就容易的多。

  德國壓鑄模具冷卻統一的設計風格:高壓大流量循環冷卻系統,多層次的冷卻管路和儲水井結合是最完美的搭配。接觸德式(歐式)冷卻源于10年前的一份PDF文件,是介紹意大利SAPP集團的模具結構,圖片十分精美排版也很用心,我想在那個時候擁有這份文件的設計師似乎都看到了一盞明燈,就今天看來設計思路仍是非常的先進。德國的這種冷卻方式到底有什么好處呢?

穩定可靠:曾經看過一篇文章介紹德國的家用馬桶儲水器安裝在墻壁里面,耐用時間長達幾十年之久,為什么德國人對自己產品有如此高的信心?個人認為結構簡單和材料優質這兩點是最主要的原因。德國壓鑄模具內部冷卻通道結構看似復雜,橫七豎八的橫水道貫穿于各種功能孔之間,可為什么它仍然可靠呢,其實簡單和復雜并不是完全處于對立面,它們很多時候是可以相互過渡與轉化,德國的工程師是通過復雜的通道設計和加工過程建立起一個簡單的使用界面,舉個簡單的例子:iphone的設計為極簡風格,喬幫主要求手機只能有一個實體按鍵,其極簡的背后是大量工程師創新與努力的結果。優質的冷卻配件材料可以杜絕長期在惡劣的壓鑄生產環境下產生銹蝕、堵塞、斷裂等問題,解決了生產過程中的后顧之憂。  

方便快捷:簡單的界面是為裝配和生產人員而準備的,一套復雜的離合器或變速器模具冷卻進出通道只有20組左右,裝模時可以節約大量的裝配時間,同時后續維護便捷性也大大提高。壓鑄生產時與之匹配的快插接口能高效的完成對接從而減少壓鑄機上裝模時間。  

高壓大流量通道:高壓大流量冷卻是德國壓鑄模保持熱平衡一個基礎條件。橫水路和儲水井是此系統中一組完美的搭配,儲水井和橫水路交叉對接,儲水井通過縱向空間延伸到熱節點位置且理論上它的冷卻散熱面積可以有限的擴大到理想數值。由于冷卻通道的減少就必須保證僅有的通道暢通無阻,否則一旦堵塞就會出現整條線上大面積的溫度不平衡,因此冷卻水的流量監控系統就顯得十分重要,現在新的壓鑄機一般匹配浮標式流量監控系統。有人或許要問橫水路和儲水井這種冷卻方案對整條通道溫度一致性是否有影響,如開始冷卻效果較好末端由于水的溫度升高而導致冷卻效果不佳。我對此也產生過懷疑,后來通過水的溫度與吸熱能力變化的曲線圖表了解到水的吸熱能力并不會隨著溫度的升高而下降,而是隨著溫度的升高而變大直到達到一個臨界值時才會緩慢下降,再有實際壓鑄生產的熱成像對比圖也證明了此方案的可靠性。下圖是應用此冷卻方案的一個典型的案例:齒形鑲塊的冷卻只需要一進一出就能保證鑲塊溫度的平衡。

節省成本:采購成本和使用成本低廉是德國模具冷卻系統的另一大優勢,由于管路的減少冷卻配件的采購可減少一半以上,一些大型模具少則節省幾萬元,多則可達十幾萬元,在模具使用上由于維護減少,維護時間的縮短都能給企業帶來可觀的效益,從財務角度來看節省的錢就是企業的利潤。  

說了幾點德國冷卻系統的優點,那還有哪些不足之處需要注意呢。首先此冷卻系統對工程師的要求較高,設計之初要充分了解產品的熱量分布狀態,且要控制好儲水井到型腔表面的距離,防止實際生產出現局部過冷或過熱的情況;再有由于橫通道的形狀復雜,對深孔鉆設備的要求較高(最好是有5軸深孔鉆設備);此冷卻系統注重的是模具整體熱平衡,設計不合理熱節過多的鑄件要慎用;水質不好的地區要慎用……  

日本壓鑄模冷卻系統

前面說過日本和德國走了兩條不同的路線,因此兩者之間一定存在一些不同點,如日本的冷卻系統以精確控制為方向,鑄件中各個熱節點的溫度都要求在可控的范圍內。日本的技術風向一向緊盯美歐,基于基礎材料和電子產業的支撐日本的很多技術并不比歐美差,那為什么日本的壓鑄模具冷卻系統沒有跟隨歐美的腳步,而是走了一條不同路線呢。     

說說我個人的猜想:我看過很多從日本車上拆下來的缸體、自動變速箱等汽車零部件,其中很多零件現以成為國內很多汽車廠家逆向仿造的對象,通過仔細的分析發現大多數零部件的結構十分復雜,且壁厚不均勻,甚至第一眼看到這些壓鑄件讓我誤認為是低壓鑄造工藝。這些鑄件用壓鑄工藝來做是有一些難度的,國內的很多壓鑄廠和機主廠都吃過苦頭(成品率低、常常出現批量問題),這些不假思索的逆向需有一段時間的慢慢消化。由于設計上的種種原因,導致使用歐美方式的冷卻系統解決不了鑄件的質量問題,因此日本使用了更容易控制的點冷卻方式,那單點冷卻系統有什么優點呢。

單點精確控制:壓鑄汽車零部件對鑄件內部的氣縮孔有較高的要求,由于氣縮孔導致的泄漏問題目前是缸體,自動檔變速箱等復雜鑄件最具代表性的缺陷。如何控制氣縮孔及泄漏的發生,局部冷卻是最直接的有效方案。點冷卻的特點是以點為單位,每一個點都是獨立的單元,冷卻水的流量和溫度可以單獨控制。通過CAE模擬軟件分析熱結點,根據熱結點的位置設置點冷卻的直徑與數量,由于每一個冷卻點都可以單個調節,在實際壓鑄生產過程中熱節點的溫度就可以有效地控制,從而保證鑄件的質量。

設計、加工方便:上面說過德國的冷卻系統設計時考慮了鑄件和填充熱量的分布平衡,因此設計之初會考慮的比較周全。日本的冷卻系統由于是單個控制可以有效的防止因設計不合理導致的區域間的溫度不平衡,所以冷卻系統的設計對工程師的要求相對要低(參照CAE溫度場,限定到型腔表面距離標準即可)。點冷卻加工對設備和人員的要求也比較低,只要人員能識別孔徑和深度要求就能加工。日本的模具廠因小而精而聞名,因此單點冷卻方式的冷卻系統非常適合日本小模具廠的規模和思維。

冷卻效果好:點冷卻的設計對空間位置要求較寬松,不會因為銷子、頂桿、鑲件的位置而產生影響。且日本冷卻系統對點冷卻有一定的數量要求,一套模具設計完成在點冷卻接口的數量一般是德國的2到3倍,內部有效冷卻的數量也遠多于德國的冷卻系統,有效冷卻的數量加上單獨的可控性保證了日本冷卻系統的冷卻效果優秀。舉個現實的例子:日本豐田四缸體壓鑄生產的循環周期在100秒以內,而德國的效率遠低于這個值,留模停機保養打光的次數德國也高于日本。德國缸體模具生產一段時間表面燒結、發白的位置較為嚴重,在鑄件非重要位置到可以接受,然而四缸體本體冷卻水路和油路密布,粘結、拉傷必將對鑄件的質量產生一定的影響,因此日本的冷卻系統方式在復雜的鑄件上相比較存在一定的優勢。

日本冷卻系統的優點遠不止以上幾點,在銷子的冷卻上日本人比德國人要用心的多,日本對銷子的冷卻十分看重,能鑄出的銷子一定要想盡辦法鑄出,至于銷子的壽命問題再通過不斷的研究去優化改進;德國對銷孔完全是另一種看法,能不鑄出盡量不鑄出,避免因為不可控的斷銷引起的不穩定性,至于氣縮孔的問題可通過澆排系統的技術來改善,實際壓鑄生產來看,局部重點位置的銷子如沒有冷卻不如學習德國的方案來的直接??梢暬芾硎侨毡酒髽I現場管理的重要一環,如何讓冷卻水生產運行狀態展示在現場工作人員的面前,日本人發明了可視化的冷卻水結構,雖然結構很簡單---將一根根管子接到一個開放的盛水器里,如此就能觀察每個冷卻水的運行狀態,哪根水流正常,哪根水流緩慢一眼就能識別出來,因此日本現場管理充分展現了人的價值,在管理現場對機器和人的態度一直是德國和日本明顯的區別。 

現場管理

  德國乃至整個歐洲對壓鑄現場冷卻系統的管理并沒有我們想象的那么先進,從上面馬桶水箱的案例我們可以了解到德國品質的可靠性,有些冷卻系統的冷卻管路使用不銹鋼管折彎而成,在水質可靠的狀態下模具整個生命周期內冷卻系統都無需進行過多的維護。德國的壓鑄量產狀態和國內還是有一定的區別,大眾、奧迪等汽車的零部件產量少則都是以百萬為單位的,因此一套模具壓鑄機上生產一次都是幾萬的量,很少存在像國內這個月3000、下個月2000這樣下訂單。因此一套模具的壓鑄上下3-5次模具壽命就到了。      

  有了模具冷卻系統的可靠性,壓鑄機外接的部分完全就是輔助裝置,因此德國的冷卻系統的管理完全可以用輕松二字來形容。從另外一個角度來看,德國冷卻系統對人員要求低同時管理成本也是低廉的。      

  日本對冷卻的管理相對來看就要復雜的多,由于數量的增加且各式各樣的冷卻水管的應用無形中增加了故障的幾率(密封圈直插、寶塔直插、錐螺紋擰緊、直螺紋擰緊、方形高壓、圓形高壓、六角式等等,據我知道的就有幾十種),因此各種點檢表、標準化作業書、現場問題看板、冷卻水分布圖、噴涂路徑圖等應運而生。

  國內一些著名的日本壓鑄廠在冷卻系統管理方面還是值得借鑒的,很多內容詳細到想犯錯都難。例如:插拔式水冷裝配作業指導書、模芯水管孔保養作業指導書、冷卻管密封圈安裝作業指導書、冷卻水點檢表、模具溫度控制圖表等等。制作一份表格是比較容易的事情,但要做到像日本的現場管理人與表做到合二為一是需要時間和毅力。是當作一份事業從心而發的想把事情做完美、讓自己和公司共同成長;還是應付式的完成任務和公司一起碌碌無為。      

  重點是先改變員工工作的基本態度,公司以服務客戶為中心,然而服務客戶是通過員工來實現的,學習日本的管理方法首先要學習日本以人為本管理模式。

  日本管理是對過程的管控,過程控制好了結果自然是良性的,中國管理高層最喜歡說的一句話是:不管過程如何,我要的是結果!完全以結果為導向就會失去過程控制的基本原則,美好的結果只是曇花一現。專業一點的高層或許會深入到現場問幾個細節方面的問題,如:這個產品的壓鑄生產循環周期是多少,噴涂冷卻時間是多少(競爭對手的時間是多少);噴涂前后模具重點位置的溫度每4個小時變化曲線圖;每個鑄件平均的涂膜劑費用是多少;冷卻系統在此套模具維修時間的比率占到多少(類似模具占比又是多少),如果你能問上這幾個問題,管理者還能拿出具體的分析數據,你還會擔心模具的冷卻系統不夠精確?壓鑄的循環周期時間還不夠競爭力嗎?

  日本和德國冷卻系統的區別就像特斯拉和比亞迪電池理念的差別:能量密度和安全的矛盾,從使用上來說能量密度很重要,續航能力直接影響到用戶的體驗,而更深層次需求是安全的需求,兩者都是理想選擇,關鍵的是使用的過程中誰會讓整個系統至上而下的持續優化、創新、升級。    

  隨著汽車工業的發展,中國壓鑄也迎來了走上高端的機會,壓鑄和模具的冷卻配套系統是支撐整條路線穩定,可靠的保證。德國和日本的冷卻系統都是不錯的選擇,但是兩者一個偏左一個偏右,中國的壓鑄模具冷卻之路應該延續我們老祖宗的智慧,走中庸之道,中庸是對“度”把握的極致。我們應該根據不同的產品,選擇不同的壓鑄材料,不同的復雜程度去設計合適的冷卻系統,總的思想:簡單的鑄件學習德國,復雜的鑄件學習日本,模具鋼材選擇金華洲,最重要的是將優點進行整合,將兩個圈形成交點,我們取走交點內的精華即可。

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