塑料进气歧管的对话

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1、1 塑料进气歧管的制造技术 随着塑料进气歧管的广泛应用，人们开发出了多种可行的制造技术，其中热熔芯技术和振动摩擦焊接技术已为人们所熟知。目前，一种新的技术粘接剂粘合技术已被开发出来。本文对这三种技术进行了详细的分析对比。 最初的最初的最初的最初的 AIMAIMAIMAIM 生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺 自 20 世纪 80 年代以来， 塑料进气歧管 （AIM） 逐渐被越来越多的汽车 OEM所接受。 目前， 只有一些小批量生产的特种汽车仍然采用铝金属制成的进气歧管。对于大批量生产的塑料进气歧管而言，大多采用尼龙工程塑料作为首选材料。 世界上最先被开发出的塑料进气歧管是采用热熔芯 （Lost

2、core） 技术完成的，这种工艺与金属铸造非常相似。首先用低熔点的合金制成 一个芯，然后将这个合金芯放入注塑模具中， 围绕合金芯将尼龙工程塑料注射到模具中，从而成型出进气歧管。最后，将注塑成型的进气歧管被放入高温的油浴中，以使其中的合金芯被熔化掉。合金芯的熔点一般在 200左右，而用来熔化合金芯的油浴温度通常为 220240。适合该温度的尼龙材料为 PA66+30%35%GF。 通常，热熔芯技术使塑料进气歧管的设计非常灵活，任何可以用金属铸造的进气歧管都可以采用热熔芯工艺来完成， 热熔芯技术甚至可以被用来完成用铝金属铸造工艺无法完成的设计。 2 采用热熔芯技术可以实现无缝单片的塑料进气歧管的设

3、计。 这种无缝式设计可以使塑料进气歧管获得优异的抗爆裂能力， 从而避免了因采用其他熔接工艺而带来的抗爆裂测试的失效。 抗爆裂测试是塑料进气歧管的主要测试项目，主要用来模仿发动机的逆（回）火。 热熔芯技术的最大缺点是成本太高。 尽管与铝金属材料的铸造工艺相比，由于热熔芯可以重复利用，因此该技术仍有一定的成本优势。但由于需要重复制造芯并熔化芯，因此它的成本还是很高。除了需要正常的注塑机及模具之外，该技术还需要其他附加的设备。例如，用于制造芯的金属冲压设备或沙浇铸设备，其中还包括所使用的模具， 并且模具费用是除注塑成型之外的附加费用。另外还需要支付用于熔化芯的油浴费用。由于在熔化芯时，需要对油浴温度

4、进行精确控制，并且需要使用输送装置或平台将注塑成型的进气歧管放入油浴中，同时还需要一个可以重复利用合金芯的系统， 因此这些合计起来的费用与注塑和模具费用基本接近。 第二代第二代第二代第二代 AIMAIMAIMAIM 生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺 随着热熔芯技术的商业化应用，很快，一种更简单的塑料进气歧管生产技术被开发出来这就是目前被广泛采用的焊接（Welded）技术。 焊接成型的进气歧管实际上就是利用振动焊接技术将二片或更多片外壳焊接在一起。这些外壳通常拥有一致的平面，采用通常的注塑工艺即可成型。在振动焊接的过程中，两个部件的接触面互相摩擦，从而使接触面材料熔化，最终熔合在一起。在两个部件

5、熔合的过程中，随着摩擦停止并冷却后，两个部件即焊接为一体。 与热熔芯技术相比， 焊接技术最大的优势是成本相对较低，其总的成本只有热熔芯技术的一半， 其中注塑和模具费用与热熔芯技术相同，而振动焊接装置和焊接用模具的费用只是注塑费用的一半。另外，对于单个焊接成型的进气歧管而言， 由于每一片外壳的成型周期较短，而且在下一个成型周期的注塑过程中就可完成前一成型外壳的焊接工艺，再加上没有类似于热熔芯技术那样的材料损失（制造芯用的合金及油浴） ，因此单个焊接成型的进气歧管的成本要低很多。 振动焊接技术的缺点是， 为了保证两个部件的接触面充分摩擦，每一个接触面都必须是平面， 这就大大降低了进气歧管设计的自由

6、度。 另外， 在振动焊接时，为了保证两个部件的接触面能准确地定位在一起，以实现良好的结合，要求每一3 个部件的接触面都必须留有 510mm 的焊接边缘（Weld flange） 。在狭窄的发动机周围，这种多余的焊接边缘常常给进气歧管的装配带来困难。 目前，人们正在考虑将激光焊接（Laser welding）技术应用于进气歧管的制造， 该技术的开发工作还处于初期阶段。用激光来加热并熔化材料时，由于两个接触 面不会出现因振动而发生移动的现象，因此可以把焊接边缘设计得小一些。采用 激光焊接技术的最大问题是， 必须保证两个焊接面紧密地接触在一起，注塑部件 任何微小的翘曲都可能引起焊接缺陷。 塑料进气歧

7、管的对话塑料进气歧管的对话塑料进气歧管的对话塑料进气歧管的对话 近年来， 功能性塑料在汽车发动机上的应用已取得了突破性的进展，越来越多的发动机部件开始采用塑料材料制作， 尤其是用塑料进气歧管取代金属进气歧管已成为汽车发动机的必然趋势。 下面是围绕塑料进气歧管的技术话题对天津大学塑料进气歧管研究所刘德新教授进行了专访。 塑料进气歧管的特点塑料进气歧管的特点塑料进气歧管的特点塑料进气歧管的特点：同传统的金属进气歧管相比，塑料进气歧管具有哪些优点？ 刘德新教授： 进气歧管是发动机最关键的部件之一，其核心功能是为发动机各缸提供充足而均匀的混合气，因此它是影响发动机动力性和油耗的关键因素。此外，进气歧管

8、还为发动机电喷系统中的主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车助力等均被安装在进气歧管上，从而使进气歧管的结构非常复杂。 金属进气歧管一般采用的是铸铁或铝合金材料。 为了满足发动机进气和电喷系统安装方面的要求， 在制造结构复杂的金属进气歧管时常常面临着制造工艺方面的困难，其成品率很难保证。1990 年，德国宝马公司采用熔芯法成功地生产出塑料进气歧管。之后，塑料进气歧管以其重量轻、成本低、性能好等特点迅速取代了金属进气歧管，成为新型发动机的首选。在欧美国家，大约有 90% 的进排气异侧的自然吸气发动机都使用了塑料进气歧管

9、。具体而言，塑料进气歧管主要具有 4 个方面的优点： (1) 在重量方面，由于塑料进气歧管一般采用尼龙 PA66 材料，其比重约为铝合金材料的 50%。另外，塑料进气歧管的管壁厚度一般为 2.53mm，而铝合金进气歧管的壁厚一般大于 4mm。因此，塑料进气歧管的重量相对要轻很多，通常仅为铝合金进气歧管的 40%左右。 4 (2) 在动力性方面，由于塑料进气歧管的内壁比较光滑，因此有利于提高进气充量。与铝合金进气歧管相比，发动机的动力性可提高 3%5%。 (3)在经济性方面，塑料进气歧管能带来良好的气流，从而有助于汽油在发动机缸内的充分燃烧，使发动机的经济性和排放都能得到明显改善。 (4) 在成

10、本方面，虽然进气歧管所使用的塑料材料与铝合金材料的成本基本相同，但由于塑料进气歧管能够一次成型，成型后的合格率高，而铸造而成的铝合金进气歧管毛坯的成品率要低很多，且其机加工费用也相对较高，因此塑料进气歧管的生产成本通常比铝合金进气歧管低 20%35%。 塑料进气歧管的材料塑料进气歧管的材料塑料进气歧管的材料塑料进气歧管的材料：塑料进气歧管对材料提出了怎样的要求？生产企业应如何选择材料？ 刘德新教授：塑料进气歧管要求材料必须具有耐高温、强度高以及尺寸稳定性、化学稳定性和热老化稳定性优良等方面的特点： (1)耐高温。由于进气歧管与发动机缸盖直接连接，而发动机缸盖常常处于130150的工作环境中，因

11、此，要求所使用的塑料材料必须能够承受 180的高温。 (2)高强度。进气歧管不仅需要承受发动机的振动负荷、节气门和传感器的惯性力负荷以及进气压力脉动负荷， 还要保证在发动机发生异常回火现象时不至于被高压脉动压力所爆破，因此要求所使用的塑料材料具有很高的强度。 (3)尺寸稳定性。为了保证进气歧管与发动机连接处的尺寸公差达到规定的要求，同时保证进气歧管上各传感器、执行器元件能够准确安装，要求所使用的塑料材料必须具有良好的尺寸稳定性。 (4)化学稳定性。由于进气歧管直接与汽油、防冻液、冷却液等腐蚀性溶剂接触，尤其是冷却液中的乙二醇对塑料的性能影响很大，因此要求塑料材料必须具有良好的化学稳定性，在使用

12、前通常要对材料进行严格的测试。 (5)热老化稳定性。 由于发动机的工作温度常常在-30130之间反复变化，其工作条件非常恶劣，因此为了保证进气歧管能够长期可靠地工作，所选用的塑料材料必须具有优良的热老化稳定性。 目前，塑料进气歧管的首选材料是尼龙。尼龙的优点是耐高温、化学稳定性好，但其缺点是收缩率较大，耐乙二醇的性能也不太好，并且其吸水性太强，吸水后尼龙的强度会下降近 40%。因此，人们普遍使用增加了 25%35% 玻纤的5 PA6 或 PA66 增强尼龙。尼龙在加入玻纤后，其收缩率得到了明显改善。对于内部含冷却水道的进气歧管，建议采用专用的抗乙二醇的尼龙配方。 尽管世界上很多塑料材料供应商在

13、不断地开发新的进气歧管塑料材料， 以期提高塑料材料的各种性能，但尼龙材料仍是目前的最佳选择。 塑料进气歧管的设计开发塑料进气歧管的设计开发塑料进气歧管的设计开发塑料进气歧管的设计开发：要保证塑料进气歧管的开发成功，您认为应重点做好哪些方面的技术准备工作？ 刘德新教授： 天津大学塑料进气歧管研究所作为国内唯一的塑料进气歧管的专业研究机构， 成功地开发出了多款采用熔芯法和振动摩擦焊接技术的塑料进气歧管，并一直从事电阻焊和激光焊接工艺的研究。目前，我们的技术成果已通过了国家鉴定， 并达到了国际先进水平。根据我们在塑料进气歧管研究方面积累的经验，建议相关企业和技术人员在产品的开发过程中遵循以下原则：

14、(1)将提高发动机性能作为塑料进气歧管设计的核心。进气歧管是发动机的主要部件，其结构和质量是影响发动机整体性能的关键因素。因此，在设计塑料进气歧管时， 首先必须对发动机有深入的了解，要有专业的从事发动机设计或研究方面的人员参与。 在设计中最好使用发动机专业仿真软件，以使设计出的塑料进气歧管能最大程度地改善发动机的动力性和经济性。 (2)以气体动力学分析为重点分析内容。发动机的进气过程是一种非常复杂的三维非定常气体运动过程， 如果用一维分析方法，往往不能正确地反映出进气歧管内部气体的运动情况。因此，建议使用三维流场分析软件来仿真进气过程中进气歧管内部流场的衍变过程，从而为设计出合理的塑料进气歧管

15、结构提供依据。 (3)强度分析先行。通常，塑料进气歧管对所用塑料材料的力学性能的利用已接近极限，即使出现局部的设计缺陷也会带来很大的风险。因此，需要在设计阶段同步进行塑料进气歧管强度的仿真分析。 (4)对塑料注塑过程的仿真分析。由于塑料进气歧管所用的材料为尼龙加玻纤，在注塑过程中，不同的纤维取向将直接影响制品的收缩变形。因此，必须对注塑过程进行仿真分析， 以有效控制注塑过程中制品的应力分布、分子和纤维取向分布，以及收缩和翘曲变形，从而确保生产出质量合格的制品。 塑料进气歧管的生产工艺塑料进气歧管的生产工艺塑料进气歧管的生产工艺塑料进气歧管的生产工艺：目前世界上主要有哪几种塑料进气歧管的生产技6

16、 术？各有什么优缺点？ 刘德新教授： 目前比较成熟的塑料进气歧管的加工技术主要是熔芯注塑技术和振动摩擦焊接技术。这两种技术各有特点。 (1)熔芯注塑技术是应用最早、最成熟的塑料进气歧管生产工艺。其原理是：用低熔点的锡合金制成进气歧管的内腔芯核，然后将其装配进模具中，再向模具内注入尼龙材料。注塑过程完成后，由尼龙注塑而成的进气歧管的外型即将内腔芯核包复在内。此时，将内部带有金属芯核的进气歧管放入熔化池内，以使金属芯核熔化。由于金属芯核的熔点比较低（一般 110） ，而尼龙的熔点相对较高，因此在内部芯核熔化的过程中塑料进气歧管的外形保持不变。 熔芯法生产塑料进气歧管的优点是：进气歧管的内壁完整光滑，从而提高了气体的流动性，能够最大限度地发挥发动机的性能；由于是一次注塑成型，进气歧管的气密性好，成品率高； 熔芯过程可消除塑料进气歧管在注塑过程中产生的残余应力，使得进气歧管具有更好的机械性能。 熔芯法的缺点是：在金属芯核的铸芯和熔芯过程中，要消耗大量的电能，因而使得熔芯法生产塑料进气歧管的成本相对较高。 (2)振动摩擦焊