进气岐管铸造与加工过程.docx
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进气岐管铸造与加工过程
进气岐管铸造与加工过程
目录：
1进气岐管介绍
2进气岐管的铸造
3震动焊接
4组装
5检测
（1）进气岐管
基础知识
在谈到进气歧管之前，我们先来想想空气是怎样进入引擎的。
在引擎概论中我们曾提到活塞在气缸内的运作，当引擎处于进气行程时，活塞往下运动使汽缸内产生真空（也就是压力变小），好与外界空气产生压力差，让空气能进入汽缸内。
举例来说，大家都应该有被打过针，也看过护士小姐如何将药水吸入针桶内吧！
假想针桶就是引擎，那么当针桶内的活塞向外抽出时，药水就会被吸入针桶内，而引擎就是这样把空气吸到汽缸内的。
由于进气端的温度较低，复合材料开始成为热门的进气歧管材质，其质轻则内部光滑，能有效减少阻力，增加进气的效率。
进气歧管介绍
得名原因
进气歧管位于节气门与引擎进气门之间，之所以称为「歧管」，是因为空气进入节气门后，经过歧管缓冲统后，空气流道就在此「分歧」了，对应引擎汽缸的数量，如四缸引擎就有四道，五缸引擎则有五道，将空气分别导入各汽缸中。
以自然进气引擎来说，由于进气歧管位于节气门之后，所以当引擎油门开度小时，汽缸内无法吸到足量的空气，就会造成歧管真空度高；而当引擎油门开度大时，进气歧管内的真空度就会变小。
因此，喷射供油引擎都会在进气歧管上装设一个压力计，供给ECU判定引擎负荷，而给予适量的喷油。
不同用处
歧管真空不只可用来供给判定引擎负荷的压力讯号，还有许多用处呢！
如刹车也需要利用引擎的真空来辅助，所以当引擎发动后刹车踏板会轻盈许多，就是因为有真空辅助的缘故。
还有某些形式的定速控制机构也会利用到歧管真空。
而这些真空管一旦有泄漏或者不当改装，会造成引擎控制失调，也会影响煞车的作动，所以奉劝读者尽量不要于真空管上作不当的改装，以维护行车的安全。
设计巧妙
进气歧管的设计也是大有学问的，为了引擎每一汽缸的燃烧状况相同，每一缸的歧管长度和弯曲度都要尽可能的相同。
由于引擎是由四个行程来完成运转程序，所以引擎每一缸会以脉冲方式进气，依据经验，较长的歧管适合低转速运转，而较短的歧管则适合高转速运转。
所以有些车型会采用可变长度进气歧管，或连续可变长度进气歧管，使引擎在各转速域都能发挥较佳的性能。
不同定义
对于化油器式或节气门体汽油喷射式发动机，进气歧管指的是化油器或节气门体之后到气缸盖进气道之前的进气管路。
它的功用是将空气、燃油混合气由化油器或节气门体分配到各缸进气道。
对于气道燃油喷射式发动机或柴油机，进气歧管只是将洁净的空气分配到各缸进气道。
进气歧管必须将空气、燃油混合气或洁净空气尽可能均匀地分配到各个气缸，为此进气歧管内气体流道的长度应尽可能相等。
为了减小气体流动阻力，提高进气能力，进气歧管的内壁应该光滑。
塑料进气歧管脱盲篇
由于塑料产品特有的优点，塑料进气歧管将成为铝合金进气歧管的替代产品。
一直以来，作为发动机的关键零部件，国内的发动机进气歧管都是采用铝合金产品。
而据了解，国外对塑料进气歧管的应用较为广泛，在宝马、现代、日产等高档汽车上，均使用了塑料进气歧管。
据汽车进气系统制造公司一位技术专家介绍，与传统的铝合金进气歧管比较，塑料进气歧管的重量仅为铝质歧管的1/2，其在低速低负荷时，功率、扭矩提高幅度可达10%以上。
同时，塑料件的气道光滑，提高了发动机性能，与铝合金歧管相比油耗可降低6%~8%，此外，还能改善发动机的动力性与排放功能，降低发动机噪声，且与铝合金进气歧管互换性强。
“国内对汽车塑料进气歧管的研发工作起步较晚，塑料进气歧管生产及研发技术方面尚属空白，在此领域内的技术水平较低，其市场占有率还不到2%。
国内的一些汽车生产厂家不得不从国外高价进口塑料进气歧管。
”一位技术专家介绍说。
长安集团技术开发中心的一位人士认为，随着市场竞争加剧，减少汽车制造成本成为整车企业关注的中心，新材料、新工艺的产品就更受重视，质优价廉的塑料进气歧管取代传统笨重的金属进气歧管成为必然趋势。
同时，塑料进气歧管的需求量，也将伴随汽车年产量的不断增加而同步增大，其市场前景不可小视。
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
同传统的金属进气歧管相比，塑料进气歧管具有哪些优点？
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。
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%。
（2）另外，塑料进气歧管的管壁厚度一般为2.5~3mm，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。
（3）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%。
（4）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。
（5）在成本方面，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
塑料进气歧管对材料提出了怎样的要求？
生产企业应如何选择材料？
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130℃~150℃的工作环境中，因此，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-30℃~130℃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
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？
（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
目前世界上主要有哪几种塑料进气歧管的生产技术？
各有什么优缺点？
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）振动摩擦焊接技术也称为“多片焊接法”。
在设计塑料进气歧管时，可将结构复杂的进气歧管拆分为结构相对简单、能一次注塑成型的两片或多片，然后利用摩擦焊机将各片焊接起来，构成完整的塑料进气歧管。
目前绝大多数塑料进气歧管生产厂家都采用振动摩擦焊接技术。
其主要优点是：
生产效率高、成本低。
其缺点是焊缝处的强度低、外观不好、气体流动性相对较差。
塑料进气歧管的品质控制
开发塑料进气歧管需要配备哪些检测设备、进行哪些方面的性能测试？
教授：
进气歧管是发动机上最核心的部件之一，当其发生故障时会导致发动机工作不正常、刹车无力、发动机自燃等严重事故。
因此，进气歧管在使用前必须通过一些试验对其进行严格的质量检测。
对进气歧管的试验和检测通常包括：
（1）温度交变试验。
即在专用的试验装置中将进气歧管置于-40℃~120℃的高低温交变的环境中，以考察其热稳定性。
（2）低温冲击试验。
将塑料进气歧管置于-40℃的低温箱中保留5h后，使一个质量为500g的钢球从1.2m的高处落到进气歧管的稳压箱顶部中央，以检查其是否有裂纹和变形。
（3）气密性检测。
即在一定的压力下检查水道及气道是否有泄漏。
（4）爆破压力检测。
逐渐打压进气歧管的出口密封，以测试进气歧管炸裂时的压力。
（5）震动试验。
将试件放在震动激励器上，按一定的规律对其进行震动测试，以考察塑料进气歧管此时的疲劳应力状态。
（6）噪声测试。
在噪声实验室进行发动机台架试验，检验塑料进气歧管的噪声是否超标。
（7）发动机耐久试验。
将塑料进气歧管安装在发动机上，在试验台架上以全速进行300h的全负荷运行，以考核塑料进气歧管的耐久性。
（8）整车耐久试验。
将配有塑料进气歧管的发动机安装在整车上，按试验规程驾驶汽车运行8万km，以测试其耐久性。
塑料进气歧管的国内生产现状
目前塑料进气歧管的国产化进程如何？
主要有哪些原因影响了它的国产化进程？
教授：
发动机进气歧管的塑料化是全球性的趋势，中国也不例外。
随着欧4排放标准的推出，要求新型的发动机进气歧管必须配备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，而金属进气歧管却难以满足这一要求。
因此，开发性能优异的塑料进气歧管是适应未来发动机技术进步的必然要求。
塑料进气歧管的国产化进程大致可分为以下三个阶段：
第一阶段为全部引进阶段。
20世纪90年代初，随着一些合资汽车企业的成立，国外较先进的发动机产品生产线随着一些引进车型被引入国内。
在这一阶段，塑料进气歧管作为发动机的重要部件，其核心技术由外资方控制，进口成本很高。
第二阶段主要表现为一些外资企业直接在国内生产。
在此阶段，外资企业将其在国外的塑料进气歧管生产线及全套模具转入到国内，利用国内廉价的劳动力，为其在国内的合资厂提供配套的塑料进气歧管，而塑料进气歧管的设计研发工作仍在国外。
第三阶段，随着国内汽车制造技术的不断进步，一些国内企业开始了塑料进气歧管的研制和开发工作。
塑料进气歧管是一种高技术含量的产品，其中包含了很多发动机方面的关键技术。
但目前国内大多数的塑料进气歧管生产企业过去只是普通塑料制品的生产厂，他们大都不具备设计和生产发动机的技术能力，因此只能仿制一些已经过时的塑料进气歧管，他们的技术水平良莠不齐。
总体而言，目前国内生产的塑料进气歧管普遍存在技术水平低下、难以满足发动机的工作要求的问题。
巴斯夫与丰田汽车迎来了塑料进气歧管（PAIM）在丰田投产10周年纪念日。
1998年巴斯夫首次开发成功用聚酰胺6制造的进气歧管。
与常规铝金属制造的进气歧管相比，塑料进气歧管减轻了该部件约40%的重量，加强了发动机空气补给，从而提高发动机的性能。
比起铝制产品，聚酰胺进气歧管的光滑内壁阻力更低，同时，由于塑料的成型更为容易，这种材料更有利于最佳空气流动设计的实现
（2）铸造过程
在压铸工艺中，热固性树脂料加入一单独的料腔，常叫料槽，然后强制送入一个或多个闭模中进行聚合（固化）。
料道，也叫注道和流道，使物料从料槽流向模腔，进入模腔之前经过限流器或浇口。
很多模腔具有单一料槽。
料腔中的空气被进来的物料所置换，并通过一特别放置的排气口排出。
当物料置入料槽中时，在一紧凑的测量装置中测料量，然后预热到接近聚合温度。
一次只加入足够一次的注塑量。
将预热的原料送出料槽的力再将其送往一注料器，该注料器紧接装在料槽上，以防止从活塞和料槽边之间的缝隙中漏料。
通常将密封套卡进注料器以进一步防漏。
料槽、注料器、浇口、流道和模腔的表面维持可使原料迅速固化的一定温度，根据物料性质、模具的设计和制件的几何形状该温度为280～380°F。
在压铸物达到固化期的终点时，将该次完整的压铸物进行脱模，包括脱除浇口、流道、注道和料槽中形成固化料垫（叫做残料）。
在压铸中，物料的预热很重要。
冷料流动缓慢，先进入模腔的料尚未到其终点，即可能聚合。
若发生上述情况，产品质量低劣，不仅是外观，也体现于机械性能。
有些例外，如一次注射量很少，或一些低粘度的物料。
可用加热灯或炉子加热，但有效而常用的方法是用专为塑料模塑制做的介电加热器。
现在也常用热固性材料的螺杆式塑化加热。
这种设备可以与模塑设备结合在一起，也可以是独立的，具有减少体积和对进料量测定准确的优点，在其它系统中必须与预成型相结合。
压铸模的种类
“整体料槽压铸”一词最先被使用，是因为料槽和注料杆是作为模具的整体做在一起的。
最常用的是圆形料槽，也可能用其它形状的以适应特殊浇口的要求，以少产生废料。
一种简单的压塑型压机可和压铸机一起使用。
整体料槽模框是料槽在中间的三板型的。
送料注杆安装在模框的顶部，模腔在底部。
料槽占的面积至少比模腔段中总合模面积（与塑料材料接触的水平面）大10％。
这样可防止多余的合模力引起模子溢料。
材料固化以后，通过移动脱模杆的压力将制件脱模，但废料和注道残料仍被一个或多个模塑的“鸽尾”保持在注料杆的底部。
用木杆或软锤除去废料和的进行清模。
在用单料槽产生大的废料时，有时可用双料槽向多模腔供料。
这时，尽管两份料槽的重量尽稍微不等，仍需用一横板去平衡每一料槽中的压力。
压料杆式压铸模具也叫注料杆式模具，它用一辅助压力柱塞强迫注料杆进入料槽（或料筒），从料槽中将料取出移到模腔中。
压铸压力和压铸速度容易控制，与合模压力无关。
压料塞式压铸模具中料槽的大小（决定废料的大小）只需要大到和深到足以满足正好加料量即可。
最大料槽面积由压铸机的辅助柱塞给予的力（以吨计）和被3．5整除来确定。
这可保证3．5吨／英寸2的压力用作模塑压力，对于大多数压铸级料的配方，该压力是足够的。
辅助柱塞通常装在较上部的固定压板的上面，向下作用。
冲压柱塞使下模板向上移动闭模。
当模夹紧以后，原料装入料槽，辅助柱塞施加力。
合模柱塞和辅助柱塞施加的力比，一般为3：
1或4：
1。
料固化后，辅助柱塞退回，压铸机打开。
模塑制件、废料、流道冷料同时被脱模杆送出。
这种铸塑模的一种变形是三板注料杆式压铸模具，其中有一浮动的流道板将物料分配到直接向模腔供料的料道中。
该法适用于合模线不能开流道的地方，或在合模线平面上移动型芯、制件非常不规则而十扰侃迈布置的地万。
特殊设计的压铸机有以下几种类型：
1）底挤料杆压铸模具装在压铸机中，其中辅助柱塞安装在主合模柱塞中，若一个或多个压铸单元之间有足够的空间，则该辅助柱塞安装在下压板上。
这种方法的优点在于，模具打开时可向料槽中装料。
这种设计比在向料槽装料之前等待闭模的设计稍快。
并且辅助柱塞的冲程可缩短，每一循环可节约数秒钟的时间。
用上述压铸机可用顶柱塞注料杆式压铸模具，但预压料锭要对准，以保证材料很好地进人料槽，否则闭模困难。
2）带有向多个料槽供料的多辅助柱塞的压铸机，具有可充多个模腔、不产生废料和不需要效率低的长而弯曲的流道。
3）小型的用粉料的压铸机可自动压铸，可以水平操作也可垂直操作，有与合模柱塞垂直的辅助柱塞，用于原料的合模线注料。
4）对预制整体模塑料（BMC），通常为玻璃纤维填充的聚酯，有水平式压铸机，带有供料附件可将料压实，再送往压铸料筒。
5）压铸机是热固性树脂注塑模塑机的原型。
这种机器将螺杆塑化和预热模具结合在一起。
预热后的料送往模塑合模线处或紧格有模县下面的庆铸料筒中。
2震动焊接
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，要求每一个部件的接触面都必须留有5~10mm的焊接边缘（Weldflange）。
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（Laserwelding）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。
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