汽车发动机进气歧管的选材及成型方法

路边

汽车发动机进气歧管的选材及成型方法


最近接触了多项与汽车发动机进气歧管的选材及成型技术有关的工作，选材有铸铁、铸铝、镁合金、纤维增强尼龙，成型方法中单是铸造的就有重力铸造、低压铸造、倾转铸造、消失模铸造等方法。哪位对此了解？请发表看法。

sdh207

有没有专家能出来解释一下啊？？

发动机制造

现在进气管塑料化的趋势比较明显，可以保证更好的内腔精度和形状。多采用摩擦焊或融蜡成型法。
对于铝的进气管，首先消失模肯定用的不多了，成本太高，工艺太复杂，所有的铸造都避免在采用。
但重力铸造和低压铸造也还在采用，取决于进气管的复杂程度，否则就要设计成分体式的，呵呵

wujiaming

进气管的材料多采用铝合金铸造工艺，使用铸铁材料的较少。而排气管较多采用铸铁材料。现在进气管流行采用工程塑料注塑成型，然后用摩擦焊接成型。工程塑料可以使内腔表面更加光滑，最大限度地减小压降，增加充气效率。可以降低进气管的重量。使各进气支管的型腔尽可能地保持一致。由于加工工艺的限制。金属铸造所使用的砂芯很难做到产品的一致性，但是注塑模具可以解决这个问题。塑料进气管可以将燃油供给系统的零件集成在一起，保证整机的装配。简化了整机装配工艺。

yangui21

塑料进气歧管一般采用什么材料？PA66+GF还是PA46+GF？

yamoyo

原帖由 yangui21 于 29-7-2008 13:44 发表
塑料进气歧管一般采用什么材料？PA66+GF还是PA46+GF？

我见过用得比较多的是PA6 GF30

发动机制造

汽车进气歧管用塑料和成型方法
吴汾  唐伟家
（南京聚隆工程塑料有限公司）
摘要：综述了国外塑料汽车发动机进气歧管的发展史、性能、市场、原料树脂、成型方法和发展趋势。重点介绍了进气歧管用尼龙6、尼龙66、聚邻苯二酰胺、间规聚苯乙烯/尼龙共混物等树脂性能和有关加工和焊接方法的优缺点及新动向，并根据中国汽车工业及相关工业现状，提出了加快发展塑料进气歧管的建议。
关键词：进气歧管  尼龙  聚芳酰胺  间规聚苯乙烯  塑料焊接

汽车轻量化是汽车工业发展方向之一，也是一个汽车厂和国家技术进步和先进程度的重要标志，为节能降耗、提高车速、改进外观和舒适性、降低成本，汽车厂选用塑料替代金属为材料，塑料密度低、隔热绝缘、容易成型、设计自由度大、加工成本低，单位体积成本低于金属，而且废品率低，模具和组装成本上也有优势，特别是工程塑料，有较高的机械性能和耐热性，塑料原料生产厂、加工厂和汽车厂合作不断开发出专门用途塑料新产品、新牌号，不断扩大对金属取代量，因此工程塑料配混（填充、增强、合金、共混、增韧等）是塑料配混业最活跃的领域，应用最大领域为汽车工业，也可以说汽车工业是推动工程塑料消费增长的主要动力，汽车工业是工程塑料工业最有吸引力的市场，塑料进气歧管是近年发达国家开发的“热门”塑料汽车部件。

1．        进气歧管用塑料及发展
1．        1进气歧管材料性能及优点
发动机内燃机室进气歧管（Air intake manifold，缩写AIM）是汽车动力系统主要部件之一，传统材料为铸铝，空气通过AIM的分配进入到各气缸内，使燃气充分燃烧，发动机室部件要求性能（1）为：耐-40～150℃宽范围温度及温度反复变化的耐热性，耐热老化，耐燃油，耐各种润滑油、耐包括道路上的氯化钙等耐化学性，耐落锤冲击性，振动和音频衰减性，对振动和外力有优良的耐久性。另外，材料还应密度小、低翘曲、容易成型，所以一开始就选用增强尼龙为主要材料。塑料AIM不仅质轻，而且由于内壁光滑，改进气体流动性（提高流量），隔热效果好，进气效率高，因而提高发动机性能和燃料利用率（2）。
1．        2塑料AIM发展过程
塑料AIM是第一个用于非常接近汽车发动机的塑料部件，最早为1972年的Porsche牌车AIM选用BASF公司的尼龙树脂，由于开发成功去芯成型法（lost core process）（2），AIM塑料化进展加快（3），去芯成型法有不同叫法，日本叫低熔点合金芯法，德国叫熔化去芯工艺（melt－core technology），但由于该法成型工艺复杂、成本高、生产效率低，逐渐被其他新工艺替代，1998年后占有份额已被低成本的振动焊接法连接的Multi－shell法超过，即目前较多的是注塑成型（或吹塑成型）与振动焊接法结合，如美国改用注塑双片尼龙6  AIM部件，靠振动焊接把两片部件连接在一起（4）。
尼龙AIM能耐气缸高温，能满足汽车厂一定的功能要求：降低车重、减少制备工序和降低制造成
本，德国BASF公司（5）与许多公司合作开发成功去芯成型法，推进了制备复杂的进气歧管的工业化应用。1990年，BMW（宝马）汽车公司用35％玻纤增强尼龙66制备的AIM用于2升和2.5升6缸发动机，BASF公司为支持该公司研究开发和加工应用，开发了专用尼龙66牌号，并进行振动分析、声响性能和注射成型工艺等研究工作。Mann&Humnel公司是最早加工生产尼龙AIM厂家，进一步合作开发始于上世纪90年代初期，1994年GM公司在美国首次开始系列生产全塑AIM，同年韩国Hundai公司采用去芯成型法生产尼龙AIM。德国大众汽车公司振动塑料焊接法制标准1.4升和2.0升AIM获1996年SPE大奖。更先进的是BMW公司的4缸和6缸直接注柴油发动机，研究和设计人员利用塑料良好的加工性，一体化制备气缸头罩、空气过滤器或排气止逆阀和AIM，不仅比铸铝有经济上优势，而且从生态上讲，塑料也比金属有很大的优点。
1．        3 塑料AIM市场
欧美塑料AIM研究和开发应用领先于日本，欧洲塑料AIM市场占有份额最高（6），2000年就达60％，北美和日本相对低，因而增速高，预计到2005年欧洲占有份额要达85％，而日本从不到20％猛增为60％左右。最近的预测为：2005年欧洲达85％，日本和北美将达60％～70％（7）。美国每年汽车发动机室用尼龙量为54.4kt（4），最大的应用制品是AIM。

2．        AIM材料
3．        1尼龙6和尼龙66
如前所述，根据材料性能要求，尼龙是首选材料，BASF公司在AIM用尼龙6材料开发方面起先锋作用，在原有基础上又专门开发了用于直接注燃油发动机的专用高热稳定玻纤增强尼龙6牌号（8），Ultramid BGW G6用于歧管系统底部和内部部件，暴露的上部外壳选用Ultramid B3G G6，均为30％玻纤增强树脂，为钛灰色金属外观粒料，符合汽车厂Audi公司发动机风格要求，不需再涂漆，材料配方能确保在发动机室苛刻环境下色泽稳定，Mann&Hummel公司负责制备，BASF公司通过计算机模拟最佳化动态性能、声音和爆破压力，配合和支持加工厂开发和生产，制备的AIM已用于Audi A4 2.0型汽车FSI 4V系列产品生产。歧管系统其他部件也采用玻纤增强尼龙6 Ultramid，如关键部件转鼓阀、控制吸入歧管的密封罩和连接可调空气流量系统的凸轮，采用振动焊接法连接成密封系统。
也有人把上述系统称为一体化多功能AIM组件（3）（multifactional intergrated air-intake module），选用树脂是BASF公司的Ultramid B3WG6 black 20560 HP，能在170℃工作5000h以上。牌号中字母HP表示高性能（high performance），与一般30％玻璃增强尼龙6和尼龙66比，Charpy（悬臂梁）冲击强度高，不同状态下的比较结果见表1（7），用户测试（Multi-shell工艺生产的Ford 4L V6发动机）表明，破裂强度比一般30％玻纤增强尼龙高30％。
表1   Ultramid HP与一般Ultramid和Charpy冲击强度比较
B3WG6 black 20560 HP
比
*30GFR PA6     30GFR PA66
成型前                                         ＋270％        ＋25％
加25％回收料                                   ＋32％         ＋30％
5次挤出加工后                                 ＋28％         ＋35％
170℃下5000h后                                ＋30％         ＋50％
乙醇/水（1/1）中浸泡500h（125℃）后            ＋25％         ＋10％
* 30GFR PA6   ： 30％玻纤增强尼龙6；
30GFR PA66  ：30％玻纤增强尼龙66。
德国Bayer（拜耳）为满足振动焊接法连接无法连接复杂结构AIM的要求，推出三个可激光焊接黑色玻纤增强尼龙6牌号。
美国汽车中一度以尼龙66为AIM主要材料，采用去芯成型法，但后来转向用注塑双片尼龙6，然后靠振动焊接连接在一起（4）。Du Pont（杜邦）公司在开拓美国塑料AIM的焊接和推广应用中起十分重要作用，为汽车厂提供高耐热尼龙牌号，包括耐发动机循环排放热气体。
激光焊接法适应制造复杂结构和形状AIM的要求，Du Pont公司开发出激光焊接尼龙66配混料，而BASF公司先开发的是尼龙6配混料，因尼龙6比尼龙66激光透过率高（8） ，波长1064µm的Nd－YAG的激光对2mm厚的Ultramid B3G6 LT的激光透光率高达72％，因而可缩短成型时间，制备形状复杂和或厚壁制品。该牌号表观与一般黑色Ultramid牌号无区别，长期工作温度为130℃，短期能耐150℃。
日本宇部兴产公司（UBE）开发的AIM专用尼龙6牌号1015GNKF具有AIM要求的特性和加工性，而且有AIM振动焊接要求的二次加工性和焊接强度，1015GNKF与一般尼龙性能比较见表2（10）。
表2   AIM用尼龙与一般尼龙性能对比
性能        试验法
ASTM        单位        AIM用尼龙牌号1015GNKF        一般尼龙牌号1015GC6
拉伸强度        D638        MPa        185        170
断裂伸长率        D638        ％        4        4
弯曲模量        D790        MPa        8500        8000
缺口Izod冲击强度        D256        J/m        108        100
热变形温度        D648        ℃        215        215
振动焊接强度        UBE公司法        MPa        63        55
注射流动长度        UBE公司法        mm        101        82

2．2聚芳酰胺PPA
半结晶型聚合物聚邻苯二酰胺（Polyphthalamide，缩写PPA）是新推出的十分令人注目的AIM新材料，是一种性能介于通用工程塑料和特种（高性能）工程塑料间但性价比较高的树脂，
Solvay（索尔维）高性能聚合物公司推出的35％玻纤增强牌号Amodel A-6135 HSL（11） 已被用于制备名叫LSX的AIM，替代现有的标准尼龙AIM， Corvette公司、Cherrolet Camaro 和Pontiac共三家公司最新型号的轿车采用了LSX。据Solvay公司声称，LSX进气歧管比现有标准进气歧管轻25％左右，而且能使一般360 马力的发动机功率提高20马力，高温和高湿下拉伸强度比尼龙66高得多，具有更好的刚性，优异的耐拉伸蠕变性，因而降低AIM垫圈处空气泄漏，Solvay公司和制备LSX的CPT公司指出（12），在涡轮增压或进气增压使压力从低于大气升至1.5～2个大气压时，高拉伸强度是十分重要的性能。另外LSX PPA耐化学性明显优于尼龙，包括耐冷却剂、汽油、润滑油、油脂和其他汽车中流体。美国著名的汽车燃油注入系统生产厂FAST公司推出的LSX对材料有更高的要求，不仅要比铸铝轻和耐高温，而且要在性能上超过尼龙AIM，Amodel A-6135 HSL满足了FAST公司的要求，LSX仅重5Kg，而铸铝AIM为12Kg。另外，铸铝吸收和积聚来自发动机的热量，加热吸入空气，而这种新型复合材料却绝热良好，吸入空气温度低，AIM效率高。最新报道（13）还指出，Amodel A-6135弯曲模量高达11550MPa，高温下抗蠕变性与铸铝相当，由于PPA光滑的表面，歧管内空气流速提高约25％，因而能耗降低6％。PPA也已被GM公司用于替代高转矩、超负荷的L8发动机进气歧管的铸铝。
2．3其他材料
2．3．1酚醛树脂
德国BMW公司BMW 735i和745i新系列轿车AIM采用热固性酚醛树脂为材料，BMW集团公司与德国Baumgarten的模具体系生产厂Pierburg公司、材料供应厂比利时Vyncolit N.Y三家公司共同开发完成了这个项目（14），新材料Vyncolit X7250是玻纤和玻璃微珠增强酚醛树脂，在140℃下仍具有高刚性，制品平均壁厚仅3mm。
2．3．2尼龙/sPS共混物
俄罗斯最大的汽车生产厂Avtovaz公司在俄罗斯首次采用塑料AIM，材料是美国Dow公司的35％玻纤增强间规聚苯乙烯（sPS）和尼龙（PA）共混物Qustra N（15），用于其三个Lada发动机（SoHV 1.5，SoHV 1.6和DoHC 1.6 ），这是该公司了解和注意到欧洲已有70％轿车采用塑料AIM的现状，并从汽车减重和降低成本两个因素考虑做出的决定。Qustra N（12）以尼龙6、尼龙66或尼龙6/尼龙66共混物为连续相，因此仍保持尼龙良好的加工性和表面外观。分散相sPS降低材料的吸湿性、提高尺寸稳定性和抗翘曲性、sPS在汽车机罩下温度环境中仍基本保持原有的机械性能，AIM用牌号为Qustra N  WA 9735-01。Avtovaz汽车厂采用新材料后，AIM减重50％，成本降低30％，部件一体化是降低成本和重量的重要因素，AIM生产也是采用注塑成型和振动焊接法，认为进一步降低成本发的潜力为要选用适宜的粘接剂，替代振动焊接法连接部件。

2．        AIM成型技术进步
3．1 AIM焊接技术
去芯成型法要先制造易熔化熔芯，经注射成型后的AIM需熔化熔芯后，取出塑料歧管，这样去除熔芯后，再经表面处理和干燥，熔化熔芯要回收再利用，工序多，有污染，成本高。而先注塑AIM部件，再焊接成一体，焊接工艺和技术十分重要，美国Honeywell公司在2002年世界汽车工程协会（SAE）年会上指出（16），焊接技术与材料性能密切相关，BASF公司与德国Erlange大学研究振动焊接法对AIM爆破性能的影响，发现焊接压力是影响AIM力学性能的主要因素，但均匀的焊接压力仅适用于几乎没有翘曲的制品。制备尺寸精确的制品仅能靠降低尼龙结晶速度达到要求，但这势必延长成型周期。另外，焊接时最佳熔体粘度对充模速度却有负面影响。高温（150℃）下1000h后焊接强度下降50％。
激光焊接法比振动焊接法成型条件温和，而且可以制取结构和形状更复杂的AIM，因此许多厂家投入相当大精力开发适用于AIM的激光焊接牌号，Bayer公司塑料项目经理Stefan Schulten指出（17），喇叭状内入口与AIM外壳靠得太近，振动焊接法无法胜任，对壳顶部和底部用双极激光热板焊接法连接，喇叭状内入口用本色尼龙配混料Durethan BVK 30 H1.0，红外激光穿透率高，容易焊接。
三年一届在德国科隆举行得2003年国际环境博览会ENTSORGA 2003上，美国Branson公司（18）介绍了塑料激光焊接技术和设备，激光焊接优点为：（1）焊接质量好，焊接强度高和均匀，残余应力小；（2）适应复杂形状制品要求，可以焊接异性曲面，甚至能焊接制品的极微小部分；（3）生产效率高，不产生翘曲和粉料，不需要转动设备，照射时间短，容易实现自动化。该公司在会上还展示了Laser IRAM（Infra Red Laser Assembly Methood，红外激光组装法）设备，焊接样品为GM公司的3L AIM，材料为30％玻纤增强尼龙6，成型时间7秒（s）。激光焊接AIM另一个优点是制品表面没有焊珠（9），比较平滑，空气流过时不会产生涡流。
3．2 敞模成型
美国FAST公司2003年11月推出的以PPA为原料的AIM，采用了低成本的敞模成型技术（10）（open moulding technigue），这种制品名为LSX的AIM是由三个注塑件组成，由CPT（Composite Performance Technique）公司加工制造，据CPT公司总裁Dan Agnew介绍，敞模成型工艺不需经试模阶段，可以直接制备模具，降低成本。

3．        结语
塑料AIM具有质轻，成本低和设计自由度大三大主要优点，逐步替代金属AIM，从简单进气管发展为复杂进气歧管，扩大在汽车上的应用份额，现已占据主导地位，并将继续提高市场占有率，欧美国家走在前列，AIM是近几年发达国家开发并获成功的重点塑料汽车部件。塑料原料厂、AIM加工厂和最终用户汽车厂三方共同合作在开发和应用塑料AIM上不断取得进展，研究开发出性能和加工性都更优的增强高性能牌号和成型技术，激光焊接牌号在加工性、设计和制备复杂结构产品上具有优势。树脂种类已不仅限用尼龙6和尼龙66，PPA和sPS/PA共混物应用前景看好。注塑AIM部件通过振动焊接法连接是目前主要加工制备方法，激光焊接法诱人的优点是不容置疑的，PPA新AIM则采用低成本的敞模成型法亦十分令人注目。
中国汽车工业已进入高速增长的发展阶段，2003年汽车产量超过400万辆（19），已成为世界汽车生产大国，2010年前，年均增长率为10％～15％。轻量化与环保是世界汽车材料发展的主要方向。中国汽车用塑料比例低于发达国家，而且一些合资汽车厂用塑料往往指定国外厂家专用牌号，汽车轻量化，原料国产化、高性能化是中国汽车工业及相关工业努力方向。可组织有关企业和厂家立项专题攻关，提高原料树脂档次，获相关标准和生产企业认可，替代进口材料，应用先进加工生产技术等手段促进和加快中国塑料AIM发展步伐。为此，汽车工业及相关工业应携手合作，不走国外发展的老路，高起点开发应用AIM，密切注视国外新动向，亦可与合资企业外方厂家合作，加快推广应用进程，使AIM部件和材料向国际化靠拢。目前一汽已建立工厂，采用尼龙加工AIM，二汽和其他几个厂家也有类似计划。武汉神龙的富康车用进口塑料AIM（lost core工艺），广州本田雅阁轿车也用进口塑料AIM（lost core工艺），在中国汽车工业产量迅速增长同时，使中国汽车质量、性能和档次也都上新的台阶，真正跻身世界汽车工业前列。
参考文献
1  安田武夫. プラスチック材料の轨迹と明日への研究 . 工业材料（日），2001，49（9）：90
2  服部达哉. 自动车. Plastics Age Encyclopedia《进步编》，2003，59
3  舊桥章.   K2001しポ一ト一1 . プラチックスエ－ジ，2002，48（3）：119