提升奶粉罐耐壓強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)包裝減量化設(shè)計(jì)

馬倫 周必榜

目前，市場(chǎng)上的高端奶粉罐均以鍍錫薄鋼板為主要原材料，經(jīng)印涂和板材加工成型后制成。由于奶粉罐自身體積較大，因此在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中即使做了很多防護(hù)措施，也會(huì)不可避免地發(fā)生癟罐現(xiàn)象，從而影響奶粉的銷售形象。而且，在國(guó)家大力提倡節(jié)能減排和構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)下，包裝減量化設(shè)計(jì)已是大勢(shì)所趨。因此，如何在提升奶粉罐耐壓強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)包裝減量化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，已成為金屬包裝企業(yè)當(dāng)前的主要研究方向。

抗癟罐能力的評(píng)價(jià)方法

癟罐現(xiàn)象是金屬包裝行業(yè)的一種普遍現(xiàn)象，其具體表現(xiàn)為罐體因受到外力作用而產(chǎn)生局部變形。導(dǎo)致奶粉罐產(chǎn)生癟罐現(xiàn)象的因素有很多，如產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)性能、包裝方式、運(yùn)輸方式等方面，提升產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)性能即抗外力能力是從根本上有效降低癟罐現(xiàn)象的唯一永恒方式。根據(jù)美國(guó)ASTM D642-2000（2005）標(biāo)準(zhǔn)，奶粉罐耐壓強(qiáng)度通常是用來(lái)評(píng)價(jià)其抗癟罐能力的科學(xué)指標(biāo)。

耐壓強(qiáng)度及測(cè)試方法

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)，耐壓強(qiáng)度通常分為軸向耐壓強(qiáng)度和徑向耐壓強(qiáng)度。

軸向耐壓強(qiáng)度主要是指引起罐身變形的軸向（即罐身高度方向）最大承壓能力，測(cè)試方法是在罐體的上下兩面各放置一塊硬板，在一定速度下做加壓測(cè)試，如圖1所示。

徑向耐壓強(qiáng)度主要是指引起罐身變形的徑向（即罐身寬度方向）最大承壓能力，測(cè)試方法是在一定試驗(yàn)速度下，參照膠合板抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)頭，選用直徑約30mm的管狀壓頭，在一定破壞深度下得到測(cè)試參數(shù)，繪制耐壓力曲線。通常每個(gè)品種的奶粉罐取兩個(gè)測(cè)試位置（如圖2中的a、b兩處），一個(gè)位置在上下滾筋居中對(duì)稱的部位（圖2中的a處），另一個(gè)位置在下端面和最下圈滾筋中間的直身部位（圖2中的b處）。由于兩個(gè)壓力值不同，故分別標(biāo)示。

耐壓強(qiáng)度影響因素分析

結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際需求，本文以下論述均以奶粉罐D(zhuǎn)502規(guī)格產(chǎn)品罐身減量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)來(lái)提升耐壓強(qiáng)度，即奶粉罐罐身減量化設(shè)計(jì)之后，罐身耐壓強(qiáng)度較之前正常厚度材料有了明顯提升，達(dá)到事半功倍的效果。

1.軸向耐壓強(qiáng)度分析

我們對(duì)大量不同罐型產(chǎn)品及其軸向耐壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，表1為部分罐型測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，相同罐型奶粉罐在原材料厚度直接減量化設(shè)計(jì)后，會(huì)對(duì)軸向耐壓強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響，即隨著馬口鐵厚度的減薄，軸向耐壓強(qiáng)度會(huì)隨之減弱。

2.徑向耐壓強(qiáng)度分析

以表2部分奶粉罐型的測(cè)試數(shù)據(jù)為例，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，隨著馬口鐵厚度的減薄，不同罐型的徑向耐壓強(qiáng)度有輕微變化?？梢哉f(shuō)，當(dāng)罐型確定之后，罐身厚度減量化對(duì)徑向耐壓強(qiáng)度的影響不大。

結(jié)合軸向耐壓強(qiáng)度和徑向耐壓強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)分析可知，相同罐型馬口鐵厚度減薄后，對(duì)軸向耐壓強(qiáng)度有直接影響，而徑向耐壓強(qiáng)度雖有輕微變化，但當(dāng)罐型確定之后基本不受影響，而且可以通過(guò)調(diào)整滾筋寬度和深度等參數(shù)來(lái)消除。因此，罐身耐壓強(qiáng)度主要應(yīng)從軸向耐壓強(qiáng)度來(lái)分析和提升，即癟罐現(xiàn)象主要是由軸向耐壓強(qiáng)度降低引起的，需從優(yōu)化奶粉罐罐型設(shè)計(jì)來(lái)提升。

奶粉罐罐型設(shè)計(jì)一般從材料厚度、材料硬度、馬口鐵軋制方向、滾筋形狀、滾筋條數(shù)、滾筋寬度和滾筋深度7個(gè)維度來(lái)著手，不同維度的結(jié)合基本決定了產(chǎn)品的耐壓性能。通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)歸納分析，奶粉罐罐身減量化設(shè)計(jì)后的耐壓強(qiáng)度主要受除馬口鐵軋制方向以外的其他6個(gè)維度的影響。

耐壓強(qiáng)度的提升方法及驗(yàn)證

1.耐壓強(qiáng)度的提升方法

根據(jù)對(duì)奶粉罐耐壓強(qiáng)度各影響因素及其與耐壓強(qiáng)度的影響關(guān)系的分析，本耐壓強(qiáng)度提升方法以某成熟產(chǎn)品為例進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和驗(yàn)證，即該奶粉罐D(zhuǎn)502通常以0.24mm厚度T4硬度的馬口鐵為原材料，軸向耐壓強(qiáng)度為3.80kN，以0.21mm厚度為罐身減量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，保證罐身厚度減量化設(shè)計(jì)后，軸向耐壓強(qiáng)度有明顯提升和改善。最終，軸向耐壓強(qiáng)度均值穩(wěn)定在4.10kN及以上，不僅成功實(shí)現(xiàn)了包裝的減量化設(shè)計(jì)，而且提升了罐身的抗癟罐能力。

假設(shè)材料厚度、材料硬度和滾筋條數(shù)3個(gè)維度確定的情況下，本試驗(yàn)方案以滾筋形狀、滾筋寬度和滾筋深度3個(gè)維度為最佳耐壓強(qiáng)度組合，分別設(shè)計(jì)出減量化A形模、B形模和C形模，經(jīng)樣品制作和耐壓強(qiáng)度測(cè)試，檢測(cè)相應(yīng)數(shù)據(jù)如表3所示，序號(hào)1和序號(hào)2中的數(shù)據(jù)分別為目前正常厚度空罐和直接罐身減量化設(shè)計(jì)后的耐壓強(qiáng)度值。

從表3可以看出，在奶粉罐減量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果直接將馬口鐵進(jìn)行減量化，則必然帶來(lái)其耐壓強(qiáng)度指標(biāo)直線下降，將嚴(yán)重影響其耐抗外力能力，發(fā)生癟罐現(xiàn)象的概率將明顯增加。如果在罐身減量化設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化各影響要素來(lái)提升其耐壓強(qiáng)度，如A形模、B形模和C形模，則相比直接減量化其耐壓強(qiáng)度會(huì)有不同程度的提升。其中，A形模減量化設(shè)計(jì)的耐壓強(qiáng)度較I罐型（0.21mm）提升16%，較I罐型（0.24mm）下降14%；B形模減量化設(shè)計(jì)的耐壓強(qiáng)度較I罐型（0.21mm）提升13%，較I罐型（0.24mm）下降16%；C形模減量化設(shè)計(jì)的耐壓強(qiáng)度較I罐型（0.21mm）提升42%，較I罐型（0.24mm）提升 6%。由此可見(jiàn)，使用減量化C形模后既達(dá)到了原材料厚度減量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，又達(dá)到了耐壓強(qiáng)度較正常厚度空罐有所提升的目的，減量化后抗癟罐能力得到了真正意義上的提升和加強(qiáng)，既提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，又改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.耐壓強(qiáng)度提升穩(wěn)定性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證耐壓強(qiáng)度提升方法的正確性和可行性，選取耐壓強(qiáng)度最佳的C形模進(jìn)行驗(yàn)證。使用與試驗(yàn)相同的0.21mm厚度的減量化馬口鐵分三批次制作樣品空罐，每次隨機(jī)選取空罐進(jìn)行測(cè)試，并選取兩家檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在相同檢測(cè)方法下連續(xù)進(jìn)行軸向耐壓強(qiáng)度測(cè)試，并記錄分析數(shù)據(jù)，其軸向耐壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)直方圖如圖3所示。分析數(shù)據(jù)顯示，隨機(jī)測(cè)試的耐壓強(qiáng)度均值為4.25kN，直方圖顯示穩(wěn)定性很好，超過(guò)了目標(biāo)值4.10kN，較正常0.24mm空罐的耐壓強(qiáng)度（耐壓強(qiáng)度3.88kN）提升了約10%，完全具備批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性特征，再次驗(yàn)證了本次軸向耐壓強(qiáng)度提升方法的可行性。

通過(guò)以上分析、試驗(yàn)和驗(yàn)證，證明了本方案中奶粉罐耐壓強(qiáng)度提升方法的科學(xué)性和可操作性。隨著減量化趨勢(shì)的不斷推進(jìn)，以及市場(chǎng)需求的日益嚴(yán)苛，該方法具有很高的應(yīng)用價(jià)值，一方面可提升產(chǎn)品的抗癟罐能力，另一方面，在不犧牲產(chǎn)品品質(zhì)的前提下實(shí)現(xiàn)包裝減量化設(shè)計(jì)，同時(shí)產(chǎn)品耐壓強(qiáng)度也有了明顯提升，屬于業(yè)內(nèi)重大技術(shù)突破，符合國(guó)家倡導(dǎo)的“節(jié)能減排，綠色包裝”要求。