工業(yè)折疊塑料周轉(zhuǎn)箱的卡扣不良分析和改善

向文灝 李慶文

（上海睿池供應(yīng)鏈管理有限公司）

塑料周轉(zhuǎn)箱是工業(yè)領(lǐng)域在運(yùn)輸包裝中的小型搬運(yùn)裝載系統(tǒng)（small load carrier system）核心組成部分。設(shè)計(jì)上一般要求的特點(diǎn)是上部敞開、耐用、可重復(fù)使用且具有剛性并符合模塊化規(guī)格的箱子，能用于人工搬運(yùn)，機(jī)械搬運(yùn)以及自動化搬運(yùn)[1]。原材料以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為主，通過注塑設(shè)備將塑料融化后以注射成型的方式直接在模具型腔內(nèi)成型的塑料周轉(zhuǎn)箱。

在現(xiàn)代供應(yīng)鏈亦可稱為配送包裝，在模塊化規(guī)格上，國際通用參考的模數(shù)有三種：600×400，600×500，550×366。這些模數(shù)所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)托盤規(guī)格分別為1219×1016，1200×1000，1200×800，1100×1100的平面尺寸。

塑料周轉(zhuǎn)箱的款式可分為：固定式，折疊式，斜插式和斜插顛倒堆碼式共四種，見圖1。

圖1 注塑周轉(zhuǎn)箱種類

與固定式結(jié)構(gòu)不同的是，固定式為一體成型，而折疊式塑料周轉(zhuǎn)箱是通過多部件注塑成型后，再進(jìn)行組裝成型并且借助鉸鏈安裝來實(shí)現(xiàn)部件的鏈接和折疊及成型功能。

1. 折疊周轉(zhuǎn)箱應(yīng)用概況

1.1 常見折疊結(jié)構(gòu)

常見折疊結(jié)構(gòu)有兩種，一種是壓縮折疊式，另一種是對折折疊式，參見圖2。壓縮折疊式主要使通過短邊整塊壁板定位固定，折疊時，將短邊壁板以頂部為軸線，向箱體內(nèi)部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使箱體脫離定位狀態(tài)。而長邊壁板則以壁板中心線為軸，對稱向外對折，再壓縮折疊的結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)折疊功能。對折式操作方式近似紙箱的搖蓋折疊，將整面的壁板以底部為軸，向內(nèi)側(cè)翼式旋轉(zhuǎn)折疊來達(dá)到折疊效果。國內(nèi)流通較多的對折式周轉(zhuǎn)箱，通常設(shè)計(jì)以短邊先折，長邊后折疊的形式來滿足，而考慮折疊可操作性，原則上對折式的箱體高度被控制在其寬度尺寸以內(nèi)，若尺寸上超出，則容易造成折疊后各壁板之間干涉，但基于特殊需求，盡管也存在小部分箱體總高度超出寬度尺寸，但實(shí)際其壁板的可折疊部分，高度仍然會小于總寬度，從而避免折疊困難的現(xiàn)象發(fā)生。壓縮折疊式由于短邊壁板偏薄，而長邊壁板使用中軸線對折，因此在高度的尺寸容忍度會好于對折式。德國汽車工業(yè)協(xié)會目前在官方文件仍然以600×400為模數(shù)規(guī)格的壓縮折疊式作為其認(rèn)定的產(chǎn)品，英國的硬質(zhì)塑料配送箱的標(biāo)準(zhǔn)上也是介紹壓縮折疊式。但日韓體系汽車零部件廠和整車廠則是以對折折疊式為主。

圖2 折疊式周轉(zhuǎn)箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 選用折疊周轉(zhuǎn)箱的背景

工業(yè)折疊周轉(zhuǎn)箱的興起于汽車工業(yè)的發(fā)展，是基于其使用場景所帶來的運(yùn)輸距離和空間利用率和周轉(zhuǎn)利用次數(shù)所帶來的總體成本控制需求。汽車零部件生產(chǎn)過程基于準(zhǔn)確高效產(chǎn)能的要求，減少裝配過程物料的翻包（即將物料從供應(yīng)方的運(yùn)輸包裝內(nèi)取出切換為便于物料取放的裝配線工位包裝）造成的工時損失，并且為了方便標(biāo)準(zhǔn)化管理以及減少一次性包裝材料的浪費(fèi)。塑料周轉(zhuǎn)箱被頻繁的使用在零部件的供應(yīng)物流和生產(chǎn)物流。特別是在歐洲整車裝配廠與零部件廠之間的物料流通，小型裝載單元是減少人工實(shí)現(xiàn)自動化發(fā)展的重要組成部分。但早期因?yàn)楣に囅拗?，技術(shù)成熟度相比固定式較晚，造成歐洲汽車行業(yè)上仍然有大量固定式周轉(zhuǎn)箱存在，加上受歐洲整體對于循環(huán)包裝池的概念認(rèn)識較早，各零部件工廠與整車廠的運(yùn)輸距離不長。循環(huán)包裝的主導(dǎo)以非營利組織和行業(yè)協(xié)會較多。周轉(zhuǎn)箱是否折疊，短時間并不會給其現(xiàn)狀帶來明顯的差異變化。所以導(dǎo)致了歐洲在折疊箱應(yīng)用也相對固定式而言則少。而日韓人口密集度較高，對空間利用需求較大，并且存在整車廠也需要從中國零部件工廠進(jìn)口零部件，固定式周轉(zhuǎn)箱在物料使用完畢后變?yōu)榭障?，包裝體積仍然不變，會侵占較大的倉儲面積和物流體積,較長的運(yùn)輸距離會導(dǎo)致更高的運(yùn)輸成本，加上日韓主要以三方租賃企業(yè)以營利為主導(dǎo)的周轉(zhuǎn)箱循環(huán)租賃模式，因此折疊式需求較之旺盛。盡管斜插式或者斜插堆碼式在空箱狀態(tài)也具備壓縮倉儲面積和物流體積的效用。但目前除了沃爾沃集團(tuán)，其余汽車工業(yè)集團(tuán)仍然傾向沿用矩形結(jié)構(gòu)的模塊化包裝[2]。

現(xiàn)如今國內(nèi)基于共享循環(huán)的熱度，原來隱藏在幕后的專注于包裝租賃的第三方服務(wù)企業(yè)也因此越來越多的被推上臺前。雖然以宏觀角度來看，對于以構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化包裝租賃“池”為目標(biāo)的租賃服務(wù)企業(yè)而言，反復(fù)使用的循環(huán)箱是否具備折疊功能，并非是其核心商業(yè)價值所在。如同海運(yùn)集裝箱一般，盡管業(yè)界多年一直研究折疊集裝箱，但商業(yè)模式上，當(dāng)前仍然以固定式集裝箱為主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)化包裝的“池化”租賃，是指標(biāo)準(zhǔn)化包裝從甲方裝完貨物后，發(fā)往乙方之后，其空箱將進(jìn)入乙方附近的包裝“池”，在合理時間內(nèi)進(jìn)行處理后就應(yīng)用與乙方附近丙方繼續(xù)使用。這樣減少空箱從乙方回到甲方的返回物流。但由于當(dāng)前汽車工業(yè)受歐式、美式體系和日韓體系多方對于包裝規(guī)格需求不同的影響，相互之間尚難做到循環(huán)包裝共用，中國短時間無法像歐洲一樣建立較完整的循環(huán)包裝池。所以小型裝載容器的循環(huán)重復(fù)使用仍然以單線路往返為主，因此為了更好的降低實(shí)際成本，從而提高了折疊周轉(zhuǎn)箱在國內(nèi)的應(yīng)用。

2. 折疊周裝箱的不良現(xiàn)象

某項(xiàng)目使用對折式折疊周轉(zhuǎn)箱，見圖3。從上海往廣州進(jìn)行單線循環(huán)業(yè)務(wù)，平均每45天一個循環(huán)周期，每箱內(nèi)裝物重量不超過12 kg，符合單人搬運(yùn)基本要求[3]。但在初期使用階段，來自現(xiàn)場使用的實(shí)際反饋出現(xiàn)成型不良現(xiàn)象，即端面壁板無法豎立固定成型，導(dǎo)致閉合不牢的問題。在進(jìn)行抽查時發(fā)現(xiàn)樣品無法通過BB/T 0043-2007塑料物流周轉(zhuǎn)箱中第5.10條，額定配重要求下的懸掛性能試驗(yàn)，見圖4。

圖3 用于單線循環(huán)的折疊周轉(zhuǎn)箱

圖4 閉合不牢現(xiàn)象及無法通過懸掛試驗(yàn)

該款產(chǎn)品折疊步驟是以短邊先完成折疊后，再進(jìn)行長邊折疊。因此短邊的穩(wěn)定性是整個箱體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。而影響短邊壁板的穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件則是由在長邊一體注塑成型的卡扣，見圖5。

圖5 短邊穩(wěn)定性檢查

對192只箱子對比檢查，其中24只成型不良，不良率為12.5%。再通過對24只不良折疊箱進(jìn)行觀察，肉眼可見卡扣變形現(xiàn)象明顯，見圖6。

圖6 合格折疊周轉(zhuǎn)箱與不良品對比

為了客觀驗(yàn)證變形的來源是人為原因造成還是產(chǎn)品本身質(zhì)量問題產(chǎn)生，對于卡扣的根壁檢查是否有折損白斑，見圖7。

圖7 檢查卡扣根壁是否有折損白斑

通過檢查對比，不良品中卡扣都不存在折損白斑，因此可推測為卡扣本身的翹曲導(dǎo)致固定不良。從24件不良產(chǎn)品中隨機(jī)取10件樣本進(jìn)行卡扣與壁板之間的翹曲量抽查，見圖8，并計(jì)算翹曲度得出數(shù)值見表1。

圖8 翹曲量的測量

翹曲度計(jì)算：

A為翹曲度，%

L為卡扣長度（從卡扣根壁到卡扣端部距離），mm

ΔL為翹曲量，mm根據(jù)表1結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出要求的翹曲度1%。

表1 不良品的隨機(jī)樣本翹曲量檢測與計(jì)算翹曲度

3. 卡扣不良的分析和驗(yàn)證

卡扣（snap-fit），是塑料件連接和約束的常用結(jié)構(gòu)，最常用的為懸臂鉤式結(jié)構(gòu)，而當(dāng)前折疊周轉(zhuǎn)箱的成型裝配所使用的卡扣即為懸臂鉤式機(jī)構(gòu)，見圖9。

圖9 項(xiàng)目中折疊周轉(zhuǎn)箱卡扣功能示意圖

卡扣常見不良現(xiàn)象往往是由于多種原因造成，據(jù)診斷統(tǒng)計(jì)，由一種原因造成的卡扣不良占比約為10%，而由兩種原因造成的卡扣不良則占比約20%，而三種及以上的原因造成的卡扣不良則占60%以上[4]。而常見的不良所帶來的現(xiàn)象有組裝困難，短期性能失效或者損壞，長期性能失效或者性能損壞，零件變形或損壞，零件松動或者發(fā)出吱吱響聲，異常零件脫落，客戶對于易操作性的抱怨等等。針對這些不良現(xiàn)象分析程序可參考如下幾步驟：首先進(jìn)行正確的客觀描述問題，然后基于當(dāng)前問題所述的外觀現(xiàn)象進(jìn)行分解尋找問題根源（如斷裂，松動等），通過根源進(jìn)行原因判斷和問題的解決。若仍未解決，則需要針對受力分析或者材料性能情況進(jìn)行深入的問題分析和解決方案。

根據(jù)以上分析程序，當(dāng)前項(xiàng)目中的折疊周轉(zhuǎn)箱的不良現(xiàn)象是部件松動造成的折疊功能缺失，而導(dǎo)致松動的原因是長邊壁板的卡扣無法定位約束短邊壁板，而造成該現(xiàn)象的原因是卡扣自身的翹曲?？鄣穆N曲則存在多種根源，可能是人為破壞，可能是工藝脫模不良，可能是材料本身問題或者設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在問題等等。根據(jù)圖7已經(jīng)可排除人為破壞，而工藝不良和材料不良對于非生產(chǎn)廠商而言要進(jìn)行界定仍然處于較大的難度，其主要體現(xiàn)在產(chǎn)品本身在各貿(mào)易商之間層層外包，導(dǎo)致各方對廠商監(jiān)管力度有限。而國內(nèi)現(xiàn)存法規(guī)對于低附加值的工業(yè)用品的生產(chǎn)加工商生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)管仍然存在不完善處。所以難以就材料和工藝上發(fā)現(xiàn)和分析問題。但根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常規(guī)情況下，卡扣的穩(wěn)定性與卡扣的壁厚和長度存在一定的關(guān)聯(lián)[5]，一般卡扣長度短于5倍的壁厚，在卡扣擠壓操作過程中，則會造成卡扣根壁受到明顯的剪切力作用，易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。而卡扣長度長于10倍壁厚則會由于卡扣的柔韌性過高，造成剛性不足。因此根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品的卡扣長度與厚度之間的尺寸數(shù)據(jù)，可得出當(dāng)前項(xiàng)目的比值約為11。在無法對工藝和材料進(jìn)行有效分析情況下，可以先得出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是造成卡扣存在一定變形不良的原因之一的推論。

根據(jù)以上推論，對卡扣不良情況進(jìn)行臨時解決方案，即對產(chǎn)生變形的卡扣的長度進(jìn)行修補(bǔ)減短，因塑料周轉(zhuǎn)箱本身材質(zhì)為聚丙烯和聚乙烯共聚物，所以可如圖10所示使用聚乙烯材料的熱熔膠進(jìn)行加固。

圖10 通過聚乙烯熱熔膠進(jìn)行加固驗(yàn)證

通過加固后進(jìn)行實(shí)際使用測試，驗(yàn)證該方案是可解決因卡扣翹曲變形而導(dǎo)致的折疊周轉(zhuǎn)箱無法成型，壁板松動的問題。但由于人工進(jìn)行熱熔膠進(jìn)行修復(fù)存在不確定性，過少的用膠量則不會帶來任何改善，而過多的用膠量則會導(dǎo)致卡扣剛性太強(qiáng)，無法產(chǎn)生擠壓形變，使得成型后的箱體折疊困難。因而對于長期解決方案，則是通過改善卡扣的壁厚提供加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，重新調(diào)整卡扣的強(qiáng)度和柔韌性，從而滿足實(shí)際使用需求，見圖11。

圖11 通過加強(qiáng)筋改善卡扣強(qiáng)度，減少曲翹現(xiàn)象發(fā)生

4. 折疊式周轉(zhuǎn)箱的卡扣發(fā)展趨勢

由于卡扣與壁板一體成型的設(shè)計(jì)受到材料和加工工藝影響較大，懸臂鉤式結(jié)構(gòu)在應(yīng)對折疊周轉(zhuǎn)箱反復(fù)折疊成型的高頻率操作，會存在天然使用疲勞缺陷。

另外當(dāng)生產(chǎn)商為了降低成本而對箱體摻雜了較多回收料進(jìn)行再利用的情況下，會導(dǎo)致對性能要求較高的卡扣的不良率提升，從而引起整體箱體的不良率的上升，另外一旦卡扣操作過程中損壞，其維修必須是整塊壁板進(jìn)行更換，造成維護(hù)成本上漲。

因而現(xiàn)在越來越多的折疊式周轉(zhuǎn)箱的卡扣設(shè)計(jì)是通過使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）注塑生產(chǎn)的插銷式的結(jié)構(gòu)，再裝配在折疊周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，如圖12。

圖12 韓國logisall公司的按壓抽拉式卡扣

而ABS耐磨性更好，對折疊箱的壽命起到了一定的保障，特別是對于第三方租賃企業(yè)，包裝的壽命得到了很大的改善，從而能給予更好的產(chǎn)品經(jīng)營條件的技術(shù)支持。