工业折叠塑料周转箱的卡扣不良分析和改善

时间：2024-05-22

向文灏李庆文

（上海睿池供应链管理有限公司）

塑料周转箱是工业领域在运输包装中的小型搬运装载系统（small load carrier system）核心组成部分。设计上一般要求的特点是上部敞开、耐用、可重复使用且具有刚性并符合模块化规格的箱子，能用于人工搬运，机械搬运以及自动化搬运[1]。原材料以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）为主，通过注塑设备将塑料融化后以注射成型的方式直接在模具型腔内成型的塑料周转箱。

在现代供应链亦可称为配送包装，在模块化规格上，国际通用参考的模数有三种：600×400，600×500，550×366。这些模数所对应的标准托盘规格分别为1219×1016，1200×1000，1200×800，1100×1100的平面尺寸。

塑料周转箱的款式可分为：固定式，折叠式，斜插式和斜插颠倒堆码式共四种，见图1。

图1 注塑周转箱种类

与固定式结构不同的是，固定式为一体成型，而折叠式塑料周转箱是通过多部件注塑成型后，再进行组装成型并且借助铰链安装来实现部件的链接和折叠及成型功能。

1. 折叠周转箱应用概况

1.1 常见折叠结构

常见折叠结构有两种，一种是压缩折叠式，另一种是对折折叠式，参见图2。压缩折叠式主要使通过短边整块壁板定位固定，折叠时，将短边壁板以顶部为轴线，向箱体内部进行旋转，从而使箱体脱离定位状态。而长边壁板则以壁板中心线为轴，对称向外对折，再压缩折叠的结构形式来实现折叠功能。对折式操作方式近似纸箱的摇盖折叠，将整面的壁板以底部为轴，向内侧翼式旋转折叠来达到折叠效果。国内流通较多的对折式周转箱，通常设计以短边先折，长边后折叠的形式来满足，而考虑折叠可操作性，原则上对折式的箱体高度被控制在其宽度尺寸以内，若尺寸上超出，则容易造成折叠后各壁板之间干涉，但基于特殊需求，尽管也存在小部分箱体总高度超出宽度尺寸，但实际其壁板的可折叠部分，高度仍然会小于总宽度，从而避免折叠困难的现象发生。压缩折叠式由于短边壁板偏薄，而长边壁板使用中轴线对折，因此在高度的尺寸容忍度会好于对折式。德国汽车工业协会目前在官方文件仍然以600×400为模数规格的压缩折叠式作为其认定的产品，英国的硬质塑料配送箱的标准上也是介绍压缩折叠式。但日韩体系汽车零部件厂和整车厂则是以对折折叠式为主。

图2 折叠式周转箱结构示意图

1.2 选用折叠周转箱的背景

工业折叠周转箱的兴起于汽车工业的发展，是基于其使用场景所带来的运输距离和空间利用率和周转利用次数所带来的总体成本控制需求。汽车零部件生产过程基于准确高效产能的要求，减少装配过程物料的翻包（即将物料从供应方的运输包装内取出切换为便于物料取放的装配线工位包装）造成的工时损失，并且为了方便标准化管理以及减少一次性包装材料的浪费。塑料周转箱被频繁的使用在零部件的供应物流和生产物流。特别是在欧洲整车装配厂与零部件厂之间的物料流通，小型装载单元是减少人工实现自动化发展的重要组成部分。但早期因为工艺限制，技术成熟度相比固定式较晚，造成欧洲汽车行业上仍然有大量固定式周转箱存在，加上受欧洲整体对于循环包装池的概念认识较早，各零部件工厂与整车厂的运输距离不长。循环包装的主导以非营利组织和行业协会较多。周转箱是否折叠，短时间并不会给其现状带来明显的差异变化。所以导致了欧洲在折叠箱应用也相对固定式而言则少。而日韩人口密集度较高，对空间利用需求较大，并且存在整车厂也需要从中国零部件工厂进口零部件，固定式周转箱在物料使用完毕后变为空箱，包装体积仍然不变，会侵占较大的仓储面积和物流体积,较长的运输距离会导致更高的运输成本，加上日韩主要以三方租赁企业以营利为主导的周转箱循环租赁模式，因此折叠式需求较之旺盛。尽管斜插式或者斜插堆码式在空箱状态也具备压缩仓储面积和物流体积的效用。但目前除了沃尔沃集团，其余汽车工业集团仍然倾向沿用矩形结构的模块化包装[2]。

现如今国内基于共享循环的热度，原来隐藏在幕后的专注于包装租赁的第三方服务企业也因此越来越多的被推上台前。虽然以宏观角度来看，对于以构建标准化包装租赁“池”为目标的租赁服务企业而言，反复使用的循环箱是否具备折叠功能，并非是其核心商业价值所在。如同海运集装箱一般，尽管业界多年一直研究折叠集装箱，但商业模式上，当前仍然以固定式集装箱为主导地位。标准化包装的“池化”租赁，是指标准化包装从甲方装完货物后，发往乙方之后，其空箱将进入乙方附近的包装“池”，在合理时间内进行处理后就应用与乙方附近丙方继续使用。这样减少空箱从乙方回到甲方的返回物流。但由于当前汽车工业受欧式、美式体系和日韩体系多方对于包装规格需求不同的影响，相互之间尚难做到循环包装共用，中国短时间无法像欧洲一样建立较完整的循环包装池。所以小型装载容器的循环重复使用仍然以单线路往返为主，因此为了更好的降低实际成本，从而提高了折叠周转箱在国内的应用。

2. 折叠周装箱的不良现象

某项目使用对折式折叠周转箱，见图3。从上海往广州进行单线循环业务，平均每45天一个循环周期，每箱内装物重量不超过12 kg，符合单人搬运基本要求[3]。但在初期使用阶段，来自现场使用的实际反馈出现成型不良现象，即端面壁板无法竖立固定成型，导致闭合不牢的问题。在进行抽查时发现样品无法通过BB/T 0043-2007塑料物流周转箱中第5.10条，额定配重要求下的悬挂性能试验，见图4。

图3 用于单线循环的折叠周转箱

图4 闭合不牢现象及无法通过悬挂试验

该款产品折叠步骤是以短边先完成折叠后，再进行长边折叠。因此短边的稳定性是整个箱体稳定性的关键。而影响短边壁板的稳定性的关键部件则是由在长边一体注塑成型的卡扣，见图5。

图5 短边稳定性检查

对192只箱子对比检查，其中24只成型不良，不良率为12.5%。再通过对24只不良折叠箱进行观察，肉眼可见卡扣变形现象明显，见图6。

图6 合格折叠周转箱与不良品对比

为了客观验证变形的来源是人为原因造成还是产品本身质量问题产生，对于卡扣的根壁检查是否有折损白斑，见图7。

图7 检查卡扣根壁是否有折损白斑

通过检查对比，不良品中卡扣都不存在折损白斑，因此可推测为卡扣本身的翘曲导致固定不良。从24件不良产品中随机取10件样本进行卡扣与壁板之间的翘曲量抽查，见图8，并计算翘曲度得出数值见表1。

图8 翘曲量的测量

翘曲度计算：

A为翘曲度，%

L为卡扣长度（从卡扣根壁到卡扣端部距离），mm

ΔL为翘曲量，mm根据表1结果远远超出要求的翘曲度1%。

表1 不良品的随机样本翘曲量检测与计算翘曲度

3. 卡扣不良的分析和验证

卡扣（snap-fit），是塑料件连接和约束的常用结构，最常用的为悬臂钩式结构，而当前折叠周转箱的成型装配所使用的卡扣即为悬臂钩式机构，见图9。

图9 项目中折叠周转箱卡扣功能示意图

卡扣常见不良现象往往是由于多种原因造成，据诊断统计，由一种原因造成的卡扣不良占比约为10%，而由两种原因造成的卡扣不良则占比约20%，而三种及以上的原因造成的卡扣不良则占60%以上[4]。而常见的不良所带来的现象有组装困难，短期性能失效或者损坏，长期性能失效或者性能损坏，零件变形或损坏，零件松动或者发出吱吱响声，异常零件脱落，客户对于易操作性的抱怨等等。针对这些不良现象分析程序可参考如下几步骤：首先进行正确的客观描述问题，然后基于当前问题所述的外观现象进行分解寻找问题根源（如断裂，松动等），通过根源进行原因判断和问题的解决。若仍未解决，则需要针对受力分析或者材料性能情况进行深入的问题分析和解决方案。

根据以上分析程序，当前项目中的折叠周转箱的不良现象是部件松动造成的折叠功能缺失，而导致松动的原因是长边壁板的卡扣无法定位约束短边壁板，而造成该现象的原因是卡扣自身的翘曲。卡扣的翘曲则存在多种根源，可能是人为破坏，可能是工艺脱模不良，可能是材料本身问题或者设计结构存在问题等等。根据图7已经可排除人为破坏，而工艺不良和材料不良对于非生产厂商而言要进行界定仍然处于较大的难度，其主要体现在产品本身在各贸易商之间层层外包，导致各方对厂商监管力度有限。而国内现存法规对于低附加值的工业用品的生产加工商生产和质量监管仍然存在不完善处。所以难以就材料和工艺上发现和分析问题。但根据结构设计，常规情况下，卡扣的稳定性与卡扣的壁厚和长度存在一定的关联[5]，一般卡扣长度短于5倍的壁厚，在卡扣挤压操作过程中，则会造成卡扣根壁受到明显的剪切力作用，易发生断裂现象。而卡扣长度长于10倍壁厚则会由于卡扣的柔韧性过高，造成刚性不足。因此根据当前产品的卡扣长度与厚度之间的尺寸数据，可得出当前项目的比值约为11。在无法对工艺和材料进行有效分析情况下，可以先得出结构设计是造成卡扣存在一定变形不良的原因之一的推论。

根据以上推论，对卡扣不良情况进行临时解决方案，即对产生变形的卡扣的长度进行修补减短，因塑料周转箱本身材质为聚丙烯和聚乙烯共聚物，所以可如图10所示使用聚乙烯材料的热熔胶进行加固。

图10 通过聚乙烯热熔胶进行加固验证

通过加固后进行实际使用测试，验证该方案是可解决因卡扣翘曲变形而导致的折叠周转箱无法成型，壁板松动的问题。但由于人工进行热熔胶进行修复存在不确定性，过少的用胶量则不会带来任何改善，而过多的用胶量则会导致卡扣刚性太强，无法产生挤压形变，使得成型后的箱体折叠困难。因而对于长期解决方案，则是通过改善卡扣的壁厚提供加强筋设计，重新调整卡扣的强度和柔韧性，从而满足实际使用需求，见图11。

图11 通过加强筋改善卡扣强度，减少曲翘现象发生