齐 齐 哈 尔 大 学
毕业设计(论文)
题 目: 索尼电视机主板运输周转包装设计
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成 绩:
2011 年 6 月 19 日
摘要
近年来,随着经济的发展和社会的进步,电子产品层出不穷,以实现在生活中有着
举足轻重的地位。然而,电子产品包装设计却没有很好的匹配产品的更新,导致产品破
损,物流周转效率低下、过度包装、污染环境等问题,于是科学的包装设计变得具有现
实意义和推广价值。
本文调查研究了当前市场上的周转箱的使用情况,发现很在很大程度上可以优化改
进,本次设计做了两方面的工作,一是材料的选择,二是结构的设计。
产品包装设计方案必须通过实践的检验,作者最后进行了包装单体评估,运用科学
的试验方式证明方案的可行性。实验证明,本次设计的周转包装形式满足预期要求,可
以推广使用。
关键词:缓冲包装,运输周转包装,包装实验
Abstract:
In the recent years, the electronic products emerge endlessly with the prosperity of social
commodities. The packaging design of electronic products dose not match the new products,
which results to damage to products, over-packaging and excessive packaging wastes. So the
sound of packaging design needs to be investigated scientifically.
Based on the investigation of the current research on the market at the use of turnover
box, Find it in the very great degree can be optimized improvement, This design for two jobs,
one is the choice of materials, and the second is the design of the structure.
The packaging design of products must experience the test evaluation. The author finally
conducts an overall evaluation of packages. The scientific experiments to verify the feasibility
of the evaluation are used. The experiment shows that the packaging designs can meet the
intended requirements.
Key words: cushioning packaging, distribution packaging, shipment test
目录
摘要 .............................................................................................................................................I
Abstract: ..................................................................................................................................II
第 1 章 绪论.............................................................................................................................1
中国包装工业的发展历史、现状及存在问题...................................................................1
运输包装介绍.......................................................................................................................1
商品运输包装可靠性概述..................................................................................2
电视主板耐冲击特性分析..................................................................................2
脆值...................................................................................................................2
不同破坏模式下的包装动力可靠性..................................................................4
包装动力可靠性的仿真计算..............................................................................5
研究方向及需要考虑的问题.............................................................................5
模型研究还需完善..........................................................................................5
模拟技术与计算机分析相结合......................................................................5
包装动力可靠性的应用......................................................................................6
本课题研究的目的和意义...................................................................................................6
本课题研究的主要内容及拟采取的方法...........................................................................6
第 2 章 设 计 过 程.................................................................................................................8
确定设计对象.......................................................................................................................8
防静电周转箱简介...............................................................................................................8
缓冲包装材料介绍...............................................................................................................9
中空 PP 板 .........................................................................................................10
流通环境分析 产品的流通区间.......................................................................................11
产品的主要运输方式........................................................................................11
装卸与搬运........................................................................................................12
贮存环节............................................................................................................12
流通环境的气象条件........................................................................................12
第 3 章 结构设计.....................................................................................................................13
外箱设计.............................................................................................................................13
外箱体尺寸........................................................................................................13
衬垫设计.............................................................................................................................14
方案 A:20pcs/箱 ................................................................................................14
方案 B:10pcs/箱 ................................................................................................15
角垫的设计.........................................................................................................................16
第 4 章 设计方案的评估.........................................................................................................20
外箱评估.............................................................................................................................20
抗压测试............................................................................................................20
跌落试验............................................................................................................21
堆码实验............................................................................................................23
角垫的生产工艺探究.........................................................................................................25
材料讨论............................................................................................................25
成型工艺讨论....................................................................................................25
工艺流程.........................................................................................................25
注塑工艺参数.................................................................................................26
成本核算评估.....................................................................................................................28
结论...........................................................................................................................................30
参考文献...................................................................................................................................31
致谢...........................................................................................................................................33
第 1 章 绪论
中国包装工业的发展历史、现状及存在问题
1981 年,时任国务院副总理的谷牧对中国包装工业的发展提出了远见卓识的意见,
并带领政府部门制订了相应的政策和措施。这些意见和政策措施,对中国包装工业的发
展起到了非常关键的作用。
目前中国的包装工业不仅已形成了一个以纸、塑料、金属、玻璃制品和包装机械为
主要产品的独立完整、门类齐全的工业体系。
我国包装业主要集中在沿海地区。广东是包装业最发达的地区,江浙地区包装业的
总产值仅次于广东地区,并已经成为了企业竞争的核心区域。但中西部发展相对落后,
与沿海地区差异较大,在包装行业的总产值中,东部大约占 70%,中部大约占 18%,西
部大约占 12%。据估算“十一五”期间,中国包装行业的总产值为 4500 亿人民币,并保
持年均 7%的增长速度。从 2010 年到 2015 年有望突破 6000 亿元,每年平均增速维持
在 16%的水平。以产品分类,中国纸包装制品产量到 2015 年可达 3600 万吨,塑料包装
制品 946 万吨,金属包装制品 491 万吨,玻璃包装制品 1550 万吨,包装接卸 120 万台
套。2010 年造纸包装行业 40 家上市公司前三季度营业收入为 亿元,营业利润为
亿元,造纸和纸制品行业营业收入为 亿元,同比增长 %,实现利润总
额 亿元。
在金融危机的影响下,世界经济陷入了衰退泥潭中,目前仍无法摆脱金融危机对中
国包装行业造成的一定冲击。包装行业作为朝阳产业,产值的高速增长彰显着包装行业
巨大的发展前景,我国包装行业经历了高速发展阶段,今天已经建立起相当的规模,已
成为世界第二大包装大国,中国包装行业的市场规模已居世界首位,并成为中国制造领
域里的重要组成部分。随着经济的发展和人民水平的提高,对包装的需求日益增多,对
包装的使用价值的要求也在提高。
运输包装介绍
由于复杂的运输环境与条件具有不确定性,如货物到达目的地不及时或运输成本过
高以及由于天气状况、振动冲击等运输环境因素造成的货物损坏,最终导致成本损失等,
它直接导致了整个货物运输系统可靠性的不确定。之所以研究商品运输系统的可靠性,
是因为它可以降至最低整个运输系统中的不确定因素,保证货物的安全流通,确定性和
灵活性增强,提高货物流通速度和质量且保证成本最低,优化管理运输,最终提高企业
市场竞争力。根据统计资料显示,因为包装不当引起 70%的商品流通故障,应对的主要
措施局势优化包装,合理的包装可以起到提高运输管理效率、节省经济成本、运输时间
缩短、提高货物周转效率、使占用资金减少等作用,研究商品运输包装的可靠性的目的
就在于设计出合理的运输包装。
商品运输包装可靠性概述
一般产品的可靠性分为使用可靠性和固有可靠性,使用可靠性是指产品在使用过程
中所体现出来的实际的可靠性;设计阶段就确定的可靠性目标就是固有可靠性,生产过
程中确定的就是产品本身所应有的属性。但是包装的可靠性是在产品运输过程中发生了
损坏才应该考虑。包装可靠性是指包装在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的
能力,因而包装可靠性和一般可靠性具有相同点,就是需要完成规定的功能。同时,一
般的可靠性与包装的可靠性在很多方面不同,包装的可靠性更强调产品的安全而不是包
装本身,而一般可靠性只注意产品本身。包装可靠性应考虑流通过程中受到的风吹日晒、
振动、冲击等不利因素所带来的影响。但是这样就复杂了可靠性研究,但最严重最直接
的问题是由于物流过程中因疲劳和冲击引起的产品损伤,所以主要研究的是产品包装的
动力可靠性。[16]
电视主板耐冲击特性分析
脆值
液晶电视机主板的周转包装设计,涉及到一个重要的相关概念脆值。脆值 Gc 是指
产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的最大加速度与重力加速度的比值,一般用
Gc 指产品耐冲击的能力。脆值是产品的固有特性,并且有方向性,如果把液晶电视机
主板简化为一个 6 面体的话,在 6 个面的方向上,脆值的大小是有差别的。
很多方法可以确定脆值,如经验估算法、试验测定法、查表类比法等,现有的方法
中最精确的方法是试验测定法,但是这个方法试验成本很高,因为必须具备一套试验装
置及测录仪器,再者脆值试验方法都属于破坏性方法,测录所得数据必须直到产品出现
破损。其力学模型如图 1-1 所示
图 1-1 缓冲包装模型
图 1-1 中,产品简化成均质体,缓冲介质简化为线性弹簧,其刚度为 K,跌高为 H,弹
簧的最大变形为 X。
确定脆值时,可略去外包装和弹簧本身质量,且不考虑系统阻尼,根据能量转换规
律,产品所具备的全部位能将转换为弹簧的变形能,其大小等于产品克服弹簧反力所作
的功,即:
mg(H+x)= 式 1
式 1 中 p(x)—作用在产品弹簧上的反力
(H+x)—相对于最大压缩位置的跌落高度, 近似记作 H
g—重力加速度
由于弹簧是线性的,故
p(x)=Kx 式 2
根据牛顿第二定律,产品在弹性作业力下的加速度为
α=p(x)/m 式 3
由以上三式可得
α= (2H/x)g 式 4
令 G=2H/x, 则
α=Gcg 式 5
因为 2H>>x,所以 G>>1
P=GW 式 6
式 6 表示:产品所能承受的冲击力的大小等于产品自重 W 和 G 因子的乘积,当
p 超过产品的极限时,产品便发生损坏或失效,
dxxp
x
0 )(
所以 G 是表征产品抵抗破损能力的唯一因素。它是由产品材料的结构特征所确定的,
同外部环境因素无关,是产品的固有特性之一 。[17]
表 1-1[3] 产品脆值举例
由于脆值试验方法都属于破坏性方法,要到产品出现破损才能测录所得数据,因此
于电视机主板脆值确定用这种方法显然不太合适。单件主板的成本是比较重要的一方面,
另外在每个方向上所得的数据也不相同,对比国内外的大量文献和经验数据主板脆值为
60-84g。按照取最小值的经验来看应取为 60G 数据如表 1-1。
不同破坏模式下的包装动力可靠性
振动和冲击是影响产品包装动力可靠性众因素中最主要的 2 个因素,所以产品的破
坏模式有 2 种。一种为峰值破坏也称首超破坏,这种破损是由于关键部件收到的最大加
速度在冲击过程中大于部件本身的脆值时发生,同时在运输和周转的过程中,容易产生
共振,共振时传递到关键部件的加速度超过本身脆值时同样也会产生这种破坏模式。另
一种被称为疲劳破损模式,主要是由于长时间的运输或者使用材料发生固有属性疲劳,
稍加振动或者冲击就使部件损坏,宋宝丰针对峰值破坏模式可靠计算提出了工业包装动
力可靠性的定义式和“广义冲击载荷”的新概念。2000 年宋宝丰在包装可靠性的宣言式的
基础上求得包装动力可靠性的计算式。他假设包装产品上响应加速度的时间历程符合高
斯随时过程,疲劳和随机振动引起破损与受谐振动的计算原理不相同,必须用随机振动
理论来分析和测试。
包装动力可靠性的仿真计算
G 值 产品举例
15~24 精密效验仪器具,导弹导航系统
25~39 机械振动测试仪表,电子仪表
40~59 电子记录装置,精密机械零件
60~84 电视机,某些固体电器
85~110 电冰箱,机电设备
110 以上 机器,液压传动装置
在仿真方面,姜洪开、田红波等做了随机载荷下导弹贮箱强度可靠性仿真计算研究,
通过建立导弹贮箱强度的累积损伤模型,采用 Miner 的线性累积损伤准则和直接模拟法
随机模拟应力和导弹贮箱初始强度来获取导弹贮箱的可靠度。而 2000 年黄道敏、杨仲
林等建立了缓冲包装系统的动力学模型,列出了跌落状态下、系统在振动中微分方程,
在对微分方式进行拉氏变换的基础上,运用了 Matlab/Simulink 动态仿真工具来仿真包装
件在多种振动下及跌落过程的动态特性。2002 年刘乘等应用有限元法对计算机主机在运
输过程中的振动特性进行了计算机仿真。 [16]
研究方向及需要考虑的问题
模型研究还需完善
现在学者大多在研究单自由度和双自由度的包装模型,然而现实中的包装模型通常
都是多自由度的,而且随机性强,如果简单的归纳为线性单自由度或线性双自由度,那
么与实际应用就会产生很大的误差,再者,现在通常使用的包装缓冲材料也不是线性发
挥的,所以多自由度非线性产品包装件模型的随机振动响应及可靠性还有待进一步的研
究,特别是对于多自由度非线性系统的平均能量法理论及应用研究中还存在着许多未知。
[16]
模拟技术与计算机分析相结合
产品包装方面的脆值实验和合理的包装设计对于很多商家来说都相当重要,但是实
验的成本过高却使很多商家望而却步。在现在的经济市场环境中,产品品种花样繁多,
更新速度也越来越快,商家认为与新产品研发的重要性相比较而言,包装仅仅是整个链
中不重要的一个环节。所以商家对于科学合理的包装也是无能为力,通常采用其他不十
分科学的方法,如经验法、类比法和跌落试验来设计产品的包装。由于这种包装设计的
不科学性,使产品不能得到合理、有效的保护,每年给我国带来的经济损失竟多达数十
亿元。所以模拟技术的发展将很大程度上推动包装业的发展,但是现阶段而言,模拟技
术的作用还是很有限,所以模拟技术的发展还有很大的空间和很长的路去走。
包装动力可靠性的应用
学者们之所以花费很长时间来进行山品的复杂的包装动力学分析,目的很明确,就
是致力于设计出更科学合理化的包装。合理的包装能在商品的流通过程中,无论从厂家
到零售商,从零售商到消费者手中的任何流通过程中,都能克服各种物流障碍、和销售
障碍,并能最大限度的降低包装成本,降低整个物流的成本,最终降低企业成本。
包装动力可靠性与产品脆值、运输时间的长短、运输环境条件有关。通过不同的产
品脆值可以得到不同的包装动力可靠性,产品脆值越大其包装可靠性就越大,但是可能
需要更多的费用,所以并不是可靠性越高越好,而是需要一个合理的可靠性,这个数值
可以达到产品本身成本和运输成本的最优。为了防止反复进行产品修改和缓冲包装设计
的过程,需要在产品设计阶段就要规定最佳的可靠性指标,根据可靠性指标确定产品的
脆值,最后才在产品脆值和规定的运输可靠性的基础上根据运输环境、运输时间来进行
缓冲包装的设计,达到最优结果。王志伟在引入缓冲包装失效概率、可靠指标、状态函
数等概念后,提出了基于概率理论的缓冲包装概率设计方法,并提出了最适度缓冲包装
的概念,为进行最经济、最适度缓冲包装的要领为进行最经济、最适度缓冲包装设计提
供了理论基础。 [16]
本课题研究的目的和意义
作者于 2011 年 1 月 6 日至 2011 年 4 月 1 日实习于一家电子产品制造公司,公司生
产的主要产品有笔记本电脑、液晶平板电视、手机、游戏机等。然而在生产过程中,各
种元件个配件的运输周转,经常出现包装方面的问题,于是利用合理的包装设计来确保
电子元件和配件的周转安全就成为了作者毕业设计的课题。
2008 年以来的金融危机导致全球范围内的经济衰退,国内外企业在面临新的挑战时,
必须审时度势,寻找自身的突破口,才能在这种形式下生存,为此众多企业大力推行降
低成本策略。包装是大多数企业重点考虑的领域,如何在安全设计的基础上,降低周转
包装成本,是作者的另一重要课题。
本课题研究的主要内容及拟采取的方法
本课题的主要内容索尼电视机主板运输周转包装设计,由于本次设计是电子元件的
周转包装设计,所以必须做到运输周转过程中防静电。作者首先说明了电子产品防静电
的重要性,并介绍了常用的包装缓冲材料和防静电材料,结合当前市场上的常见周转箱
材料优缺点进行对比分析,确定本次设计所使用的材料。
材料确定后,进行结构设计,设计原则是完成周转要求的前提下,做到材料使用最
省,周转效率最大,重复利用率最高,力求成本最低。
最后,作者对本次设计进行了试验评估,用以证明方案的可行性。
随着社会的进步与发展,电子产品成为人类生活和工作不可或缺的物品,鉴于各品
牌型号电视机的诸多共同点,本次设计的论论与实践研究成果,对主板等配件的周转开
发设计、方案试验评估具有重要的应用价值。
第 2 章 设 计 过 程
确定设计对象
本次设计选择的研究对象是作者所在实习公司生产的某型号电视机主板的运输周
转包装,主板尺寸为 140×120×20(mm),重量为 。主板上主要电子元件有电容、
电感、二极管、电阻、高频头、晶振、声表、HDMI、VGA、大端子等。主板从 PCB 制
造产线到插件产线,从插件产线到测试产线,再到装配车间,都需要用防静电周转箱进
行运输周转。
防静电周转箱简介
防静电周转箱也称为电子元件周转箱,广泛用于机械、汽车、家电、轻工、电子等
行业,能耐酸耐碱、耐油污,无毒无味,可用于盛放电子工业元件,清洁方便,堆放整
齐,零件周转便捷、便于管理。其优良的品质,合理的设计,适用于工厂物流中的配送、
流通、储存、运输、加工等环节。防静电周转箱可以与多种物流容器和工位器配合,用
于各类仓库、生产现场等多种场合,如今物流管理越来越被重视,防静电周转箱帮助完
成物流容器的通用化、一体化管理,是生产及流通企业进行现代化物流管理的必备品。
常见的塑料为绝缘体,表面与体积电阻率在 10 的十六次方~10 的十八次方欧姆/平方厘
米,由于不导电便容易产生静电,而金属材料是导电体就没有静电。 []
防静电周转箱以聚丙烯(PP)为基材,加入碳粉,碳粉可传导电流和具有较强的机械
性能,用这种复合材料经传统的注射成型制成的周转箱为防静电周转箱。当表面与体积
电阻率 10 九次方欧姆/平方厘米以下导电性就可达到防静电效果。
防静电周转箱可以有效的释放物体表面所积累的电荷,使其不会产生电荷积累和高
电位差;具有坚韧耐磨,防潮防防腐,隔热等作用,大量用于电子器件及产品生产过程的周
转装载-包装-储存以及运输.
一般无毒、无味、防潮、耐腐蚀、重量轻、耐用、可堆叠、外观华丽、颜色为黑色、
纯正等特点。
防静电周转箱,可以有效的释放物体表面积累的静电荷,使其不会产生电荷积聚和
高电位差;具有坚韧耐磨,防潮防腐,隔热防震,静电,大量用于电子器件及产品生产
过程的周转装载、包装、贮存以及运输。
并具备抗折,承载强度大,抗老化,温度高、拉伸、撕裂、压缩、做成包装箱式周
转箱既可用于成品出货又可用于包装周转,轻巧、可堆叠、耐用。可根据用户需求订做各
种规格、尺寸,可配盖,防静电,防尘、外形美观。一般防静电周转箱根据客户提供的
尺寸设计制作,做到最合理装载,并可多箱重叠,有效利用厂房空间,增大电子元件、
PCB 板、无尘车间部件储存量,节约生产成本。
在静电被大家越来越被广大企业重视的今天,防静电周转箱帮助完成电子元件器周
转、存放的通用化、一体化管理,是生产及流通企业进行现代化生产管理的必备品。
缓冲包装材料介绍
过去常用的缓冲材料有纸、瓦楞纸板、刨花、橡胶、泡沫橡胶,现在缓冲材料中用
量最多的是泡沫塑料。常用的泡沫塑料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯
泡沫塑料和聚乙烯气泡薄膜。国外还用胶粘纤维作缓冲材料。
表 2-2 缓冲材料性能对比[5]
缓冲材料 密 度 g/cm3 缓冲系数 复原
性
抗蠕
变性
耐疲
劳性
最佳使用
温度℃
含湿
量
吸水
性
腐蚀
性
抗霉
性
耐候
性
刨 花 最高 差 较好 差 -10~45 12-20 高 湿时大 较差 较差
瓦楞纸 / 差 较差 较差 / 8-10 高 小 较差 好
泡沫橡胶 好 较好 好 0~60 最高 3 低 小 好 好
胶粘纤维 好 好 好 -30~60 6-8 高 小 好 较好
EPS 差 好 差 -30~70 6-12 低 小 好 差
PU 好 较好 好 -20~60 10-18 高 小 好 较差
EPE 好 好 好 -20~60 7-8 低 无 极好 好
EVA 好 好 较好 / / 低 无 极好 好
EPVC / 较好 较好 较好 最高 60 低 低 较小 好 差
聚乙烯泡沫 较好 好 差 / 极低 低 无 极好 好
表 2-3 常见缓冲材料
包装
材料
结构 性能 报价(元/吨)
EPE 非交联闭孔,新型环
保
隔水防潮、防震、隔音、保温、可塑性能佳、韧性强、循环
再造、环保、抗撞力强等优点,亦具有很好的抗化学性能
10000~12000
EPS
混合物,是小颗粒状
绝热性、吸收能量、漂浮性、高的刚度/重量比以及单位体
积成本低。泡沫PS 的大多数性能都与其密度有很明显的函数
关系
11000~12000
EVA
闭孔泡沫结构,
耐水性:密闭泡孔结构;耐腐蚀性:耐酸、碱等腐蚀,抗菌、
无毒、无味.加工性:无接头,且易于进行热压、剪裁等。防
震动:良好的防震、缓冲性能。保温性:隔热,保温防寒,
耐严寒、曝晒。隔音性:密闭泡孔,隔音效果好
13000~17000
PA
即尼龙,透明
力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性,
且摩擦系
数低
11000
PE 结晶料,吸湿小。 耐腐蚀性,电绝缘性 8000~14000
PET 聚对苯二甲酸乙二
醇酯属线型饱和聚
酯树脂
耐热性、耐化学药品性。强韧性、电绝缘性等 10000~14000
POF 光泽度高、韧性好、
抗撕裂强度大、热收
缩均匀
透明度高光泽性好;柔韧性好,收缩率大;焊封性能好、强
度高、适合手动、半自动和高速全自动包装;耐寒性好;环
保无毒。可包装食品;防潮防尘;包装成本低,优于纸盒。
PP 聚丙烯(百折胶) 结晶料,流动性极好,成形性能好;耐热;抗位强度大;屈服强度
高;冷却速度快;耐刮性、耐磨性较好。良好的耐应力开裂性;密
度小—) 10000
PS 聚苯乙烯 电绝缘性(尤其高频绝缘性)优良,无色透明,透光率仅次于有机
玻璃,着色性耐水性,化学稳定性良好,.强度一般,但质脆,易产
生应力脆裂,不耐苯.汽油等有机溶剂.
10000~12000
PVC 聚氯乙烯 力学性能,电性能优良,耐酸碱力极强,化学稳定性好,但软化点
低
4600~4800
PU 发泡聚氨基甲酸酯,
简称聚氨酯,俗称人
造海绵
极好的缓冲性能,耐多次冲击,振动阻尼性能良好,复原性
好,耐水、耐油、耐腐蚀;成型简单,可制成复杂形状,改
变密度容易;易回收
通过表 2-2 缓冲系数、复原性、抗蠕变性、耐疲劳性、吸水性、腐蚀性、抗霉性、
耐候性等性能数据对比,EVA 泡沫优点是显而易见的。
中空 PP 板
中空板(也叫中空隔子板、万通板、瓦楞板、双壁板)英文名是: pp corrugated
sheet,是一种重量轻(空心结构)、无毒、无污染、防水、防震、抗老化、耐腐蚀、颜
色丰富的新型材料,相比于纸板结构产品 ,中空板具有防潮、抗腐蚀等优势。相比于
注塑产品,中空板具有防震、可灵活设计结构,不需开注塑模具等优势。同时,该板材
可通过原料的控制灵活的加入防静电、导电母料等,生产出具有导电、防静电功能的塑
料中空板板材,防静电板材表面电阻率可控制在 103~1011 之间。
中空板主要 应用于电子,包装,机械,轻工,邮政,食品,医药,农药,家电,
广告,装潢,文化用品,光磁技术、生物工程医药卫生等各种行业领域。是一种新型的
环保型包装材料。
PP 中空板是一种绿色环保材料,国外应用非常广泛,在国内刚刚开始,并逐步替
代部分瓦楞纸包装材料,现在国内一些企业也正开发用作建筑装饰材料用,PP 中空板
因为其应用广泛,使用方便,又称万通板,其广泛用于广告背景、文具材料、工业包装、
产品防震等,我们最常见的有周转箱,可拆卸的组合箱、成品包装箱以及箱子中隔板等。
PP 中空板得优点是质轻、抗冲击、隔音、隔热、难燃、抗老化等特点,是一种高
科技、综合性能极其卓越、节能环保型塑料板材,是目前国际上普遍采用的塑料建筑材
料。
通过以上内容确定了本此设计所应用到得材料。外箱材料:中空 PP 板,衬垫材料:
EVA 泡沫。
流通环境分析 产品的流通区间
图 2-2
产品的主要运输方式
产品在各生产车间和产线工作结束后,会码放在栈板上,在各生产车间与生产线之
间,利用平板油压车进行运输,和货运电梯运输,但有时,车间不在厂区,会用公路卡
车运输。
装卸与搬运
一般来说,流程越长,中转环节越多,装卸搬运次数就越多。装卸作业分人工与机
械两种方式,当在同一厂区时,以人工装卸为主。当在不同厂区时,以机械叉车搬运为
主,人工搬运为辅。
贮存环节
货物储存方法、堆码重量、高度、贮存周期、贮存地点、贮存环境等直接影响产品
包装间的流通安全性。仓库的建筑结构型式对贮存环境中温度、湿度、气压等因素影响
甚大。采用一般仓库贮存,堆码高度 1~,取最大高度 ,则堆码层数为 4 层。
流通环境的气象条件
PCB 生产车间
DIP 插件生产线
Test 测试生产线
Fitting 装 配 生 产 车
间线
流通环境的气象条件,如水、温度、湿度、气压等都会对包装容器及产品质量产生
影响。产品主要在生产厂内部流通,主要经受的气象条件有温度、湿度和气压,用标准
化的环境条件,该产品的运输条件可表示为 2K4/2B1/2S2/2M3.[3]
第 3 章 结构设计
外箱设计
本次为周转包装设计,周转包装有其特殊性,就是在周转过程中要求产品能轻易取
出和放入,多以结构不能复杂,设计过程应特别注意这一点。同时本次设计采用常见的
立方形状,立方形状有诸多优点,如方便储运,堆码容易等等。
外箱体尺寸
本此设计根据运输的需求,设计尺寸如下
表 5 内尺寸
之所以采用上表的尺寸,首先箱子的足够大,才能保证每箱的周转量和周转效率,
同时也要保证适配性。
图 3-1 外箱展开图 图 3-2 尺寸定义
由于缓冲材料的厚度及附件的存在,纸盒的内尺寸取 450 mm×400 mm×400mm,故
制造尺寸为: X= Xi +K’ (Xi 为箱的内尺寸,K’为箱的内尺寸修正系数)
L1=L2= Li+ KL’=450+0=450mm
L3=L4=Li+t×2=450+5×2=460mm
单位:mm 长 宽 高
外箱满内尺寸 450 400 400
B= Bi+ KB’=400+0=400mm
H= Hi+ KH’=400+0=400mm
纸盒的外尺寸为: X0= X +K(X 为纸盒的制造尺寸,K 为纸盒的外尺寸修正系数)
L0=L+ KL =450+5×2+×2=465mm
B0=B+ KB =400+×2=405mm
H0=H+ KH=400+=
故纸盒的外尺寸为:L0×B0×H0=465 mm×405mm×。
衬垫设计
方案 A:20pcs/箱
衬垫分为如图两部分,A 部分半圆的设计是为了方便取放主板。
图 3-3 衬垫 A 部分 图 3-4 衬垫 B 部分
完成预期的每箱周转量,需要 11 个 A 部分,3 个 B 部分,刀卡组合起来,组合后
形态如图 3-5
图 3-5 衬垫组合后
两部分衬垫的尺寸如图 3-6 和 3-7。公差±。
图 3-6 衬垫 A 部分 图 3-7 衬垫 B 部分
方案 B:10pcs/箱
方案 B 与方案 A 相比,每箱周转量减少的一半,周转量减少以后,对外箱体的强
度要求及堆码强度要求不高。
图 3-8 衬垫 A 部分 图 3-9 衬垫 B 部分
同方案 A 一样需要 11 个 A 部分,3 个 B 部分,刀卡组合起来,组合后形态如图 3-10。
图 3-10 衬垫组合后
两部分衬垫的尺寸如图 3-11 和 3-12。
图 3-11 衬垫 A 部分 图 3-12 衬垫 B 部分
角垫的设计
完成了外箱和衬垫的设计后却要考虑周转箱存储的堆码问题,所以设计了周转箱角
垫。角垫的功能有两项,一是可以加强箱体强度,二是方便堆码。
本次设计如图 3-13。
图 3-13 周转箱角垫
角垫工程图及尺寸如图 3-14。
图 3-14
为了方便单个箱体的搬运,设计了箱体的拎手如图 3-15.
图 3-15 拎手
拎手的位置及尺寸如图 3-16
图 3-16 拎手位置
每个零散的问题解决后,进行最后的装配
图 3-17 10pcs/箱 图 3-18 20pcs/箱
图 3-19 周转箱三视图:
其中每小格尺寸计算:
表 3-1 每小格尺寸
宽度方向 长度方向
(400-25)÷2=
-5=
(450-25)÷10=
-5=
通过计算可知次周转箱可装主板的尺寸范围为长度小于 ,最大厚度小于
,本次的设计对象主板尺寸为 140×120×20(mm),由以上数据可知本次设计符
合需要。
图 3-20 每小格尺寸
图 3-21 二层堆码 图 3-22 三层堆码 图 3-23 四层堆码
第 4 章 设计方案的评估
包装评估的目的是判定所涉及包装方案是否切实可行,亦称包装评判。包装评估
依据包装测试来证明方案的可行性,然而又不仅限于包装测试这一个方面,它还会设计
环境和人文方面的合理性。在之前的部分中,作者设计了外箱结构和衬垫结构,每个结
构形式都关系到包装方案的安全性和合理性,于是就需要对它们进行测评。当包装方案
达到设计要求时,还需要对整个运输包装件进行性能评估,进而判定其对主板的保护性。
[5]
外箱评估
a 外观评估
外箱表面是否有污点、划伤等不良;刀模切口是否平整等。外观评估主要采取目视
方式,观察样品是否满足设计要求。外观评估是整个评估环节的基础,需要在满足外观
要求的前提下,才能进行其它方面的评估。
b 尺寸评估
评估项目:重点尺寸、刀模尺寸是否符合要求。
C 实配性评估
设计的衬垫与外箱是否配合合理,且装配 作业方便。
d 可靠性评估
可靠性评估主要包括抗压测试、跌落实验、堆码实验。
抗压测试
抗压测试是验证外箱是否能经受负载的冲击试验。试验前将折叠成型的纸箱在温度为 23±
1℃、50±2%RH 的环境下放置 24 小时,试验时抗压强度测试机以 /min 的速度进行抗
压试验。
根据 GB/T6543.2008《运输包装用周转箱》的规定,瓦楞纸箱的
抗压强度值不小于下式所计算出的值:
P=K×G×(H - h)/h×
式中:
P——抗压强度值,单位为牛顿(N);
K——强度安全系数;
G——包装件的重量,单位为(kg);
H——堆码高度(一般不高于 3000mm),单位为毫米(mm);
h——外箱高度,单位为毫米(mm)。
在外箱的评估中,强度安全系数 K 取 8,箱的重量 G=,堆码高度 H=2195mm,箱的
高度 h=400mm 则:
P=K×G×(H - h)/h×=8××(2195-400)/400×=3718N=388Kgf
表 4-1[5]
样品 1 样品 2 样品 3 样品 4 样品 5
Kgf Kgf Kgf Kgf Kgf
跌落试验
试验原理:提起实验样品至预定高度,然后使其按预定状态自由落下,与冲击台面相撞。
试验仪器:跌落试验机
包装件的跌落试验机,其主要技术参数:
跌落高度:300~1200mm;
试件最大质量:100kg;
试件最大尺寸:(1000×800×1000)mm;
冲击面板尺寸:(1750×1200×14)mm;
试验机超载能力:110kg;
试件面跌落角度偏差:小于 3°;
跌落高度偏差:±2%;
托板中心处垂直方向加速度:4g。
(1)提升装置:在提升和释放过程中,不应损坏实验包装件。
(2)实验包装件支撑装置:释放前应使包装件处于预先规定的状态。
(3)释放装置:在释放后,包装件在跌落过程中直到撞到冲击面之前,不得碰到装置上的任
何部件。
(4)冲击面:应为水平平面,重量足够大且质地很坚硬,使它在实验中心不移动、不变形。
一般情况下,该冲击面应符合以下要求:
℃整块,其质量至少应为最重实验包装件的 50 倍;
℃平整,其表面上任意两点的水平高度差不得超过 2mm;
℃坚硬,冲击面上任何 100m2 面积上放置 100N 重的静载荷,其变形量不得超过 ;
℃要有足够大的面积,保证实验包装件完全落在冲击面上。
跌落实验方法:
(1)提升实验包装件,并按预定状态将其支撑住,吊起高度与预定跌落高度之差不得超过±2
%。此高度由包装在释放时的最低点与冲击面上的最高点之间的距离所决定。
(2)在下列允许值范围内,按预定的状态将包装件释放:
℃面跌落或棱跌落时:冲击面或冲击棱与水平之间的最大夹角为 2°。
℃棱跌落或角跌落时:包装件上规定面与水平面之间夹角公差不大于该角的±5%或±10%,以
较大者为准。
冲击速度与自由落下达到的冲击速度之差不应超过±1%。
跌落高度取决于包装件的质量和运输方式,如表所 4-2 示。
表 4-2 跌落高度与包装件质量和运输方式的关系
运输方式 包装件质量(kg) 跌落高度(mm)
公路、铁路、航
空
<10
10~20
20~30
30~40
40~50
50~100
>100
800
600
500
400
300
200
100
水运
<15
15~30
30~40
40~45
45~50
>50
1000
800
600
500
400
200
图 4-1 跌落 G 值测试示意图
表 4-3 跌落数据[5]
跌落顺序 跌落面数 跌落面 高度(cm) 试样 1 试样 2 试样 3
1 1 底 150 52 48 46
2 1 上 100 58 54 53
3 1 后 100 47 47 57
4 1 前 100 56 43 47
5 1 左 100 51 57 45
6 1 右 100 52 51 46
堆码实验
原理:按运输或仓储状态将包装件实验样品放在一个水平的平面上,在上面试加负载,使
之经受类似于堆码时的压力。
堆码实验设备:
——水平平面。该平面应平整、坚硬。任意两点之间的高度差不超过 2mm,如混凝土平面,
其厚度应不少于 150mm。
——加载平板。加载平板放置在负载与样品之间,板面尺寸较实验样品顶面各边至少大出
100mm。平板应坚硬,承受负载而不变形。负载和加载平板。
——偏斜测定装置(如有必要测定时)。所有测试偏斜手段的误差,应精确到±1mm。
——安全装备。在实验时应注意所加负载的稳定和安全,为此,必须提供一套稳妥的实验设
备,并能在一旦发生事故的情况下,保证负载受到控制,以防止对附近人员造成伤害。
堆码实验方法:
1)记录实验场所的温湿度。
2)将实验样品按预定状态置于水平平面上,加载平板置于实验样品的顶面中心位置,然后再
将作为负载的重物在不造成冲击的情况下放在加载平板上,并使它均匀的和加载平板接触。重
物和加载平板的总重量与预定值的误差在±2%之内,负载中心与加载平板上面的距离,不得超
过实验样品高度的 50%。
3)按规定的持续时间施加负载或者直至包装件压坏为止。
4)去除负载,检查包装件。
实验通常是按运输包装件的实际储运情况来选择负载的,即根据储运过程中的堆码高度和堆
码持续时间来确定相应的实验条件,一般推荐表 2 来选择相应的堆码高度和持续时间的实验基
本值。
表 4-4 堆码实验的基本值与储运方式的关系
储运条件 实验基本值
储运方式
堆码高度(m) 持续时间(d) 堆码高度(m) 持续时间(d)
公路
铁路
水运
储存
~
~
~7
~7
1 天~7 天
1 天~7 天
1 天~4 周
1 天~4 周
1
1
1~7
1~7
表 4-5 包装件的劣变系数与流通时间的关系
流通时间 <1 1—3 3—6 >6
劣变系数
重量小于 500kg 的运输包装件,堆码实验的载荷量(包括加载平板)由下式计算:
式中:F——载荷,N;
K——流通期间包装件或容器的劣变系数,见表 3;
H——储存期间包装件的最大堆码高度,mm;
h——包装件的高度,mm;
W——包装件的重量,N。
最大堆码高度,一般可根据储运条件在 、、、、、 内选择。
H h
F K W
h
角垫的生产工艺探究
材料讨论
可以用作周转箱角垫材料有多种,比较常见的有 PE 塑料、PVC 塑料、PP 塑料、ABS
塑料等,但是有些塑料如果废弃后会造成污染如 ABS 塑料、PVC 塑料等。PE 塑料多用
于制成薄膜,PP 塑料最常使用,且价格低廉,各项性能良好。
PP 物料性能:密度小,强度刚度,硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在 100 度左右使用.
具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆,不耐模易老化。适于制作
一般机械零件,耐腐蚀零件和绝缘零件
PP 成型性能:(1)结晶料,吸湿性小,易发生融体破裂,长期与热金属接触易分解。
(2)流动性好,但收缩范围及收缩值大,易发生缩孔.凹痕,变形。(3)冷却速度快,浇注系
统及冷却系统应缓慢散热,并注意控制成型温度.料温低方向方向性明显.低温高压时尤其
明显,模具温度低于 50 度时,塑件不光滑,易产生熔接不良,留痕,90 度以上易发生翘曲变
形 。(4)塑料壁厚须均匀,避免缺胶,尖角,以防应力集中。[20]
成型工艺讨论
工艺流程
塑件的注塑成型工艺过程主要包括填充——保压——冷却——脱模等 4 个阶段,这
4 个阶段直接决定着制品的成型质量,而且这 4 个阶段是一个完整的连续过程。
a 填充 是整个注塑循环过程中的第一步,时间从模具闭合开始注塑算起,到模具型
腔填充到大约 95%为止。理论上,填充时间越短,成型效率越高,但是实际中,成型时
间或者注塑速度要受到很多条件的制约。
高速填充。高速填充时剪切率较高,塑料由于剪切变稀的作用而存在粘度下降的
情形,使整体流动阻力降低;局部的粘滞加热影响也会使固化层厚度变薄。因此在流动
控制阶段,填充行为往往取决于待填充的体积大小。即在流动控制阶段,由于高速填充,
熔体的剪切变稀效果往往很大,而薄壁的冷却作用并不明显,于是速率的效用占了上风。
低速填充。热传导控制低速填充时,剪切率较低,局部粘度较高,流动阻力较大。
由于热塑料补充速率较慢,流动较为缓慢,使热传导效应较为明显,热量迅速为冷模壁
带走。加上较少量的粘滞加热现象,固化层厚度较厚,又进一步增加壁部较薄处的流动
阻力。
b 保压阶段
保压阶段的作用是持续施加压力,压实熔体,增加塑料密度(增密),以补偿塑
料的收缩行为。在保压过程中,由于模腔中已经填满塑料,背压较高。在保压压实过程
中,注塑机螺杆仅能慢慢地向前作微小移动,塑料的流动速度也较为缓慢,这时的流动
称作保压流动。由于在保压阶段,塑料受模壁冷却固化加快,熔体粘度增加也很快,因
此模具型腔内的阻力很大。在保压的后期,材料密度持续增大,塑件也逐渐成型,保压
阶段要一直持续到浇口固化封口为止,此时保压阶段的模腔压力达到最高值。
c 冷却阶段
在注塑成型模具中,冷却系统的设计非常重要。这是因为成型塑料制品只有冷却固
化到一定刚性,脱模后才能避免塑料制品因受到外力而产生变形。由于冷却时间占整个
成型周期约 70%~80%,因此设计良好的冷却系统可以大幅缩短成型时间,提高注塑生
产率,降低成本。设计不当的冷却系统会使成型时间拉长,增加成本;冷却不均匀更会
进一步造成塑料制品的翘曲变形。
根据实验,由熔体进入模具的热量大体分两部分散发,一部分有 5%经辐射、对流
传递到大气中,其余 95%从熔体传导到模具。塑料制品在模具中由于冷却水管的作用,
热量由模腔中的塑料通过热传导经模架传至冷却水管,再通过热对流被冷却液带走。少
数未被冷却水带走的热量则继续在模具中传导,至接触外界后散溢于空气中。
d 脱模阶段
脱模是一个注塑成型循环中的最后一个环节。虽然制品已经冷固成型,但脱模还是
对制品的质量有很重要的影响,脱模方式不当,可能会导致产品在脱模时受力不均,顶
出时引起产品变形等缺陷。脱模的方式主要有两种:顶杆脱模和脱料板脱模。设计模具
时要根据产品的结构特点选择合适的脱模方式,以保证产品质量。
对于选用顶杆脱模的模具,顶杆的设置应尽量均匀,并且位置应选在脱模阻力最大
以及塑件强度和刚度最大的地方,以免塑件变形损坏。
而脱料板则一般用于深腔薄壁容器以及不允许有推杆痕迹的透明制品的脱模,这种
机构的特点是脱模力大且均匀,运动平稳,无明显的遗留痕迹。
注塑工艺参数
a 注塑压力
注塑压力是由注塑系统的液压系统提供的。液压缸的压力通过注塑机螺杆传递到塑
料熔体上,塑料熔体在压力的推动下,经注塑机的喷嘴进入模具的竖流道(对于部分模
具来说也是主流道)、主流道、分流道,并经浇口进入模具型腔,这个过程即为注塑过
程,或者称之为填充过程。压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力,或者反过来
说,流动过程中存在的阻力需要注塑机的压力来抵消,以保证填充过程顺利进行。[22]
影响熔体填充压力的因素很多,概括起来有 3 类:(1)材料因素,如塑料的类型、
粘度等;(2)结构性因素,如浇注系统的类型、数目和位置,模具的型腔形状以及制
品的厚度等;(3)成型的工艺要素。
b 注塑时间
这里所说的注塑时间是指塑料熔体充满型腔所需要的时间,不包括模具开、合等辅
助时间。尽管注塑时间很短,对于成型周期的影响也很小,但是注塑时间的调整对于浇
口、流道和型腔的压力控制有着很大作用。合理的注塑时间有助于熔体理想填充,而且
对于提高制品的表面质量以及减小尺寸公差有着非常重要的意义。
c 注塑温度
注塑温度是影响注塑压力的重要因素。注塑机料筒有 5~6 个加热段,每种原料都
有其合适的加工温度(详细的加工温度可以参阅材料供应商提供的数据)。注塑温度必
须控制在一定的范围内。温度太低,熔料塑化不良,影响成型件的质量,增加工艺难度;
温度太高,原料容易分解。在实际的注塑成型过程中,注塑温度往往比料筒温度高,高
出的数值与注塑速率和材料的性能有关,最高可达 30℃。这是由于熔料通过注料口时受
到剪切而产生很高的热量造成的。在作模流分析时可以通过两种方式来补偿这种差值,
一种是设法测量熔料对空注塑时的温度,另一种是建模时将射嘴也包含进去。
d 保压压力与时间
在注塑过程将近结束时,螺杆停止旋转,只是向前推进,此时注塑进入保压阶段。
保压过程中注塑机的喷嘴不断向型腔补料,以填充由于制件收缩而空出的容积。如果型
腔充满后不进行保压,制件大约会收缩 25%左右,特别是筋处由于收缩过大而形成收缩
痕迹。保压压力一般为充填最大压力的 85%左右,当然要根据实际情况来确定。[21]
e 背压
背压是指螺杆反转后退储料时所需要克服的压力。采用高背压有利于色料的分散和
塑料的融化,但却同时延长了螺杆回缩时间,降低了塑料纤维的长度,增加了注塑机的
压力,因此背压应该低一些,一般不超过注塑压力的 20%。注塑泡沫塑料时,背压应该
比气体形成的压力高,否则螺杆会被推出料筒。有些注塑机可以将背压编程,以补偿熔
化期间螺杆长度的缩减,这样会降低输入热量,令温度下降。不过由于这种变化的结果
难以估计,故不易对机器作出相应的调整。
成本核算评估
表 4-5 本此设计所使用的材料市场报价表
5mm 厚中空 PP 板 5mm 厚 EVA 材料 PP 材质角垫材料
14 元/平米 13000 元/吨 11200 元/吨
EVA 密度:
a 中空板
本次设计中每个外箱所使用的材料面积 A:
A=400×400×2+450×400×3=×104mm2=
每个外箱的材料的造价为
×14= 元
b EVA 衬垫
查表可知 EVA 密度: g/cm3
g/cm3=×104g/m3=
每箱的使用面积 A
A=(400×200-702π×)×11+450×200×3
=×106mm2
=
体积 V=×
=
那么每箱衬垫的质量为
m3×
每箱内的衬垫造价:×13000 元/t= 元
c PP 材质角垫
质量:
每个造价:×12000 元/t= 元/个
四个造价:4×= 元
由以上大概推算每个周转的成本为 ++= 元
每个周转箱的平均使用寿命为 12 年,公司电视生产部门整个生产流程需要周转箱
约 1000 个,全部造价大约为 13844 元。
据公司采购部门消息公司用每次采购电视主板周转箱上多花费用大约为 20000 余
元,且周转箱的更新周期大约在 2 年左右。
表 4-6 成本对比
对比项目 改造前 改造后
单次采购成本 20000 元 14000 元
采购周期 2 年 12 年
平均每年采购成本 10000 元 1167 元
由上表对比可知每年可节约这方面成本 8833 元, 本次设计完成了预期的节约成本
目的。
结论
作者对市场上存在的周转箱进行了调查研究,并结合作者实习所在公司的实际应用
的周转箱的调查研究,发现了很多有待改进的方面,首先本文介绍了国内外包装的发展
现状及趋势,并介绍了常见的缓冲包装材料,对缓冲材料各项物理性能进行了分析,通
过对比,选出了本次设计所应用到得材料。材料选择完毕后,做了诸多结构,材料、角
垫等方面的改进设计,最后通过试验的方式来验证了包装的实际应用价值,通过成本核
算达到了降低陈本,方便储运的目的。
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致谢
本次设计能够顺利完成是与赵红老师的耐性指导分不开的。设计过程中,遇到很多
不懂的问题,每次都是赵老师耐心的给我讲解,直到我明白为止从。在这里感谢导师赵
老师。
这里还要感谢和我同一设计小组的几位同学,设计过程中,每当我有问题时,他们
总是能热心的帮助我我,是我能顺利的把毕业设计进行下去,在此表示深深的感谢。