1 项目研究
1.1 立项背景
目前，大多汽车零部件企业使用木箱包装大型钣金零件出口到海外。木制包装存在如下弊端：组装需要使用大量木螺丝及钉子，包装效率低；存在一定操作人员安全隐患；出口前需要熏蒸处理等。随着汽车零部件出口业务量的不断增加，寻找价格低廉、操作简易、绿色环保的新材料新结构包装代替传统的出口木制包装显得非常必要。为此，上海通用汽车有限公司与中国包装科研测试中心合作开展金属框架箱的型材结构、连接机构等的研究工作。
1.2 目的、意义和必要性
（1）对节约木材和推动节材代木产业政策的意义。我国的木材资源极为匮乏，仅为世界平均水平的60%左右，森林蓄积仅占世界总量的3.2%。在我国机电产品包装中，木包装制品约占80%，每年消耗的木材约1000多万立方米，占我国木材产量的1/6左右。国家有关部门组织制定了《机电产品包装节材代木“十二五”发展纲要》，其中，机电产品包装代木材料的绿色制造、结构优化研究；包装制品的组合化、模块化、组合式型材设计，优化等研究工作都列为了急需解决的关键共性技术。而我们目前开展的“新型异型材金属货架”正是“节材代木”工作的一项重要的共性技术研究项目。
但是，节材代木在我国推行了几年，存在着成本高、应用受限等问题，该项目就是解决这些问题，主要是通过对型材形状的研究和力学的分析达到轻量化，通过对连接构件的研究达到便捷的组装方式，实现尺寸和配件等的标准化，以达到降低成本的目的。该项目的完成将会对我国“节材代木”包装的发展和应用起到极大地推动作用。
（2）研制新型异型材金属货架是绿色包装设计的典范。金属箱作为主要的运输包装容器，目前应用最多的是框架木箱。而框架木箱存在很多的问题，主要有：一是框架木箱工作效率问题。由于大多框架木箱采用钉装方式组合，在大宗货物运输过程中，无法实现快速拆装，导致周转效率不高。二是出口贸易壁垒问题。欧盟对我国的贸易技术壁垒，使得木箱的应用范围越来越受到限制，采用熏蒸等方式又使得成本提高，减少了利润。
新型异型材金属货架由于机械强度大、质量轻、承载能力强、使用寿命长、可拆卸、可维护、回收成本低，在部分运输包装领域，综合成本优于框架木箱，应用于物流和运输包装领域，操作方便，符合“4R1D”绿色包装设计原则，能够做到金属和零部件的回收再生或者重新利用，能够减少金属的用量、木材的使用，减少环境污染，减少能源消耗。可以说，新型异型材金属货架开辟了包装极度减量化的所谓“无容器包装”的新途径，是绿色包装的典范之一。
此外，实现大规模应用后，与框架木箱相比还具有以下技术优势：①可与集装箱配套使用有效提高空间利用率；②可提高堆码层数，实现立体化存储；③表面环保处理方便，卫生免疫、周转、存放回收均不污染环境；④配合叉车、升降机、吊车等设备可进行高效作业。
（3）新型异型材金属货架在机电产品包装上的应用前景广阔。仅以汽车散件包装（KD）为例，目前我国汽车产量已经达到了1000多万台，产销量已经达到世界首位，尤其国内自主品牌的一些汽车企业级国有知识产权的产品需要拓展国际市场，我国已由过去的引进国外先进汽车项目KD在国内组装在我国销售，逐步转变为我国自己生产的汽车整车及零部件散件出口至国外工厂加工制作。目前年KD出口量达到200万台套，国内出口的汽车零件大部分所采用包装形式主要是纸箱及木箱，平均每台汽车散件出口达到2000元。目前我国出口KD包装产值达到40亿元，数量还会逐年增加。在包装中主要材料采用木箱、框架木箱、胶合板箱占整体成本70%左右。将新型异型材金属货架应用与以汽车散件为代表的机电产品包装，直接有效地降低企业包装和物流成本，助推实现国家节材代木产业的实现。
综上所述，研究新型异型材金属货架，包括对侧板、端板、内衬、底座各部分组成进行优化结构设计，改变传统焊接、螺栓组合的设计模式，采用非螺栓螺母的特殊联接机构，能更好的节约成本，能够实现在作业现场快速拆卸，提高了生产效率，从而实现节材代木，进而实现资源集约利用。开展新型异型材金属货架的设计与研发，在汽车散件出口（KD）包装上得到应用，并能在其他机电产品包装上推广应用，还能为行业和国家标准的制定提供数据与依据，规范金属框架箱行业发展，并且能提供技术指导，提高行业生产效率。因此，新型异型材金属货架的研发及应用对推广机电产品节材代木包装的应用意义是深远和重大的。
1.3 国内外现状和技术发展趋势
通过对国内外的报道检索查新，发现目前欧美、日本、韩国均重视金属框架箱型材组合结构的设计，已开展金属框架型材结构设计研究，并已经逐步应用于包装和物流周转领域，符合现代物流发展理念。国内还没有开展用于包装的新型异型材金属货架研究。已有的金属周转箱质量较重，效率不高。
查新结果表明，而我国已有的金属周转架、周转托盘没有就型材组合连接机构的设计、型材的结构设计进行更深入的研究。没有就型材组合的模块进行设计，没有达到轻量化、成本低的目标，且没有进行系统研究，在行业内无法复制，无法推广。已有的型材结构设计多为矩形管、方管、方柱，对型材结构组合的研究以及对于型材组合的模块化研究报道，没有相关文献。
综上所述，将金属框架箱的型材组合研究、连接机构的模块化、内衬结构设计的应用作为共同的技术内容加以开发，并将其应用于汽车散件机电产品包装设计中，在国内属于空白领域，在国际上尤其是日本韩国已经逐步开展应用。
2 异型金属货架结构介绍
2.1 结构描述
本异型材金属货架是一种包装型材组合金属框架箱，该箱体由金属型材焊接而成的五个框架板组成，包括底板、安装在底板前后两端的端板、安装在底板左右两端的侧板，在两个侧板上方之间安装有横梁，所述底板与两个端板分别通过连接组件连接在一起，该连接组件包括支撑架和连接板，所述支撑架固装在底板上端面，所述连接板固装在端板下端面；所述端板与侧板上端连接的的四个边角处分别安装有边角连接件；在两个端板之间横向安装有限位梁。
本异型材金属货架的底板、两个端板及两个侧板通过连接组件和边角连接件经过卡装连接在一起，不需要使用任何工具及零件，有效提高工作效率，使得框架箱牢固、稳定性高，降低了物流运输的成本（图1）。
2.2 结构特点
成本低。异型材箱相较于木制包装价格大概低3%。随着产量的上升，价格还有进一步下降的空间。而且它的残值高，大概是箱体价格的10%。
操作简便。整个箱体组装的过程非常简便，有别于传统金属料架需要螺栓连接操作，异型材金属箱只需使用简单连接件，用榔头就能轻松完成箱体组装。其中，包装箱边角连接件和包装箱边框连接件的设计已申请通过了国家实用新型专利。经过工时测量，组装和拆箱的工时较木箱减少了一半，效率提升了一倍。随着人工成本越来越高，简便的操作无疑帮助企业节约了不少成本支出。
绿色环保。顺应国际环保发展趋势的需要，绿色包装的概念越来越为人所重视。异型材金属箱可回收再利用，是一种可持续发展的包装。在出口业务中代替木箱，减少了森林砍伐，对环保事业作出了一份贡献。
3.2 结构设计过程
（1）材料选择。碳素钢材料种类型号很多，材料性能差异大。如何在众多材料中选取最合适的材料型号是一大技术难点。在历时4个月、实验30余次、完成10余种材料理化性能分析后，最终选择Q195碳素结构钢作为异型金属箱的材料。它具有较高的塑性、韧性和焊接性能以及良好的压力加工性能，且成本相对较低。强度上也能满足长途工况下一次性使用的要求。
（2）结构设计。整个异型材金属箱共计使用了7种辊压型材。值得一提的是立柱与拉梁的选取上，在市面常见的N型材的基础上优化改良为M型材。
型材：在普通型材设计上优化加强其受力能力，见图3。
连接件：设计专用连接件，不采用使用专用工具才能组装的结构，如螺栓，见图4。
框架（分为底盘、侧板、端板、拉梁）：根据各种产品不同结构，设计不同的内部缓冲限位结构，外部框架根据尺寸链及承重差异，设计不同结构，见图5。
3.3 强度校核计算
（1）模拟分析。在设计工作完成后，对结构件、底部托盘和箱体关键承力件进行强度和刚度校核计算。
针对各自需要进行校核计算的零部件，应用成熟的力学分析商业软件ansys等，建立力学分析模型，进行受力分析、应力计算、冲击与振动模拟等，得到应力云图，根据校核分析结果提出改进设计意见，见图6。
（2）实物试验。随后依照设计制作了样箱，进行实验室测试。依据ISTA3E （国际安全运输协会）标准实验指标，分别做了叉举试验、冲击试验、压力试验、振动试验、冲击试验、跌落试验、抗滑垛试验。实验后，样箱外观均无异常现象，内部限位梁无明显变形，各部件链接可靠。样箱通过了试验室测试，如表1所示。
接着进一步实物发运验证。使用异型材金属箱装载发动机罩盖总成，从烟台发运至南美。经过1个多月的海路联运，测试样品到达客户端。经过客户开箱检验，箱体和零件均无损坏（图7）。同时简易地拆包装操作得到了客户的认可，提升了客户满意度。
4 异型金属货架生产工艺介绍
4.1 冷弯成型
型材制作是采用冷弯成型工艺，其通过顺序配置的多道次成型轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面型材的塑性加工工艺。
冷弯成型是一种节材、节能、高效的金属板料成型新工艺、新技术。利用这一工艺，不但可以生产出高质量的型钢产品，而且能够缩短产品开发的周期、提高生产效率，从而提高企业的市场竞争力。在刚过去的半个世纪里，冷弯成型已经发展为最有效的板金属成型技术。在北美轧制出的带钢35%～45%是由冷弯成型加工为产品，比汽车工业用的钢还多。
近些年来，冷弯型钢产品作为重要的结构件在建筑、汽车制造、船舶制造、电子工业及机械制造业等许多领域得到了广泛的应用。其产品从普通的导轨、门窗等结构件到一些为特殊用途而制造的专用型材，类型极其广泛。冷弯型钢单位重量的断面性能优于热轧型钢产品，并且具有很高的表面光洁度和尺寸精度，因此冷弯型钢代替热轧型钢可以取得既节约钢材又节省能源的双重效果，所以人们对冷弯型钢的发展给予了高度重视。正是用户对冷弯型钢产品的品种、规格、质量等方面的不断渴求，促使冷弯成型工艺技术的迅猛发展，见图8。
4.2 冲压及焊接
（1）专用的连接件等采用冲压工艺生产，冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机（单工位或多工位的）上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产，如图9。生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下：①冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。②冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量，而模具的寿命一般较长，所以冲压的质量稳定，互换性好，具有“一模一样”的特征。③冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。④冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料、节能的加工方法，冲压件的成本较低。
（2）箱体框架的组成需要通过点焊工艺，将先生产完成的型材及连接件进行组装生产，点焊系采用双面双点过流焊接的原理，工作时两个电极加压工件使两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻，而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接，且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路，不伤及被焊工件的内部结构，如图10。点焊具有下列优点：①熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。②加热时间短、热量集中，故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排矫正和热处理工序。③不需要焊条、焊丝等填充金属，以及氧、乙炔、氩等焊接材料，焊接成本低。④操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。⑤生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其它制造工序一起编到组装线上，但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。
5 异性金属货架的应用与推广
新型异型材金属货架结构应用于物流和运输包装领域，操作方便，符合“4R1D”绿色包装设计原则。金属框架及其和零部件易回收，减少环境污染，减少能源消耗。将金属框架箱应用于机电产品包装，表面环保处理方便，卫生免疫、周转、存放回收均不污染环境，符合国家节能环保政策。
通过对金属货架型材形状的研究和力学的分析达到轻量化，通过对连接构件的研究实现便捷的组装方式，实现尺寸和配件等的标准化，达到降低成本的目的。该项目为机电产品节材代木包装领域中“以铁代木”包装的关键共性技术研究，项目的完成将会对我国“节材代木”包装的发展和应用有极大地推动作用。
新型异型材金属货架结构的设计与研发，还为行业和国家标准的制定提供数据与依据，规范金属框架箱行业发展，并且能提供技术指导，提高行业生产效率，提升我国机电产品包装的水平，进而提高我国机电产品出口的国际竞争力。
目前，新型异型材金属货架已经替代木制包装，使用在SGM赛欧散件出口南美的业务中。相信日后越来越多的企业会选择使用异型材金属箱。
6 项目总结
新型异型材金属货架项目历经需求论证、方案论证、总体技术方案设计、工程设计、样箱试制、试验改进、基本性能试验、使用试验等阶段的研究工作，依照计划圆满完成了前期研究任务。
新型异型材金属货架通过各项测试和不断使用试验考核证明，各项性能指标均达到了设计的要求，该箱结构强度和尺寸能满足运输、装卸、存储中转要求，具有很强的实用性。
在为客户提供汽车散件包装设计服务时，使用的新型异型材金属货架具有轻量化，可拆卸和便于组装的优点，能适用不同种类产品出口以及运输周转多方面用途的需求，降低了企业包装和物流成本，受到了客户的好评。
