（上海晨光文具股份有限公司中國(guó)輕工業(yè)制筆工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201406）

引言

我國(guó)是制筆大國(guó)，每年生產(chǎn)各類(lèi)中性圓珠筆和筆芯近700億支，數(shù)量位居全球第一，并涌現(xiàn)出以“晨光文具”為代表的一批知名制筆企業(yè)，但在綜合產(chǎn)品質(zhì)量和品牌影響力等方面與日韓和歐美的知名企業(yè)還有差距，主要占據(jù)中低端市場(chǎng)。

圓珠筆是一種采用圓形球珠在球座體內(nèi)滾動(dòng)帶出書(shū)寫(xiě)介質(zhì)形成字跡的書(shū)寫(xiě)工具，筆頭是決定書(shū)寫(xiě)性能的核心精密部件。因筆頭大規(guī)模批量生產(chǎn)，對(duì)切削加工成型的誤差范圍要求極高，比手表里的零件制造還要精密，其生產(chǎn)制造需要有高度自動(dòng)化的加工設(shè)備和性能優(yōu)良的原材料，也需要合理的加工工藝流程。普遍認(rèn)為，我國(guó)應(yīng)該掌握筆頭生產(chǎn)制造的核心技術(shù)。趙帥、郭亨長(zhǎng)等先后對(duì)國(guó)內(nèi)外筆頭加工設(shè)備的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，分析了各種不同機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、生產(chǎn)效率等優(yōu)缺點(diǎn)。筆頭書(shū)寫(xiě)的出墨通道只有10μm（注：球珠與球座碗口的間隙）左右，是傳輸墨水的微流器件，其加工生產(chǎn)的特點(diǎn)是加工工序多、切削速度極快、裝配和尺寸精度要求高，所以對(duì)其加工工藝的研究和不斷優(yōu)化十分必要。

1、子彈頭型筆頭結(jié)構(gòu)

圖1 子彈頭型筆頭結(jié)構(gòu)示意圖(a)普通子彈型筆頭(b)子彈型彈簧筆頭

最常見(jiàn)的中性圓珠筆頭為子彈頭型，子彈頭型圓珠筆頭又分為普通子彈型筆頭和子彈型彈簧筆頭兩種（如圖 1所示）。筆尖部位的結(jié)構(gòu)最精細(xì)，加工要求和難度最高，根據(jù)書(shū)寫(xiě)出墨功能分為球珠、球座體（碗口座）、油槽、環(huán)槽、小孔、中孔等，產(chǎn)量最多的670子彈頭型筆頭筆尖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。一般使用外徑2.3mm的實(shí)心線(xiàn)材生產(chǎn)，要求材料具有易切削性能、耐腐蝕性能、耐磨性能、一致性和穩(wěn)定性好。常用材料包括鉛黃銅、鎳白銅和不銹鋼三種，其中不銹鋼材料綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用于高檔中性筆。

圖2 筆尖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、筆頭加工設(shè)備

筆頭數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，其批次質(zhì)量穩(wěn)定性尤為重要，所以高性能的筆頭一般采用全自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。瑞士米克朗公司制造的Multistar LX-24筆頭機(jī)是目前國(guó)際上綜合性能最優(yōu)的設(shè)備，其外形如圖3所示，主要性能和技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

該機(jī)床擁有24個(gè)工位設(shè)立在Ф600 mm旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，包括上、下方共48個(gè)加工站，結(jié)構(gòu)非常緊湊且動(dòng)力頭拆卸非常方便。工作臺(tái)采用“氣動(dòng)懸浮”技術(shù)，在頻繁的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中保持足夠平穩(wěn)，基本無(wú)磨損使用壽命長(zhǎng)。24個(gè)工位包括的兩組筆頭同時(shí)加工，每組筆頭加工包括：上料、粗加工、半精加工、中心鉆孔、小孔加工、成型刀加工、精車(chē)加工、槽沖、加珠、收口、壓珠、出料，各個(gè)工位上、下均可設(shè)立加工站。設(shè)備從短坯料開(kāi)始，經(jīng)過(guò)上料、粗車(chē)錐面、半精車(chē)錐面、粗加工球座孔、鉆小孔、錐面成型、精車(chē)球座組合、沖槽、加珠、收口、壓珠、工件取出一系列精密加工工序，通過(guò)一次裝夾可完成全部加工工序。24個(gè)工序定位準(zhǔn)確，累積誤差＜4μm。筆頭的關(guān)鍵部位球座 (俗稱(chēng)碗口)的內(nèi)孔加工精度為2μm，其切削精度可達(dá)IT3-4級(jí)，切削表面粗糙度Ra=0.2-0.4，筆頭的外型尺寸公差完全可控制在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。該設(shè)備具有加工精度高，生產(chǎn)工藝安排合理，技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適宜于圓珠筆頭、中性筆頭、水性筆頭的生產(chǎn)。

表1 LX-24筆頭機(jī)主要性能和技術(shù)參數(shù)

圖3 Multistar LX-24二十四工位筆頭加工機(jī)床

3、加工工藝和流程

為了保證大規(guī)模加工產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性以及較高的良品率，需要制定合理的加工工藝，不斷摸索解決加工中出現(xiàn)的難題。

3.1、加工工序

以670子彈頭型筆頭為例，通過(guò)研究將加工過(guò)程分為鋼絲裁切、外型車(chē)削、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、沖槽、車(chē)倒角圓角、安放球珠、收口、壓珠、工件取出等12道工序，如圖4所示。

圖4為24工位筆頭機(jī)各工位加工流程分布圖，24工位包括兩個(gè)加工循環(huán)同時(shí)進(jìn)行兩組筆頭加工，其中工位1-12為循環(huán)A，工位13-24為循環(huán)B，表2所列為圖4每個(gè)循環(huán)中各工序?qū)?yīng)動(dòng)作及任務(wù)，每個(gè)工位又分為上工位和下工位，同時(shí)進(jìn)行加工。一般情況下使用SF20T、SF20E等易切削不銹鋼材料，每分鐘雙循環(huán)可以加工筆頭約160件。

圖4 子彈頭型筆頭加工工序示意圖

表2 各工序的動(dòng)作及任務(wù)說(shuō)明

3.2、加工刀具和切削工藝

實(shí)心不銹鋼圓柱體材料（Φ2.3mm）自動(dòng)送入筆頭機(jī)的夾頭內(nèi)，通過(guò)夾頭夾持來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)削與鉆削加工。夾持的實(shí)體材料經(jīng)過(guò)內(nèi)孔鉆削加工后，如果壁厚尺寸較小，材料的剛性和夾持力會(huì)急劇下降，這樣筆頭在加工過(guò)程中就非常不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致筆頭加工精度的大幅降低。因此，筆頭尾部?jī)?nèi)孔尺寸的確定和采用鉆削加工的刀具非常關(guān)鍵，通過(guò)長(zhǎng)期研究，需要筆頭具體結(jié)構(gòu)根據(jù)每個(gè)工序的特點(diǎn)和加工要求來(lái)設(shè)計(jì)合適的刀具和加工技術(shù)參數(shù)。

（1）料坯裁切工序是將Φ2.3mm不銹鋼絲裁切成小圓柱，要求裁切端面平整、光滑、無(wú)毛刺。裁切機(jī)上安裝的活動(dòng)裁切刀模和固定裁切刀模的中心線(xiàn)應(yīng)保持同軸、軸向間隙一定要適當(dāng)，一般情況下間隙為20μm；

（2）錐面車(chē)削加工時(shí)采用設(shè)計(jì)的三把錐面刀進(jìn)行組合加工，刀柄部份固定在刀架上，刀頭部份承擔(dān)切削工作，刀頭由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃、刀尖等部分組成。三把錐面刀在安裝時(shí)，其切削刀刃要保持在同一尺寸的切削弧面上，否則切削時(shí)料坯會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；

（3）第一道鉆孔是要實(shí)現(xiàn)中心定位及鉆削加工功能，確保鉆孔中心線(xiàn)與料坯中心線(xiàn)重合，并引導(dǎo)后續(xù)各道鉆削加工沿此中心線(xiàn)位置進(jìn)行；

（4）油槽是筆頭上加工尺寸最小、難度最高的部位，經(jīng)沖削加工而成。槽沖需要由特殊的合金材料磨削成型，要求其具有良好的沖擊韌性和冷硬性等。工作部位分為頂角、分度角、油石角、槽筋角、工藝角、主刃角、前面。槽沖安裝時(shí)一定要與小孔保持同軸心，否則加工時(shí)易產(chǎn)生徑向力折斷槽沖；

（5）球座為球珠安放位置，加工精度要求極高。球座鉆設(shè)計(jì)為半圓鉆，球座（碗口）內(nèi)孔設(shè)計(jì)要求的加工余量為10-20μm，碗口底部設(shè)計(jì)要求的加工余量為20-40μm；

（6）各工位鉆削加工的鉆頭均由硬質(zhì)合金材料在專(zhuān)業(yè)機(jī)床上一次加工完成，設(shè)計(jì)中要求鉆頭前端刃長(zhǎng)在滿(mǎn)足鉆削加工工藝尺寸、順暢排屑的條件下應(yīng)盡量的短，保證鉆頭良好的剛性，延長(zhǎng)使用壽命；

（7）外圓車(chē)削刀具由硬質(zhì)合金磨制而成，要求其具有紅硬性和良好的韌性。工作部位有主偏角、副偏角、刃傾角、后角等。要合理分配外圓粗加工和精加工的切削余量，一般情況，精加工設(shè)計(jì)要求的切削余量為30-40μm；

（8）壓珠時(shí)選用的工具由Φ4mm硬質(zhì)合金圓棒制作，要求其具有較高的冷硬性、韌性和耐磨性等，工作端面平整，粗糙度達(dá)到Ra 0.2；

（9）收口設(shè)計(jì)為定心叉定位球珠，雙滾輪收縮碗邊的結(jié)構(gòu)，公式（1）為收口滾輪的最大收口角度。其中，D是收口滾輪的最大收口角度，C是收口滾輪單面錐度，r是球珠半徑，a是球珠露珠高度，b是碗口半徑。通常的收口滾輪設(shè)計(jì)角度為70-85°，但收口滾輪的角度必須小于∠D（見(jiàn)圖5），否則收口滾輪與球珠會(huì)發(fā)生干涉，嚴(yán)重影響質(zhì)量。收口刀座與收口主軸通過(guò)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，具有導(dǎo)向性。為防止收口偏心，利用壓簧的彈力來(lái)控制收口力度。

圖5 筆頭碗口的收口角度示意圖

3.3、常見(jiàn)問(wèn)題的分析與解決

筆頭加工制造過(guò)程中經(jīng)常容易出現(xiàn)的問(wèn)題有兩類(lèi)，其一是工件開(kāi)裂，這個(gè)問(wèn)題主要是材料導(dǎo)致的。因此需要探傷檢查材料是否有內(nèi)部氣孔、裂紋等缺陷。其二是鉆頭折斷，鉆頭折斷原因較多，經(jīng)過(guò)研究主要包括下列幾種原因，其對(duì)應(yīng)的解決辦法如表3所示。

4、彈簧筆頭的裝配

彈簧筆頭代表了筆頭制造技術(shù)的最高水平。彈簧筆頭的加工制造過(guò)程比無(wú)彈簧筆頭增加了彈簧安裝工序，其裝配的工藝步驟如圖6所示。

表3 斷鉆的原因分析及解決方法

圖6 彈簧筆頭的生產(chǎn)裝配步驟

筆頭彈簧自動(dòng)裝配機(jī)關(guān)鍵技術(shù)是筆頭同向排列輸送、彈簧同向排列輸送和彈簧定位裝配。通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械外形識(shí)別的方法，利用筆頭頭部與尾部微小的差異，筆頭輸送機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)筆頭自動(dòng)同方向排列，使用震動(dòng)盤(pán)使筆頭頭部先進(jìn)入上料管。彈簧尺寸更加細(xì)小，質(zhì)量?jī)H為10mg，彈簧因容易磁化而纏繞在一起。在輸送技術(shù)上，彈簧送料盤(pán)與進(jìn)料管采用不易磁化的金屬材料制作，可以避免纏繞的問(wèn)題。彈簧輸送機(jī)構(gòu)的震動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)了獨(dú)特不規(guī)則圓弧曲線(xiàn)軌道、螺旋上升曲面和螺旋下降緩沖曲面。通過(guò)設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)，可以使每個(gè)彈簧有序沿軌道運(yùn)行。通過(guò)機(jī)械外型識(shí)別進(jìn)料機(jī)構(gòu)，利用彈簧針尖與開(kāi)口部分微小的差異性，自動(dòng)使針尖部分先進(jìn)入上料管排列，并儲(chǔ)備在彈簧發(fā)射器等待指令發(fā)射彈簧。在輸送過(guò)程中彈簧在震動(dòng)盤(pán)螺旋上升曲面階段的供給量必須大于裝配的所需量，彈簧進(jìn)入螺旋下降緩沖階段的供給與裝配需求數(shù)量相同。當(dāng)彈簧落入筆頭內(nèi)部時(shí)，將彈簧壓住并采用針式擠壓打三個(gè)點(diǎn)，即可固定筆頭彈簧。

5、總結(jié)和展望

高檔中性圓珠筆筆頭加工工序多，難度大，從加工設(shè)備到加工工藝，過(guò)去大部分技術(shù)均依靠國(guó)外。我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中不斷研究和摸索，從技術(shù)引進(jìn)到消化和吸收，進(jìn)行工藝改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，基本滿(mǎn)足產(chǎn)品需求的同時(shí)提升品質(zhì)。通過(guò)提升刀具的設(shè)計(jì)和加工水平，增加生產(chǎn)在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)節(jié)，提高我國(guó)筆頭加工技術(shù)水平，使加工生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率穩(wěn)步提高，為我國(guó)從制筆大國(guó)邁向制筆強(qiáng)國(guó)而努力。