吳瑛戟

上海制筆技術(shù)服務(wù)有限公司 上海 201615

引言

圓珠筆的書寫原理是利用球珠滾動(dòng)帶出書寫墨水而形成線跡。中性墨水圓珠筆[1](以下簡稱中性筆)是圓珠筆的一種，其書寫介質(zhì)為凝膠狀水性墨水，墨水的特點(diǎn)是書寫時(shí)由于球珠滾動(dòng)剪切使墨水黏度變低，利于出墨形成線跡；當(dāng)停止書寫時(shí)球珠靜止，墨水黏度變高，不易造成漏墨。中性筆常見筆芯如圖1 所示。

圖1 常見插套式中性筆筆芯

同通常的油墨圓珠筆比較，油墨圓珠筆筆芯的油管內(nèi)徑較小，使用的是油墨，其23℃時(shí)動(dòng)力黏度大于1000mPa.s，書寫時(shí)油墨無明顯的黏度變化，其百米出墨量在10mg 左右。而中性筆百米出墨量較大，以0.5mm 的筆頭來說，一般在100mg 以上，其出墨量為油墨圓珠筆的10 倍左右，同樣的書寫長度，筆芯內(nèi)灌注的墨水量較多。書寫時(shí)墨水從球珠和球座的間隙處流出，同時(shí)需要有同樣體積的空氣填充進(jìn)筆芯內(nèi)，如圖1。由于中性筆的出墨量比油墨圓珠筆的出墨量大得多，所以中性筆頭球珠和球座的間隙較大，于是會(huì)給中性筆帶來了兩大問題：一是書寫時(shí)出墨量大，隨時(shí)補(bǔ)充的空氣量就大，要求中性筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有足夠的通氣通道；二是筆頭球珠和球座的間隙大，筆頭易于出墨的同時(shí)，筆頭端也容易進(jìn)入空氣，造成書寫斷線和墨水倒流等問題的產(chǎn)生，這也同樣需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要防止空氣從筆頭端進(jìn)入。

中性筆常見的結(jié)構(gòu)為插套式和撳動(dòng)式[2]。以插套式為例，中性筆一般可以分為筆芯、筆桿組件和筆套組件[2]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，通氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要，直接關(guān)系到中性筆和筆芯的書寫，大多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)通氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并未引起足夠的重視，為最終的成品埋下了質(zhì)量隱患。以下對(duì)各組件進(jìn)行通氣結(jié)構(gòu)分析，并提出通氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1．筆芯通氣結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從單獨(dú)的筆芯來看，一般由筆芯和筆芯保護(hù)套組成。筆芯保護(hù)套（見圖2）不僅是筆芯制造過程中需要牢固裝配在筆頭上，保護(hù)筆頭起到密封的作用，同時(shí)筆芯離心時(shí)防止墨水漏出。但筆芯保護(hù)套的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)需要特別的設(shè)計(jì)。

以子彈型筆頭的保護(hù)套為例，保護(hù)套內(nèi)孔為正方形，筆頭插入時(shí)保護(hù)套內(nèi)的空氣需要排出，如圖2 中所示四個(gè)角的空隙部位為通氣部位。還有一個(gè)關(guān)鍵的部位是保護(hù)套底部的角度α 宜大于筆頭角度β，否則兩者配合時(shí)底部會(huì)形成空氣集聚區(qū)，隨著筆頭的進(jìn)一步插入，此區(qū)域的空氣無法從四個(gè)角部的空隙部位排出，只能被擠壓進(jìn)筆頭內(nèi)。這正是筆芯保護(hù)套設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一。其他型號(hào)的筆頭，使用的筆芯保護(hù)套需要按照筆頭的形狀進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，確保筆頭插入時(shí)通氣良好。

另外，從筆芯本體來看（見圖3），插套式筆芯的連接件的臺(tái)階處，通常是會(huì)由尖套內(nèi)的筋將筆芯壓住后固定在筆桿的A 處。對(duì)于尾塞處沒有通氣孔設(shè)計(jì)的筆，書寫時(shí)空氣就會(huì)從連接件的臺(tái)階缺口處進(jìn)入筆桿內(nèi)孔，再由筆芯尾端補(bǔ)充空氣。這里的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：連接件缺口之間的距離L 要小于配合筆桿內(nèi)孔的直徑D，油管外徑d 小于距離L。這樣確?？諝饪梢皂槙尺M(jìn)入筆桿內(nèi)孔。

圖2 筆芯保護(hù)套和筆頭配合

圖3 插套型筆芯和筆桿

2．筆桿組件通氣結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 筆桿組件通氣結(jié)構(gòu)分析

插套式中性筆按筆芯的固定方式可分為前定位式和后定位式[2][3]，此處以前定位筆桿組件來分析通氣結(jié)構(gòu)。前定位式筆桿組件一般由筆桿、尖套、尾塞組成，有的還會(huì)在握筆處設(shè)計(jì)有軟的橡膠套，便于手舒適地握住。從功能分析來看，筆桿組件主要功能為固定筆芯和執(zhí)行手握功能，是完成書寫功能的主要部件之一。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同樣有許多需要為通氣順暢進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

從組件最主要的零件筆桿來看（見圖4），筆芯裝入筆桿內(nèi)孔，筆芯的連接件臺(tái)階貼合筆桿端面再由尖套內(nèi)孔的筋將其壓住實(shí)現(xiàn)固定。其通氣通道為圖中藍(lán)色線所示，其通路為：尖套與筆頭的間隙→連接件缺口→筆桿和油管的間隙→油管尾端內(nèi)孔。

圖4 典型前定位筆桿組件結(jié)構(gòu)及空氣通道

2.2 筆桿組件通氣結(jié)構(gòu)常見問題及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從空氣通道的流向來看，空氣從尖套和筆頭之間的間隙流入，根據(jù)中性筆的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，尖套的內(nèi)孔和筆頭外徑的差值小于0.2mm。據(jù)筆者多年的經(jīng)驗(yàn)，此差值一般控制在0.08mm ～0.15mm 之間為佳，這樣既可保證通氣量的要求，也可防止間隙過大書寫時(shí)筆頭晃動(dòng)的問題產(chǎn)生。尖套設(shè)計(jì)時(shí)另外一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是，在圖4 中B 處連接件和尖套的內(nèi)孔斜面處必須有間隙，這是設(shè)計(jì)師和制造過程容易忽視的地方。如果這里堵塞，空氣將不能流通，這樣的問題經(jīng)常在金屬尖套內(nèi)出現(xiàn)，因?yàn)楹芏嘣O(shè)計(jì)師和制造人員將金屬尖套固定筆芯的接觸點(diǎn)設(shè)計(jì)在這里，這樣的風(fēng)險(xiǎn)較大，如果沒有其他的空氣通道，空氣回路會(huì)被堵住。如果要將尖套內(nèi)孔和連接件接觸（固定）位置設(shè)計(jì)在B 處的話，連接件的前端（配合筆頭的方向）要有通氣缺口，這種設(shè)計(jì)適合連接件此處壁厚較厚的情形，如圖5 所示的筆芯，在連接件和筆頭的配合處設(shè)計(jì)有通氣缺口。金屬尖套比較合理的固定筆芯的接觸點(diǎn)可以設(shè)計(jì)在圖4 的C 處，因?yàn)镃 處在固定住筆芯的同時(shí)仍有缺口讓空氣流通。

從筆芯和筆桿內(nèi)孔的配合來討論，筆芯油管外徑和筆桿前端內(nèi)孔要有0.2mm 以上的間隙為佳。由于筆芯的連接件和油管配合處是過盈配合，此處配合后油管的外徑會(huì)增大0.05mm ～0.08mm 不等，設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略這一因素。目前市場上出現(xiàn)較多的、筆桿較細(xì)的中性筆，油管外徑和筆桿前端內(nèi)孔的配合間隙在0.1mm 以下，考慮油管和連接件配合后脹大的因素，往往此處配合為過渡配合，造成了通氣問題。此處間隙過小，在筆的裝配過程中，筆芯插入筆桿的速度較快，筆桿內(nèi)的空氣無法排出，筆桿內(nèi)空氣壓力瞬間加大，擠壓筆芯，極易造成筆頭處漏墨的情況發(fā)生。同樣筆芯比較快的拔出時(shí)，筆桿內(nèi)部會(huì)形成瞬間的負(fù)壓，造成筆頭前端吸入空氣，產(chǎn)生書寫斷線的問題。

另外比較常見的做法是，筆桿在E 處設(shè)計(jì)有通氣缺口，再由螺紋處設(shè)計(jì)通氣槽F 和通氣缺口G（往往澆口也在此處），這樣可以保證通氣良好。如圖6所示的筆桿就是這種情形。

從尾塞來看，在不影響外觀的情況下，通常會(huì)設(shè)計(jì)通氣小孔，保證即使書寫時(shí)筆套反插也有較好的通氣效果，在后面討論筆套組件反插時(shí)會(huì)進(jìn)一步討論這一問題。但從市場上的各類插套式中性筆出現(xiàn)的質(zhì)量問題來分析，墨水倒流普遍，此時(shí)墨水和硅油就會(huì)從尾塞的小孔流出而污染到手和衣物等。

圖5 連接件的前端有通氣缺口的情形

圖6 筆桿螺紋處的通氣結(jié)構(gòu)

3．筆套組件通氣結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 筆套組件通氣結(jié)構(gòu)分析

中性筆筆套組件一般由筆套、筆夾和密封圈組成，主要承擔(dān)防護(hù)功能。在書寫時(shí)要將筆套拔下，一般反插在筆桿的尾部；書寫完成后，一般提示將筆套套好，起到保護(hù)筆頭和密封筆頭的作用。所以從這些動(dòng)作來分析，筆套和筆桿組件的配合（筆套一般套在筆桿或筆頸上）是活動(dòng)的，筆套套入瞬間筆套內(nèi)空氣被壓縮，需要即時(shí)排出多余的空氣；筆套拔出瞬間，筆套內(nèi)空氣需即時(shí)補(bǔ)充，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮足夠的空氣通道。

從圖7 筆套組件和筆桿組件的配合可以看到，兩者的配合為活動(dòng)扣位的配合。一般是筆桿為扣環(huán)，筆套為扣點(diǎn)。在筆套和筆桿相扣時(shí)，筆套內(nèi)空氣瞬間被壓縮，多余的空氣通過筆套內(nèi)孔與尖套和筆桿之間的間隙，再通過扣環(huán)和扣點(diǎn)區(qū)域往外排出。這條通道如圖7 中的藍(lán)色線所示，筆套與尖套間隙→筆套與筆桿間隙→筆套與扣環(huán)間隙往外排出。

3.2 筆套組件通氣結(jié)構(gòu)常見問題及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖7 筆套組件和筆桿組件配合

從筆套組件的設(shè)計(jì)來分析，其空氣通道主要通過筆套和筆桿組件的間隙排出，所以筆套設(shè)計(jì)時(shí)，筆套內(nèi)孔與尖套、筆桿之間需要有足夠的間隙。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，一般此間隙雙面要達(dá)到0.2mm 左右比較安全。但此時(shí)筆套套入筆桿后，由于間隙較大，會(huì)引起筆套的晃動(dòng)，合理的解決方法是筆套內(nèi)部加多條筋或多個(gè)軸向的小平面來減小配合間隙，從而在保證通氣的狀況下改善晃動(dòng)。市場上一些質(zhì)量較次的中性筆，往往筆套配合后要么晃動(dòng)較大，要么筆套內(nèi)孔與扣環(huán)處間隙很小，甚至過渡和過盈配合，通氣回路設(shè)計(jì)極其不合理，漏墨和書寫斷線問題嚴(yán)重。

另外，筆套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了改善筆套配合時(shí)的通氣狀況，往往在筆套或筆夾的頂部設(shè)計(jì)小孔與筆套內(nèi)孔相通，或者在不影響外觀的條件下，在筆套位于筆夾夾面以下部位設(shè)計(jì)排氣孔。這樣，可以在筆套套入筆桿的瞬間，筆套內(nèi)的空氣即時(shí)排出，不至于將部分空氣擠壓進(jìn)筆頭，造成書寫斷線。

圖8 常見一體筆筆套反插

對(duì)于筆套組件需要考慮的另一個(gè)問題是筆套組件的反插。對(duì)于筆桿組件通氣孔在尾端的情況，設(shè)計(jì)時(shí)同樣要嚴(yán)格校核筆套反插時(shí)的通氣回路。目前市場上比較流行的一體筆，也就是沒有單獨(dú)的中性筆芯，墨水直接灌注在筆桿內(nèi)，書寫長度比普通的中性筆要長的一類中性筆。對(duì)于這一類筆，由于前端無法設(shè)置通氣孔，在尾塞處都設(shè)計(jì)有通氣孔，但筆套反插時(shí)就要特別注意。這類筆桿往往后端直徑小，筆桿脫模斜度較大，筆套反插時(shí)插入距離較大，有的在筆套內(nèi)未有可靠的止口設(shè)計(jì)，使用時(shí)一直可以插入直至筆套內(nèi)的密封圈將尾塞的通氣孔堵?。ㄈ鐖D8 所示）。筆套反插到底后，極易造成A 處悶氣，這要引起設(shè)計(jì)師、開發(fā)人員和檢測人員密切關(guān)注。

總結(jié)

中性筆產(chǎn)品具有完整的出墨系統(tǒng)，通氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接關(guān)系到筆的書寫質(zhì)量，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)和制造過程中往往不重視通氣結(jié)構(gòu)的確認(rèn)。為了確保中性筆通氣結(jié)構(gòu)的合理性，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)校核時(shí)要將通氣回路作為重要的設(shè)計(jì)審核項(xiàng)目之一。試樣階段，同樣要將通氣性能作為重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。整筆可以利用劃線書寫儀進(jìn)行正常的書寫檢驗(yàn)，是否有因?yàn)橥獠涣家鸬臅鴮懽兊驍嗑€現(xiàn)象；試樣的成筆可以進(jìn)行小范圍的試用，收集試用人群的使用習(xí)慣，可以最大限度地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中是否存在通氣的問題。

文章從中性筆產(chǎn)品的特點(diǎn)出發(fā)，闡述了產(chǎn)品通氣結(jié)構(gòu)的重要性，并從筆芯、筆桿組件、筆套組件入手，對(duì)前定位插套式中性筆的常見通氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)筆芯保護(hù)套、連接件、尖套、筆桿、筆套等零件進(jìn)行了通氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)闡述，希望能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、制造人員和檢測人員提供指導(dǎo)和借鑒。