旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)鉛筆的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

邵秋萍等

【摘 要】目前市場(chǎng)上自動(dòng)鉛筆一般采用脈動(dòng)式機(jī)芯結(jié)構(gòu)，而本設(shè)計(jì)利用口紅旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鉛芯的進(jìn)與退，即采用了旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。用類似三爪卡盤的機(jī)構(gòu)夾住筆芯（約夾0.2cm），通過(guò)盡量減少夾頭夾緊的長(zhǎng)度以及改變旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆出鉛螺旋套前部的錐度來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約鉛芯，實(shí)現(xiàn)了鉛芯最大程度的利用。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便合理，使用更加方便。通過(guò)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度及ANSYA等分析得知，結(jié)構(gòu)可靠。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆；夾頭；鉛芯；力學(xué)分析

【Abstract】Automatic pencil on the market at present generally adopts pulsing movement structure， and this design use lipstick rotating structure design to achieve the lead into and retreat， which adopted the structure of rotary. Three jaw chuck with similar institutions in ink （about 0.2 cm）， by minimizing the length of the chuck clamping and change rotary automatic pencil lead screw in the front of the set of taper to save the lead， has realized the use of lead is maximum. The design of simple and reasonable structure， use more convenient. Through the analysis of the key parts such as intensity and ANSYA， structure and reliable.

【Key words】Automatic rotary pen； Chuck； Lead； And mechanics analysis

0 引言

脈動(dòng)式細(xì)芯活動(dòng)鉛筆是在日本研制成功0.5mm和0.7mm合成樹(shù)脂細(xì)鉛芯后出現(xiàn)的，它可以使用這兩種鉛芯。而旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆只能適用0.9mm的鉛芯，且造價(jià)比較高，因此其應(yīng)用受到一定的制約。只有降低成本，改進(jìn)結(jié)構(gòu)才可以改變旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的現(xiàn)狀。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆仍然在不斷創(chuàng)新。目前市場(chǎng)上也有一種新型旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)輸送筆芯[1]。但是其出鉛螺旋套的前部是平頭的結(jié)構(gòu)，而自動(dòng)筆筆頭的內(nèi)部與出鉛螺旋套相接的地方也是平面，因?yàn)樽詣?dòng)筆的筆頭是錐形設(shè)計(jì)，因此這個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就不可避免的限制了出鉛螺旋套的推進(jìn)范圍，其節(jié)省鉛芯的程度也受限，不能很好的發(fā)揮旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的優(yōu)勢(shì)。

1 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的原理

旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆利用一種類似于口紅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉛芯的推送，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)筆尾部旋鈕后，旋鈕結(jié)構(gòu)上的外螺紋與中間桿末端的內(nèi)螺紋嚙合，從而使中間桿前進(jìn)或者后退。當(dāng)機(jī)構(gòu)碰到榫槽時(shí)會(huì)夾緊鉛芯使之不掉落，在沒(méi)有榫槽的地方便會(huì)松開(kāi)，方便換芯。

1.2 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的創(chuàng)新改進(jìn)

上述的這種旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆存在一定的缺陷，由于其推出范圍受限，有一段鉛芯必然因推不出而浪費(fèi)，現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)作如下改進(jìn)：

1）不使用榫槽，將夾住鉛芯的結(jié)構(gòu)換成夾頭；

2）在夾頭沒(méi)有夾鉛芯且三個(gè)爪閉合的情況下，開(kāi)一個(gè)深度為2mm，半徑為0.347mm的圓柱形孔。使夾頭夾住鉛芯的最大長(zhǎng)度為2mm，這樣可以很好的節(jié)約鉛芯。半徑為0.347mm的圓孔可以保證自動(dòng)筆能使用0.5mm與0.7mm的鉛芯，同時(shí)在特殊情況下也可以使用0.35mm的鉛芯。此舉意在增大自動(dòng)筆適用鉛芯的范圍；

3）在旋鈕和與其接觸的圓柱形檔板上加上凹紋，這樣可以增大摩擦力，便于旋轉(zhuǎn)與固定。

2 創(chuàng)新旋轉(zhuǎn)筆的力學(xué)分析

2.1 基于ANSYS的靜力學(xué)

通過(guò)對(duì)自動(dòng)筆的ANSYS分析，當(dāng)加載M=0.02NM的鉛芯擰緊力矩時(shí)，夾頭各部位的變形完全符合要求。

2.2 鉛芯強(qiáng)度校核、夾緊力分析

1）鉛芯的彎曲強(qiáng)度校核

以直徑0.7mm，硬度記號(hào)為HB的活動(dòng)鉛筆用芯作為校核對(duì)象進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核，過(guò)程如下[2]：

（1）從最小的包裝容器中任意抽出10支鉛芯作為試料，但是如最小的包裝容器中不滿10支鉛筆，將其全部作為試料。

（2） 試驗(yàn)方法按照?qǐng)D4進(jìn)行，把鉛芯放在兩個(gè)支點(diǎn)的中央部分，以每分鐘10mm的速度，在鉛芯的中央施加荷重，然后測(cè)定鉛芯折斷時(shí)的荷重，并用以下公式算出其彎曲強(qiáng)度。

另外，將增加荷重的尖端以及兩個(gè)支點(diǎn)的頂端的形狀設(shè)定為R0.2mm。

進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，將平均值與160 MPa進(jìn)行比較：若大于160 MPa，則符合標(biāo)準(zhǔn)；反之，則不符合使用標(biāo)準(zhǔn)。0.35mm和0.5mm鉛芯彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)方法同上，其最小彎曲強(qiáng)度分別為240MPa和190 MPa。結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

2）基于SolidWorks的鉛芯夾緊力分析

活動(dòng)鉛筆用芯是由石墨、粘合劑等材料制成的固體物，其硬度顯然大于石墨。以酚醛樹(shù)脂浸漬石墨（硬度小于鉛芯）代替鉛芯進(jìn)行夾緊力分析：彈性模量設(shè)置為（0.7-1.3）x10^5 MPa，泊松比設(shè)置為0.246。

依據(jù)《自動(dòng)補(bǔ)償式活動(dòng)鉛筆》標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明的部分內(nèi)容：夾鉛芯力指的是鉛芯在夾頭徑向夾緊力的作用下，夾頭與鉛芯之間所形成的摩擦力。存在摩擦力，使鉛芯不掉落，該力需≥8N，即夾鉛芯力≥8N。

在ANSYS Workbench中對(duì)鉛芯的受力大小與方向規(guī)定如下：大小設(shè)置為8.5N，方向?yàn)閵A頭徑向方向。夾緊的鉛芯直徑為0.7mm，長(zhǎng)度為2mm。

3 總結(jié)

通過(guò)3D打印的樣筆，機(jī)構(gòu)可靠，操作靈活自如，鉛芯利用率高，且適合0.35mm和0.7mm兩種鉛芯，改進(jìn)了已有自動(dòng)筆的不足。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉滄鎮(zhèn).旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)鉛筆[P].中國(guó)專利：CN98203850.X.1998.

[2]楊榮康.日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).活動(dòng)鉛筆用鉛芯[J].中國(guó)制筆，2009（2）：34-47.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]