記號(hào)筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

許云波，吳瑛戟，張窘

1.真彩文具股份有限公司，昆山 215343 2.上海制筆技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201612

引 言

記號(hào)筆是諸多記號(hào)筆品類的統(tǒng)稱，是用塑料、纖維等高分子材料制成筆頭，可在紙張、木材、金屬、塑料、搪瓷、陶瓷等一種或多種材料上作記號(hào)或標(biāo)志的筆[1]。它可分為油性記號(hào)筆、水性記號(hào)筆、白板筆、熒光筆、水彩筆和微孔筆頭墨水筆等。記號(hào)筆墨水按溶劑類型可分為油性墨水和水性墨水，特別是油性溶劑大多具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，這就要求記號(hào)筆本身具有很好的密封性能，才能減緩其墨水的滲透、揮發(fā)等。特別在高溫、干燥的環(huán)境下，即使是揮發(fā)性不強(qiáng)的水性墨水，同樣需要記號(hào)筆具有良好的密封性能，來防止墨水揮發(fā)，更關(guān)鍵的是防止筆頭干涸、堵塞引起書寫不良等致命質(zhì)量問題的產(chǎn)生。所以記號(hào)筆必須選用合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，筆的相關(guān)零件的配合部分達(dá)到密封性能及力學(xué)性能等要求，才能維持記號(hào)筆在保質(zhì)期內(nèi)具有良好的使用性能。

一、記號(hào)筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能要求

按照記號(hào)筆的特點(diǎn)，要求記號(hào)筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下性能要求：

1.密封性能要求

按照通用的設(shè)計(jì)要求，記號(hào)筆的保質(zhì)期一般要大于2年，要求在常溫儲(chǔ)存的條件下，保質(zhì)期內(nèi)墨水揮發(fā)損失小于5%，初筆書寫、書寫長度等性能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求。因而記號(hào)筆的密封性能是首先要滿足的要求。

2.配合力要求

1）筆套與筆桿的拔出力滿足4.9N至39.2N之間的要求[2]；

2）對(duì)于出口歐美的外銷產(chǎn)品尾塞與筆桿尾端間的配合力滿足大于50N的要求，但尾塞如凹進(jìn)或突出筆桿末端直身段的尺寸小于1mm的除外。要求做到筆套反套在筆桿尾端時(shí)，不會(huì)因?yàn)槲踩c筆桿配合松而在筆套拔出時(shí)將尾塞一并帶出。

3.筆套安全性要求

筆套的安全性能要求。為避免因筆套誤食時(shí)造成兒童室息的危險(xiǎn)，必須滿足GB21027中的相關(guān)要求[3]。

4.自動(dòng)化裝配要求

隨著制筆企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，筆的結(jié)構(gòu)通常都要滿足自動(dòng)裝配機(jī)進(jìn)行組裝的要求。這也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了較高的要求，要求筆的裝配部分結(jié)構(gòu)要滿足裝配機(jī)的高效、可靠的特點(diǎn)。

二、記號(hào)筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.塑料材料的選擇

記號(hào)筆所用的塑料材料的選用需要考慮多方面的要求，除了要考慮材料的加工性能、力學(xué)性能、熱性能和物理性能外，還要考慮材料的耐化學(xué)腐蝕性和阻隔性，需要選用高耐腐蝕和阻隔性高的材料。

目前記號(hào)筆通常選用聚丙烯（PP）塑料，又稱百折膠，由于PP料良好的流動(dòng)性，不吸水，易著色，光澤好，與墨水接觸不易產(chǎn)生化學(xué)變化，即化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，在制筆行業(yè)內(nèi)作為記號(hào)筆的首選材料。各零件工廠用料常選用的PP料牌號(hào)有：PP—5090T、PP—5600、PP—RP344R等。另外，高密度聚乙烯（HDPE）也是記號(hào)筆通常采用的材料，此材料有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性和對(duì)墨水溶劑的阻隔性。在記號(hào)筆設(shè)計(jì)試樣后需要進(jìn)行整體密封測試，來綜合考察密封性能。

2.零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

儲(chǔ)水芯式記號(hào)筆結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由筆套、筆頭、筆桿、儲(chǔ)水芯（內(nèi)含墨水）、尾塞（也稱端蓋）等組成。當(dāng)筆桿的外徑尺寸較大及導(dǎo)向長度不夠時(shí)，在筆套內(nèi)應(yīng)該還要設(shè)計(jì)一內(nèi)導(dǎo)向套，既可以密封筆頭，又可以起導(dǎo)向作用，防止碰傷筆頭。中間段是筆桿、儲(chǔ)水芯（內(nèi)含墨水）等組成。其中筆桿一般有二種結(jié)構(gòu)形式，分別是含尖套在內(nèi)及含尾塞在內(nèi)的一體式結(jié)構(gòu)，文中研究的是前者，經(jīng)常被設(shè)計(jì)師們選用。

圖1 記號(hào)筆典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of the marker

1）筆套與筆桿配合

記號(hào)筆的主要配合點(diǎn)分別為筆套與筆桿，以及筆桿與尾塞。其中筆套與筆桿的配合是重點(diǎn)，因?yàn)楣P套與筆桿的配合不僅要密封，還要考慮筆套插拔時(shí)的使用性能。

通常在筆套內(nèi)襯的內(nèi)表面上，設(shè)計(jì)有一道環(huán)筋，環(huán)筋的寬度宜在0.8mm至1.5mm之間，環(huán)筋圓弧的最高點(diǎn)宜凸出內(nèi)表面0.08mm至0.12mm之間，環(huán)筋采用強(qiáng)脫模的結(jié)構(gòu)成型。筆套內(nèi)環(huán)筋剖面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在筆桿前端插入筆套內(nèi)襯的外表面上也設(shè)計(jì)一道凸起的環(huán)筋結(jié)構(gòu)（見圖3）。當(dāng)筆桿與筆套的兩道環(huán)筋間配合時(shí)在徑向和軸向上都應(yīng)該要有一定的過盈量，形成密封環(huán)，達(dá)到密封和配合力要求。

這種配合方式對(duì)筆套與筆桿的尺寸精度要求比較高，不僅是徑向之間的過盈尺寸精度，還有軸向之間位置配合的精度。如果能做好的話，密封效果是比較好的。此外，這種配合方式的筆套插拔力比較大，適合于筆桿密封處的外徑尺寸小于φ8mm的記號(hào)筆。

另一種配合方式是筆桿前端插入筆套內(nèi)襯的外表面上無凸起的環(huán)筋，由于注塑成型脫模需要有適當(dāng)?shù)腻F度，通過筆桿前端外表面與筆套內(nèi)的環(huán)筋配合，形成一道密封環(huán)，達(dá)到密封和配合力要求，見圖4所示。

這種配合方式對(duì)筆套與筆桿的尺寸精度要求相對(duì)會(huì)低一些，并且筆套插拔力會(huì)比較小一些，適合于筆桿密封處的外徑尺寸大于φ8mm的記號(hào)筆。

筆套與筆桿配合還需要考慮筆套的定位和插拔力的大小。通常在筆套內(nèi)壁上會(huì)設(shè)計(jì)若干個(gè)卡點(diǎn)（見圖2中圓弧狀小凸點(diǎn)），一般是4～6個(gè)；在筆桿前端的外面會(huì)設(shè)計(jì)一道定位環(huán)筋（見圖4中的定位環(huán)筋）。筆套的卡點(diǎn)與筆桿的定位環(huán)筋同樣是過盈配合，當(dāng)筆桿插入筆套時(shí)，筆套的卡點(diǎn)需要爬過筆桿的定位環(huán)筋，同時(shí)筆套端面與筆桿臺(tái)階作為定位限制。配合不能太緊，使得筆桿插入筆套很困難，或者筆套拉力超標(biāo)；也不能太松，造成筆套竄動(dòng)而不密封。

圖2 筆套Fig.2 Cap of the marker

圖3 筆桿1Fig.3 Barrel 1 of the marker

2）筆桿與尾塞配合

筆桿與尾塞的配合重點(diǎn)在于緊密，因此在筆桿尾端的內(nèi)表面，以及尾塞與筆桿配合部位的外表面上各設(shè)計(jì)二道凸出的環(huán)筋（見圖5和圖6）。二道環(huán)筋間的軸向中心距離一般要求大于2.5mm，環(huán)筋寬度宜在0.8mm至1.5mm之間，環(huán)筋凸出表面宜在0.08mm至0.12mm，環(huán)筋間的配合有一定的過盈量，以達(dá)到零件間密封和配合力的要求。

圖4 筆桿2Fig.4 Barrel 2 of the marker

圖5 筆桿剖面結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structural diagram of the barrel section

圖6 尾塞外部結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 External structural diagram of the tail plug

在筆套、筆桿和尾塞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常都要設(shè)計(jì)若干條加強(qiáng)筋或定位筋，這些筋的寬度必須要小于該處壁厚，通常以該處最小壁厚的0.7倍設(shè)計(jì)。此外，為避免加強(qiáng)筋的收縮影響環(huán)筋的密封，應(yīng)該盡可能避開有環(huán)筋的部位（見圖3中B處局部圖）。

3）筆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從筆桿的環(huán)筋成型的品質(zhì)和方便出模等因素綜合考慮，筆桿尾端內(nèi)孔宜設(shè)計(jì)成階梯狀，即筆桿內(nèi)環(huán)筋的內(nèi)徑尺寸A，要比筆桿型芯臺(tái)階B大0.15 mm至0.25mm（見圖5中A和B），避免因型芯出模時(shí)把環(huán)筋碰傷、擦花等不良現(xiàn)象，保證筆桿、尾塞間的密封性能及配合力的要求。

4）異形筆桿與尾塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在記號(hào)筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到筆的橫截面為非旋轉(zhuǎn)體的造型，如橢圓形、三角形、長方形等異形筆的設(shè)計(jì)，其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由于徑向上材料的各向收縮不一致，注塑成型的環(huán)筋很難達(dá)到密封性能所要求的尺寸精度。為解決異形筆桿、尾塞間的密封問題，通常根據(jù)超音波焊接的方法來解決密封問題。

超音波焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的因素有很多[4]，例如導(dǎo)能點(diǎn)和焊接面的結(jié)構(gòu)形式將直接影響熔接及密封的效果；焊接面為一縮小的接觸面，以利高音波高能量的集中，達(dá)到快速熔接的效果；固定在焊接下模中的料件，被熔接處需有足夠的支撐面，以便上焊頭在傳遞能量至料件時(shí)，上、下料件間可相對(duì)的自由振動(dòng)來達(dá)到摩擦生熱而互相熔接；焊接面還要預(yù)留足夠的空間，讓熔接的材料流通以防外溢，影響美觀；焊頭與料件間的接觸面盡可能大而平坦以防傷到料件的表面等。

因此，異形筆桿、尾塞具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該關(guān)注以下的重點(diǎn)：

在筆桿的內(nèi)側(cè)表面上，宜將焊接的支撐面（見圖7），設(shè)計(jì)成有一定角度的斜面或小平面，當(dāng)尾塞和筆桿開始接觸時(shí)的一周為線接觸，利于能量集中，達(dá)到快速熔接目的。支撐面不宜太小，焊接開始時(shí)的接觸面積應(yīng)盡可能小，以防止焊接變形。

在尾塞外表面焊接處宜設(shè)計(jì)一周均勻料厚的小凸臺(tái)作為導(dǎo)能點(diǎn)（見圖8），確保有一定的熔融量與筆桿互相熔接在一起。小凸臺(tái)高度一般在0.6mm至0.9mm之間，方便尖角處先熔融而被熔接。凸臺(tái)如設(shè)計(jì)偏高，所需要的能量也要高，焊接材料尚未全部熔融就已固化了，會(huì)產(chǎn)生明顯離縫及焊接不牢。凸臺(tái)如設(shè)計(jì)偏矮，塑料熔融量不夠，易出現(xiàn)焊接不牢、虛焊等不良現(xiàn)象。

凸臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)可以把凸臺(tái)的高度先定為下限尺寸，留有修模的余量，尾塞與筆桿成型后，根據(jù)試焊后的效果，再適當(dāng)?shù)丶幽z修改尾塞模具，避免因凸臺(tái)設(shè)計(jì)過高，造成模具的補(bǔ)焊或重做問題。

圖7 筆桿內(nèi)側(cè)(焊接斜面)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Structural diagram of inside (welding bevel)

圖8 尾塞外側(cè)(小凸臺(tái))結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Structural diagram of outer side of the barrel (small boss) of the tail plug

三、性能檢測

為了檢驗(yàn)記號(hào)筆是否達(dá)到性能要求，在試裝成成品筆后，需進(jìn)行密封性能測試和零件間的配合力測試。

1.密封性能測試

將組裝好的成品試筆，在筆桿的表面中間位置附近，鉆一個(gè)一定直徑的小孔，用一連接氣泵軟管插入小孔，確保軟管與小孔間密封，并導(dǎo)入調(diào)好的氣泵壓力為1至1.5Kgf/cm2范圍內(nèi)的壓縮空氣至筆桿的內(nèi)部，再將試筆放入盛水的容器中，觀察筆桿的尾部和頭部，即尾塞和筆套分別與筆桿的連接處，如無氣泡冒出水面作為檢驗(yàn)密封性能合格的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)將成品試筆平放在55±2℃烘箱內(nèi)120hr后，取出試筆應(yīng)書寫正常，墨水減少量應(yīng)達(dá)到小于3%規(guī)定，則密封性能合格。

計(jì)算公式：墨水減少量%=（未經(jīng)測試筆重量G1-測試后筆重量G2）/總灌墨重量G3×100%

為了模擬長期存放的環(huán)境變化對(duì)產(chǎn)品的影響，可以考慮采用高低溫交變?cè)囼?yàn)方法進(jìn)行測試，將成品試筆筆頭向下放置于高低溫交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)，設(shè)置高溫55±2℃、低溫-20±2℃，設(shè)置溫度點(diǎn)維持4小時(shí)作為一個(gè)循環(huán)。進(jìn)行二輪循環(huán)試驗(yàn)，觀察滲漏墨情況，以及試驗(yàn)后書寫是否正常等，來判定零件間配合和密封性能。

2.零件間配合力的測定

1）筆套拉力測試

將成品試筆固定于數(shù)顯拉力儀的夾具上，開啟拉力儀，使筆套與筆桿脫離時(shí)的最大數(shù)值，即為筆套拉力的大小。該值在4.9N至39.2N之間為合格。

2）尾塞配合力測試

將成品試筆固定于數(shù)顯拉力儀的夾具上，開啟拉力儀，使尾塞與筆桿脫離時(shí)的最大數(shù)值，即為尾塞配合力的大小，該值應(yīng)該大于50N。

3）筆套的安全性能測試

筆套安全性能的測試可以按照GB21027的要求進(jìn)行。

四、結(jié)論

綜上所述，文中對(duì)儲(chǔ)水芯式記號(hào)筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，記號(hào)筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要圍繞滿足其密封性能要求展開。記號(hào)筆零件要選用對(duì)墨水溶劑阻隔性高的材料，零件間要配合可靠并有足夠的配合力防止松脫，從而影響產(chǎn)品的密封性。密封結(jié)構(gòu)宜采用環(huán)筋與環(huán)筋、環(huán)筋與面配合的型式，環(huán)筋尺寸要充分考慮材料的特性和成型工藝要求。異形筆桿和尾塞的密封宜采用超音波焊接的方式較為可靠。