閥門(mén)式記號(hào)筆設(shè)計(jì)淺析

周秋騰

上海金萬(wàn)年實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司 上海 200020

1.引言

記號(hào)筆是用塑料、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]。記號(hào)筆類(lèi)產(chǎn)品用途廣泛，品種不勝枚舉。常見(jiàn)大眾化的產(chǎn)品有油性記號(hào)筆、白板筆、微孔筆、熒光筆、水彩筆等，較小眾化特殊用途的產(chǎn)品有繪圖筆、軟筆、燈板筆、油漆筆、丙烯筆、POP廣告筆、高光筆等。按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分，目前記號(hào)筆常見(jiàn)的是儲(chǔ)水芯結(jié)構(gòu)，但隨著用戶(hù)需求的提高，文具廠商開(kāi)發(fā)了書(shū)寫(xiě)壽命更長(zhǎng)的記號(hào)筆，例如閥門(mén)式結(jié)構(gòu)的記號(hào)筆，書(shū)寫(xiě)長(zhǎng)度能達(dá)到常規(guī)記號(hào)筆的兩倍以上。另外，大多數(shù)記號(hào)筆因其使用的墨水本身具有揮發(fā)性，筆頭暴露空氣中墨水容易揮發(fā)干涸，導(dǎo)致筆頭堵塞書(shū)寫(xiě)不良等質(zhì)量問(wèn)題。為保證產(chǎn)品質(zhì)量及基本壽命要求，對(duì)于記號(hào)筆配件、結(jié)構(gòu)與其他筆類(lèi)的要求有著明顯的不同，需要各零配件之間配合后密封，確保筆頭不干涸，所以對(duì)零部件精度要求較高。

近年來(lái)，記號(hào)筆產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，文具廠商對(duì)記號(hào)筆的重視程度不斷提升，記號(hào)筆的研發(fā)設(shè)計(jì)能力及生產(chǎn)制造技術(shù)亦逐步完善，國(guó)內(nèi)外知名制筆企業(yè)都把記號(hào)筆的發(fā)展作為未來(lái)主要發(fā)展方向。

2.閥門(mén)式記號(hào)筆的性能要求

2.1 配件密封性能及成品抗漏性要求

記號(hào)筆按儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)分為儲(chǔ)水芯式記號(hào)筆和直液式記號(hào)筆[2]1。直液式記號(hào)筆又可分為儲(chǔ)水器結(jié)構(gòu)和閥門(mén)結(jié)構(gòu)兩類(lèi)，閥門(mén)結(jié)構(gòu)的筆直接將墨水灌注在筆桿內(nèi)部中，筆頭插入筆桿的前端開(kāi)口處，并且閥門(mén)部分設(shè)置在筆桿前端，以阻止墨水從筆桿中流出[3]。閥門(mén)結(jié)構(gòu)首先要求閥門(mén)本身不僅具有按動(dòng)開(kāi)啟閉合的基礎(chǔ)功能，還必須兼?zhèn)錃饷苄怨δ堋ｉy門(mén)與筆桿配合、尾塞與筆桿配合及筆帽與筆桿配合都需要滿(mǎn)足氣密性要求。閥門(mén)式記號(hào)筆是直接灌裝墨水在筆桿內(nèi)部，從各零配件之間配合關(guān)系及對(duì)成品筆性能要求來(lái)看，閥門(mén)式結(jié)構(gòu)的記號(hào)筆比儲(chǔ)水芯式記號(hào)筆復(fù)雜，對(duì)于產(chǎn)品功能性要求及模具精度要求更高。

2.2 按動(dòng)書(shū)寫(xiě)功能

常見(jiàn)的前置按動(dòng)閥門(mén)式結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由筆套、筆頭、前筆桿（內(nèi)有儲(chǔ)水芯或儲(chǔ)水海綿）、閥門(mén)、筆桿及尾塞等組成。通過(guò)按壓筆頭使閥門(mén)開(kāi)啟，讓筆桿內(nèi)的墨水從閥門(mén)出墨口流動(dòng)到前筆桿內(nèi)，不按壓時(shí)由彈簧作用將閥門(mén)關(guān)閉。按壓流出的墨水浸潤(rùn)筆頭實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)功能，多余部分墨水則由前筆桿內(nèi)部的儲(chǔ)水海綿或儲(chǔ)水芯吸附儲(chǔ)存，可防止按壓時(shí)流出墨水太多造成漏墨，也可在書(shū)寫(xiě)使用過(guò)程中供應(yīng)給筆頭滿(mǎn)足持續(xù)書(shū)寫(xiě)的要求。

圖1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)-前置按動(dòng)

后置按動(dòng)閥門(mén)式結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)按壓尾塞使閥門(mén)開(kāi)啟，讓筆桿內(nèi)的墨水從閥門(mén)出墨口流動(dòng)到前筆桿內(nèi)，墨水浸潤(rùn)筆頭實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)功能，不按壓時(shí)由彈簧作用將閥門(mén)關(guān)閉。前置按壓閥門(mén)式結(jié)構(gòu)是通過(guò)持續(xù)按壓筆頭來(lái)開(kāi)啟閥門(mén)，筆頭要額外承受軸向的按壓力，所以對(duì)于筆頭的纖維材質(zhì)及使用壽命要求更高[4]。如果還具有補(bǔ)充墨水的功能，那么建議要采用亞克力（PMMA）纖維筆頭，這種材質(zhì)筆頭相對(duì)于普通纖維材質(zhì)的筆頭具有更優(yōu)良的耐酸堿性能，更高的按壓強(qiáng)度和更長(zhǎng)的使用壽命。后置按動(dòng)閥門(mén)式結(jié)構(gòu)是通過(guò)尾塞后置按動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟，在閥門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中筆頭處于靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)需額外承受軸向的按壓力，因此對(duì)于筆頭材質(zhì)無(wú)特殊要求。但是，對(duì)尾部的密封又提出了新的要求。

圖2 閥門(mén)結(jié)構(gòu)-后置按動(dòng)

2.3 可循環(huán)加水功能和筆帽安全性能

記號(hào)筆類(lèi)產(chǎn)品在我們的生活中應(yīng)用很廣泛，所以近年來(lái)記號(hào)筆類(lèi)的市場(chǎng)需求逐步增加。為滿(mǎn)足客戶(hù)需求，各大文具廠商不斷在記號(hào)筆類(lèi)的研發(fā)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。如尾塞可設(shè)計(jì)螺紋結(jié)構(gòu)，一旦使用完墨水可以在筆套蓋緊（閥門(mén)關(guān)閉）后將尾塞旋開(kāi)，加入配套的記號(hào)墨水，方便消費(fèi)者重復(fù)循環(huán)使用，尾塞部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于學(xué)生使用的記號(hào)筆類(lèi)產(chǎn)品，筆套還需要滿(mǎn)足安全性的要求[5]3。

圖3 筆帽倒扣尾塞-循環(huán)加水功能圖

3.閥門(mén)式記號(hào)筆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

關(guān)于注塑配件材料要求可以參考文獻(xiàn)[6]24有關(guān)塑料材料的選擇，對(duì)于記號(hào)筆配件使用的注塑材料有專(zhuān)業(yè)的解說(shuō)。這里主要以前置按壓閥門(mén)式記號(hào)筆說(shuō)明閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。閥門(mén)結(jié)構(gòu)本身要求其要實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟閉合功能，還要保障閉合狀態(tài)下的密封性能。圖4是閥門(mén)的結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)塞的表面上，設(shè)計(jì)有一道環(huán)筋，環(huán)筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環(huán)筋扣線(xiàn)的最高點(diǎn)凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環(huán)筋采用強(qiáng)脫模結(jié)構(gòu)成型。大塞的內(nèi)表面上，也設(shè)計(jì)有一道環(huán)筋，環(huán)筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環(huán)筋扣線(xiàn)的最高點(diǎn)凸出內(nèi)表面0.1mm至0.12mm之間，環(huán)筋采用強(qiáng)脫模結(jié)構(gòu)成型。內(nèi)塞與大塞之間的兩道環(huán)筋配合時(shí)單邊有0.05mm至0.08mm的過(guò)盈量形成雙密封環(huán)，既有扣緊力還能達(dá)到密封性能要求。

圖4 閥門(mén)

閥門(mén)結(jié)構(gòu)主要開(kāi)啟和閉合功能是由頂針、內(nèi)塞及壓縮彈簧的配合實(shí)現(xiàn)，筆頭與頂針連成一體，按壓筆頭時(shí)，推動(dòng)頂針使閥門(mén)開(kāi)啟，不按壓時(shí)頂針與內(nèi)塞在壓縮彈簧[7]作用下進(jìn)行密封。筆頭在書(shū)寫(xiě)表面上書(shū)寫(xiě)時(shí)的軸向作用力一般約2N～3N，在書(shū)寫(xiě)時(shí)不能輕易使筆頭開(kāi)啟閥門(mén)，避免產(chǎn)生墨水流出閥門(mén)超過(guò)儲(chǔ)水芯的飽和量，出現(xiàn)產(chǎn)品漏水異常，所以閥門(mén)是閥門(mén)記號(hào)筆的核心，那么壓縮彈簧就是閥門(mén)的核心部件。閥門(mén)結(jié)構(gòu)不僅要根據(jù)閥門(mén)內(nèi)部空間尺寸選用合適的壓縮彈簧尺寸，還要計(jì)算彈簧壓縮后產(chǎn)生的彈力。一般閥門(mén)式記號(hào)筆選用的壓力彈簧組裝后產(chǎn)生的軸向力在7N～10N之間較合適，這樣不僅可以較好地密封，按筆頭時(shí)力量也合適，筆頭也能承受，正常書(shū)寫(xiě)時(shí)閥門(mén)不會(huì)開(kāi)啟。另外壓縮彈簧須采用不銹鋼材質(zhì)，常用牌號(hào)有201、304及316等，一般選用304。304 是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于要求制作綜合性能（耐腐蝕和成型性）良好的設(shè)備和機(jī)件。304不銹鋼是按照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出來(lái)的不銹鋼的一個(gè)牌號(hào)，我國(guó)牌號(hào)0Cr18Ni9(舊牌號(hào))、06Cr19Ni10(新牌號(hào)）[8]。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼必須含有18%以上的鉻及8%以上的鎳含量。

3.2 筆桿與閥門(mén)的配合

一般筆桿與閥門(mén)有兩種常見(jiàn)的配合結(jié)構(gòu)，一種是采用內(nèi)密封環(huán)筋過(guò)盈配合，另一種采用雙密封環(huán)筋過(guò)盈配合。圖5所示為內(nèi)密封環(huán)筋過(guò)盈配合。在筆桿內(nèi)表面上，設(shè)計(jì)有一道環(huán)筋，環(huán)筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環(huán)筋扣線(xiàn)的最高點(diǎn)凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環(huán)筋采用強(qiáng)脫模結(jié)構(gòu)成型。閥門(mén)配件的大塞密封位采用直位（直線(xiàn)面接觸）密封，閥門(mén)裝配入筆桿內(nèi)與內(nèi)密封環(huán)筋過(guò)盈配合密封。

圖5 筆桿

閥門(mén)

圖6所示為雙密封環(huán)筋過(guò)盈配合。前筆桿內(nèi)表面上，設(shè)計(jì)有兩道環(huán)筋，環(huán)筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環(huán)筋扣線(xiàn)的最高點(diǎn)凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環(huán)筋采用強(qiáng)脫模結(jié)構(gòu)成型。閥門(mén)配件的大塞密封位采用直位密封，閥門(mén)裝配入前筆桿內(nèi)與內(nèi)密封環(huán)筋過(guò)盈配合密封。

圖6 筆桿

閥門(mén)

筆桿與筆帽的配合，可以參考文獻(xiàn)[6]25有關(guān)于筆套與筆桿配合結(jié)構(gòu)。筆桿與尾塞的配合，可以設(shè)計(jì)可加墨水功能，一般在筆桿尾端設(shè)計(jì)可拆卸的尾塞，采用螺紋結(jié)構(gòu)。本文主要針對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)，在此不對(duì)螺紋密封結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。

4.閥門(mén)式記號(hào)筆的功能檢測(cè)

閥門(mén)式記號(hào)筆配件較多，裝配工藝復(fù)雜，對(duì)其功能是否符合設(shè)計(jì)要求要進(jìn)行多方面檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括配件密封性能、成品抗漏性要求、按動(dòng)性能、出墨性能及各零配件間的配合力檢測(cè)等。

4.1 零配件間的密封性能檢測(cè)

用一連接氣泵軟管插入特制尼龍膠掛具(中心有通氣孔)，確保軟管與尼龍膠掛具中心孔間密封，并導(dǎo)入調(diào)好的氣泵壓力為1.5Kgf/cm2的壓縮空氣至所需測(cè)試氣密性的零配件（已裝配），再將零配件放入盛水的容器中，觀察零配件配合密封位的連接處，如無(wú)氣泡冒出水面作為檢驗(yàn)密封性能合格的標(biāo)準(zhǔn)。成品筆抗漏性能檢測(cè)參考記號(hào)筆行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]3采用減壓儀進(jìn)行測(cè)試，首先將減壓儀的減壓速度調(diào)至－12kPa/min～－10.7kPa/min，然后將試筆取下筆帽，再將試筆筆頭朝下插入筆架，放入減壓儀真空罩內(nèi)。開(kāi)啟減壓儀，當(dāng)真空度達(dá)到-10kPa后，保持15min，試筆應(yīng)以不產(chǎn)生漏墨水異常即合格。另外可以參考文獻(xiàn)[6]27中提出的模擬長(zhǎng)期存放的環(huán)境變化對(duì)產(chǎn)品的影響，采用高低溫交變?cè)囼?yàn)方法進(jìn)行測(cè)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60±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)，再進(jìn)行二輪循環(huán)試驗(yàn)，觀察試筆滲漏墨情況，以及試驗(yàn)后書(shū)寫(xiě)是否正常等，來(lái)判定零配件間配合和密封性能。

4.2 筆頭按動(dòng)性能及出水性能檢測(cè)

第一次使用時(shí)墨水能快捷地流出，將試筆筆頭朝下按動(dòng)，來(lái)回按動(dòng)每下大約3s，應(yīng)在30s內(nèi)筆頭完全顯色。在筆頭充盈墨水狀態(tài)下，劃線(xiàn)長(zhǎng)度≥10m。在書(shū)寫(xiě)介質(zhì)上進(jìn)行正常書(shū)寫(xiě)，筆頭不應(yīng)縮進(jìn)筆桿內(nèi)。

4.3 零配件間的配合力和筆帽安全性檢測(cè)

筆帽拉拔力測(cè)試，將成品試筆固定于數(shù)顯拉力儀的夾具上，開(kāi)啟拉力儀，使筆帽與筆桿脫離時(shí)的最大數(shù)值，即為筆帽拉拔力的大小。該數(shù)值按標(biāo)準(zhǔn)在4.9N至39.2N之間為合格。

適合學(xué)生使用的記號(hào)筆，筆帽安全性測(cè)試可以按照文獻(xiàn)[5]4-5要求進(jìn)行檢測(cè)。

5.總結(jié)

對(duì)閥門(mén)式記號(hào)筆的性能要求、設(shè)計(jì)要求及性能檢測(cè)等三個(gè)主要方面進(jìn)行探討。分析了閥門(mén)式記號(hào)筆的性能要求，提出了閥門(mén)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及產(chǎn)品制造過(guò)程中如何快速進(jìn)行零部件和成品性能檢測(cè)方法。近年來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)日新月異，制筆行業(yè)緊隨國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展腳步，腳踏實(shí)地不斷科學(xué)創(chuàng)新，隨著制筆行業(yè)工藝技術(shù)水平提升，材料和墨水制造技術(shù)的發(fā)展，以及自動(dòng)化裝配和智能制造的齊頭并進(jìn)，記號(hào)筆的品種越來(lái)越豐富，市場(chǎng)上已出現(xiàn)一些技術(shù)含量較高的產(chǎn)品，比如按動(dòng)式記號(hào)筆、常開(kāi)帽記號(hào)筆（墨水技術(shù)）、透視窗熒光筆[9]、水寫(xiě)記號(hào)筆（墨水及材料技術(shù)）等。在強(qiáng)大國(guó)力支持下，相信會(huì)有更多技術(shù)含量高的新產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)在市場(chǎng)上。我們也要在產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)上努力創(chuàng)新，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加精益求精，更加完善，讓產(chǎn)品在消費(fèi)者手中使用得更加舒適。