周勝, 董周

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圓珠筆的書寫性能主要由筆頭的品質(zhì)決定，但傳統(tǒng)筆頭各零部件的生產(chǎn)工藝會(huì)相互掣肘，譬如要在盡可能縮小書寫角度的同時(shí)確保筆頭書寫流暢，而兩者往往容易顧此失彼。如果一味追求較小的書寫角度，容易引發(fā)筆頭掉珠等問題[1]，也會(huì)不利于書寫。因其極限值難以界定，導(dǎo)致加工面臨兩難困境。傳統(tǒng)筆頭的生產(chǎn)制造還存在諸多不足，特別是其固有的結(jié)構(gòu)工藝性缺陷，加大了加工難度，而嚴(yán)格苛刻的精度要求和復(fù)雜分散的加工步驟也會(huì)造成材料和人工的極大浪費(fèi)，導(dǎo)致成本居高不下，生產(chǎn)型企業(yè)利潤(rùn)被壓縮。由此可見，傳統(tǒng)圓珠筆的設(shè)計(jì)制造過程受到多重限制。針對(duì)以上難題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一種U型筆頭結(jié)構(gòu)方案。

1 結(jié)構(gòu)組件及連接關(guān)系

U 型筆頭由球珠、U 形球座體、導(dǎo)墨帶絲、油管連接件組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。其組件設(shè)計(jì)示意圖見（圖1）。

圖1 U 型筆頭組件設(shè)計(jì)示意圖

將略長(zhǎng)于U 形球座體彎折前總長(zhǎng)的導(dǎo)墨帶絲穿入球座體中孔內(nèi)，起引墨作用。由于油管連接件設(shè)有與U 形球座體兩供墨管直徑相等但不平行的預(yù)裝孔，當(dāng)球座體尾部插入油管連接件的預(yù)裝孔時(shí)，U 形球座體兩供墨管的角度由平行變?yōu)槌?.8°夾角（按照實(shí)配情況調(diào)整，一般不能低于2°），從而使得球座體頂部發(fā)生可控形變，形成環(huán)抱式空間以防球珠脫落。

2 U 型筆頭的設(shè)計(jì)原理

為解決傳統(tǒng)筆頭在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，本文綜合考慮書寫角度、出墨量、初寫特性等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，創(chuàng)造性地提出了U 型筆頭設(shè)計(jì)方案，有效提升了零件的結(jié)構(gòu)工藝性，改善了書寫和安全性能。筆頭的設(shè)計(jì)原理見（圖2）。

圖2 筆頭設(shè)計(jì)原理示意圖

U 型筆頭的主體結(jié)構(gòu)是一根頂部裝配有球珠且彎折成U 形的鎳白銅管。固定視角下，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，書寫角度會(huì)隨筆頭中心旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。（圖3）為U 形筆頭以不同角度放置所對(duì)應(yīng)的書寫角度。（以U 形、預(yù)設(shè)角度為0°放置作為起始參照，旋轉(zhuǎn)角度每增加10°記錄）

圖3 U 形筆頭以不同擺放角度對(duì)應(yīng)的書寫角

以具有代表性的兩種方向?yàn)槔?，見圖4 中（1）方向時(shí)，以φ0.7 mm 球珠為例理論書寫角度為6.2°-8.5°左右。此舉可確保以任意握筆角度書寫，球座體口邊均不接觸書寫物，從根源上杜絕筆頭刮紙現(xiàn)象，有效延長(zhǎng)圓珠筆使用壽命。若以（2）方向，U 型筆頭的理論書寫角度為46.7°-48.5°左右，憑借其特殊的圓弧狀頂邊設(shè)計(jì)，得以發(fā)揮傳統(tǒng)筆頭所不具備的正姿功能。當(dāng)筆頭與書寫物夾角過小時(shí)，球座體頂邊會(huì)與書寫物相抵，需調(diào)整至規(guī)范角度方可正常使用。此時(shí)可以理解為環(huán)抱球珠的工作部（球座體口邊）與書寫物無(wú)接觸（見圖5:U 形球座體口邊與頂邊），避免發(fā)生球座體口邊磨損、球珠脫落等現(xiàn)象。即使在書寫時(shí)因握筆姿勢(shì)不規(guī)范導(dǎo)致球座體頂邊與書寫物相摩擦，其圓弧設(shè)計(jì)也能有效減小接觸面，較小的摩擦力也不會(huì)致使筆頭出現(xiàn)書寫受阻、飛白等問題。

圖4 兩種代表性方向的書寫角度

圖 5 U 形球座體口邊和頂邊

U 型筆頭得益于獨(dú)特的球座體雙供墨管結(jié)構(gòu)布局，在優(yōu)化重要技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，大幅改善了書寫性能。就供墨系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)筆頭因其固有的結(jié)構(gòu)缺陷難以在提高書寫順滑度與不污染書寫物之間取得平衡，更多的出墨量有利于流暢書寫卻會(huì)造成漏墨使紙張受污；出墨量少有利于節(jié)能環(huán)保卻又導(dǎo)致書寫不暢。方便可控的夾角收口設(shè)計(jì)可及時(shí)調(diào)整球座與球珠的間隙，確保書寫過程中隨著球珠的轉(zhuǎn)動(dòng)，將未轉(zhuǎn)移至?xí)鴮懕砻娴氖Ｓ嘤湍珟Щ厍蜃?，有效降低冒油風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到出墨均勻、書寫順暢且不污染書寫表面的效果。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為給U 型筆頭圓珠筆用戶提供更好的書寫體驗(yàn)，創(chuàng)造性地將親水性較強(qiáng)且耐腐蝕的06cr19ni10 不銹鋼材料[2]制成導(dǎo)墨帶絲，并將其插入U(xiǎn) 形球座體中，使筆頭出墨量趨于平穩(wěn)。導(dǎo)墨帶絲在被裝入球座體時(shí)，會(huì)隨著球座體內(nèi)部角度變化彎折成與其一致的U 形，且能利用自身彈性與球珠相抵，確保球珠與相貼面之間留有間隙。球珠工作時(shí)會(huì)因受壓攜同球座體內(nèi)部導(dǎo)墨帶絲回縮；不書寫時(shí)，導(dǎo)墨帶絲自然舒展，抵住球珠使其緊貼球座體口邊，有效防止空氣進(jìn)入或油墨外漏，進(jìn)一步提升筆頭的書寫性能。從便于圓珠筆生產(chǎn)制造和實(shí)際使用的角度考慮，在U 型筆頭的球座體口邊開設(shè)一條寬度僅為0.02 mm 的細(xì)縫。其設(shè)計(jì)原理是利用液體表面張力制造出一條毛細(xì)通道，油墨會(huì)在重力的影響下流至縫隙處，部分油墨附著在球珠上。球座體口邊的極細(xì)開縫也能夠儲(chǔ)存少量油墨，杜絕筆頭出現(xiàn)斷墨現(xiàn)象。與此同時(shí)，U 型筆頭在裝配后會(huì)形成一個(gè)夾角并帶動(dòng)球座體口邊開縫發(fā)生可控形變，使開縫的外口收縮閉合，以此確保油墨能夠順利流過球座體口邊開縫而不外漏。多種舉措相互配合，保障U 型筆頭具有穩(wěn)定的供墨系統(tǒng)和極佳的初寫特性。

為了提高圓珠筆使用的安全性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用圓滑的U 形球座體頂部代替?zhèn)鹘y(tǒng)筆頭的尖銳頂端，以此增大接觸面積從而減小壓強(qiáng)，大大降低了因使用者操作不當(dāng)而造成的安全隱患。

3 U 型筆頭主要零件的制造方案

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在構(gòu)思U 型筆頭時(shí)秉持著簡(jiǎn)約實(shí)用的設(shè)計(jì)理念，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)筆頭制造工藝，從而在最大程度上提高資源的利用效率。

U 型筆頭由球珠、U 型球座體、導(dǎo)墨絲、油管連接件四部分組成。各零配件所選材料如下：球珠（9Cr18不銹鋼）、U型球座體（C72500鎳白銅）、導(dǎo)墨絲（06cr19ni10不銹鋼）、油管連接件（pp 聚丙烯）。

3.1 球珠：U型筆頭球珠與傳統(tǒng)筆頭球珠的制作工藝一致，可相互替代

3.1.1 工藝流程：落料 — 打角成型 — 成品研磨 — 精光加工

3.1.2 操作步驟：第一步是落料：將直徑為Φ0.9～ Φ0.95mm的不銹鋼料切割成長(zhǎng)度為0.95±0.02mm 的料段，隨后進(jìn)入打角工序，將料段初步碾成球珠毛坯，接著進(jìn)行成品研磨，最后再精光加工成Φ0.7mm 成品球珠。半成品檢測(cè)及熱處理等輔助工序于上述步驟間穿插進(jìn)行。

3.2 U形球座體：主體為一根彎折成U型的鎳白銅管，有別于傳統(tǒng)筆頭，有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)工藝性

3.2.1 工藝流程：彎折落料 — 開球座孔 — 沖相貼面 — 球座體開縫

3.2.2 操作步驟：第一道工序是彎折及落料，兩者在實(shí)際操作時(shí)可合并處理。利用毛細(xì)小管全自動(dòng)彎折機(jī)對(duì)指定直徑的鎳白銅管材料進(jìn)行加工，將其從彎折機(jī)送料口推出，待出料達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度后，由折彎回轉(zhuǎn)臺(tái)彎折管材，最后通過激光或刀具斷料便可成型出U 形球座體毛坯。第二道工序是在U 形球座體的頂部開設(shè)球珠安裝孔（球珠孔），以自動(dòng)儀表車床為載體，換裝U 形球座體專用送料裝夾一體工裝，夾持住球座體的兩根供墨管，在U 形球座體頂部鉆削出底孔，球珠孔初步成型。下一道工序是球座體沖孔（俗稱沖圓）。沖孔過程的加工質(zhì)量直接決定了球座的品質(zhì)，對(duì)球珠與相貼面的配合情況、出墨率、書寫體驗(yàn)等都有一定影響。注：每沖制2-3 萬(wàn)支球座后需檢查并更換新沖頭。完成沖制后，進(jìn)入U(xiǎn) 形球座體最后一道加工工序：采用電化學(xué)蝕刻的加工工藝，在球座體頂端開設(shè)一條寬度僅為0.02 mm 的極細(xì)縫。原理是利用液體表面的張力制造出毛細(xì)效應(yīng)，有利于穩(wěn)定筆頭出墨率、提升書寫性能。

3.3 導(dǎo)墨帶絲：是U型筆頭的特有配件，首次出現(xiàn)在筆頭結(jié)構(gòu)中。其主要作用是將油墨穩(wěn)定地從油管引到球座體內(nèi)再運(yùn)輸?shù)角蛑?。利用其彎曲后的彈性固定球珠，從而提高筆頭的氣密性和抗漏性

3.3.1 工藝流程：沖壓

3.3.2 加工步驟：導(dǎo)墨帶絲僅需一道加工工序，操作簡(jiǎn)單。以自動(dòng)進(jìn)料高速?zèng)_床為載體，利用內(nèi)嵌凸圓弧沖切模具沖制，在加工過程中沖制凹型弧面應(yīng)與沖切步驟同時(shí)進(jìn)行，以保證精度?？墒褂靡怀龆鄾_切模具提高生產(chǎn)效率。

3.4 油管連接件：不同于功能單一的傳統(tǒng)筆頭油管連接件，U型筆頭的油管連接件不僅起到連接球座體和油管的作用，還能夠?qū)形球座體的兩根平行的供墨管向外分張至指定角度，確保U形球座體頂部口邊發(fā)生可控形變、閉合球座頂端開縫從而形成環(huán)抱空間

3.4.1 加工工藝：注塑

3.4.2 加工步驟：借助高速高壓的注射機(jī)，使用導(dǎo)柱塞將已經(jīng)塑化的聚丙烯熔體注入到溫度較低的哈夫模具中。當(dāng)聚丙烯溶體充滿模腔時(shí)，加壓待其冷卻定型后即可固化，分離哈夫模具取出制件。

3.5 U型筆頭裝配模型圖及實(shí)物展示

U 型筆頭裝配模型圖如圖6。

圖6 U 型筆頭裝配模型圖

U 形球座體實(shí)物演示如圖7。

圖7 U 形球座體實(shí)物展示圖

4 U 型筆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，開創(chuàng)性地以鎳白銅U 形管取代傳統(tǒng)球座體，利用導(dǎo)墨帶絲發(fā)揮油槽的功能，以裝配油管連接件的方式使球珠孔向內(nèi)收縮形成環(huán)抱空間，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)筆頭的收口工序，提高了筆頭加工和裝配的精度，大幅提升零件的結(jié)構(gòu)工藝性，可有效解決傳統(tǒng)筆頭生產(chǎn)難度大、加工損耗高等問題。合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化了書寫角度、出墨率、初寫特性等技術(shù)參數(shù)，改善了書寫性能。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)出于人性化考慮，以圓滑的U 型筆頭頂端代替?zhèn)鹘y(tǒng)筆頭尖銳的頂部，以此增大接觸面積從而減小壓強(qiáng)，大大降低了因使用者操作不當(dāng)而造成的安全隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)一直是世界公認(rèn)的圓珠筆制造大國(guó)，性能優(yōu)異，價(jià)格低廉的圓珠筆產(chǎn)品在市場(chǎng)中獲得了廣大消費(fèi)者的一致好評(píng)。但是因制造型企業(yè)利潤(rùn)較低，效益提升和成本控制的難題接踵而至，因此市場(chǎng)下一步應(yīng)以提高產(chǎn)品科技水平和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)為導(dǎo)向，在保證圓珠筆優(yōu)越書寫性能的同時(shí)推動(dòng)制筆企業(yè)向低成本、低損耗的經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展為攻克上述難關(guān)，團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)筆頭的設(shè)計(jì)思維，刪繁就簡(jiǎn)，銳意創(chuàng)新，提出了一套由球珠、U 形球座體、導(dǎo)墨帶絲、油管連接件組成的U 型筆頭設(shè)計(jì)方案。U 型筆頭憑借其良好的結(jié)構(gòu)工藝性，有效節(jié)約加工成本、提高生產(chǎn)效率。

從實(shí)際使用角度出發(fā)，U 型筆頭憑借合理的設(shè)計(jì)步驟使圓珠筆最為關(guān)鍵的書寫性能得以提升。與傳統(tǒng)筆頭相比，其具有書寫角度小、出墨穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提升產(chǎn)品價(jià)值。

隨著時(shí)代不斷發(fā)展，制筆工業(yè)節(jié)能環(huán)保和利潤(rùn)提升的訴求日益突出[3]。U 型筆頭的設(shè)計(jì)方案在提高我國(guó)圓珠筆設(shè)計(jì)制造水平的同時(shí)降低了能源損耗，迎合了打造經(jīng)濟(jì)型制筆企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)圓珠筆市場(chǎng)走上良性循環(huán)的軌道。

目前U 型筆頭設(shè)計(jì)方案雛形初具，需要在實(shí)踐的檢驗(yàn)中不斷完善，歡迎大家提出寶貴意見與建議。