旋轉式自動鉛筆的創新設計

邵秋萍等

【摘 要】目前市場上自動鉛筆一般采用脈動式機芯結構，而本設計利用口紅旋轉的結構設計實現鉛芯的進與退，即采用了旋轉式結構。用類似三爪卡盤的機構夾住筆芯（約夾0.2cm），通過盡量減少夾頭夾緊的長度以及改變旋轉式自動筆出鉛螺旋套前部的錐度來實現節約鉛芯，實現了鉛芯最大程度的利用。該設計結構簡便合理，使用更加方便。通過關鍵零件的強度及ANSYA等分析得知，結構可靠。

【關鍵詞】旋轉式自動筆；夾頭；鉛芯；力學分析

【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

脈動式細芯活動鉛筆是在日本研制成功0.5mm和0.7mm合成樹脂細鉛芯后出現的，它可以使用這兩種鉛芯。而旋轉式自動筆只能適用0.9mm的鉛芯，且造價比較高，因此其應用受到一定的制約。只有降低成本，改進結構才可以改變旋轉式自動筆的現狀。當然，旋轉式自動筆仍然在不斷創新。目前市場上也有一種新型旋轉式自動筆，通過旋轉來輸送筆芯[1]。但是其出鉛螺旋套的前部是平頭的結構，而自動筆筆頭的內部與出鉛螺旋套相接的地方也是平面，因為自動筆的筆頭是錐形設計，因此這個結構的設計就不可避免的限制了出鉛螺旋套的推進范圍，其節省鉛芯的程度也受限，不能很好的發揮旋轉式自動筆的優勢。

1 旋轉式自動筆的創新設計

1.1 旋轉式自動筆的原理

旋轉式自動筆利用一種類似于口紅的結構進行鉛芯的推送，當轉動自動筆尾部旋鈕后，旋鈕結構上的外螺紋與中間桿末端的內螺紋嚙合，從而使中間桿前進或者后退。當機構碰到榫槽時會夾緊鉛芯使之不掉落，在沒有榫槽的地方便會松開，方便換芯。

1.2 旋轉式自動筆的創新改進

上述的這種旋轉式自動筆存在一定的缺陷，由于其推出范圍受限，有一段鉛芯必然因推不出而浪費，現對機構作如下改進：

1）不使用榫槽，將夾住鉛芯的結構換成夾頭；

2）在夾頭沒有夾鉛芯且三個爪閉合的情況下，開一個深度為2mm，半徑為0.347mm的圓柱形孔。使夾頭夾住鉛芯的最大長度為2mm，這樣可以很好的節約鉛芯。半徑為0.347mm的圓孔可以保證自動筆能使用0.5mm與0.7mm的鉛芯，同時在特殊情況下也可以使用0.35mm的鉛芯。此舉意在增大自動筆適用鉛芯的范圍；

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，便于旋轉與固定。

2 創新旋轉筆的力學分析

2.1 基于ANSYS的靜力學

通過對自動筆的ANSYS分析，當加載M=0.02NM的鉛芯擰緊力矩時，夾頭各部位的變形完全符合要求。

2.2 鉛芯強度校核、夾緊力分析

1）鉛芯的彎曲強度校核

以直徑0.7mm，硬度記號為HB的活動鉛筆用芯作為校核對象進行彎曲強度校核，過程如下[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） 試驗方法按照圖4進行，把鉛芯放在兩個支點的中央部分，以每分鐘10mm的速度，在鉛芯的中央施加荷重，然后測定鉛芯折斷時的荷重，并用以下公式算出其彎曲強度。

另外，將增加荷重的尖端以及兩個支點的頂端的形狀設定為R0.2mm。

進行多次試驗取平均值，將平均值與160 MPa進行比較：若大于160 MPa，則符合標準；反之，則不符合使用標準。0.35mm和0.5mm鉛芯彎曲強度的試驗方法同上，其最小彎曲強度分別為240MPa和190 MPa。結果符合標準。

2）基于SolidWorks的鉛芯夾緊力分析

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

依據《自動補償式活動鉛筆》標準編制說明的部分內容：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中對鉛芯的受力大小與方向規定如下：大小設置為8.5N，方向為夾頭徑向方向。夾緊的鉛芯直徑為0.7mm，長度為2mm。

3 總結

通過3D打印的樣筆，機構可靠，操作靈活自如，鉛芯利用率高，且適合0.35mm和0.7mm兩種鉛芯，改進了已有自動筆的不足。

【參考文獻】

[1]劉滄鎮.旋轉式自動鉛筆[P].中國專利：CN98203850.X.1998.

[2]楊榮康.日本工業標準.活動鉛筆用鉛芯[J].中國制筆，2009（2）：34-47.

[責任編輯：鄧麗麗]