記號筆結構設計要點

許云波，吳瑛戟，張窘

1.真彩文具股份有限公司，昆山 215343 2.上海制筆技術服務有限公司，上海 201612

引 言

記號筆是諸多記號筆品類的統稱，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或標志的筆[1]。它可分為油性記號筆、水性記號筆、白板筆、熒光筆、水彩筆和微孔筆頭墨水筆等。記號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的揮發性，這就要求記號筆本身具有很好的密封性能，才能減緩其墨水的滲透、揮發等。特別在高溫、干燥的環境下，即使是揮發性不強的水性墨水，同樣需要記號筆具有良好的密封性能，來防止墨水揮發，更關鍵的是防止筆頭干涸、堵塞引起書寫不良等致命質量問題的產生。所以記號筆必須選用合適的材料，采用合理的結構，筆的相關零件的配合部分達到密封性能及力學性能等要求，才能維持記號筆在保質期內具有良好的使用性能。

一、記號筆結構設計性能要求

按照記號筆的特點，要求記號筆的結構設計必須滿足以下性能要求：

1.密封性能要求

按照通用的設計要求，記號筆的保質期一般要大于2年，要求在常溫儲存的條件下，保質期內墨水揮發損失小于5%，初筆書寫、書寫長度等性能滿足行業標準的各項要求。因而記號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）對于出口歐美的外銷產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，不會因為尾塞與筆桿配合松而在筆套拔出時將尾塞一并帶出。

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造成兒童室息的危險，必須滿足GB21027中的相關要求[3]。

4.自動化裝配要求

隨著制筆企業自動化程度的提高，筆的結構通常都要滿足自動裝配機進行組裝的要求。這也給結構設計人員提出了較高的要求，要求筆的裝配部分結構要滿足裝配機的高效、可靠的特點。

二、記號筆結構設計要點

1.塑料材料的選擇

記號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、力學性能、熱性能和物理性能外，還要考慮材料的耐化學腐蝕性和阻隔性，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料良好的流動性，不吸水，易著色，光澤好，與墨水接觸不易產生化學變化，即化學穩定性好等特性，在制筆行業內作為記號筆的首選材料。各零件工廠用料常選用的PP料牌號有：PP—5090T、PP—5600、PP—RP344R等。另外，高密度聚乙烯（HDPE）也是記號筆通常采用的材料，此材料有優異的耐化學腐蝕性和對墨水溶劑的阻隔性。在記號筆設計試樣后需要進行整體密封測試，來綜合考察密封性能。

2.零件結構設計要點

儲水芯式記號筆結構如圖1所示。主要由筆套、筆頭、筆桿、儲水芯（內含墨水）、尾塞（也稱端蓋）等組成。當筆桿的外徑尺寸較大及導向長度不夠時，在筆套內應該還要設計一內導向套，既可以密封筆頭，又可以起導向作用，防止碰傷筆頭。中間段是筆桿、儲水芯（內含墨水）等組成。其中筆桿一般有二種結構形式，分別是含尖套在內及含尾塞在內的一體式結構，文中研究的是前者，經常被設計師們選用。

圖1 記號筆典型結構Fig.1 Typical structure of the marker

1）筆套與筆桿配合

記號筆的主要配合點分別為筆套與筆桿，以及筆桿與尾塞。其中筆套與筆桿的配合是重點，因為筆套與筆桿的配合不僅要密封，還要考慮筆套插拔時的使用性能。

通常在筆套內襯的內表面上，設計有一道環筋，環筋的寬度宜在0.8mm至1.5mm之間，環筋圓弧的最高點宜凸出內表面0.08mm至0.12mm之間，環筋采用強脫模的結構成型。筆套內環筋剖面的結構如圖2所示。

在筆桿前端插入筆套內襯的外表面上也設計一道凸起的環筋結構（見圖3）。當筆桿與筆套的兩道環筋間配合時在徑向和軸向上都應該要有一定的過盈量，形成密封環，達到密封和配合力要求。

這種配合方式對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的記號筆。

另一種配合方式是筆桿前端插入筆套內襯的外表面上無凸起的環筋，由于注塑成型脫模需要有適當的錐度，通過筆桿前端外表面與筆套內的環筋配合，形成一道密封環，達到密封和配合力要求，見圖4所示。

這種配合方式對筆套與筆桿的尺寸精度要求相對會低一些，并且筆套插拔力會比較小一些，適合于筆桿密封處的外徑尺寸大于φ8mm的記號筆。

筆套與筆桿配合還需要考慮筆套的定位和插拔力的大小。通常在筆套內壁上會設計若干個卡點（見圖2中圓弧狀小凸點），一般是4～6個；在筆桿前端的外面會設計一道定位環筋（見圖4中的定位環筋）。筆套的卡點與筆桿的定位環筋同樣是過盈配合，當筆桿插入筆套時，筆套的卡點需要爬過筆桿的定位環筋，同時筆套端面與筆桿臺階作為定位限制。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；也不能太松，造成筆套竄動而不密封。

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在于緊密，因此在筆桿尾端的內表面，以及尾塞與筆桿配合部位的外表面上各設計二道凸出的環筋（見圖5和圖6）。二道環筋間的軸向中心距離一般要求大于2.5mm，環筋寬度宜在0.8mm至1.5mm之間，環筋凸出表面宜在0.08mm至0.12mm，環筋間的配合有一定的過盈量，以達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 筆桿剖面結構簡圖Fig.5 Structural diagram of the barrel section

圖6 尾塞外部結構簡圖Fig.6 External structural diagram of the tail plug

在筆套、筆桿和尾塞的內部結構設計時，通常都要設計若干條加強筋或定位筋，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倍設計。此外，為避免加強筋的收縮影響環筋的密封，應該盡可能避開有環筋的部位（見圖3中B處局部圖）。

3）筆桿結構設計要點

從筆桿的環筋成型的品質和方便出模等因素綜合考慮，筆桿尾端內孔宜設計成階梯狀，即筆桿內環筋的內徑尺寸A，要比筆桿型芯臺階B大0.15 mm至0.25mm（見圖5中A和B），避免因型芯出模時把環筋碰傷、擦花等不良現象，保證筆桿、尾塞間的密封性能及配合力的要求。

4）異形筆桿與尾塞結構設計要點

在記號筆的結構設計時，經常會遇到筆的橫截面為非旋轉體的造型，如橢圓形、三角形、長方形等異形筆的設計，其密封結構的設計，由于徑向上材料的各向收縮不一致，注塑成型的環筋很難達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，通常根據超音波焊接的方法來解決密封問題。

超音波焊接結構設計時，要考慮的因素有很多[4]，例如導能點和焊接面的結構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，上、下料件間可相對的自由振動來達到摩擦生熱而互相熔接；焊接面還要預留足夠的空間，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、尾塞具體的結構設計應該關注以下的重點：

在筆桿的內側表面上，宜將焊接的支撐面（見圖7），設計成有一定角度的斜面或小平面，當尾塞和筆桿開始接觸時的一周為線接觸，利于能量集中，達到快速熔接目的。支撐面不宜太小，焊接開始時的接觸面積應盡可能小，以防止焊接變形。

在尾塞外表面焊接處宜設計一周均勻料厚的小凸臺作為導能點（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。凸臺如設計偏高，所需要的能量也要高，焊接材料尚未全部熔融就已固化了，會產生明顯離縫及焊接不牢。凸臺如設計偏矮，塑料熔融量不夠，易出現焊接不牢、虛焊等不良現象。

凸臺尺寸設計時可以把凸臺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，根據試焊后的效果，再適當地加膠修改尾塞模具，避免因凸臺設計過高，造成模具的補焊或重做問題。

圖7 筆桿內側(焊接斜面)結構簡圖Fig.7 Structural diagram of inside (welding bevel)

圖8 尾塞外側(小凸臺)結構簡圖Fig.8 Structural diagram of outer side of the barrel (small boss) of the tail plug

三、性能檢測

為了檢驗記號筆是否達到性能要求，在試裝成成品筆后，需進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，并導入調好的氣泵壓力為1至1.5Kgf/cm2范圍內的壓縮空氣至筆桿的內部，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密封性能合格的標準。

同時將成品試筆平放在55±2℃烘箱內120hr后，取出試筆應書寫正常，墨水減少量應達到小于3%規定，則密封性能合格。

計算公式：墨水減少量%=（未經測試筆重量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境變化對產品的影響，可以考慮采用高低溫交變試驗方法進行測試，將成品試筆筆頭向下放置于高低溫交變試驗箱內，設置高溫55±2℃、低溫-20±2℃，設置溫度點維持4小時作為一個循環。進行二輪循環試驗，觀察滲漏墨情況，以及試驗后書寫是否正常等，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顯拉力儀的夾具上，開啟拉力儀，使筆套與筆桿脫離時的最大數值，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顯拉力儀的夾具上，開啟拉力儀，使尾塞與筆桿脫離時的最大數值，即為尾塞配合力的大小，該值應該大于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的要求進行。

四、結論

綜上所述，文中對儲水芯式記號筆的結構設計要點進行了總結，記號筆結構設計主要圍繞滿足其密封性能要求展開。記號筆零件要選用對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，從而影響產品的密封性。密封結構宜采用環筋與環筋、環筋與面配合的型式，環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。