中性筆常用通氣結構分析和設計要點

吳瑛戟

上海制筆技術服務有限公司 上海 201615

引言

圓珠筆的書寫原理是利用球珠滾動帶出書寫墨水而形成線跡。中性墨水圓珠筆[1](以下簡稱中性筆)是圓珠筆的一種，其書寫介質為凝膠狀水性墨水，墨水的特點是書寫時由于球珠滾動剪切使墨水黏度變低，利于出墨形成線跡；當停止書寫時球珠靜止，墨水黏度變高，不易造成漏墨。中性筆常見筆芯如圖1 所示。

圖1 常見插套式中性筆筆芯

同通常的油墨圓珠筆比較，油墨圓珠筆筆芯的油管內徑較小，使用的是油墨，其23℃時動力黏度大于1000mPa.s，書寫時油墨無明顯的黏度變化，其百米出墨量在10mg 左右。而中性筆百米出墨量較大，以0.5mm 的筆頭來說，一般在100mg 以上，其出墨量為油墨圓珠筆的10 倍左右，同樣的書寫長度，筆芯內灌注的墨水量較多。書寫時墨水從球珠和球座的間隙處流出，同時需要有同樣體積的空氣填充進筆芯內，如圖1。由于中性筆的出墨量比油墨圓珠筆的出墨量大得多，所以中性筆頭球珠和球座的間隙較大，于是會給中性筆帶來了兩大問題：一是書寫時出墨量大，隨時補充的空氣量就大，要求中性筆結構設計中具有足夠的通氣通道；二是筆頭球珠和球座的間隙大，筆頭易于出墨的同時，筆頭端也容易進入空氣，造成書寫斷線和墨水倒流等問題的產生，這也同樣需要結構設計時要防止空氣從筆頭端進入。

中性筆常見的結構為插套式和撳動式[2]。以插套式為例，中性筆一般可以分為筆芯、筆桿組件和筆套組件[2]。從結構設計的角度，通氣結構的設計十分重要，直接關系到中性筆和筆芯的書寫，大多結構設計師對通氣結構的設計并未引起足夠的重視，為最終的成品埋下了質量隱患。以下對各組件進行通氣結構分析，并提出通氣結構設計要點。

1．筆芯通氣結構分析和設計要點

從單獨的筆芯來看，一般由筆芯和筆芯保護套組成。筆芯保護套（見圖2）不僅是筆芯制造過程中需要牢固裝配在筆頭上，保護筆頭起到密封的作用，同時筆芯離心時防止墨水漏出。但筆芯保護套的內孔結構需要特別的設計。

以子彈型筆頭的保護套為例，保護套內孔為正方形，筆頭插入時保護套內的空氣需要排出，如圖2 中所示四個角的空隙部位為通氣部位。還有一個關鍵的部位是保護套底部的角度α 宜大于筆頭角度β，否則兩者配合時底部會形成空氣集聚區，隨著筆頭的進一步插入，此區域的空氣無法從四個角部的空隙部位排出，只能被擠壓進筆頭內。這正是筆芯保護套設計的要點之一。其他型號的筆頭，使用的筆芯保護套需要按照筆頭的形狀進行專門的設計，確保筆頭插入時通氣良好。

另外，從筆芯本體來看（見圖3），插套式筆芯的連接件的臺階處，通常是會由尖套內的筋將筆芯壓住后固定在筆桿的A 處。對于尾塞處沒有通氣孔設計的筆，書寫時空氣就會從連接件的臺階缺口處進入筆桿內孔，再由筆芯尾端補充空氣。這里的設計要點是：連接件缺口之間的距離L 要小于配合筆桿內孔的直徑D，油管外徑d 小于距離L。這樣確?？諝饪梢皂槙尺M入筆桿內孔。

圖2 筆芯保護套和筆頭配合

圖3 插套型筆芯和筆桿

2．筆桿組件通氣結構分析和設計要點

2.1 筆桿組件通氣結構分析

插套式中性筆按筆芯的固定方式可分為前定位式和后定位式[2][3]，此處以前定位筆桿組件來分析通氣結構。前定位式筆桿組件一般由筆桿、尖套、尾塞組成，有的還會在握筆處設計有軟的橡膠套，便于手舒適地握住。從功能分析來看，筆桿組件主要功能為固定筆芯和執行手握功能，是完成書寫功能的主要部件之一。在結構設計中，同樣有許多需要為通氣順暢進行設計校核。

從組件最主要的零件筆桿來看（見圖4），筆芯裝入筆桿內孔，筆芯的連接件臺階貼合筆桿端面再由尖套內孔的筋將其壓住實現固定。其通氣通道為圖中藍色線所示，其通路為：尖套與筆頭的間隙→連接件缺口→筆桿和油管的間隙→油管尾端內孔。

圖4 典型前定位筆桿組件結構及空氣通道

2.2 筆桿組件通氣結構常見問題及設計要點

從空氣通道的流向來看，空氣從尖套和筆頭之間的間隙流入，根據中性筆的國家標準要求，尖套的內孔和筆頭外徑的差值小于0.2mm。據筆者多年的經驗，此差值一般控制在0.08mm ～0.15mm 之間為佳，這樣既可保證通氣量的要求，也可防止間隙過大書寫時筆頭晃動的問題產生。尖套設計時另外一個設計要點是，在圖4 中B 處連接件和尖套的內孔斜面處必須有間隙，這是設計師和制造過程容易忽視的地方。如果這里堵塞，空氣將不能流通，這樣的問題經常在金屬尖套內出現，因為很多設計師和制造人員將金屬尖套固定筆芯的接觸點設計在這里，這樣的風險較大，如果沒有其他的空氣通道，空氣回路會被堵住。如果要將尖套內孔和連接件接觸（固定）位置設計在B 處的話，連接件的前端（配合筆頭的方向）要有通氣缺口，這種設計適合連接件此處壁厚較厚的情形，如圖5 所示的筆芯，在連接件和筆頭的配合處設計有通氣缺口。金屬尖套比較合理的固定筆芯的接觸點可以設計在圖4 的C 處，因為C 處在固定住筆芯的同時仍有缺口讓空氣流通。

從筆芯和筆桿內孔的配合來討論，筆芯油管外徑和筆桿前端內孔要有0.2mm 以上的間隙為佳。由于筆芯的連接件和油管配合處是過盈配合，此處配合后油管的外徑會增大0.05mm ～0.08mm 不等，設計時不能忽略這一因素。目前市場上出現較多的、筆桿較細的中性筆，油管外徑和筆桿前端內孔的配合間隙在0.1mm 以下，考慮油管和連接件配合后脹大的因素，往往此處配合為過渡配合，造成了通氣問題。此處間隙過小，在筆的裝配過程中，筆芯插入筆桿的速度較快，筆桿內的空氣無法排出，筆桿內空氣壓力瞬間加大，擠壓筆芯，極易造成筆頭處漏墨的情況發生。同樣筆芯比較快的拔出時，筆桿內部會形成瞬間的負壓，造成筆頭前端吸入空氣，產生書寫斷線的問題。

另外比較常見的做法是，筆桿在E 處設計有通氣缺口，再由螺紋處設計通氣槽F 和通氣缺口G（往往澆口也在此處），這樣可以保證通氣良好。如圖6所示的筆桿就是這種情形。

從尾塞來看，在不影響外觀的情況下，通常會設計通氣小孔，保證即使書寫時筆套反插也有較好的通氣效果，在后面討論筆套組件反插時會進一步討論這一問題。但從市場上的各類插套式中性筆出現的質量問題來分析，墨水倒流普遍，此時墨水和硅油就會從尾塞的小孔流出而污染到手和衣物等。

圖5 連接件的前端有通氣缺口的情形

圖6 筆桿螺紋處的通氣結構

3．筆套組件通氣結構分析和設計要點

3.1 筆套組件通氣結構分析

中性筆筆套組件一般由筆套、筆夾和密封圈組成，主要承擔防護功能。在書寫時要將筆套拔下，一般反插在筆桿的尾部；書寫完成后，一般提示將筆套套好，起到保護筆頭和密封筆頭的作用。所以從這些動作來分析，筆套和筆桿組件的配合（筆套一般套在筆桿或筆頸上）是活動的，筆套套入瞬間筆套內空氣被壓縮，需要即時排出多余的空氣；筆套拔出瞬間，筆套內空氣需即時補充，為此結構設計時需充分考慮足夠的空氣通道。

從圖7 筆套組件和筆桿組件的配合可以看到，兩者的配合為活動扣位的配合。一般是筆桿為扣環，筆套為扣點。在筆套和筆桿相扣時，筆套內空氣瞬間被壓縮，多余的空氣通過筆套內孔與尖套和筆桿之間的間隙，再通過扣環和扣點區域往外排出。這條通道如圖7 中的藍色線所示，筆套與尖套間隙→筆套與筆桿間隙→筆套與扣環間隙往外排出。

3.2 筆套組件通氣結構常見問題及設計要點

圖7 筆套組件和筆桿組件配合

從筆套組件的設計來分析，其空氣通道主要通過筆套和筆桿組件的間隙排出，所以筆套設計時，筆套內孔與尖套、筆桿之間需要有足夠的間隙。根據實際試驗得出的數據，一般此間隙雙面要達到0.2mm 左右比較安全。但此時筆套套入筆桿后，由于間隙較大，會引起筆套的晃動，合理的解決方法是筆套內部加多條筋或多個軸向的小平面來減小配合間隙，從而在保證通氣的狀況下改善晃動。市場上一些質量較次的中性筆，往往筆套配合后要么晃動較大，要么筆套內孔與扣環處間隙很小，甚至過渡和過盈配合，通氣回路設計極其不合理，漏墨和書寫斷線問題嚴重。

另外，筆套結構設計時，為了改善筆套配合時的通氣狀況，往往在筆套或筆夾的頂部設計小孔與筆套內孔相通，或者在不影響外觀的條件下，在筆套位于筆夾夾面以下部位設計排氣孔。這樣，可以在筆套套入筆桿的瞬間，筆套內的空氣即時排出，不至于將部分空氣擠壓進筆頭，造成書寫斷線。

圖8 常見一體筆筆套反插

對于筆套組件需要考慮的另一個問題是筆套組件的反插。對于筆桿組件通氣孔在尾端的情況，設計時同樣要嚴格校核筆套反插時的通氣回路。目前市場上比較流行的一體筆，也就是沒有單獨的中性筆芯，墨水直接灌注在筆桿內，書寫長度比普通的中性筆要長的一類中性筆。對于這一類筆，由于前端無法設置通氣孔，在尾塞處都設計有通氣孔，但筆套反插時就要特別注意。這類筆桿往往后端直徑小，筆桿脫模斜度較大，筆套反插時插入距離較大，有的在筆套內未有可靠的止口設計，使用時一直可以插入直至筆套內的密封圈將尾塞的通氣孔堵?。ㄈ鐖D8 所示）。筆套反插到底后，極易造成A 處悶氣，這要引起設計師、開發人員和檢測人員密切關注。

總結

中性筆產品具有完整的出墨系統，通氣結構的設計至關重要，直接關系到筆的書寫質量，但在實際的設計和制造過程中往往不重視通氣結構的確認。為了確保中性筆通氣結構的合理性，設計師在設計校核時要將通氣回路作為重要的設計審核項目之一。試樣階段，同樣要將通氣性能作為重要的檢驗項目之一。整筆可以利用劃線書寫儀進行正常的書寫檢驗，是否有因為通氣不良引起的書寫變淡或斷線現象；試樣的成筆可以進行小范圍的試用，收集試用人群的使用習慣，可以最大限度地發現設計中是否存在通氣的問題。

文章從中性筆產品的特點出發，闡述了產品通氣結構的重要性，并從筆芯、筆桿組件、筆套組件入手，對前定位插套式中性筆的常見通氣結構進行分析，對筆芯保護套、連接件、尖套、筆桿、筆套等零件進行了通氣結構設計要點闡述，希望能對產品設計人員、制造人員和檢測人員提供指導和借鑒。