中性筆密封深度對產品質量影響的研究

黃小雷

真彩文具股份有限公司 江蘇 昆山 215343

一．前言

在中性筆的研發、實驗分析和生產工藝的改進工作中，經常有客戶反映一年以后很多產品出現了不同比例、不同程度的起筆不良或寫不出等問題。同期生產的產品，在相同的儲存周期后，卻出現了書寫質量的明顯差異，其中國內中性筆產品的書寫質量水平、耐用性總體比國外知名品牌有一定差距，因此，引發了對中性筆質量保存年限的分析與探討。

目前，行業中性筆質量的現狀是保存年限為不低于1年，也就是大部分制筆企業的產品只有1年的保質期。而對于每個企業來講，一支中性筆從生產到銷售需要經歷多個階段，如筆芯生產為一個階段、成品組裝為一個階段、包裝檢驗又為一個階段，因此大部分制筆企業均會提前備貨。一般來講，一個企業從產品原材料采購、備料、生產、儲運、物流到經銷商、最后到終端市場需要的時間為3～6個月，再加上部分成品提前備貨，有些產品到終端市場已過去9個多月，甚至更長，因此有些產品到消費者手上很有可能已接近保質期。依現階段市場需求，保質期1年已遠遠無法滿足生產商、經銷商、終端零售及消費者的接受程度。因此，對提高中性筆保存年限問題進行分析，總結經驗來提高中性筆保存年限尤為重要。

影響中性筆質量保存年限最關鍵是筆頭與墨水的原材料匹配質量，其次是筆頭密封深淺度的影響，以及產品儲存環境（如溫度、濕度、日照等）也是影響其質量因素之一。

本文通過對常見插套式結構中性筆筆頭密封狀況進行研究，為提高質量保存年限提供理論依據，希望能夠將實際實驗數據引入到中性筆的研發中，并探討在中性筆設計中控制關鍵配合尺寸來提高中性筆研發及質量管控水平，進而提高產品競爭力。

二、常見中性筆結構分析

筆作為書寫工具在我們日常生活中用途極為廣泛，可以用來繪畫、書寫、裝飾等。其品類繁多，有中性筆、水性筆、記號筆、自來水筆、鉛筆、水彩筆等。中性筆是目前國內市場占有比率較高的書寫工具之一，中性筆常見適用的結構類型為插套式（見圖1、圖2）和撳動式（見圖3）。撳動式選用的筆頭為彈簧筆頭，為球珠自密性（內設彈簧頂住球珠，加工精度高，成本比普通筆頭高許多），在停止書寫時彈簧頂住球珠起到及時密封保護作用，在未使用狀態下通過點蠟包裹方式密封筆頭。

圖1 插套式筆芯前定位式中性筆典型結構及零件

圖2 插套式筆芯后定位式中性筆典型結構及零件

圖3 撳動式中性筆典型結構及零件

插套式按筆芯的固定方式可分為前端定位插套式和后端定位插套式[1-2]。前端定位指的是，筆芯通過筆芯連接件外圓臺階與筆桿內孔前端定位，使得筆芯（見圖4）的筆頭露出尖套距離穩定性提高，出芯長度誤差相對較小（見圖1）。后端定位指的是，筆芯的固定通過筆芯的油管外圓與筆桿尾槽（筯位卡槽）或尾帽（后塞）內筯通過過盈或限位方式配合，將油管固定（見圖2），此種方式因涉及的零部件多，產生的的累積誤差大，影響筆頭露出長度的精度與一致性。

圖4 常見中性筆芯結構圖

同油墨圓珠筆相比，中性筆要求出墨量大（中性筆出墨量是油墨圓珠筆的10倍左右[3]），筆頭間隙大，而且中性筆墨水為水性墨水，較油墨（油性墨水）的耐干性要差。在常溫狀況下，兩種圓珠筆的間歇書寫（筆套在拔出后筆開放在常溫環境下能正常書寫的時間）比較，油墨圓珠筆的間歇書寫可以保持在兩年左右，與整筆的保質期相當，而中性筆的間歇書寫一般能夠達到20天至3個月之間不等。此外，中性墨水黏度較油墨黏度低，且油管內孔較大，墨水較易產生倒流現象[2]。所以在中性筆筆套內都設計裝有橡膠或硅膠材料的密封圈，蓋上筆套后，密封圈受擠壓后將筆頭包裹密封住，防止筆頭與球珠間隙內墨水干枯，并防止空氣從筆頭進入筆芯內，進而產生墨水倒流與書寫斷線現象[2]。因此，筆頭進入密封圈的深度具有一定的公差要求。不同形狀的筆頭、球珠直徑大小及配合不同形狀的密封圈，其筆頭插入密封圈的深度各有不同。

三．密封深度影響中性筆書寫質量分析

（一）中性筆筆頭構造與密封特性

中性筆所謂“中性”之意是指它的墨水黏度介于油性圓珠筆油墨的黏度（10000～20000mPa.s）與水性圓珠筆墨水的黏度（﹤10mPa.s）之間[4]。油性圓珠筆其墨水黏度高、耐干性好，筆頭與球珠間隙小，筆頭內油墨不易干枯而堵死出墨槽，因此普通油墨圓珠筆在筆頭不點蠟或筆套不加密封圈的狀態下，可以保持2年筆頭不會干枯，所以其產品壽命基本能滿足客戶正常需求，因此市場上高黏度油墨圓珠筆沒有額外的密封設計。而中性筆則不同，其墨水黏度低，為水性墨水，筆頭與球珠間隙大，當筆頭暴露在空氣中時其墨水中水份容易揮發，形成色漿顆粒沉淀在球珠與筆頭間，時間越長則顆粒沉淀堆積在筆頭內墨水槽越多，最終導致書寫不出（見圖5）。因此對于插套型中性筆筆套內置密封圈，起到保護筆頭和密封的作用（見圖6）。常見插套式中性筆內置密封圈有平圓型、球型、及內凹包裹式，密封原理一致，通過橡膠包裹球珠進行密封，密封性能的好壞對于中性筆質量保存年限長短是重要的因素之一。本文通過對最常見扁圓型密封圈作為試驗對象進行研究分析。

圖5 筆頭頭部外形、內部構造和墨水槽堵塞狀況

圖6 常見筆頭密封狀況透視圖

（二）中性筆密封設計合理性分析與試驗

1.中性筆筆頭分類

一般中性筆筆頭分為670子彈頭型、640針管型、660仿針管型、680半針管型、651仿針管型，具體見表1。

表1 中性筆筆頭形狀

筆頭按球珠直徑分類見表2。

表2 中性筆筆頭分類 單位：mm

2.試驗設計與分析

運用6 Sigma的質量管理方法，進行試驗設計分析（DOE），采用不同筆頭型號，同一球珠規格（?0.5）、設計不同的密封深度，在相同的墨水與液體浮塞、相同的實驗條件下進行試驗不同的密封深度對產品保存年限的影響。

（1）試劑與原料

實驗所用墨水為調制1#墨水，墨水理化指標見表3、筆頭型號與規格選用如表1、筆芯油管選擇為透明PP(5090T)材料（尺寸一致）、同一密封圈（?6.5＊3.2）、同一品牌液體浮塞。

表3 實驗所用相關配件及墨水

（2）儀器、試寫紙

X射線透視儀，型號：BJI-G 、書寫紙（符合GB/T 12654 70g/m2) 、劃圓書寫機（通用試驗儀器與條件見QB/T 2625——2011）。

（3）試樣配件與墨水

實驗所用配件與墨水見表3。

（4）試驗環境

溫度環境在15℃～25℃，相對濕度在50%～80%。

（5）實驗方法步驟

步驟1： 依表4選用不同的筆頭型號，根據設置不同的密封深度，選用相應數量的塑料墊片裝入筆套密封圈下方調節密封深度，裝配后再通過透視儀測量實際密封深度，并記錄標識每支筆的密封深度。

步驟2：如表4分組后先初寫劃線，方法參照文獻[5]中7.1初寫性能試驗的要求，確保所有筆的起始狀態出墨正常，然后將筆套套好，每10支裝入小盒在試驗環境下進行長期存放，小盒上分別標識需保存的時間。

步驟3：如表4達到設定保存時間后分別取出1盒進行劃線測試，劃線測試方法參照文獻[5]中7.1初寫性能試驗和7.2書寫性能試驗要求進行，檢查是否出現局部斷線、寫不出現象，將劃線檢查結果進行記錄。

注1：書寫正常—— 從劃線開始至全部劃完，100%書寫劃線無中斷，出墨順暢。

注2：書寫尚可，但是不理想——從劃線開始至全部劃完，10%以上書寫劃線局部中斷小于2次（包括起筆），每次少于2圈，出墨順暢。

注3：書寫不正常——從劃線開始至全部劃完，10%以上書寫劃線局部中斷2次以上（包括起筆），出現連續斷線3圈以上或出現出墨不順暢現象。

（6）試驗結果與討論

試驗結果匯總見表4。

表4 各種筆頭在不同密封深度時的保存時間與測試結果

根據多次論證及保存性分析，發現密封圈存在一定的彈性量，若超出一定的深度，一方面密封圈變形量達極限，造成密封圈刺穿，而失去密封作用；另一方面密封深度長期過深易造成密封圈凹陷部疲勞，而不能有效回彈，最終造成失效，如同一根彈簧若被擠壓到一定的變形量，則彈簧無法恢復至原來的長度；且過深的密封深度會產生筆頭積墨問題，影響外觀，圖7為常見的密封不良狀態透視圖。因此通過不同筆頭直徑進行一系列同上反復研究、試驗分析，主要根據筆頭的形狀與球珠直徑，初步確立了產品的不同筆頭型號與其密封的深度有效設計參數，見表5。

表5 不同筆頭規格對應深度參數表 單 位：mm

圖7 筆頭密封不良狀態透視圖

（三）相關料件尺寸控制重點

通過試驗為設計提供了比較理想適宜的筆頭密封深度設計參數，而在企業實際生產中，因為筆芯長度誤差、筆頭露出長度誤差、筆套定位密封圈筋位深度誤差等因素，造成累積誤差很大，很難保證產品密封深度一致性，因此在實踐中如何保障產品精度，控制尺寸，提高產品一致性。是我們質量控制重點。

首先在確保筆芯總長及筆頭露出長度與連接臺階尺寸情況下，控制相關尺寸，來保證密封深度。前定位結構和后定位結構建議控制的重點尺寸和精度如下：

1.前定位結構需重點控制：

（1）連接臺階尺寸，宜控制在±0.02mm；

（2）筆套定位密封圈筋位深度尺寸,宜控制在±0.03mm；

（3）筆頭露出尺寸，宜控制在±0.03mm；

（4）密封圈的有效厚度尺寸,不宜偏薄，一般選擇不低于2.8mm為佳。

2．后定位結構需重點控制：

（1）油管總長尺寸，宜控制在±0.06mm；

（2）油管外圓尺寸，宜控制在±0.02mm；

（3）筆套密封筋位深度尺寸，宜控制在±0.03mm；

（4）密封圈的有效厚度尺寸，不宜偏薄，一般選擇不低于2.8mm為佳；

（5）筆芯總長尺寸，宜控制在±0.10mm。

上述尺寸累積誤差建議不超過±0.15mm，首先需要通過對影響組合尺寸累積誤差的關鍵尺寸，在圖紙設計尺寸鏈正負公差進行演練設計來減少累計誤差，其次需要通過高精度模具與注塑成型設備及穩定的生產工藝控制才能保證。

四、總結和展望

中性筆作為主要的書寫工具之一，消費者使用的普及率非常高，隨著市場競爭的加劇，對中性筆的質量要求越來越高，尤其在產品的保存年限的要求也越來越高。通過對產品結構、密封深度對產品質量保存年限的影響進行了研究，中性筆產品保存年限的長短，與選擇墨水、零部件的精度、結構、組裝工藝以及儲存環境是密不可分的。墨水選用時需注重墨水耐干性水平、黏度等相關指標的選擇，產品儲存環境宜在低溫（0℃～15℃）、恒溫、避光、干燥環境下進行保存，避免高溫環境存放，溫度與濕度環境變化越小對產品保存越有利。

由于時間倉促及水平的限制，本研究還存在一些不足，今后還需進一步有待完善和改進。如墨水對中性筆質量的影響，需要進一步研究，以確定墨水與液體浮塞、筆頭匹配最佳性，繼而推廣到新產品開發過程；另外中性筆密封圈材質選用、密封圈的形狀（本文研究測試僅針對扁圓型外形密封圈展開）、檢測方法等需要進一步研究；如何保證密封圈硅膠硫化充分，不與墨水起化學反應，以及不同密封結構達到最佳的密封效果等都是我們今后需要進一步研究的課題。