閥門式記號筆設計淺析

周秋騰

上海金萬年實業發展有限公司 上海 200020

1.引言

記號筆是用塑料、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]。記號筆類產品用途廣泛，品種不勝枚舉。常見大眾化的產品有油性記號筆、白板筆、微孔筆、熒光筆、水彩筆等，較小眾化特殊用途的產品有繪圖筆、軟筆、燈板筆、油漆筆、丙烯筆、POP廣告筆、高光筆等。按產品結構劃分，目前記號筆常見的是儲水芯結構，但隨著用戶需求的提高，文具廠商開發了書寫壽命更長的記號筆，例如閥門式結構的記號筆，書寫長度能達到常規記號筆的兩倍以上。另外，大多數記號筆因其使用的墨水本身具有揮發性，筆頭暴露空氣中墨水容易揮發干涸，導致筆頭堵塞書寫不良等質量問題。為保證產品質量及基本壽命要求，對于記號筆配件、結構與其他筆類的要求有著明顯的不同，需要各零配件之間配合后密封，確保筆頭不干涸，所以對零部件精度要求較高。

近年來，記號筆產業發展勢頭良好，文具廠商對記號筆的重視程度不斷提升，記號筆的研發設計能力及生產制造技術亦逐步完善，國內外知名制筆企業都把記號筆的發展作為未來主要發展方向。

2.閥門式記號筆的性能要求

2.1 配件密封性能及成品抗漏性要求

記號筆按儲水結構分為儲水芯式記號筆和直液式記號筆[2]1。直液式記號筆又可分為儲水器結構和閥門結構兩類，閥門結構的筆直接將墨水灌注在筆桿內部中，筆頭插入筆桿的前端開口處，并且閥門部分設置在筆桿前端，以阻止墨水從筆桿中流出[3]。閥門結構首先要求閥門本身不僅具有按動開啟閉合的基礎功能，還必須兼備氣密性功能。閥門與筆桿配合、尾塞與筆桿配合及筆帽與筆桿配合都需要滿足氣密性要求。閥門式記號筆是直接灌裝墨水在筆桿內部，從各零配件之間配合關系及對成品筆性能要求來看，閥門式結構的記號筆比儲水芯式記號筆復雜，對于產品功能性要求及模具精度要求更高。

2.2 按動書寫功能

常見的前置按動閥門式結構如圖1所示，主要由筆套、筆頭、前筆桿（內有儲水芯或儲水海綿）、閥門、筆桿及尾塞等組成。通過按壓筆頭使閥門開啟，讓筆桿內的墨水從閥門出墨口流動到前筆桿內，不按壓時由彈簧作用將閥門關閉。按壓流出的墨水浸潤筆頭實現書寫功能，多余部分墨水則由前筆桿內部的儲水海綿或儲水芯吸附儲存，可防止按壓時流出墨水太多造成漏墨，也可在書寫使用過程中供應給筆頭滿足持續書寫的要求。

圖1 閥門結構-前置按動

后置按動閥門式結構如圖2所示。通過按壓尾塞使閥門開啟，讓筆桿內的墨水從閥門出墨口流動到前筆桿內，墨水浸潤筆頭實現書寫功能，不按壓時由彈簧作用將閥門關閉。前置按壓閥門式結構是通過持續按壓筆頭來開啟閥門，筆頭要額外承受軸向的按壓力，所以對于筆頭的纖維材質及使用壽命要求更高[4]。如果還具有補充墨水的功能，那么建議要采用亞克力（PMMA）纖維筆頭，這種材質筆頭相對于普通纖維材質的筆頭具有更優良的耐酸堿性能，更高的按壓強度和更長的使用壽命。后置按動閥門式結構是通過尾塞后置按動實現閥門開啟，在閥門開閉過程中筆頭處于靜止狀態，無需額外承受軸向的按壓力，因此對于筆頭材質無特殊要求。但是，對尾部的密封又提出了新的要求。

圖2 閥門結構-后置按動

2.3 可循環加水功能和筆帽安全性能

記號筆類產品在我們的生活中應用很廣泛，所以近年來記號筆類的市場需求逐步增加。為滿足客戶需求，各大文具廠商不斷在記號筆類的研發上進行技術創新。如尾塞可設計螺紋結構，一旦使用完墨水可以在筆套蓋緊（閥門關閉）后將尾塞旋開，加入配套的記號墨水，方便消費者重復循環使用，尾塞部分的結構如圖3所示。對于學生使用的記號筆類產品，筆套還需要滿足安全性的要求[5]3。

圖3 筆帽倒扣尾塞-循環加水功能圖

3.閥門式記號筆結構的設計要點

3.1 閥門結構設計要點

關于注塑配件材料要求可以參考文獻[6]24有關塑料材料的選擇，對于記號筆配件使用的注塑材料有專業的解說。這里主要以前置按壓閥門式記號筆說明閥門結構設計的要點。閥門結構本身要求其要實現開啟閉合功能，還要保障閉合狀態下的密封性能。圖4是閥門的結構圖，內塞的表面上，設計有一道環筋，環筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環筋扣線的最高點凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環筋采用強脫模結構成型。大塞的內表面上，也設計有一道環筋，環筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環筋扣線的最高點凸出內表面0.1mm至0.12mm之間，環筋采用強脫模結構成型。內塞與大塞之間的兩道環筋配合時單邊有0.05mm至0.08mm的過盈量形成雙密封環，既有扣緊力還能達到密封性能要求。

圖4 閥門

閥門結構主要開啟和閉合功能是由頂針、內塞及壓縮彈簧的配合實現，筆頭與頂針連成一體，按壓筆頭時，推動頂針使閥門開啟，不按壓時頂針與內塞在壓縮彈簧[7]作用下進行密封。筆頭在書寫表面上書寫時的軸向作用力一般約2N～3N，在書寫時不能輕易使筆頭開啟閥門，避免產生墨水流出閥門超過儲水芯的飽和量，出現產品漏水異常，所以閥門是閥門記號筆的核心，那么壓縮彈簧就是閥門的核心部件。閥門結構不僅要根據閥門內部空間尺寸選用合適的壓縮彈簧尺寸，還要計算彈簧壓縮后產生的彈力。一般閥門式記號筆選用的壓力彈簧組裝后產生的軸向力在7N～10N之間較合適，這樣不僅可以較好地密封，按筆頭時力量也合適，筆頭也能承受，正常書寫時閥門不會開啟。另外壓縮彈簧須采用不銹鋼材質，常用牌號有201、304及316等，一般選用304。304 是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于要求制作綜合性能（耐腐蝕和成型性）良好的設備和機件。304不銹鋼是按照美國ASTM標準生產出來的不銹鋼的一個牌號，我國牌號0Cr18Ni9(舊牌號)、06Cr19Ni10(新牌號）[8]。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼必須含有18%以上的鉻及8%以上的鎳含量。

3.2 筆桿與閥門的配合

一般筆桿與閥門有兩種常見的配合結構，一種是采用內密封環筋過盈配合，另一種采用雙密封環筋過盈配合。圖5所示為內密封環筋過盈配合。在筆桿內表面上，設計有一道環筋，環筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環筋扣線的最高點凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環筋采用強脫模結構成型。閥門配件的大塞密封位采用直位（直線面接觸）密封，閥門裝配入筆桿內與內密封環筋過盈配合密封。

圖5 筆桿

閥門

圖6所示為雙密封環筋過盈配合。前筆桿內表面上，設計有兩道環筋，環筋的寬度在0.8mm至1.0mm之間，環筋扣線的最高點凸出表面0.08mm至0.12mm之間，環筋采用強脫模結構成型。閥門配件的大塞密封位采用直位密封，閥門裝配入前筆桿內與內密封環筋過盈配合密封。

圖6 筆桿

閥門

筆桿與筆帽的配合，可以參考文獻[6]25有關于筆套與筆桿配合結構。筆桿與尾塞的配合，可以設計可加墨水功能，一般在筆桿尾端設計可拆卸的尾塞，采用螺紋結構。本文主要針對閥門結構，在此不對螺紋密封結構作詳細介紹。

4.閥門式記號筆的功能檢測

閥門式記號筆配件較多，裝配工藝復雜，對其功能是否符合設計要求要進行多方面檢測。檢測內容包括配件密封性能、成品抗漏性要求、按動性能、出墨性能及各零配件間的配合力檢測等。

4.1 零配件間的密封性能檢測

用一連接氣泵軟管插入特制尼龍膠掛具(中心有通氣孔)，確保軟管與尼龍膠掛具中心孔間密封，并導入調好的氣泵壓力為1.5Kgf/cm2的壓縮空氣至所需測試氣密性的零配件（已裝配），再將零配件放入盛水的容器中，觀察零配件配合密封位的連接處，如無氣泡冒出水面作為檢驗密封性能合格的標準。成品筆抗漏性能檢測參考記號筆行業標準[2]3采用減壓儀進行測試，首先將減壓儀的減壓速度調至－12kPa/min～－10.7kPa/min，然后將試筆取下筆帽，再將試筆筆頭朝下插入筆架，放入減壓儀真空罩內。開啟減壓儀，當真空度達到-10kPa后，保持15min，試筆應以不產生漏墨水異常即合格。另外可以參考文獻[6]27中提出的模擬長期存放的環境變化對產品的影響，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60±2℃、低溫-20±2℃，設置溫度點維持4小時作為一個循環，再進行二輪循環試驗，觀察試筆滲漏墨情況，以及試驗后書寫是否正常等，來判定零配件間配合和密封性能。

4.2 筆頭按動性能及出水性能檢測

第一次使用時墨水能快捷地流出，將試筆筆頭朝下按動，來回按動每下大約3s，應在30s內筆頭完全顯色。在筆頭充盈墨水狀態下，劃線長度≥10m。在書寫介質上進行正常書寫，筆頭不應縮進筆桿內。

4.3 零配件間的配合力和筆帽安全性檢測

筆帽拉拔力測試，將成品試筆固定于數顯拉力儀的夾具上，開啟拉力儀，使筆帽與筆桿脫離時的最大數值，即為筆帽拉拔力的大小。該數值按標準在4.9N至39.2N之間為合格。

適合學生使用的記號筆，筆帽安全性測試可以按照文獻[5]4-5要求進行檢測。

5.總結

對閥門式記號筆的性能要求、設計要求及性能檢測等三個主要方面進行探討。分析了閥門式記號筆的性能要求，提出了閥門式結構設計要點，以及產品制造過程中如何快速進行零部件和成品性能檢測方法。近年來我國科學技術日新月異，制筆行業緊隨國家科學技術發展腳步，腳踏實地不斷科學創新，隨著制筆行業工藝技術水平提升，材料和墨水制造技術的發展，以及自動化裝配和智能制造的齊頭并進，記號筆的品種越來越豐富，市場上已出現一些技術含量較高的產品，比如按動式記號筆、常開帽記號筆（墨水技術）、透視窗熒光筆[9]、水寫記號筆（墨水及材料技術）等。在強大國力支持下，相信會有更多技術含量高的新產品如雨后春筍般出現在市場上。我們也要在產品研發技術上努力創新，對產品結構更加精益求精，更加完善，讓產品在消費者手中使用得更加舒適。