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机械创新设计论文 中性笔头的结构研究 姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 中性笔头的结构研究 摘要：摘要：据调查，2007 年中国制笔行业为国外市场提供了超过 372 亿笔类产品，总销 售额 198.8 亿元，而圆珠笔就占到了 43%，中性笔占圆珠笔总销量的一半以上1。在 国内，以广州为例，06 年大学和中学学生笔类使用量中性笔分别占到了 40.4%和 39.9%2。由此可见中性笔在中国乃至世界笔类产品中都占有了重要的地位。中性笔 的生产技术主要是笔头和墨水的研究，而本文主要讨论笔头构造的原理、分类和改进。 关键词：关键词：中性笔 笔头 原理 分类 改进 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 目录目录 引言引言 1 1 1 笔头对出墨量大小的影响笔头对出墨量大小的影响1 1.1 笔头碗口与球珠的间隙.1 1.2 球体座环槽的体积.2 1.3 球座体油槽与小孔的面积.3 1.4 球珠的表面状况.3 1.5 墨水的黏度和表面张力.3 2 2 笔头类型分类笔头类型分类4 2.1 子弹头型 .4 2.2 针管型 .4 3 3 中性笔头的缺陷和改进措施中性笔头的缺陷和改进措施5 结语结语 7 参考文献参考文献 8 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 1 引言引言 中性笔是圆珠笔分支下的一类产品。圆珠笔即利用球珠滚动带出书写介质的书写 工具，通常所说的圆珠笔即为书写介质为油性的圆珠笔书写介质为水性的称为水性圆 珠笔或滚珠笔、宝珠笔；而书写介质的粘度介于水性和油性之间的则称为中性笔3。 中性笔虽同属圆珠笔类产品，其书写原理、笔头结构、加工工艺等与传统的油性 圆珠笔大同小异，但因采用墨水性能差异，对笔头有特殊的要求。 1 1 笔头对出墨量大小的影响笔头对出墨量大小的影响 出墨量大小直接影响书写感受，而影响出墨量大小的因素有以下 5 个方面： 1.11.1 笔头碗口与球珠的间隙笔头碗口与球珠的间隙 笔头碗口与球珠的间隙分为径向和轴向两个方面。径向间隙指球珠与球座体的球 座内径之间的间隙，轴向间隙是指球珠与碗口之间沿轴心方向的间隙。对于径向间隙， 在书写过程中，由于碗边的磨损，碗口口部的间隙可能会变大写，但其内部的间隙通 常是没有变化的，会形成类似喇叭行的通路。而轴向间隙则会随着球珠与球座碗底的 磨损增大而变大。 从表面上来看，径向间隙越大意味着出口越大，出墨量也应该大，但实际上真正 决定出墨量大小的是轴向间隙，因为轴向间隙的大小相当于墨水供应来源的大小，而 径向间隙只是起到了辅助的作用。对于笔头的轴向间隙应该控制的范围，要分别球珠 规格的大小、墨水或油墨的黏度不同而具体设置,根据已公开的专利检索,在 JP114582/1994 中提到了笔头的轴向间隙 d0.05mm；在 JP160441/1996 中认为对于 中黏度圆珠笔的轴向间隙最好控制在 1035m；在 JP347255/2004 中专门针对球珠 为 0.3 及以下的笔头轴向移动量应该控制在 318m，最好为 415m。 1.21.2 球体座环槽的体积球体座环槽的体积 如图 1，环槽是一个由球座钻加工所形成的圆锥体和圆柱体结合部与球珠压珠配 合后所形成的横截面为近似三角形的圆环空间。也就是说环槽由球座钻直径大小 球座钻前角大小球珠在球座中的位置三个条件构成的。 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 2 图 1 笔头中环槽的示意图 而根据上述三个条件影响的接触面积、轴向间隙等因素可以分析出环槽大小与出 墨量的大小是成正比的。所以球体座环槽的体积对于控制出墨量的稳定性和快速书写 时的出墨连续性起到十分关键的作用。影响出墨量大小还有一点很重要，那就是环槽 和油槽贯通面积的大小，尤其是在经过一定长度的书写（出现磨损）后，其环槽和油 槽贯通面积大小的变化将决定出墨量大小的变化。 1.31.3 球座体油槽与小孔的面积球座体油槽与小孔的面积 由于球体座与小孔面积在前期设计时就会根据墨水状况匹配相应的数据，而一旦 加工后就基本不会有太大变化，因此这一项对于出墨量的影响较小。 1.41.4 球珠的表面状况球珠的表面状况 由于球珠是直接连接书写介质与油墨的结构，在上述几个因素相同的情况下，球 珠表面粗糙度的大小会直接影响出墨量的大小。使用两种颜色的表面状况不同的中性 笔各两只，划线得到数据如表 1 编号轴向间隙径向间隙球珠表面状况出墨量 mg/100m 9 0.360.15 一般 112 10 0.360.14 差 122 8 0.420.12 一般 123 10 0.420.14 差 133 表 1 1.51.5 墨水的黏度和表面张力墨水的黏度和表面张力 上文提到中性墨水是介于高黏度油性油墨和低黏度水性墨水之间的中黏度凝胶状 水性墨水，墨水黏度相对于表面张力在出墨量中起主导作用4。关于墨水的问题这里 不做详细讨论。 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 3 2 2 笔头类型分类笔头类型分类 按照笔头类型分类一般分为子弹头型和针管型。 2.12.1 子弹头型子弹头型 这种中性笔的笔头的形状象子弹一样。在制造过程中，通过金属切削将一根原棒 切削成一颗完整的笔头。子弹头型适合制造较粗的笔头，最粗可以达到 1.2。如图 2 图 2 子弹头型中性笔 2.22.2 针管型针管型 通常我们所说的是全针管型，当然还有半针管型。不像子弹头型，它由一根完整 的细管，通过精密仪器从 3 个方向在细管前端打 3 个凹点，形成球珠的碗座；而后面 的细管则形成三角形的油槽的非切屑方式加工而成。油墨经过油槽流出，再通过球珠 的滚动带出油墨，完成书写过程。针管型适合制造较细的笔头，例如 0.30、0.25 等 等。如图 3 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 4 图 3 针管型中性笔 3 3 中性笔头的缺陷和改进措施中性笔头的缺陷和改进措施 现有中性笔具有书写方便，笔迹持久，油墨浓缩等优势，但也是有一定缺陷的。 中性笔头是油墨通过重力通过笔尖及笔尖部的球珠的空隙实现的，当使用者不使用时 在笔尖及球珠部分油墨依然存在，这样就会出现油墨的溢出或长时间不用后，处于笔 尖及球珠部的油墨因接近空气而干燥堵塞整个笔头的情况。 现有技术已提出对中性笔头的改进，即在笔头加入弹簧（如图 4） ，通过压力实现 笔头同笔尖球珠的紧密密封，但由于笔尖处体积远小于固定管体积，固定管内腔也大 于笔尖处内腔，所用弹簧容易在与球珠接触处发生倾斜而没有起到密封作用。 图 4 中性笔弹簧笔头 经查阅专利，找到改进方案，可克服这一缺陷：如图 5，根据笔头各处内径大小 不同加入两个不同直径弹簧，弹簧 16 通过腔体底部的孔 15 顶压球珠 14，在孔 15 的 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 5 四周设置储油槽（22，23，24，25）是油墨顺利传到球珠处。这样通过二级弹簧使球 珠能够更好的密封，防止油墨遗漏或凝固，同时也不会内腔通道使出墨量减小，影响 书写体验5。 图 5 中性笔头改进结构示意图 结语结语 中性笔是在 1988 年由日本 PENTEL 株式会社研制并推向市场的，而我国是从 90 年代中期才开始有企业批量生产中性笔6。目前虽然我国中性笔已经发展将近二十年， 生产规模已居世界第一，但中性笔的头的材料和生产工艺，油墨质量依然落后于日本 等国家，很多高档中性笔材料依然依靠进口，这是限制我国中性笔行业发展的很大障 碍。通过对中性笔结构的研究，结合人们的使用习惯，在现有的设计结构上，结合转 向、联想类比等创新方法，改进中性笔的结构，使中性笔能有更好的易用性，更易于 生产加工，降低成本，在此基础上，我们还可以追求节能环保、可持续发展等目标， 这样可以增强我国制笔行业在国际上的竞争力，也能更好地改善人们的工作生活。 中性笔的结构研究机自 11 班阳挺 20112649 6 参考文献：参考文献： 1宋雪莲.“中国造”笔书写 25 亿美元大市场J;中国经济周刊;2008（12）：1. 22006 中国学生文具消费行为调研报告(广州篇节选之二)J;文体用品与科技; 2006（10）：1. 3徐学卿.中性笔的现状