1、機械創新設計論文中性筆頭的結構研究姓 名：班 級：學 號：指導老師： 中性筆頭的結構研究摘要：摘要：據調查，2007 年中國制筆行業為國外市場提供了超過 372 億筆類產品，總銷售額 198.8 億元，而圓珠筆就占到了 43%，中性筆占圓珠筆總銷量的一半以上1。在國內，以廣州為例，06 年大學和中學學生筆類使用量中性筆分別占到了 40.4%和39.9%2。由此可見中性筆在中國乃至世界筆類產品中都占有了重要的地位。中性筆的生產技術主要是筆頭和墨水的研究，而本文主要討論筆頭構造的原理、分類和改進。關鍵詞：關鍵詞：中性筆 筆頭 原理 分類 改進中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 20112649目錄

2、目錄引言引言 .11 1 筆頭對出墨量大小的影響筆頭對出墨量大小的影響.11.1 筆頭碗口與球珠的間隙.11.2 球體座環槽的體積.21.3 球座體油槽與小孔的面積.31.4 球珠的表面狀況.31.5 墨水的黏度和表面張力.32 2 筆頭類型分類筆頭類型分類.42.1 子彈頭型 .42.2 針管型 .43 3 中性筆頭的缺陷和改進措施中性筆頭的缺陷和改進措施.5結語結語 .7參考文獻參考文獻 .8中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 201126491引言引言中性筆是圓珠筆分支下的一類產品。圓珠筆即利用球珠滾動帶出書寫介質的書寫工具，通常所說的圓珠筆即為書寫介質為油性的圓珠筆書寫介質為水性的稱為

3、水性圓珠筆或滾珠筆、寶珠筆；而書寫介質的粘度介于水性和油性之間的則稱為中性筆3。 中性筆雖同屬圓珠筆類產品，其書寫原理、筆頭結構、加工工藝等與傳統的油性圓珠筆大同小異，但因采用墨水性能差異，對筆頭有特殊的要求。1 1 筆頭對出墨量大小的影響筆頭對出墨量大小的影響出墨量大小直接影響書寫感受，而影響出墨量大小的因素有以下 5 個方面：1.11.1 筆頭碗口與球珠的間隙筆頭碗口與球珠的間隙筆頭碗口與球珠的間隙分為徑向和軸向兩個方面。徑向間隙指球珠與球座體的球座內徑之間的間隙，軸向間隙是指球珠與碗口之間沿軸心方向的間隙。對于徑向間隙，在書寫過程中，由于碗邊的磨損，碗口口部的間隙可能會變大寫，但其內部的

4、間隙通常是沒有變化的，會形成類似喇叭行的通路。而軸向間隙則會隨著球珠與球座碗底的磨損增大而變大。 從表面上來看，徑向間隙越大意味著出口越大，出墨量也應該大，但實際上真正決定出墨量大小的是軸向間隙，因為軸向間隙的大小相當于墨水供應來源的大小，而徑向間隙只是起到了輔助的作用。對于筆頭的軸向間隙應該控制的范圍，要分別球珠規格的大小、墨水或油墨的黏度不同而具體設置,根據已公開的專利檢索,在JP114582/1994 中提到了筆頭的軸向間隙 d0.05mm；在 JP160441/1996 中認為對于中黏度圓珠筆的軸向間隙最好控制在 1035m；在 JP347255/2004 中專門針對球珠為 0.3 及

5、以下的筆頭軸向移動量應該控制在 318m，最好為 415m。1.21.2 球體座環槽的體積球體座環槽的體積如圖 1，環槽是一個由球座鉆加工所形成的圓錐體和圓柱體結合部與球珠壓珠配合后所形成的橫截面為近似三角形的圓環空間。也就是說環槽由球座鉆直徑大小球座鉆前角大小球珠在球座中的位置三個條件構成的。中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 201126492圖 1 筆頭中環槽的示意圖而根據上述三個條件影響的接觸面積、軸向間隙等因素可以分析出環槽大小與出墨量的大小是成正比的。所以球體座環槽的體積對于控制出墨量的穩定性和快速書寫時的出墨連續性起到十分關鍵的作用。影響出墨量大小還有一點很重要，那就是環槽和油槽

6、貫通面積的大小，尤其是在經過一定長度的書寫（出現磨損）后，其環槽和油槽貫通面積大小的變化將決定出墨量大小的變化。1.31.3 球座體油槽與小孔的面積球座體油槽與小孔的面積由于球體座與小孔面積在前期設計時就會根據墨水狀況匹配相應的數據，而一旦加工后就基本不會有太大變化，因此這一項對于出墨量的影響較小。1.41.4 球珠的表面狀況球珠的表面狀況由于球珠是直接連接書寫介質與油墨的結構，在上述幾個因素相同的情況下，球珠表面粗糙度的大小會直接影響出墨量的大小。使用兩種顏色的表面狀況不同的中性筆各兩只，劃線得到數據如表 1編號軸向間隙徑向間隙球珠表面狀況出墨量 mg/100m90.360.15一般1121

7、00.360.14差12280.420.12一般123100.420.14差133 表 11.51.5 墨水的黏度和表面張力墨水的黏度和表面張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間的中黏度凝膠狀水性墨水，墨水黏度相對于表面張力在出墨量中起主導作用4。關于墨水的問題這里不做詳細討論。中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 2011264932 2 筆頭類型分類筆頭類型分類按照筆頭類型分類一般分為子彈頭型和針管型。2.12.1 子彈頭型子彈頭型 這種中性筆的筆頭的形狀象子彈一樣。在制造過程中，通過金屬切削將一根原棒切削成一顆完整的筆頭。子彈頭型適合制造較粗的筆頭，最粗可以達到 1.

8、2。如圖 2圖 2 子彈頭型中性筆2.22.2 針管型針管型通常我們所說的是全針管型，當然還有半針管型。不像子彈頭型，它由一根完整的細管，通過精密儀器從 3 個方向在細管前端打 3 個凹點，形成球珠的碗座；而后面的細管則形成三角形的油槽的非切屑方式加工而成。油墨經過油槽流出，再通過球珠的滾動帶出油墨，完成書寫過程。針管型適合制造較細的筆頭，例如 0.30、0.25 等等。如圖 3中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 201126494圖 3 針管型中性筆3 3 中性筆頭的缺陷和改進措施中性筆頭的缺陷和改進措施現有中性筆具有書寫方便，筆跡持久，油墨濃縮等優勢，但也是有一定缺陷的。中性筆頭是油墨通過

9、重力通過筆尖及筆尖部的球珠的空隙實現的，當使用者不使用時在筆尖及球珠部分油墨依然存在，這樣就會出現油墨的溢出或長時間不用后，處于筆尖及球珠部的油墨因接近空氣而干燥堵塞整個筆頭的情況。現有技術已提出對中性筆頭的改進，即在筆頭加入彈簧（如圖 4） ，通過壓力實現筆頭同筆尖球珠的緊密密封，但由于筆尖處體積遠小于固定管體積，固定管內腔也大于筆尖處內腔，所用彈簧容易在與球珠接觸處發生傾斜而沒有起到密封作用。圖 4 中性筆彈簧筆頭經查閱專利，找到改進方案，可克服這一缺陷：如圖 5，根據筆頭各處內徑大小不同加入兩個不同直徑彈簧，彈簧 16 通過腔體底部的孔 15 頂壓球珠 14，在孔 15 的中性筆的結構研

10、究機自 11 班陽挺 201126495四周設置儲油槽（22，23，24，25）是油墨順利傳到球珠處。這樣通過二級彈簧使球珠能夠更好的密封，防止油墨遺漏或凝固，同時也不會內腔通道使出墨量減小，影響書寫體驗5。圖 5 中性筆頭改進結構示意圖結語結語中性筆是在 1988 年由日本 PENTEL 株式會社研制并推向市場的，而我國是從 90年代中期才開始有企業批量生產中性筆6。目前雖然我國中性筆已經發展將近二十年，生產規模已居世界第一，但中性筆的頭的材料和生產工藝，油墨質量依然落后于日本等國家，很多高檔中性筆材料依然依靠進口，這是限制我國中性筆行業發展的很大障礙。通過對中性筆結構的研究，結合人們的使用習慣，在現有的設計結構上，結合轉向、聯想類比等創新方法，改進中性筆的結構，使中性筆能有更好的易用性，更易于生產加工，降低成本，在此基礎上，我們還可以追求節能環保、可持續發展等目標，這樣可以增強我國制筆行業在國際上的競爭力，也能更好地改善人們的工作生活。中性筆的結構研究機自 11 班陽挺 201126496參考文獻：參考文獻：1宋雪蓮.“中國造”筆書寫 25 億美元大市場J;中國經濟周刊;2008（12）：1.22006 中國學生文具消費行為調研報告(廣州篇節選之二)J;文體用品與科技;2006（10）：1.3徐學卿.中性筆的現狀和發展