阀门式记号笔设计浅析

周秋腾

上海金万年实业发展有限公司 上海 200020

1.引言

记号笔是用塑料、纤维等高分子材料制成笔头，可在纸张、木材、金属、塑料、搪瓷、陶瓷等一种或多种材料上作记号或标志的笔[1]。记号笔类产品用途广泛，品种不胜枚举。常见大众化的产品有油性记号笔、白板笔、微孔笔、荧光笔、水彩笔等，较小众化特殊用途的产品有绘图笔、软笔、灯板笔、油漆笔、丙烯笔、POP广告笔、高光笔等。按产品结构划分，目前记号笔常见的是储水芯结构，但随着用户需求的提高，文具厂商开发了书写寿命更长的记号笔，例如阀门式结构的记号笔，书写长度能达到常规记号笔的两倍以上。另外，大多数记号笔因其使用的墨水本身具有挥发性，笔头暴露空气中墨水容易挥发干涸，导致笔头堵塞书写不良等质量问题。为保证产品质量及基本寿命要求，对于记号笔配件、结构与其他笔类的要求有着明显的不同，需要各零配件之间配合后密封，确保笔头不干涸，所以对零部件精度要求较高。

近年来，记号笔产业发展势头良好，文具厂商对记号笔的重视程度不断提升，记号笔的研发设计能力及生产制造技术亦逐步完善，国内外知名制笔企业都把记号笔的发展作为未来主要发展方向。

2.阀门式记号笔的性能要求

2.1 配件密封性能及成品抗漏性要求

记号笔按储水结构分为储水芯式记号笔和直液式记号笔[2]1。直液式记号笔又可分为储水器结构和阀门结构两类，阀门结构的笔直接将墨水灌注在笔杆内部中，笔头插入笔杆的前端开口处，并且阀门部分设置在笔杆前端，以阻止墨水从笔杆中流出[3]。阀门结构首先要求阀门本身不仅具有按动开启闭合的基础功能，还必须兼备气密性功能。阀门与笔杆配合、尾塞与笔杆配合及笔帽与笔杆配合都需要满足气密性要求。阀门式记号笔是直接灌装墨水在笔杆内部，从各零配件之间配合关系及对成品笔性能要求来看，阀门式结构的记号笔比储水芯式记号笔复杂，对于产品功能性要求及模具精度要求更高。

2.2 按动书写功能

常见的前置按动阀门式结构如图1所示，主要由笔套、笔头、前笔杆（内有储水芯或储水海绵）、阀门、笔杆及尾塞等组成。通过按压笔头使阀门开启，让笔杆内的墨水从阀门出墨口流动到前笔杆内，不按压时由弹簧作用将阀门关闭。按压流出的墨水浸润笔头实现书写功能，多余部分墨水则由前笔杆内部的储水海绵或储水芯吸附储存，可防止按压时流出墨水太多造成漏墨，也可在书写使用过程中供应给笔头满足持续书写的要求。

图1 阀门结构-前置按动

后置按动阀门式结构如图2所示。通过按压尾塞使阀门开启，让笔杆内的墨水从阀门出墨口流动到前笔杆内，墨水浸润笔头实现书写功能，不按压时由弹簧作用将阀门关闭。前置按压阀门式结构是通过持续按压笔头来开启阀门，笔头要额外承受轴向的按压力，所以对于笔头的纤维材质及使用寿命要求更高[4]。如果还具有补充墨水的功能，那么建议要采用亚克力（PMMA）纤维笔头，这种材质笔头相对于普通纤维材质的笔头具有更优良的耐酸碱性能，更高的按压强度和更长的使用寿命。后置按动阀门式结构是通过尾塞后置按动实现阀门开启，在阀门开闭过程中笔头处于静止状态，无需额外承受轴向的按压力，因此对于笔头材质无特殊要求。但是，对尾部的密封又提出了新的要求。

图2 阀门结构-后置按动

2.3 可循环加水功能和笔帽安全性能

记号笔类产品在我们的生活中应用很广泛，所以近年来记号笔类的市场需求逐步增加。为满足客户需求，各大文具厂商不断在记号笔类的研发上进行技术创新。如尾塞可设计螺纹结构，一旦使用完墨水可以在笔套盖紧（阀门关闭）后将尾塞旋开，加入配套的记号墨水，方便消费者重复循环使用，尾塞部分的结构如图3所示。对于学生使用的记号笔类产品，笔套还需要满足安全性的要求[5]3。

图3 笔帽倒扣尾塞-循环加水功能图

3.阀门式记号笔结构的设计要点

3.1 阀门结构设计要点

关于注塑配件材料要求可以参考文献[6]24有关塑料材料的选择，对于记号笔配件使用的注塑材料有专业的解说。这里主要以前置按压阀门式记号笔说明阀门结构设计的要点。阀门结构本身要求其要实现开启闭合功能，还要保障闭合状态下的密封性能。图4是阀门的结构图，内塞的表面上，设计有一道环筋，环筋的宽度在0.8mm至1.0mm之间，环筋扣线的最高点凸出表面0.08mm至0.12mm之间，环筋采用强脱模结构成型。大塞的内表面上，也设计有一道环筋，环筋的宽度在0.8mm至1.0mm之间，环筋扣线的最高点凸出内表面0.1mm至0.12mm之间，环筋采用强脱模结构成型。内塞与大塞之间的两道环筋配合时单边有0.05mm至0.08mm的过盈量形成双密封环，既有扣紧力还能达到密封性能要求。

图4 阀门

阀门结构主要开启和闭合功能是由顶针、内塞及压缩弹簧的配合实现，笔头与顶针连成一体，按压笔头时，推动顶针使阀门开启，不按压时顶针与内塞在压缩弹簧[7]作用下进行密封。笔头在书写表面上书写时的轴向作用力一般约2N～3N，在书写时不能轻易使笔头开启阀门，避免产生墨水流出阀门超过储水芯的饱和量，出现产品漏水异常，所以阀门是阀门记号笔的核心，那么压缩弹簧就是阀门的核心部件。阀门结构不仅要根据阀门内部空间尺寸选用合适的压缩弹簧尺寸，还要计算弹簧压缩后产生的弹力。一般阀门式记号笔选用的压力弹簧组装后产生的轴向力在7N～10N之间较合适，这样不仅可以较好地密封，按笔头时力量也合适，笔头也能承受，正常书写时阀门不会开启。另外压缩弹簧须采用不锈钢材质，常用牌号有201、304及316等，一般选用304。304 是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于要求制作综合性能（耐腐蚀和成型性）良好的设备和机件。304不锈钢是按照美国ASTM标准生产出来的不锈钢的一个牌号，我国牌号0Cr18Ni9(旧牌号)、06Cr19Ni10(新牌号）[8]。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有18%以上的铬及8%以上的镍含量。

3.2 笔杆与阀门的配合

一般笔杆与阀门有两种常见的配合结构，一种是采用内密封环筋过盈配合，另一种采用双密封环筋过盈配合。图5所示为内密封环筋过盈配合。在笔杆内表面上，设计有一道环筋，环筋的宽度在0.8mm至1.0mm之间，环筋扣线的最高点凸出表面0.08mm至0.12mm之间，环筋采用强脱模结构成型。阀门配件的大塞密封位采用直位（直线面接触）密封，阀门装配入笔杆内与内密封环筋过盈配合密封。

图5 笔杆

阀门

图6所示为双密封环筋过盈配合。前笔杆内表面上，设计有两道环筋，环筋的宽度在0.8mm至1.0mm之间，环筋扣线的最高点凸出表面0.08mm至0.12mm之间，环筋采用强脱模结构成型。阀门配件的大塞密封位采用直位密封，阀门装配入前笔杆内与内密封环筋过盈配合密封。

图6 笔杆

阀门

笔杆与笔帽的配合，可以参考文献[6]25有关于笔套与笔杆配合结构。笔杆与尾塞的配合，可以设计可加墨水功能，一般在笔杆尾端设计可拆卸的尾塞，采用螺纹结构。本文主要针对阀门结构，在此不对螺纹密封结构作详细介绍。

4.阀门式记号笔的功能检测

阀门式记号笔配件较多，装配工艺复杂，对其功能是否符合设计要求要进行多方面检测。检测内容包括配件密封性能、成品抗漏性要求、按动性能、出墨性能及各零配件间的配合力检测等。

4.1 零配件间的密封性能检测

用一连接气泵软管插入特制尼龙胶挂具(中心有通气孔)，确保软管与尼龙胶挂具中心孔间密封，并导入调好的气泵压力为1.5Kgf/cm²的压缩空气至所需测试气密性的零配件（已装配），再将零配件放入盛水的容器中，观察零配件配合密封位的连接处，如无气泡冒出水面作为检验密封性能合格的标准。成品笔抗漏性能检测参考记号笔行业标准[2]3采用减压仪进行测试，首先将减压仪的减压速度调至－12kPa/min～－10.7kPa/min，然后将试笔取下笔帽，再将试笔笔头朝下插入笔架，放入减压仪真空罩内。开启减压仪，当真空度达到-10kPa后，保持15min，试笔应以不产生漏墨水异常即合格。另外可以参考文献[6]27中提出的模拟长期存放的环境变化对产品的影响，采用高低温交变试验方法进行测试。将成品试笔笔头向下放置于高低温交变试验箱内，设置高温60±2℃、低温-20±2℃，设置温度点维持4小时作为一个循环，再进行二轮循环试验，观察试笔渗漏墨情况，以及试验后书写是否正常等，来判定零配件间配合和密封性能。

4.2 笔头按动性能及出水性能检测

第一次使用时墨水能快捷地流出，将试笔笔头朝下按动，来回按动每下大约3s，应在30s内笔头完全显色。在笔头充盈墨水状态下，划线长度≥10m。在书写介质上进行正常书写，笔头不应缩进笔杆内。

4.3 零配件间的配合力和笔帽安全性检测

笔帽拉拔力测试，将成品试笔固定于数显拉力仪的夹具上，开启拉力仪，使笔帽与笔杆脱离时的最大数值，即为笔帽拉拔力的大小。该数值按标准在4.9N至39.2N之间为合格。

适合学生使用的记号笔，笔帽安全性测试可以按照文献[5]4-5要求进行检测。

5.总结

对阀门式记号笔的性能要求、设计要求及性能检测等三个主要方面进行探讨。分析了阀门式记号笔的性能要求，提出了阀门式结构设计要点，以及产品制造过程中如何快速进行零部件和成品性能检测方法。近年来我国科学技术日新月异，制笔行业紧随国家科学技术发展脚步，脚踏实地不断科学创新，随着制笔行业工艺技术水平提升，材料和墨水制造技术的发展，以及自动化装配和智能制造的齐头并进，记号笔的品种越来越丰富，市场上已出现一些技术含量较高的产品，比如按动式记号笔、常开帽记号笔（墨水技术）、透视窗荧光笔[9]、水写记号笔（墨水及材料技术）等。在强大国力支持下，相信会有更多技术含量高的新产品如雨后春笋般出现在市场上。我们也要在产品研发技术上努力创新，对产品结构更加精益求精，更加完善，让产品在消费者手中使用得更加舒适。