中性筆密封深度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)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(fā)、實(shí)驗(yàn)分析和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)工作中，經(jīng)常有客戶反映一年以后很多產(chǎn)品出現(xiàn)了不同比例、不同程度的起筆不良或?qū)懖怀龅葐栴}。同期生產(chǎn)的產(chǎn)品，在相同的儲(chǔ)存周期后，卻出現(xiàn)了書寫質(zhì)量的明顯差異，其中國內(nèi)中性筆產(chǎn)品的書寫質(zhì)量水平、耐用性總體比國外知名品牌有一定差距，因此，引發(fā)了對(duì)中性筆質(zhì)量保存年限的分析與探討。

目前，行業(yè)中性筆質(zhì)量的現(xiàn)狀是保存年限為不低于1年，也就是大部分制筆企業(yè)的產(chǎn)品只有1年的保質(zhì)期。而對(duì)于每個(gè)企業(yè)來講，一支中性筆從生產(chǎn)到銷售需要經(jīng)歷多個(gè)階段，如筆芯生產(chǎn)為一個(gè)階段、成品組裝為一個(gè)階段、包裝檢驗(yàn)又為一個(gè)階段，因此大部分制筆企業(yè)均會(huì)提前備貨。一般來講，一個(gè)企業(yè)從產(chǎn)品原材料采購、備料、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、物流到經(jīng)銷商、最后到終端市場(chǎng)需要的時(shí)間為3～6個(gè)月，再加上部分成品提前備貨，有些產(chǎn)品到終端市場(chǎng)已過去9個(gè)多月，甚至更長，因此有些產(chǎn)品到消費(fèi)者手上很有可能已接近保質(zhì)期。依現(xiàn)階段市場(chǎng)需求，保質(zhì)期1年已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足生產(chǎn)商、經(jīng)銷商、終端零售及消費(fèi)者的接受程度。因此，對(duì)提高中性筆保存年限問題進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來提高中性筆保存年限尤為重要。

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

本文通過對(duì)常見插套式結(jié)構(gòu)中性筆筆頭密封狀況進(jìn)行研究，為提高質(zhì)量保存年限提供理論依據(jù)，希望能夠?qū)?shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)引入到中性筆的研發(fā)中，并探討在中性筆設(shè)計(jì)中控制關(guān)鍵配合尺寸來提高中性筆研發(fā)及質(zhì)量管控水平，進(jìn)而提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

二、常見中性筆結(jié)構(gòu)分析

筆作為書寫工具在我們?nèi)粘Ｉ钪杏猛緲O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(hào)筆、自來水筆、鉛筆、水彩筆等。中性筆是目前國內(nèi)市場(chǎng)占有比率較高的書寫工具之一，中性筆常見適用的結(jié)構(gòu)類型為插套式（見圖1、圖2）和撳動(dòng)式（見圖3）。撳動(dòng)式選用的筆頭為彈簧筆頭，為球珠自密性（內(nèi)設(shè)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(shí)彈簧頂住球珠起到及時(shí)密封保護(hù)作用，在未使用狀態(tài)下通過點(diǎn)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(jié)構(gòu)及零件

圖2 插套式筆芯后定位式中性筆典型結(jié)構(gòu)及零件

圖3 撳動(dòng)式中性筆典型結(jié)構(gòu)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(tái)階與筆桿內(nèi)孔前端定位，使得筆芯（見圖4）的筆頭露出尖套距離穩(wěn)定性提高，出芯長度誤差相對(duì)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(nèi)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(huán)境下能正常書寫的時(shí)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(zhì)期相當(dāng)，而中性筆的間歇書寫一般能夠達(dá)到20天至3個(gè)月之間不等。此外，中性墨水黏度較油墨黏度低，且油管內(nèi)孔較大，墨水較易產(chǎn)生倒流現(xiàn)象[2]。所以在中性筆筆套內(nèi)都設(shè)計(jì)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(nèi)墨水干枯，并防止空氣從筆頭進(jìn)入筆芯內(nèi)，進(jìn)而產(chǎn)生墨水倒流與書寫斷線現(xiàn)象[2]。因此，筆頭進(jìn)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(zhì)量分析

（一）中性筆筆頭構(gòu)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(nèi)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(diǎn)蠟或筆套不加密封圈的狀態(tài)下，可以保持2年筆頭不會(huì)干枯，所以其產(chǎn)品壽命基本能滿足客戶正常需求，因此市場(chǎng)上高黏度油墨圓珠筆沒有額外的密封設(shè)計(jì)。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(dāng)筆頭暴露在空氣中時(shí)其墨水中水份容易揮發(fā)，形成色漿顆粒沉淀在球珠與筆頭間，時(shí)間越長則顆粒沉淀堆積在筆頭內(nèi)墨水槽越多，最終導(dǎo)致書寫不出（見圖5）。因此對(duì)于插套型中性筆筆套內(nèi)置密封圈，起到保護(hù)筆頭和密封的作用（見圖6）。常見插套式中性筆內(nèi)置密封圈有平圓型、球型、及內(nèi)凹包裹式，密封原理一致，通過橡膠包裹球珠進(jìn)行密封，密封性能的好壞對(duì)于中性筆質(zhì)量保存年限長短是重要的因素之一。本文通過對(duì)最常見扁圓型密封圈作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究分析。

圖5 筆頭頭部外形、內(nèi)部構(gòu)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(shè)計(jì)合理性分析與試驗(yàn)

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(yàn)設(shè)計(jì)與分析

運(yùn)用6 Sigma的質(zhì)量管理方法，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析（DOE），采用不同筆頭型號(hào)，同一球珠規(guī)格（?0.5）、設(shè)計(jì)不同的密封深度，在相同的墨水與液體浮塞、相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)不同的密封深度對(duì)產(chǎn)品保存年限的影響。

（1）試劑與原料

實(shí)驗(yàn)所用墨水為調(diào)制1#墨水，墨水理化指標(biāo)見表3、筆頭型號(hào)與規(guī)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(shí)驗(yàn)所用相關(guān)配件及墨水

（2）儀器、試寫紙

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

（3）試樣配件與墨水

實(shí)驗(yàn)所用配件與墨水見表3。

（4）試驗(yàn)環(huán)境

溫度環(huán)境在15℃～25℃，相對(duì)濕度在50%～80%。

（5）實(shí)驗(yàn)方法步驟

步驟1： 依表4選用不同的筆頭型號(hào)，根據(jù)設(shè)置不同的密封深度，選用相應(yīng)數(shù)量的塑料墊片裝入筆套密封圈下方調(diào)節(jié)密封深度，裝配后再通過透視儀測(cè)量實(shí)際密封深度，并記錄標(biāo)識(shí)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(xiàn)[5]中7.1初寫性能試驗(yàn)的要求，確保所有筆的起始狀態(tài)出墨正常，然后將筆套套好，每10支裝入小盒在試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行長期存放，小盒上分別標(biāo)識(shí)需保存的時(shí)間。

步驟3：如表4達(dá)到設(shè)定保存時(shí)間后分別取出1盒進(jìn)行劃線測(cè)試，劃線測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[5]中7.1初寫性能試驗(yàn)和7.2書寫性能試驗(yàn)要求進(jìn)行，檢查是否出現(xiàn)局部斷線、寫不出現(xiàn)象，將劃線檢查結(jié)果進(jìn)行記錄。

注1：書寫正?！?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?！獜膭澗€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(xiàn)連續(xù)斷線3圈以上或出現(xiàn)出墨不順暢現(xiàn)象。

（6）試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4。

表4 各種筆頭在不同密封深度時(shí)的保存時(shí)間與測(cè)試結(jié)果

根據(jù)多次論證及保存性分析，發(fā)現(xiàn)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(dá)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(fù)至原來的長度；且過深的密封深度會(huì)產(chǎn)生筆頭積墨問題，影響外觀，圖7為常見的密封不良狀態(tài)透視圖。因此通過不同筆頭直徑進(jìn)行一系列同上反復(fù)研究、試驗(yàn)分析，主要根據(jù)筆頭的形狀與球珠直徑，初步確立了產(chǎn)品的不同筆頭型號(hào)與其密封的深度有效設(shè)計(jì)參數(shù)，見表5。

表5 不同筆頭規(guī)格對(duì)應(yīng)深度參數(shù)表 單 位：mm

圖7 筆頭密封不良狀態(tài)透視圖

（三）相關(guān)料件尺寸控制重點(diǎn)

通過試驗(yàn)為設(shè)計(jì)提供了比較理想適宜的筆頭密封深度設(shè)計(jì)參數(shù)，而在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)楣P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(chǎn)品密封深度一致性，因此在實(shí)踐中如何保障產(chǎn)品精度，控制尺寸，提高產(chǎn)品一致性。是我們質(zhì)量控制重點(diǎn)。

首先在確保筆芯總長及筆頭露出長度與連接臺(tái)階尺寸情況下，控制相關(guān)尺寸，來保證密封深度。前定位結(jié)構(gòu)和后定位結(jié)構(gòu)建議控制的重點(diǎn)尺寸和精度如下：

1.前定位結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)控制：

（1）連接臺(tái)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(jié)構(gòu)需重點(diǎn)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(duì)影響組合尺寸累積誤差的關(guān)鍵尺寸，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸鏈正負(fù)公差進(jìn)行演練設(shè)計(jì)來減少累計(jì)誤差，其次需要通過高精度模具與注塑成型設(shè)備及穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝控制才能保證。

四、總結(jié)和展望

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

由于時(shí)間倉促及水平的限制，本研究還存在一些不足，今后還需進(jìn)一步有待完善和改進(jìn)。如墨水對(duì)中性筆質(zhì)量的影響，需要進(jìn)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(chǎn)品開發(fā)過程；另外中性筆密封圈材質(zhì)選用、密封圈的形狀（本文研究測(cè)試僅針對(duì)扁圓型外形密封圈展開）、檢測(cè)方法等需要進(jìn)一步研究；如何保證密封圈硅膠硫化充分，不與墨水起化學(xué)反應(yīng)，以及不同密封結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的密封效果等都是我們今后需要進(jìn)一步研究的課題。