活动铅笔的塑料三开花夹头及模具结构

洪跃 钱海平 吴瑛戟

1.上海晨光文具股份有限公司 上海 201406 2.上海制笔技术服务有限公司 上海 201615

1.引言

目前，活动铅笔已经成为我们日常学习、工作中经常使用的文具，由于其具有可重复使用的优点，因此得到了广泛地使用。

活动铅笔常见的揿动结构通常可以分为揿头式、揿套式和旁揿式，其中活动铅笔的铅芯夹头是活动铅笔重要部件之一。目前市场上活动铅笔基本都是塑料二开花夹头结构和金属三开花夹头结构，此二种结构都有其优点和不足之处。

塑料二开花结构的夹头是由二瓣间半圆弧孔组成，当夹头回位二瓣合拢后径向受力来夹持住铅芯。当活动铅笔揿动出芯的过程中，二开花结构的夹头径向打开，二瓣呈左右状态时，铅芯出芯受重力作用而垂下，在夹头回位时，很容易造成夹头夹偏铅芯，更严重时，还会出现将铅芯夹坏及夹断等弊病，最终导致出不了芯。这是塑料二开花夹头的不足之处，它的优点是二开花夹头用大模具制作，尺寸一致性、稳定性较好，又可大批量生产，产能效率都较高。

在中、高档活动铅笔产品中，有相当一部份都采用金属三开花夹头结构，由于金属三开花夹头是使用黄铜等金属材料，要经过专门机床采用金属切削等多道工序加工而成。所以，其加工工艺复杂，生产周期长，效率、产能低，制造成本高，因此导致目前市场上的金属三开花夹头活动铅笔普遍售价较高。优点是活动铅笔釆用金属三开花夹头使用寿命长，尤其是夹铅芯力较好，一般的中、高档活动铅笔均使用金属三开花夹头结构。

为了兼顾三开花夹头的结构优势和塑料二开花夹头生产快捷、制造成本低的优势，晨光文具率先立项研发活动铅笔塑料三开花夹头。本项目属于制笔行业的前沿技术，模具制造工艺精密，模具结构领先，研发成功塑料三开花夹头，不但能大幅降低活动铅笔制造成本，又可大批量生产，保证塑料三开花夹头精度尺寸一致性，使其可部分替代金属三开花夹头，因此在行业中有很好的推广应用前景。

2.塑料三开花夹头研发的关键技术

2.1 塑料三开花夹头高分子材料的选用及改性

我们选择的高分子材料是POM 合成树脂，即聚且摩擦系数小，自润滑性能好。POM 综合性能优异，尤其是它的耐磨性和耐疲劳性突出，很契合活动铅笔夹头的性能要求。因为塑料三开花夹头在揿动时，张开、收缩频率较高，耐疲劳性和耐磨性需要优先考虑。

POM 不易吸湿，吸水率仅为0.22%～0.25%，在潮湿的环境中产品尺寸稳定性好。其收缩率为1.5%-2.1%（较大），注塑时尺寸精度较难控制。但塑料三开花整体尺寸较小，模具设计时在长度方向上收缩率取上限，径向厚度较薄取较小收缩率，同样能获得较高的尺寸精度。当然，注塑工艺上要熟知该塑料原料的特点，生产过程细节上要加以控制。

试制三开花夹头中，在POM 原料中加入少量增强材料（如无碱玻璃纤维）进行填充改性，可进一步增强塑料三开花夹头的刚性。无碱玻璃纤维又称E 玻璃纤维，是指碱金属氧化物含量低的玻璃纤维。碱金属氧化物的具体含量，国内规定不大于0.8%，国外一般规定为1%以下。POM 经增强后，拉伸强度，耐热性能和刚性明显增加，而线膨胀系数，收缩率明显下降，这样成型的三开花夹头，夹紧力会更好，使用寿命会更长。

2.2 塑料三开花夹头模具结构创新

塑料三开花夹头模具结构上的创新是流道潜伏式浇口运用在哈夫模的结构中[2]，这是晨光文具在模具甲醛塑料，简称赛钢料，是一种白色或黑色塑料颗粒，具有高硬度，高刚性，高耐磨的特性[1]。POM 塑料强度高，质轻，常用来代替铜、锌、锡、铅等有色金属，被广泛用于制造塑料齿轮、轴承、滑轮等机床、仪表、汽车零部件，也大量用于制造玩具等起骨架支撑作用的部件，它有金属塑料之称的美誉。

图1 塑料三开花夹头零件示意图

POM 是结晶性塑料，密度为1.42g/cm3，具有优良的耐疲劳、耐蠕变、耐热、耐冲击等性能，设计上的大胆尝试。一般潜伏式浇口设计都是运用在碰模的模具结构中，而在三开花夹头模具上，由于其三开花产品的特殊性，上半部分是二节装配反扣，又有大段收腰尺寸，因此只能设计用哈夫模结构完成（见图1）。而产品上两段反扣要与油管紧配相扣，中心孔放置铅芯通过，两段反扣及台阶在哈夫滑块高度只有5mm，所以滑块厚度较薄，而潜伏浇口进料设计在哈夫滑块上，可大幅增加哈夫滑块的厚度。因此经反复比较后，设计用哈夫模的滑块结构来完成潜伏浇口进料。

要在哈夫模滑块上开制潜伏浇口，采用X 型流道排列（见图2），必须要满足流道在滑块分型面上。注塑成型后，在第一分型面开模时，X 型流道必须由上拉钉带出哈夫滑块，然后由斜导柱再打开哈夫滑块，浇口流道被拉钉带走后，由定距拉杆推出拉钉，最后由流道上弹顶器推下流道浇口落下。流道弹顶器在流道上方，其直径面积要大于流道宽度，合模时不影响流道走向，当拉钉弹去后流道弹顶器可把吸附在平面上的X 型流道及潜伏浇口一并推落。流道弹顶器可根据大模具的出数适当增加，但不能造成排列太密。

而下半部分是三爪夹头的三爪脚的部分，根据分模形状，只能设计用碰模结构来精密制作三爪脚开花形状，然后再用套管设计顶出型芯上的三开花夹头产品（见图3）。此结构是哈夫模接碰模，所以必须要保证模具的同心度为第一要素。

图2 X 型流道排面图

该模具设计采用了下沉式中心浇口套，因使用加长型热浇嘴，所以中心主流道较短，可大幅缩短主流道长度，快速进入两边X型分流道，分流道上连接着潜伏浇口及流道拉钉。由潜伏浇口进入三开花夹头产品后，注射产品完毕后开模的瞬间，浇口流道与潜伏浇口被向上的拉钉扣住，离开三开花产品，即潜伏浇口断裂，随浇口流道留在上部定模板一侧。流道离开后即可打开哈夫罩块，由斜导柱打开上部的哈夫型腔到位。然后由定距拉杆的定位来弹开流道拉钉，靠弹簧顶针顶落，浇口流道落下。之后由于优尼胶作用，定距拉杆继续开模，再打开下半部分碰模型腔块板，型腔被打开，由定距链条定位。三开花夹头产品均留在型芯上，随后由推管把三开花产品推出型芯掉落下。推管固定板由定距螺钉定位，动作完成后，逐一合模，完成一个周期的往复，进入下一循环。模具制作要充分考虑尺寸精度，模具材料用钢要高等级，以避免变形。

图3 模具结构示意图

在研发塑料三开花夹头的同时，晨光文具已申请了实用新型专利，专利号为ZL 201720123606.3。

3.塑料三开花夹头应用前景

塑料三开花夹头试样成功后，经产品检测部门测试，各项指标都满足行业标准要求，特别是夹铅芯力显著提高，达到与金属夹头媲美的水平。经过万次揿动疲劳试验，夹头各项性能良好，显示了改性后的材料耐磨、耐疲劳性能优异。经试验，此塑料三开花夹头也成功克服了二开花夹头容易夹偏铅芯的缺陷，应用前景良好。