一种U 型笔头结构设计的设想

周胜, 董周

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圆珠笔的书写性能主要由笔头的品质决定，但传统笔头各零部件的生产工艺会相互掣肘，譬如要在尽可能缩小书写角度的同时确保笔头书写流畅，而两者往往容易顾此失彼。如果一味追求较小的书写角度，容易引发笔头掉珠等问题[1]，也会不利于书写。因其极限值难以界定，导致加工面临两难困境。传统笔头的生产制造还存在诸多不足，特别是其固有的结构工艺性缺陷，加大了加工难度，而严格苛刻的精度要求和复杂分散的加工步骤也会造成材料和人工的极大浪费，导致成本居高不下，生产型企业利润被压缩。由此可见，传统圆珠笔的设计制造过程受到多重限制。针对以上难题，设计团队提供了一种U型笔头结构方案。

1 结构组件及连接关系

U 型笔头由球珠、U 形球座体、导墨带丝、油管连接件组成，结构稳定可靠。其组件设计示意图见（图1）。

图1 U 型笔头组件设计示意图

将略长于U 形球座体弯折前总长的导墨带丝穿入球座体中孔内，起引墨作用。由于油管连接件设有与U 形球座体两供墨管直径相等但不平行的预装孔，当球座体尾部插入油管连接件的预装孔时，U 形球座体两供墨管的角度由平行变为呈3.8°夹角（按照实配情况调整，一般不能低于2°），从而使得球座体顶部发生可控形变，形成环抱式空间以防球珠脱落。

2 U 型笔头的设计原理

为解决传统笔头在使用过程中出现的一系列问题，本文综合考虑书写角度、出墨量、初写特性等关键技术参数，创造性地提出了U 型笔头设计方案，有效提升了零件的结构工艺性，改善了书写和安全性能。笔头的设计原理见（图2）。

图2 笔头设计原理示意图

U 型笔头的主体结构是一根顶部装配有球珠且弯折成U 形的镍白铜管。固定视角下，因其结构的特殊性，书写角度会随笔头中心旋转而发生变化。（图3）为U 形笔头以不同角度放置所对应的书写角度。（以U 形、预设角度为0°放置作为起始参照，旋转角度每增加10°记录）

图3 U 形笔头以不同摆放角度对应的书写角

以具有代表性的两种方向为例，见图4 中（1）方向时，以φ0.7 mm 球珠为例理论书写角度为6.2°-8.5°左右。此举可确保以任意握笔角度书写，球座体口边均不接触书写物，从根源上杜绝笔头刮纸现象，有效延长圆珠笔使用寿命。若以（2）方向，U 型笔头的理论书写角度为46.7°-48.5°左右，凭借其特殊的圆弧状顶边设计，得以发挥传统笔头所不具备的正姿功能。当笔头与书写物夹角过小时，球座体顶边会与书写物相抵，需调整至规范角度方可正常使用。此时可以理解为环抱球珠的工作部（球座体口边）与书写物无接触（见图5:U 形球座体口边与顶边），避免发生球座体口边磨损、球珠脱落等现象。即使在书写时因握笔姿势不规范导致球座体顶边与书写物相摩擦，其圆弧设计也能有效减小接触面，较小的摩擦力也不会致使笔头出现书写受阻、飞白等问题。

图4 两种代表性方向的书写角度

图 5 U 形球座体口边和顶边

U 型笔头得益于独特的球座体双供墨管结构布局，在优化重要技术参数的基础上，大幅改善了书写性能。就供墨系统而言，传统笔头因其固有的结构缺陷难以在提高书写顺滑度与不污染书写物之间取得平衡，更多的出墨量有利于流畅书写却会造成漏墨使纸张受污；出墨量少有利于节能环保却又导致书写不畅。方便可控的夹角收口设计可及时调整球座与球珠的间隙，确保书写过程中随着球珠的转动，将未转移至书写表面的剩余油墨带回球座，有效降低冒油风险，达到出墨均匀、书写顺畅且不污染书写表面的效果。

设计团队为给U 型笔头圆珠笔用户提供更好的书写体验，创造性地将亲水性较强且耐腐蚀的06cr19ni10 不锈钢材料[2]制成导墨带丝，并将其插入U 形球座体中，使笔头出墨量趋于平稳。导墨带丝在被装入球座体时，会随着球座体内部角度变化弯折成与其一致的U 形，且能利用自身弹性与球珠相抵，确保球珠与相贴面之间留有间隙。球珠工作时会因受压携同球座体内部导墨带丝回缩；不书写时，导墨带丝自然舒展，抵住球珠使其紧贴球座体口边，有效防止空气进入或油墨外漏，进一步提升笔头的书写性能。从便于圆珠笔生产制造和实际使用的角度考虑，在U 型笔头的球座体口边开设一条宽度仅为0.02 mm 的细缝。其设计原理是利用液体表面张力制造出一条毛细通道，油墨会在重力的影响下流至缝隙处，部分油墨附着在球珠上。球座体口边的极细开缝也能够储存少量油墨，杜绝笔头出现断墨现象。与此同时，U 型笔头在装配后会形成一个夹角并带动球座体口边开缝发生可控形变，使开缝的外口收缩闭合，以此确保油墨能够顺利流过球座体口边开缝而不外漏。多种举措相互配合，保障U 型笔头具有稳定的供墨系统和极佳的初写特性。

为了提高圆珠笔使用的安全性，设计团队采用圆滑的U 形球座体顶部代替传统笔头的尖锐顶端，以此增大接触面积从而减小压强，大大降低了因使用者操作不当而造成的安全隐患。

3 U 型笔头主要零件的制造方案

设计团队在构思U 型笔头时秉持着简约实用的设计理念，简化传统笔头制造工艺，从而在最大程度上提高资源的利用效率。

U 型笔头由球珠、U 型球座体、导墨丝、油管连接件四部分组成。各零配件所选材料如下：球珠（9Cr18不锈钢）、U型球座体（C72500镍白铜）、导墨丝（06cr19ni10不锈钢）、油管连接件（pp 聚丙烯）。

3.1 球珠：U型笔头球珠与传统笔头球珠的制作工艺一致，可相互替代

3.1.1 工艺流程：落料 — 打角成型 — 成品研磨 — 精光加工

3.1.2 操作步骤：第一步是落料：将直径为Φ0.9～ Φ0.95mm的不锈钢料切割成长度为0.95±0.02mm 的料段，随后进入打角工序，将料段初步碾成球珠毛坯，接着进行成品研磨，最后再精光加工成Φ0.7mm 成品球珠。半成品检测及热处理等辅助工序于上述步骤间穿插进行。

3.2 U形球座体：主体为一根弯折成U型的镍白铜管，有别于传统笔头，有较强的结构工艺性

3.2.1 工艺流程：弯折落料 — 开球座孔 — 冲相贴面 — 球座体开缝

3.2.2 操作步骤：第一道工序是弯折及落料，两者在实际操作时可合并处理。利用毛细小管全自动弯折机对指定直径的镍白铜管材料进行加工，将其从弯折机送料口推出，待出料达到标准长度后，由折弯回转台弯折管材，最后通过激光或刀具断料便可成型出U 形球座体毛坯。第二道工序是在U 形球座体的顶部开设球珠安装孔（球珠孔），以自动仪表车床为载体，换装U 形球座体专用送料装夹一体工装，夹持住球座体的两根供墨管，在U 形球座体顶部钻削出底孔，球珠孔初步成型。下一道工序是球座体冲孔（俗称冲圆）。冲孔过程的加工质量直接决定了球座的品质，对球珠与相贴面的配合情况、出墨率、书写体验等都有一定影响。注：每冲制2-3 万支球座后需检查并更换新冲头。完成冲制后，进入U 形球座体最后一道加工工序：采用电化学蚀刻的加工工艺，在球座体顶端开设一条宽度仅为0.02 mm 的极细缝。原理是利用液体表面的张力制造出毛细效应，有利于稳定笔头出墨率、提升书写性能。

3.3 导墨带丝：是U型笔头的特有配件，首次出现在笔头结构中。其主要作用是将油墨稳定地从油管引到球座体内再运输到球珠。利用其弯曲后的弹性固定球珠，从而提高笔头的气密性和抗漏性

3.3.1 工艺流程：冲压

3.3.2 加工步骤：导墨带丝仅需一道加工工序，操作简单。以自动进料高速冲床为载体，利用内嵌凸圆弧冲切模具冲制，在加工过程中冲制凹型弧面应与冲切步骤同时进行，以保证精度。可使用一出多冲切模具提高生产效率。

3.4 油管连接件：不同于功能单一的传统笔头油管连接件，U型笔头的油管连接件不仅起到连接球座体和油管的作用，还能够将U形球座体的两根平行的供墨管向外分张至指定角度，确保U形球座体顶部口边发生可控形变、闭合球座顶端开缝从而形成环抱空间

3.4.1 加工工艺：注塑

3.4.2 加工步骤：借助高速高压的注射机，使用导柱塞将已经塑化的聚丙烯熔体注入到温度较低的哈夫模具中。当聚丙烯溶体充满模腔时，加压待其冷却定型后即可固化，分离哈夫模具取出制件。

3.5 U型笔头装配模型图及实物展示

U 型笔头装配模型图如图6。

图6 U 型笔头装配模型图

U 形球座体实物演示如图7。

图7 U 形球座体实物展示图

4 U 型笔头结构的优点

设计团队独辟蹊径，开创性地以镍白铜U 形管取代传统球座体，利用导墨带丝发挥油槽的功能，以装配油管连接件的方式使球珠孔向内收缩形成环抱空间，以此代替传统笔头的收口工序，提高了笔头加工和装配的精度，大幅提升零件的结构工艺性，可有效解决传统笔头生产难度大、加工损耗高等问题。合理的结构优化了书写角度、出墨率、初写特性等技术参数，改善了书写性能。此外，设计团队出于人性化考虑，以圆滑的U 型笔头顶端代替传统笔头尖锐的顶部，以此增大接触面积从而减小压强，大大降低了因使用者操作不当而造成的安全隐患。

5 结语

长期以来，我国一直是世界公认的圆珠笔制造大国，性能优异，价格低廉的圆珠笔产品在市场中获得了广大消费者的一致好评。但是因制造型企业利润较低，效益提升和成本控制的难题接踵而至，因此市场下一步应以提高产品科技水平和促进产业结构转型升级为导向，在保证圆珠笔优越书写性能的同时推动制笔企业向低成本、低损耗的经济型方向发展为攻克上述难关，团队摒弃了传统笔头的设计思维，删繁就简，锐意创新，提出了一套由球珠、U 形球座体、导墨带丝、油管连接件组成的U 型笔头设计方案。U 型笔头凭借其良好的结构工艺性，有效节约加工成本、提高生产效率。

从实际使用角度出发，U 型笔头凭借合理的设计步骤使圆珠笔最为关键的书写性能得以提升。与传统笔头相比，其具有书写角度小、出墨稳定、安全性高等优点，能够显著提升产品价值。

随着时代不断发展，制笔工业节能环保和利润提升的诉求日益突出[3]。U 型笔头的设计方案在提高我国圆珠笔设计制造水平的同时降低了能源损耗，迎合了打造经济型制笔企业的可持续发展趋势，推动我国圆珠笔市场走上良性循环的轨道。

目前U 型笔头设计方案雏形初具，需要在实践的检验中不断完善，欢迎大家提出宝贵意见与建议。