活動鉛筆的塑料三開花夾頭及模具結構

洪躍 錢海平 吳瑛戟

1.上海晨光文具股份有限公司 上海 201406 2.上海制筆技術服務有限公司 上海 201615

1.引言

目前，活動鉛筆已經成為我們日常學習、工作中經常使用的文具，由于其具有可重復使用的優點，因此得到了廣泛地使用。

活動鉛筆常見的撳動結構通常可以分為撳頭式、撳套式和旁撳式，其中活動鉛筆的鉛芯夾頭是活動鉛筆重要部件之一。目前市場上活動鉛筆基本都是塑料二開花夾頭結構和金屬三開花夾頭結構，此二種結構都有其優點和不足之處。

塑料二開花結構的夾頭是由二瓣間半圓弧孔組成，當夾頭回位二瓣合攏后徑向受力來夾持住鉛芯。當活動鉛筆撳動出芯的過程中，二開花結構的夾頭徑向打開，二瓣呈左右狀態時，鉛芯出芯受重力作用而垂下，在夾頭回位時，很容易造成夾頭夾偏鉛芯，更嚴重時，還會出現將鉛芯夾壞及夾斷等弊病，最終導致出不了芯。這是塑料二開花夾頭的不足之處，它的優點是二開花夾頭用大模具制作，尺寸一致性、穩定性較好，又可大批量生產，產能效率都較高。

在中、高檔活動鉛筆產品中，有相當一部份都采用金屬三開花夾頭結構，由于金屬三開花夾頭是使用黃銅等金屬材料，要經過專門機床采用金屬切削等多道工序加工而成。所以，其加工工藝復雜，生產周期長，效率、產能低，制造成本高，因此導致目前市場上的金屬三開花夾頭活動鉛筆普遍售價較高。優點是活動鉛筆釆用金屬三開花夾頭使用壽命長，尤其是夾鉛芯力較好，一般的中、高檔活動鉛筆均使用金屬三開花夾頭結構。

為了兼顧三開花夾頭的結構優勢和塑料二開花夾頭生產快捷、制造成本低的優勢，晨光文具率先立項研發活動鉛筆塑料三開花夾頭。本項目屬于制筆行業的前沿技術，模具制造工藝精密，模具結構領先，研發成功塑料三開花夾頭，不但能大幅降低活動鉛筆制造成本，又可大批量生產，保證塑料三開花夾頭精度尺寸一致性，使其可部分替代金屬三開花夾頭，因此在行業中有很好的推廣應用前景。

2.塑料三開花夾頭研發的關鍵技術

2.1 塑料三開花夾頭高分子材料的選用及改性

我們選擇的高分子材料是POM 合成樹脂，即聚且摩擦系數小，自潤滑性能好。POM 綜合性能優異，尤其是它的耐磨性和耐疲勞性突出，很契合活動鉛筆夾頭的性能要求。因為塑料三開花夾頭在撳動時，張開、收縮頻率較高，耐疲勞性和耐磨性需要優先考慮。

POM 不易吸濕，吸水率僅為0.22%～0.25%，在潮濕的環境中產品尺寸穩定性好。其收縮率為1.5%-2.1%（較大），注塑時尺寸精度較難控制。但塑料三開花整體尺寸較小，模具設計時在長度方向上收縮率取上限，徑向厚度較薄取較小收縮率，同樣能獲得較高的尺寸精度。當然，注塑工藝上要熟知該塑料原料的特點，生產過程細節上要加以控制。

試制三開花夾頭中，在POM 原料中加入少量增強材料（如無堿玻璃纖維）進行填充改性，可進一步增強塑料三開花夾頭的剛性。無堿玻璃纖維又稱E 玻璃纖維，是指堿金屬氧化物含量低的玻璃纖維。堿金屬氧化物的具體含量，國內規定不大于0.8%，國外一般規定為1%以下。POM 經增強后，拉伸強度，耐熱性能和剛性明顯增加，而線膨脹系數，收縮率明顯下降，這樣成型的三開花夾頭，夾緊力會更好，使用壽命會更長。

2.2 塑料三開花夾頭模具結構創新

塑料三開花夾頭模具結構上的創新是流道潛伏式澆口運用在哈夫模的結構中[2]，這是晨光文具在模具甲醛塑料，簡稱賽鋼料，是一種白色或黑色塑料顆粒，具有高硬度，高剛性，高耐磨的特性[1]。POM 塑料強度高，質輕，常用來代替銅、鋅、錫、鉛等有色金屬，被廣泛用于制造塑料齒輪、軸承、滑輪等機床、儀表、汽車零部件，也大量用于制造玩具等起骨架支撐作用的部件，它有金屬塑料之稱的美譽。

圖1 塑料三開花夾頭零件示意圖

POM 是結晶性塑料，密度為1.42g/cm3，具有優良的耐疲勞、耐蠕變、耐熱、耐沖擊等性能，設計上的大膽嘗試。一般潛伏式澆口設計都是運用在碰模的模具結構中，而在三開花夾頭模具上，由于其三開花產品的特殊性，上半部分是二節裝配反扣，又有大段收腰尺寸，因此只能設計用哈夫模結構完成（見圖1）。而產品上兩段反扣要與油管緊配相扣，中心孔放置鉛芯通過，兩段反扣及臺階在哈夫滑塊高度只有5mm，所以滑塊厚度較薄，而潛伏澆口進料設計在哈夫滑塊上，可大幅增加哈夫滑塊的厚度。因此經反復比較后，設計用哈夫模的滑塊結構來完成潛伏澆口進料。

要在哈夫模滑塊上開制潛伏澆口，采用X 型流道排列（見圖2），必須要滿足流道在滑塊分型面上。注塑成型后，在第一分型面開模時，X 型流道必須由上拉釘帶出哈夫滑塊，然后由斜導柱再打開哈夫滑塊，澆口流道被拉釘帶走后，由定距拉桿推出拉釘，最后由流道上彈頂器推下流道澆口落下。流道彈頂器在流道上方，其直徑面積要大于流道寬度，合模時不影響流道走向，當拉釘彈去后流道彈頂器可把吸附在平面上的X 型流道及潛伏澆口一并推落。流道彈頂器可根據大模具的出數適當增加，但不能造成排列太密。

而下半部分是三爪夾頭的三爪腳的部分，根據分模形狀，只能設計用碰模結構來精密制作三爪腳開花形狀，然后再用套管設計頂出型芯上的三開花夾頭產品（見圖3）。此結構是哈夫模接碰模，所以必須要保證模具的同心度為第一要素。

圖2 X 型流道排面圖

該模具設計采用了下沉式中心澆口套，因使用加長型熱澆嘴，所以中心主流道較短，可大幅縮短主流道長度，快速進入兩邊X型分流道，分流道上連接著潛伏澆口及流道拉釘。由潛伏澆口進入三開花夾頭產品后，注射產品完畢后開模的瞬間，澆口流道與潛伏澆口被向上的拉釘扣住，離開三開花產品，即潛伏澆口斷裂，隨澆口流道留在上部定模板一側。流道離開后即可打開哈夫罩塊，由斜導柱打開上部的哈夫型腔到位。然后由定距拉桿的定位來彈開流道拉釘，靠彈簧頂針頂落，澆口流道落下。之后由于優尼膠作用，定距拉桿繼續開模，再打開下半部分碰模型腔塊板，型腔被打開，由定距鏈條定位。三開花夾頭產品均留在型芯上，隨后由推管把三開花產品推出型芯掉落下。推管固定板由定距螺釘定位，動作完成后，逐一合模，完成一個周期的往復，進入下一循環。模具制作要充分考慮尺寸精度，模具材料用鋼要高等級，以避免變形。

圖3 模具結構示意圖

在研發塑料三開花夾頭的同時，晨光文具已申請了實用新型專利，專利號為ZL 201720123606.3。

3.塑料三開花夾頭應用前景

塑料三開花夾頭試樣成功后，經產品檢測部門測試，各項指標都滿足行業標準要求，特別是夾鉛芯力顯著提高，達到與金屬夾頭媲美的水平。經過萬次撳動疲勞試驗，夾頭各項性能良好，顯示了改性后的材料耐磨、耐疲勞性能優異。經試驗，此塑料三開花夾頭也成功克服了二開花夾頭容易夾偏鉛芯的缺陷，應用前景良好。