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1、旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)鉛筆的創(chuàng)新設(shè)計(jì) -機(jī)電論文 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)鉛筆的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 邵秋萍葛治星孫歡顧相志 (南京工程學(xué)院，江蘇 南京210013) 【摘 要】目前市場上自動(dòng)鉛筆一般采用脈動(dòng)式機(jī)芯結(jié)構(gòu)，而本設(shè)計(jì)利用口 紅旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鉛芯的進(jìn)與退， 即采用了旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。用類似三爪卡盤的 機(jī)構(gòu)夾住筆芯(約夾0.2cm)，通過盡量減少夾頭夾緊的長度以及改變旋轉(zhuǎn)式自 動(dòng)筆出鉛螺旋套前部的錐度來實(shí)現(xiàn)節(jié)約鉛芯， 實(shí)現(xiàn)了鉛芯最大程度的利用。該設(shè) 計(jì)結(jié)構(gòu)簡便合理，使用更加方便。通過關(guān)鍵零件的強(qiáng)度及 ANSYA等分析得知， 結(jié)構(gòu)可靠。 關(guān)鍵詞旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆；夾頭；鉛芯；力學(xué)分析 The inno vative

2、 Desig n of Automatic Rotary Pen cils SHAO Qiu-ping G E Z hi-xing SUN H uan G U X iang-zhi (Nanji ng In stitute of Techno logy ， Nanji ng Jia ngsu 210013 ， Chi na ) 【Abstract 】Automatic pen cil on the market at prese nt gen erally adopts pulsing movement structure ， and this design use lipstick

3、rotating structure design to achieve the lead into and retreat ， which adopted the structure of rotary. Three jaw chuck with similar in stituti ons in ink (about 0.2 cm )， by minimizing the length of the chuck clamping and cha nge rotary automatic pen cil lead screw in the front of the set of taper

4、to save the lead ， has realized the use of lead is maximum. The desig n of simple and reas on able structure ， use more convenient. Through the analysis of the key parts such as intensity and ANSYA, structure and reliable. 【Key words 】Automatic rotary pen ； Chuck ； Lead ； And mechanics an alysis ※

5、基金項(xiàng)目：2014 年江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 (201411276055X )。 作者簡介：邵秋萍(1963 —)，女，漢族，江蘇宜興人，工學(xué)碩士，南京工 程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，副教授，長期從事機(jī)電工程方面的教學(xué)與科研工作， 發(fā)表 論文十余篇，出版著作2部，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)與控制。 0引言 脈動(dòng)式細(xì)芯活動(dòng)鉛筆是在日本研制成功 0.5mm和0.7mm合成樹脂細(xì)鉛芯 后出現(xiàn)的，它可以使用這兩種鉛芯。而旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆只能適用 0.9mm的鉛芯， 且造價(jià)比較高，因此其應(yīng)用受到一定的制約。只有降低成本，改進(jìn)結(jié)構(gòu)才可以改 變旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的現(xiàn)狀。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆仍然在不斷創(chuàng)

6、新。目前市場上也有 一種新型旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆，通過旋轉(zhuǎn)來輸送筆芯 [1]。但是其出鉛螺旋套的前部是 平頭的結(jié)構(gòu)，而自動(dòng)筆筆頭的內(nèi)部與出鉛螺旋套相接的地方也是平面， 因?yàn)樽詣?dòng) 筆的筆頭是錐形設(shè)計(jì)，因此這個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就不可避免的限制了出鉛螺旋套的推 進(jìn)范圍，其節(jié)省鉛芯的程度也受限，不能很好的發(fā)揮旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的優(yōu)勢。 1旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 1.1 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的原理 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆利用一種類似于口紅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉛芯的推送，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)筆尾 部旋鈕后，旋鈕結(jié)構(gòu)上的外螺紋與中間桿末端的內(nèi)螺紋嚙合， 從而使中間桿前進(jìn) 或者后退。當(dāng)機(jī)構(gòu)碰到榫槽時(shí)會(huì)夾緊鉛芯使之不掉落，在沒有榫槽的地方便會(huì)松 開，方便換芯

7、。 1.2 旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆的創(chuàng)新改進(jìn) 上述的這種旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)筆存在一定的缺陷，由于其推出范圍受限，有一段鉛 芯必然因推不出而浪費(fèi)，現(xiàn)對機(jī)構(gòu)作如下改進(jìn)： 1） 不使用榫槽，將夾住鉛芯的結(jié)構(gòu)換成夾頭； 2） 在夾頭沒有夾鉛芯且三個(gè)爪閉合的情況下，開一個(gè)深度為 2mm，半徑為 0.347mm 的圓柱形孔。使夾頭夾住鉛芯的最大長度為 2mm，這樣可以很好的 節(jié)約鉛芯。半徑為0.347mm的圓孔可以保證自動(dòng)筆能使用 0.5mm與0.7mm 的鉛芯，同時(shí)在特殊情況下也可以使用 0.35mm的鉛芯。此舉意在增大自動(dòng)筆 適用鉛芯的范圍； 3 ）在旋鈕和與其接觸的圓柱形檔板上加上凹紋，這樣可以增大摩擦

8、力，便 于旋轉(zhuǎn)與固定。 圖1為夾頭的示意圖，用夾頭代替原先的榫槽，圖示為在夾頭沒有夾鉛芯且 三個(gè)爪閉合的情況下，開一個(gè)深度為 2mm，半徑為0.347mm的圓柱形孔；圖 2為旋鈕的整體示意圖，紅色部分為凹紋；凸出的標(biāo)注橢圓形圖形的部分上刻有 凹紋，便于擰動(dòng)。 圖3為剛剛把鉛芯放進(jìn)夾頭里的情形，此時(shí)鉛芯長度最長，而且伸進(jìn)連桿里 的螺紋的長度決定了夾頭可以伸縮的長度，也代表了鉛芯的最大長度(約 30mm)。 昭2悻鯉 1^3 :韓上能芯気的第料示怠圖 2創(chuàng)新旋轉(zhuǎn)筆的力學(xué)分析 2.1 基于ANSYS的靜力學(xué) 通過對自動(dòng)筆的ANSYS分析，當(dāng)加載M=0.02NM 的鉛芯擰

9、緊力矩時(shí)，夾 頭各部位的變形完全符合要求。 2.2 鉛芯強(qiáng)度校核、夾緊力分析 1)鉛芯的彎曲強(qiáng)度校核 以直徑0.7mm，硬度記號(hào)為HB的活動(dòng)鉛筆用芯作為校核對象進(jìn)行彎曲強(qiáng)度 校核，過程如下[2]: (1) 從最小的包裝容器中任意抽出 10支鉛芯作為試料，但是如最小的包 裝容器中不滿10支鉛筆，將其全部作為試料。 (2) 試驗(yàn)方法按照圖4進(jìn)行，把鉛芯放在兩個(gè)支點(diǎn)的中央部分，以每分 鐘10mm的速度，在鉛芯的中央施加荷重，然后測定鉛芯折斷時(shí)的荷重，并用 以下公式算出其彎曲強(qiáng)度。 另外，將增加荷重的尖端以及兩個(gè)支點(diǎn)的頂端的形狀設(shè)定為 R0.2mm a=8FL/ n 其中a:彎曲強(qiáng)度

10、（MPa ）; F:荷重［10支（最小容器10支以下時(shí)的全數(shù)） 的平均值］（N ）; L:兩支點(diǎn)間的距離（mm ） （取20~40mm ）； d :鉛芯直徑［10支鉛芯（最小容器10支以下時(shí)取全數(shù)）的平均值］（mm） 圖4彎曲號(hào)慶試騷的方法 1 進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，將平均值與160 MPa進(jìn)行比較：若大于160 MPa， 則符合標(biāo)準(zhǔn)；反之，則不符合使用標(biāo)準(zhǔn)。0.35mm和0.5mm鉛芯彎曲強(qiáng)度的試 驗(yàn)方法同上，其最小彎曲強(qiáng)度分別為 240MPa和190 MPa。結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。 2）基于SolidWorks的鉛芯夾緊力分析 活動(dòng)鉛筆用芯是由石墨、粘合劑等材料制成的固體物

11、，其硬度顯然大于石墨。 以酚醛樹脂浸漬石墨（硬度小于鉛芯）代替鉛芯進(jìn)行夾緊力分析：彈性模量設(shè)置 為（）x10 MPa，泊松比設(shè)置為 0.246。 依據(jù)《自動(dòng)補(bǔ)償式活動(dòng)鉛筆》標(biāo)準(zhǔn)編制說明的部分內(nèi)容：夾鉛芯力指的是鉛 芯在夾頭徑向夾緊力的作用下，夾頭與鉛芯之間所形成的摩擦力。存在摩擦力， 使鉛芯不掉落，該力需》 8N，即夾鉛芯力》 8N。 在ANSYS Workbench 中對鉛芯的受力大小與方向規(guī)定如下：大小設(shè)置為 8.5N，方向?yàn)閵A頭徑向方向。夾緊的鉛芯直徑為 0.7mm，長度為2mm。 3總結(jié) 通過3D打印的樣筆，機(jī)構(gòu)可靠，操作靈活自如，鉛芯利用率高，且適合 0.35mm和0.7mm兩種鉛芯，改進(jìn)了已有自動(dòng)筆的不足。 參考文獻(xiàn) ［1］ 劉滄鎮(zhèn).旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)鉛筆［P ］.中國專利:CN98203850.X.1998. ［2］ 楊榮康.日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).活動(dòng)鉛筆用鉛芯［J］.中國制筆,2009 (2): 34-47. ［責(zé)任編輯：鄧麗麗］