中性圓珠筆筆頭加工工藝研究

（上海晨光文具股份有限公司中國輕工業(yè)制筆工程技術(shù)重點實驗室 上海 201406）

引言

我國是制筆大國，每年生產(chǎn)各類中性圓珠筆和筆芯近700億支，數(shù)量位居全球第一，并涌現(xiàn)出以“晨光文具”為代表的一批知名制筆企業(yè)，但在綜合產(chǎn)品質(zhì)量和品牌影響力等方面與日韓和歐美的知名企業(yè)還有差距，主要占據(jù)中低端市場。

圓珠筆是一種采用圓形球珠在球座體內(nèi)滾動帶出書寫介質(zhì)形成字跡的書寫工具，筆頭是決定書寫性能的核心精密部件。因筆頭大規(guī)模批量生產(chǎn)，對切削加工成型的誤差范圍要求極高，比手表里的零件制造還要精密，其生產(chǎn)制造需要有高度自動化的加工設(shè)備和性能優(yōu)良的原材料，也需要合理的加工工藝流程。普遍認(rèn)為，我國應(yīng)該掌握筆頭生產(chǎn)制造的核心技術(shù)。趙帥、郭亨長等先后對國內(nèi)外筆頭加工設(shè)備的發(fā)展與現(xiàn)狀進行了研究，分析了各種不同機床的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、生產(chǎn)效率等優(yōu)缺點。筆頭書寫的出墨通道只有10μm（注：球珠與球座碗口的間隙）左右，是傳輸墨水的微流器件，其加工生產(chǎn)的特點是加工工序多、切削速度極快、裝配和尺寸精度要求高，所以對其加工工藝的研究和不斷優(yōu)化十分必要。

1、子彈頭型筆頭結(jié)構(gòu)

圖1 子彈頭型筆頭結(jié)構(gòu)示意圖(a)普通子彈型筆頭(b)子彈型彈簧筆頭

最常見的中性圓珠筆頭為子彈頭型，子彈頭型圓珠筆頭又分為普通子彈型筆頭和子彈型彈簧筆頭兩種（如圖 1所示）。筆尖部位的結(jié)構(gòu)最精細(xì)，加工要求和難度最高，根據(jù)書寫出墨功能分為球珠、球座體（碗口座）、油槽、環(huán)槽、小孔、中孔等，產(chǎn)量最多的670子彈頭型筆頭筆尖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。一般使用外徑2.3mm的實心線材生產(chǎn)，要求材料具有易切削性能、耐腐蝕性能、耐磨性能、一致性和穩(wěn)定性好。常用材料包括鉛黃銅、鎳白銅和不銹鋼三種，其中不銹鋼材料綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用于高檔中性筆。

圖2 筆尖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、筆頭加工設(shè)備

筆頭數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，其批次質(zhì)量穩(wěn)定性尤為重要，所以高性能的筆頭一般采用全自動設(shè)備進行生產(chǎn)。瑞士米克朗公司制造的Multistar LX-24筆頭機是目前國際上綜合性能最優(yōu)的設(shè)備，其外形如圖3所示，主要性能和技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

該機床擁有24個工位設(shè)立在Ф600 mm旋轉(zhuǎn)工作臺，包括上、下方共48個加工站，結(jié)構(gòu)非常緊湊且動力頭拆卸非常方便。工作臺采用“氣動懸浮”技術(shù)，在頻繁的旋轉(zhuǎn)運行中保持足夠平穩(wěn)，基本無磨損使用壽命長。24個工位包括的兩組筆頭同時加工，每組筆頭加工包括：上料、粗加工、半精加工、中心鉆孔、小孔加工、成型刀加工、精車加工、槽沖、加珠、收口、壓珠、出料，各個工位上、下均可設(shè)立加工站。設(shè)備從短坯料開始，經(jīng)過上料、粗車錐面、半精車錐面、粗加工球座孔、鉆小孔、錐面成型、精車球座組合、沖槽、加珠、收口、壓珠、工件取出一系列精密加工工序，通過一次裝夾可完成全部加工工序。24個工序定位準(zhǔn)確，累積誤差＜4μm。筆頭的關(guān)鍵部位球座 (俗稱碗口)的內(nèi)孔加工精度為2μm，其切削精度可達IT3-4級，切削表面粗糙度Ra=0.2-0.4，筆頭的外型尺寸公差完全可控制在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。該設(shè)備具有加工精度高，生產(chǎn)工藝安排合理，技術(shù)先進等優(yōu)點，非常適宜于圓珠筆頭、中性筆頭、水性筆頭的生產(chǎn)。

表1 LX-24筆頭機主要性能和技術(shù)參數(shù)

圖3 Multistar LX-24二十四工位筆頭加工機床

3、加工工藝和流程

為了保證大規(guī)模加工產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性以及較高的良品率，需要制定合理的加工工藝，不斷摸索解決加工中出現(xiàn)的難題。

3.1、加工工序

以670子彈頭型筆頭為例，通過研究將加工過程分為鋼絲裁切、外型車削、鉆孔、擴孔、鏜孔、沖槽、車倒角圓角、安放球珠、收口、壓珠、工件取出等12道工序，如圖4所示。

圖4為24工位筆頭機各工位加工流程分布圖，24工位包括兩個加工循環(huán)同時進行兩組筆頭加工，其中工位1-12為循環(huán)A，工位13-24為循環(huán)B，表2所列為圖4每個循環(huán)中各工序?qū)?yīng)動作及任務(wù)，每個工位又分為上工位和下工位，同時進行加工。一般情況下使用SF20T、SF20E等易切削不銹鋼材料，每分鐘雙循環(huán)可以加工筆頭約160件。

圖4 子彈頭型筆頭加工工序示意圖

表2 各工序的動作及任務(wù)說明

3.2、加工刀具和切削工藝

實心不銹鋼圓柱體材料（Φ2.3mm）自動送入筆頭機的夾頭內(nèi)，通過夾頭夾持來實現(xiàn)車削與鉆削加工。夾持的實體材料經(jīng)過內(nèi)孔鉆削加工后，如果壁厚尺寸較小，材料的剛性和夾持力會急劇下降，這樣筆頭在加工過程中就非常不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致筆頭加工精度的大幅降低。因此，筆頭尾部內(nèi)孔尺寸的確定和采用鉆削加工的刀具非常關(guān)鍵，通過長期研究，需要筆頭具體結(jié)構(gòu)根據(jù)每個工序的特點和加工要求來設(shè)計合適的刀具和加工技術(shù)參數(shù)。

（1）料坯裁切工序是將Φ2.3mm不銹鋼絲裁切成小圓柱，要求裁切端面平整、光滑、無毛刺。裁切機上安裝的活動裁切刀模和固定裁切刀模的中心線應(yīng)保持同軸、軸向間隙一定要適當(dāng)，一般情況下間隙為20μm；

（2）錐面車削加工時采用設(shè)計的三把錐面刀進行組合加工，刀柄部份固定在刀架上，刀頭部份承擔(dān)切削工作，刀頭由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃、刀尖等部分組成。三把錐面刀在安裝時，其切削刀刃要保持在同一尺寸的切削弧面上，否則切削時料坯會產(chǎn)生抖動，影響產(chǎn)品質(zhì)量；

（3）第一道鉆孔是要實現(xiàn)中心定位及鉆削加工功能，確保鉆孔中心線與料坯中心線重合，并引導(dǎo)后續(xù)各道鉆削加工沿此中心線位置進行；

（4）油槽是筆頭上加工尺寸最小、難度最高的部位，經(jīng)沖削加工而成。槽沖需要由特殊的合金材料磨削成型，要求其具有良好的沖擊韌性和冷硬性等。工作部位分為頂角、分度角、油石角、槽筋角、工藝角、主刃角、前面。槽沖安裝時一定要與小孔保持同軸心，否則加工時易產(chǎn)生徑向力折斷槽沖；

（5）球座為球珠安放位置，加工精度要求極高。球座鉆設(shè)計為半圓鉆，球座（碗口）內(nèi)孔設(shè)計要求的加工余量為10-20μm，碗口底部設(shè)計要求的加工余量為20-40μm；

（6）各工位鉆削加工的鉆頭均由硬質(zhì)合金材料在專業(yè)機床上一次加工完成，設(shè)計中要求鉆頭前端刃長在滿足鉆削加工工藝尺寸、順暢排屑的條件下應(yīng)盡量的短，保證鉆頭良好的剛性，延長使用壽命；

（7）外圓車削刀具由硬質(zhì)合金磨制而成，要求其具有紅硬性和良好的韌性。工作部位有主偏角、副偏角、刃傾角、后角等。要合理分配外圓粗加工和精加工的切削余量，一般情況，精加工設(shè)計要求的切削余量為30-40μm；

（8）壓珠時選用的工具由Φ4mm硬質(zhì)合金圓棒制作，要求其具有較高的冷硬性、韌性和耐磨性等，工作端面平整，粗糙度達到Ra 0.2；

（9）收口設(shè)計為定心叉定位球珠，雙滾輪收縮碗邊的結(jié)構(gòu)，公式（1）為收口滾輪的最大收口角度。其中，D是收口滾輪的最大收口角度，C是收口滾輪單面錐度，r是球珠半徑，a是球珠露珠高度，b是碗口半徑。通常的收口滾輪設(shè)計角度為70-85°，但收口滾輪的角度必須小于∠D（見圖5），否則收口滾輪與球珠會發(fā)生干涉，嚴(yán)重影響質(zhì)量。收口刀座與收口主軸通過設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)進行連接，具有導(dǎo)向性。為防止收口偏心，利用壓簧的彈力來控制收口力度。

圖5 筆頭碗口的收口角度示意圖

3.3、常見問題的分析與解決

筆頭加工制造過程中經(jīng)常容易出現(xiàn)的問題有兩類，其一是工件開裂，這個問題主要是材料導(dǎo)致的。因此需要探傷檢查材料是否有內(nèi)部氣孔、裂紋等缺陷。其二是鉆頭折斷，鉆頭折斷原因較多，經(jīng)過研究主要包括下列幾種原因，其對應(yīng)的解決辦法如表3所示。

4、彈簧筆頭的裝配

彈簧筆頭代表了筆頭制造技術(shù)的最高水平。彈簧筆頭的加工制造過程比無彈簧筆頭增加了彈簧安裝工序，其裝配的工藝步驟如圖6所示。

表3 斷鉆的原因分析及解決方法

圖6 彈簧筆頭的生產(chǎn)裝配步驟

筆頭彈簧自動裝配機關(guān)鍵技術(shù)是筆頭同向排列輸送、彈簧同向排列輸送和彈簧定位裝配。通過設(shè)計機械外形識別的方法，利用筆頭頭部與尾部微小的差異，筆頭輸送機構(gòu)可以實現(xiàn)筆頭自動同方向排列，使用震動盤使筆頭頭部先進入上料管。彈簧尺寸更加細(xì)小，質(zhì)量僅為10mg，彈簧因容易磁化而纏繞在一起。在輸送技術(shù)上，彈簧送料盤與進料管采用不易磁化的金屬材料制作，可以避免纏繞的問題。彈簧輸送機構(gòu)的震動盤設(shè)計了獨特不規(guī)則圓弧曲線軌道、螺旋上升曲面和螺旋下降緩沖曲面。通過設(shè)計此結(jié)構(gòu)，可以使每個彈簧有序沿軌道運行。通過機械外型識別進料機構(gòu)，利用彈簧針尖與開口部分微小的差異性，自動使針尖部分先進入上料管排列，并儲備在彈簧發(fā)射器等待指令發(fā)射彈簧。在輸送過程中彈簧在震動盤螺旋上升曲面階段的供給量必須大于裝配的所需量，彈簧進入螺旋下降緩沖階段的供給與裝配需求數(shù)量相同。當(dāng)彈簧落入筆頭內(nèi)部時，將彈簧壓住并采用針式擠壓打三個點，即可固定筆頭彈簧。

5、總結(jié)和展望

高檔中性圓珠筆筆頭加工工序多，難度大，從加工設(shè)備到加工工藝，過去大部分技術(shù)均依靠國外。我們在生產(chǎn)實踐中不斷研究和摸索，從技術(shù)引進到消化和吸收，進行工藝改進和技術(shù)創(chuàng)新，基本滿足產(chǎn)品需求的同時提升品質(zhì)。通過提升刀具的設(shè)計和加工水平，增加生產(chǎn)在線自動檢測環(huán)節(jié)，提高我國筆頭加工技術(shù)水平，使加工生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率穩(wěn)步提高，為我國從制筆大國邁向制筆強國而努力。