邵秋萍 葛治星 孙 欢 顾相志
（南京工程学院，江苏 南京 210013）
【摘 要】目前市场上自动铅笔一般采用脉动式机芯结构，而本设计利用口红旋转的结构设计实现铅芯的进与退，即采用了旋转式结构。用类似三爪卡盘的机构夹住笔芯（约夹0.2cm），通过尽量减少夹头夹紧的长度以及改变旋转式自动笔出铅螺旋套前部的锥度来实现节约铅芯，实现了铅芯最大程度的利用。该设计结构简便合理，使用更加方便。通过关键零件的强度及ANSYA等分析得知，结构可靠。
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关键词 旋转式自动笔；夹头；铅芯；力学分析
The innovative Design of Automatic Rotary Pencils
SHAO Qiu-ping GＥ Ｚhi-xing SＵＮ Ｈuan GＵ Ｘiang-zhi
（Nanjing Institute of Technology， Nanjing Jiangsu 210013， China）
【Abstract】Automatic pencil on the market at present generally adopts pulsing movement structure， and this design use lipstick rotating structure design to achieve the lead into and retreat， which adopted the structure of rotary. Three jaw chuck with similar institutions in ink （about 0.2 cm）， by minimizing the length of the chuck clamping and change rotary automatic pencil lead screw in the front of the set of taper to save the lead， has realized the use of lead is maximum. The design of simple and reasonable 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 analysis
※基金项目：2014年江苏省大学生科技创新基金资助项目（201411276055X）。
作者简介：邵秋萍（1963—），女，汉族，江苏宜兴人，工学硕士，南京工程学院机械工程学院，副教授，长期从事机电工程方面的教学与科研工作，发表论文十余篇，出版著作2部，研究方向为机电系统的的设计与控制。
0 引言
脉动式细芯活动铅笔是在日本研制成功0.5mm和0.7mm合成树脂细铅芯后出现的，它可以使用这两种铅芯。而旋转式自动笔只能适用0.9mm的铅芯，且造价比较高，因此其应用受到一定的制约。只有降低成本，改进结构才可以改变旋转式自动笔的现状。当然，旋转式自动笔仍然在不断创新。目前市场上也有一种新型旋转式自动笔，通过旋转来输送笔芯[1]。但是其出铅螺旋套的前部是平头的结构，而自动笔笔头的内部与出铅螺旋套相接的地方也是平面，因为自动笔的笔头是锥形设计，因此这个结构的设计就不可避免的限制了出铅螺旋套的推进范围，其节省铅芯的程度也受限，不能很好的发挥旋转式自动笔的优势。
1 旋转式自动笔的创新设计
1.1 旋转式自动笔的原理
旋转式自动笔利用一种类似于口红的结构进行铅芯的推送，当转动自动笔尾部旋钮后，旋钮结构上的外螺纹与中间杆末端的内螺纹啮合，从而使中间杆前进或者后退。当机构碰到榫槽时会夹紧铅芯使之不掉落，在没有榫槽的地方便会松开，方便换芯。
1.2 旋转式自动笔的创新改进
上述的这种旋转式自动笔存在一定的缺陷，由于其推出范围受限，有一段铅芯必然因推不出而浪费，现对机构作如下改进：
1）不使用榫槽，将夹住铅芯的结构换成夹头；
2）在夹头没有夹铅芯且三个爪闭合的情况下，开一个深度为2mm，半径为0.347mm的圆柱形孔。使夹头夹住铅芯的最大长度为2mm，这样可以很好的节约铅芯。半径为0.347mm的圆孔可以保证自动笔能使用0.5mm与0.7mm的铅芯，同时在特殊情况下也可以使用0.35mm的铅芯。此举意在增大自动笔适用铅芯的范围；
3）在旋钮和与其接触的圆柱形档板上加上凹纹，这样可以增大摩擦力，便于旋转与固定。
图1为夹头的示意图，用夹头代替原先的榫槽，图示为在夹头没有夹铅芯且三个爪闭合的情况下，开一个深度为2mm，半径为0.347mm的圆柱形孔；图2为旋钮的整体示意图，红色部分为凹纹；凸出的标注椭圆形图形的部分上刻有凹纹，便于拧动。
图3为刚刚把铅芯放进夹头里的情形，此时铅芯长度最长，而且伸进连杆里的螺纹的长度决定了夹头可以伸缩的长度，也代表了铅芯的最大长度（约30mm）。
2 创新旋转笔的力学分析
2.1 基于ANSYS的静力学
通过对自动笔的ANSYS分析，当加载M=0.02NM的铅芯拧紧力矩时，夹头各部位的变形完全符合要求。
2.2 铅芯强度校核、夹紧力分析
1）铅芯的弯曲强度校核
以直径0.7mm，硬度记号为HB的活动铅笔用芯作为校核对象进行弯曲强度校核，过程如下[2]：
（１）从最小的包装容器中任意抽出10支铅芯作为试料，但是如最小的包装容器中不满10支铅笔，将其全部作为试料。
（２） 试验方法按照图4进行，把铅芯放在两个支点的中央部分，以每分钟10mm的速度，在铅芯的中央施加荷重，然后测定铅芯折断时的荷重，并用以下公式算出其弯曲强度。
另外，将增加荷重的尖端以及两个支点的顶端的形状设定为R0.2mm。
a=8FL/πd^3
其中a：弯曲强度（MPa）；
F：荷重[10 支（ 最小容器10支以下时的全数） 的平均值]（N）；
L：两支点间的距离（mm） （取20~40mm）；
d：铅芯直径[10支铅芯（最小容器10支以下时取全数） 的平均值] （mm）。
进行多次试验取平均值，将平均值与160 MPa进行比较：若大于160 MPa，则符合标准；反之，则不符合使用标准。0.35mm和0.5mm铅芯弯曲强度的试验方法同上，其最小弯曲强度分别为240MPa和190 MPa。结果符合标准。
2）基于SolidWorks的铅芯夹紧力分析
活动铅笔用芯是由石墨、粘合剂等材料制成的固体物，其硬度显然大于石墨。以酚醛树脂浸渍石墨（硬度小于铅芯）代替铅芯进行夹紧力分析：弹性模量设置为（0.7-1.3）x10^5 MPa，泊松比设置为0.246。
依据《自动补偿式活动铅笔》标准编制说明的部分内容：夹铅芯力指的是铅芯在夹头径向夹紧力的作用下，夹头与铅芯之间所形成的摩擦力。存在摩擦力，使铅芯不掉落，该力需≥8N，即夹铅芯力≥8N。
在ANSYS Workbench中对铅芯的受力大小与方向规定如下：大小设置为8.5N，方向为夹头径向方向。夹紧的铅芯直径为0.7mm，长度为2mm。
3 总结
通过3D打印的样笔，机构可靠，操作灵活自如，铅芯利用率高，且适合0.35mm和0.7mm两种铅芯，改进了已有自动笔的不足。
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参考文献
［１］刘沧镇.旋转式自动铅笔[Ｐ].中国专利：CN98203850.X.1998.
［２］杨荣康.日本工业标准.活动铅笔用铅芯[J].中国制笔，2009（2）：34-47.
［责任编辑：邓丽丽］