專(zhuān)利名稱(chēng)：高速繪圖筆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于機(jī)械描圖、模板繪圖、計(jì)算機(jī)終端高速繪圖的多功能繪圖筆。
目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的繪圖筆存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝復(fù)雜，零件多，墨水容量少，間隙配合不理想，筆尖結(jié)構(gòu)性能差，書(shū)寫(xiě)不流利，記錄速度低，使用壽命短，價(jià)格貴等缺點(diǎn)。因此需要有一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)巧的新型繪圖筆。
本實(shí)用新型的目的是提供一種高速繪圖筆，它可適用于機(jī)械描圖、模板繪圖、計(jì)算機(jī)終端高速繪圖，調(diào)換筆頭后又可充當(dāng)鋼筆、簽字筆、纖維筆等功能的繪圖筆。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)的一種繪圖筆，包括筆桿、筆夾、帶節(jié)流孔的筆芯、墨水容器、金屬頭、同心設(shè)置于金屬頭中的通針和不銹鋼管，其中，所述金屬管構(gòu)成有階梯狀空腔，所述通針在與墨水容器相鄰處設(shè)計(jì)成半凹圓狀；所述通針頭制成圓頭狀，通針與金屬管之間環(huán)狀縫隙大小為50－200μm；所述鋼管頭部制成球狀且有一碳化鎢或碳化硼或碳化鈦鍍層。
如此獲得的繪圖筆解決了墨水容量小之缺點(diǎn)，墨水的容量大，墨水容量1至1.5毫升；用金屬頭子解決塑料變形及提高耐用度；筆管與通針是理想的間隙配合，使墨水流暢性能好；筆管與通針為球狀結(jié)構(gòu)，提高記錄時(shí)的流暢性及不易堵塞筆頭；墨水的通路及導(dǎo)向性能好，不會(huì)斷墨水現(xiàn)象；墨水的動(dòng)－靜壓平衡技術(shù)，提高記錄速度也不會(huì)斷墨水；多功能多用途筆，應(yīng)用廣泛、價(jià)格便宜，可采用特制的墨水，露筆不干筆頭。因此是目前較理想的多功能筆。
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作更詳細(xì)的描述。附圖中


圖1為墨水容器剖視圖；圖2為筆頭金屬部分結(jié)構(gòu)圖；圖3為筆頭頭部放大結(jié)構(gòu)圖；圖4為間隙與流量關(guān)系曲線圖；圖5為鋼管4的端部結(jié)構(gòu)放大圖；圖6為通針及通針頭放大圖；圖7為筆芯結(jié)構(gòu)圖；圖8為真空壓力與孔徑關(guān)系圖；圖9為墨水經(jīng)過(guò)縫隙的漏損量計(jì)算示意圖；
圖10為理論計(jì)算示意圖。
一般筆的墨水容量多數(shù)小于1毫升，這時(shí)的墨水容量不適宜計(jì)算機(jī)高速繪圖，因?yàn)楫?huà)一張圖需要1毫升以上的墨水用量，本實(shí)用新型實(shí)施例的墨水容量為0.252×3.14×6.5＝1.28cm3，即為1.28毫升，加上前面結(jié)構(gòu)部分，總的墨水容量大于1.3毫升。當(dāng)書(shū)寫(xiě)筆用時(shí)，裝一次墨水，用的時(shí)間很長(zhǎng)，節(jié)約換墨水時(shí)間，特別在儀器記錄時(shí)，節(jié)省換墨水時(shí)間更為重要。如
圖1所示，墨水容器1，為了增加換墨水次數(shù)而不泄漏墨水，進(jìn)墨水口11具有一定的錐度，提高密封性能的作用。
筆頭金屬部分結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2，它主要由三部分組成通針2；金屬頭3；鋼管4。金屬頭3有階梯狀空腔31、32供墨水容納其中，且通針2和不銹鋼管4同心設(shè)置其中。通針2在與墨水容器的相鄰端設(shè)計(jì)成半凹圓狀以利墨水的進(jìn)一步流過(guò)，其另一端制成半球頭狀以與紙面光滑接觸。通針2的作用為防止紙屑等物質(zhì)進(jìn)入鋼管堵塞筆尖，墨水流不出來(lái)；對(duì)墨水作為導(dǎo)向作用；調(diào)節(jié)墨水流出量的多少。金屬頭外表美觀、耐磨損、耐腐蝕性好，即與墨水不起化學(xué)變化作用；鋼管4是筆尖記錄部分，要求耐磨、不生銹、強(qiáng)度高、韌性好、內(nèi)孔光潔度高。筆頭金屬部分結(jié)構(gòu)，是筆的心臟部分，它決定墨水的流暢性、耐磨性、墨水流量多少、使用壽命的長(zhǎng)短、記錄速度的高低。它使用的墨水最好為真溶液的墨水，這樣不堵塞，具有不要經(jīng)常清洗筆頭等優(yōu)點(diǎn)。這樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形幾乎可忽略不計(jì)，即在一般溫度記錄時(shí)，線條尺寸是均勻一致的清淅線條。
筆尖頭部放大結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，它由鋼管4、墨水41、通針2三部分組成。通針頭部球頂22與鋼管端口41齊平，即在一條直線上，其作用為不會(huì)劃破高速運(yùn)動(dòng)的表面、紙屑及其污物不易進(jìn)入鋼管內(nèi)孔、墨水暢通無(wú)阻，高速繪圖不會(huì)斷墨水現(xiàn)象。筆尖強(qiáng)度和剛度與鋼管直徑大小和長(zhǎng)短及記錄壓力有關(guān)。一般鋼管直徑越小，鋼管長(zhǎng)度越短來(lái)滿足筆尖的強(qiáng)度和剛度，剛性不好會(huì)影響繪圖線條精度。筆記錄壓力越大剛性較差，一般筆的壓力小于25g為宜。墨水的流暢性還決定于圖4所示的配合間隙與流量(墨水流量)的關(guān)系曲線。流量Q座標(biāo)為mg(毫克)，間隙配合座標(biāo)為△，單位為μm(即微米)，從配合間隙與流量關(guān)系曲線表明，配合間隙越大，墨水流出量越大；配合間隙越小，墨水的流出量也就越小。這里必須指出，配合間隙不能太小，否則墨水無(wú)法流出來(lái)；配合間隙也不能太大，否則墨水在自重等因素作用下，墨水會(huì)掉下來(lái)。一般常用間隙為50至200μm為宜，不過(guò)通針與鋼管孔徑大小有其密切關(guān)系，運(yùn)動(dòng)速度和重力加速度的大小也有關(guān)系。所以，配合間隙h是決定墨水流暢性好壞的一個(gè)主要參數(shù)之一。
鋼管4端部，(即筆尖部分)結(jié)構(gòu)如圖5所示。對(duì)鋼管要求主要為端部41成球狀、韌性好、耐磨損、端口與孔徑光滑度高在0.8以上、耐腐蝕性好等特性。提高耐磨損性，可在鋼管表面層鍍上一層3－10μm厚的鍍層，材料一般為碳化鎢、碳化硼、碳化鈦等。鋼管孔內(nèi)高光潔度采用0.5μm的研磨膏獲得。為此，高速繪圖速度高與鋼管材料、工藝、結(jié)構(gòu)是很重要的，是筆尖記錄時(shí)的關(guān)鍵部件。
通針及通針頭部放大圖6所示。通針2要求耐腐蝕性能好，鋼絲彈性好、韌性高，振動(dòng)時(shí)不易斷裂。頭部放大后為半園狀最為理想。它的主要功能是導(dǎo)墨水性和防止紙屑進(jìn)入鋼管內(nèi)孔堵塞墨水流出，同時(shí)能控制墨水的流量大小。通針頭部為球狀時(shí)，高速記錄時(shí)不易把紙屑刮下來(lái)堵塞筆頭，使墨水流暢性差。
墨水的導(dǎo)向性按圖2結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是最理想的墨水導(dǎo)向系統(tǒng)。不過(guò)還要與圖7所示的筆芯5結(jié)構(gòu)相結(jié)合起來(lái)。即墨水流出時(shí)，墨水內(nèi)腔形成真空－負(fù)壓力，此時(shí)靠圖7結(jié)構(gòu)中的小孔(節(jié)流孔)51來(lái)補(bǔ)充其大氣壓力，同時(shí)，在筆芯外緣表面還設(shè)有縱向節(jié)流槽52，否則在高速記錄時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷墨水現(xiàn)象。
縫隙的漏損流量計(jì)算(經(jīng)向縫隙間漏損流量)鋼管4的固定的工作筒，通針2為一固定的柱塞，它們之間形成一同心的徑向縫隙△，見(jiàn)圖9所示。且△＜α，工作介質(zhì)為記錄墨水，記錄時(shí)由工作筒上面靠墨水重力、筆尖運(yùn)動(dòng)沖力(或叫慣性力)、墨水容器內(nèi)的墨水靜壓力經(jīng)徑向縫隙流到大氣中去(即把墨水劃在圖紙等物上)。現(xiàn)在設(shè)筒內(nèi)壓力的p1，墨水流出口壓力為p2，見(jiàn)圖9所示。并設(shè)墨水在平行板間的穩(wěn)定層流運(yùn)動(dòng)，而且質(zhì)量力只有重力。并令x軸平行于平板而且會(huì)其與流速u(mài)方向一致，令y及Z軸在有效斷面上，原點(diǎn)取在二板的中間線上，如
圖10所示(△P≠0，二板均不動(dòng)，p1＞p2)。
根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)和條件來(lái)簡(jiǎn)化那維一斯托克斯方程式。
首先考慮質(zhì)量力，因?yàn)橹挥兄亓?，故而X＝0，Y＝0，Z＝－g。
因?yàn)槭欠€(wěn)定流，故得
＝0因?yàn)槭瞧叫衅桨宥易鴺?biāo)軸又成上述情況，即X軸與速度方向相一致，故得Uy＝Uz＝0，Un＝U。
而且根據(jù)連續(xù)方程式
＝0故知
＝0，這就是說(shuō)Ux值沿x軸是不變的，等于某一個(gè)定數(shù)，即un＝u≠0。
又因?yàn)槠桨逶趛方向無(wú)限寬，故知在y方向的邊界面對(duì)墨水流動(dòng)沒(méi)有影響，故得
＝0根據(jù)以上分析，知速度u僅僅是坐標(biāo)Z的函數(shù)，即U＝U(Z)。
現(xiàn)在把以上所得的結(jié)果代入那維一斯托克斯方程式中去，得到簡(jiǎn)化方程式如下
現(xiàn)在把上述第一方程式改寫(xiě)為
。
在平行平板間層流運(yùn)動(dòng)中，有效斷面上平均墨水動(dòng)壓力沿x軸的變化率為一常數(shù)。且知
＝－ (P1-P2)/(L) ＝－ (△p)/(L) ，式中p1，p2各為二有效斷面上的平均墨水動(dòng)壓力。實(shí)際墨水運(yùn)動(dòng)時(shí)能量總是沿流動(dòng)方向下降的。在現(xiàn)在的情況下即是壓力能沿流動(dòng)方向下降，亦即
永遠(yuǎn)為負(fù)，但是p1－p2卻是永遠(yuǎn)為正。故而在上式中出現(xiàn)一個(gè)“－”號(hào)。
又根據(jù)平行平板的特性亦不難想到沿x軸方向測(cè)壓管墨水頭線成直線下降，這也就是說(shuō)
或 (△p)/(L) 沿x軸是一常數(shù)。
其次因?yàn)樗俣萿僅僅是z坐標(biāo)的函數(shù)，故而可寫(xiě)成
＝－ (△p)/(μl) 。
上式是平行平板間層流運(yùn)動(dòng)的微分方程式。
將其微分方程式對(duì)Z積分二次；得u＝－ (△p)/(2μl) Z2＋C1Z＋C2，上式中C1及C2是需要由邊界條件來(lái)確定的積分常數(shù)。當(dāng)△p≠0，二板均不動(dòng)，如
圖10所示。這時(shí)邊界條件是Z＝±h時(shí)，u＝0。
代入二次積分的方程式得u＝ (△p)/(2μl) (h2－Z2)。
可見(jiàn)速度在有效斷面上按旋轉(zhuǎn)拋物面分布，且x軸上這點(diǎn)的速度為最大，即umax。umax＝ (Δph2)/(2μ1) 。
流量
。取y軸方向?qū)挾葹锽，則Q=∫-hhudzB=∫-hhΔp2μl(h2-Z2)dzB=2Δp3μlh3B]]>現(xiàn)在的情況下△p＝p，h＝ (△)/2 ，B＝πd。
代入上式得θ＝ (πdpΔ3)/(12μ1) 。
可見(jiàn)墨水通過(guò)經(jīng)向縫隙的漏損流量與縫隙△的三次方成比例。因此為了使墨水記錄時(shí)流利性好，必須盡可能地控制縫隙△值的大小。
平均速度v。
v=QA=23ΔpμlBh32hB=Δph33μl=23umar]]>。
從墨水的平均速度便知，墨水流動(dòng)速度與鋼管長(zhǎng)度1成反比。鋼管長(zhǎng)度1越長(zhǎng)，墨水流動(dòng)速度低，即墨水的流量Q小；否則相反。墨水容器內(nèi)，墨水越多及筆尖運(yùn)動(dòng)速度越快，造成△p越大。此時(shí)，出墨水快，且流量也大?？傊?，墨水的記錄流利性與鋼管長(zhǎng)度、縫隙、通針直徑d大小、墨水容量、筆尖運(yùn)動(dòng)速度和加速度有著密切的關(guān)系。
μ粘性動(dòng)力系數(shù)。
當(dāng)速度梯度等于1時(shí)，接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。單位為達(dá)因·秒／厘米2＝1泊＝100厘泊＝ 1/98.1 公斤·秒／米2。
墨水的動(dòng)－靜壓平衡技術(shù)，它的特征是記錄時(shí)(筆在運(yùn)動(dòng)時(shí))，墨水不斷振動(dòng)及不斷供給筆尖高速記錄，墨水產(chǎn)生流動(dòng)產(chǎn)生微小的動(dòng)壓力10－30mmHg，并在墨水框內(nèi)產(chǎn)生真空的趨勢(shì)，此時(shí)產(chǎn)生的真空壓力由圖七筆芯結(jié)構(gòu)來(lái)補(bǔ)充其大氣壓力。筆芯結(jié)構(gòu)1為通大氣壓的小槽，通入大氣壓的節(jié)流小孔51。通大氣壓的縱向節(jié)流小槽52和通入大氣壓的節(jié)流小小孔51來(lái)補(bǔ)充其大氣壓力，始終使墨水框內(nèi)保持一個(gè)大氣壓力，達(dá)到動(dòng)壓平衡，墨水輸送和記錄正常。當(dāng)筆靜止時(shí)，由于溫度、重力等影響，導(dǎo)致墨水產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，并產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致墨水流動(dòng)，但有圖7和圖2結(jié)構(gòu)，墨水內(nèi)框在通大氣壓槽和小孔的作用下，也能始終保持內(nèi)外壓力為一個(gè)大氣壓力。這就達(dá)到了墨水在靜止時(shí)的平衡。真空壓力與孔徑關(guān)系見(jiàn)圖8所示。
通過(guò)計(jì)算機(jī)高速繪圖、人工描圖、人工書(shū)寫(xiě)等使用，記錄速度為10－100cm／秒，記錄線條0.2－2毫米。顏色為紅、藍(lán)、黑、綠、紫、棕、橙、黃、青、桔紅、桃紅、金黃等色。使用后不要每天清洗筆芯，露筆24小時(shí)也不會(huì)干筆尖，因?yàn)檫x用的特種墨水是真溶液墨水、三年以后也不變質(zhì)(在常溫下)。所以，這種筆是目前比較理想的多功能、多用途筆，是90年代的新結(jié)構(gòu)、新品種的新型產(chǎn)品。
權(quán)利要求1.一種繪圖筆，包括筆桿、筆夾、帶節(jié)流孔的筆芯、墨水容器、金屬頭、同心設(shè)置在在金屬頭中的通針和不銹鋼管，其特征是所述金屬管構(gòu)成有階梯狀內(nèi)腔，所述通針在與墨水容器相接處設(shè)計(jì)成半凹園狀，通針頭制成圓頭狀，通針與金屬管的間隙大小為50-200μm；所述鋼管頭部制成球狀且有一碳化鎢、碳化硼或碳化鈦鍍層。
2.如權(quán)利要求1所述的繪圖筆，其特征是所述鋼管頭部的鍍層厚3－10μm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的繪圖筆，其特征是所述筆芯還設(shè)有縱向節(jié)流槽。
4.如權(quán)利要求1或3所述的繪圖筆，其特征是所述繪圖筆的筆頭可以替換。
5.如權(quán)利要求1所述的繪圖筆，其特征是所述墨水容器的進(jìn)水口有一定的錐度。
專(zhuān)利摘要一種繪圖筆，包括筆桿、筆夾、帶節(jié)流孔的筆芯、墨水容器、金屬頭，同心設(shè)置在在金屬頭中的通針和不銹鋼管，其特征是所述金屬管構(gòu)成有階梯狀內(nèi)腔，所述通針在與墨水容器相接處設(shè)計(jì)成半凹圓狀，通針頭制成圓頭狀，通針與金屬管的間隙大小為50-200μm；所述鋼管頭部制成球狀且有一碳化鎢、碳化硼或碳化鈦鍍層。
文檔編號(hào)B43K17/00GK2088939SQ9120240
公開(kāi)日1991年11月20日 申請(qǐng)日期1991年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月7日
發(fā)明者溫慶錦 申請(qǐng)人:郵電部第三研究所