专利名称：高速绘图笔的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于机械描图、模板绘图、计算机终端高速绘图的多功能绘图笔。
目前国内外生产的绘图笔存在结构复杂，工艺复杂，零件多，墨水容量少，间隙配合不理想，笔尖结构性能差，书写不流利，记录速度低，使用寿命短，价格贵等缺点。因此需要有一种结构简巧的新型绘图笔。
本实用新型的目的是提供一种高速绘图笔，它可适用于机械描图、模板绘图、计算机终端高速绘图，调换笔头后又可充当钢笔、签字笔、纤维笔等功能的绘图笔。
本实用新型的目的是通过如下方式实现的一种绘图笔，包括笔杆、笔夹、带节流孔的笔芯、墨水容器、金属头、同心设置于金属头中的通针和不锈钢管，其中，所述金属管构成有阶梯状空腔，所述通针在与墨水容器相邻处设计成半凹圆状；所述通针头制成圆头状，通针与金属管之间环状缝隙大小为50－200μm；所述钢管头部制成球状且有一碳化钨或碳化硼或碳化钛镀层。
如此获得的绘图笔解决了墨水容量小之缺点，墨水的容量大，墨水容量1至1.5毫升；用金属头子解决塑料变形及提高耐用度；笔管与通针是理想的间隙配合，使墨水流畅性能好；笔管与通针为球状结构，提高记录时的流畅性及不易堵塞笔头；墨水的通路及导向性能好，不会断墨水现象；墨水的动－静压平衡技术，提高记录速度也不会断墨水；多功能多用途笔，应用广泛、价格便宜，可采用特制的墨水，露笔不干笔头。因此是目前较理想的多功能笔。
以下结合实施例对本实用新型作更详细的描述。附图中
图1为墨水容器剖视图；图2为笔头金属部分结构图；图3为笔头头部放大结构图；图4为间隙与流量关系曲线图；图5为钢管4的端部结构放大图；图6为通针及通针头放大图；图7为笔芯结构图；图8为真空压力与孔径关系图；图9为墨水经过缝隙的漏损量计算示意图；
图10为理论计算示意图。
一般笔的墨水容量多数小于1毫升，这时的墨水容量不适宜计算机高速绘图，因为画一张图需要1毫升以上的墨水用量，本实用新型实施例的墨水容量为0.252×3.14×6.5＝1.28cm3，即为1.28毫升，加上前面结构部分，总的墨水容量大于1.3毫升。当书写笔用时，装一次墨水，用的时间很长，节约换墨水时间，特别在仪器记录时，节省换墨水时间更为重要。如
图1所示，墨水容器1，为了增加换墨水次数而不泄漏墨水，进墨水口11具有一定的锥度，提高密封性能的作用。
笔头金属部分结构图见图2，它主要由三部分组成通针2；金属头3；钢管4。金属头3有阶梯状空腔31、32供墨水容纳其中，且通针2和不锈钢管4同心设置其中。通针2在与墨水容器的相邻端设计成半凹圆状以利墨水的进一步流过，其另一端制成半球头状以与纸面光滑接触。通针2的作用为防止纸屑等物质进入钢管堵塞笔尖，墨水流不出来；对墨水作为导向作用；调节墨水流出量的多少。金属头外表美观、耐磨损、耐腐蚀性好，即与墨水不起化学变化作用；钢管4是笔尖记录部分，要求耐磨、不生锈、强度高、韧性好、内孔光洁度高。笔头金属部分结构，是笔的心脏部分，它决定墨水的流畅性、耐磨性、墨水流量多少、使用寿命的长短、记录速度的高低。它使用的墨水最好为真溶液的墨水，这样不堵塞，具有不要经常清洗笔头等优点。这样的结构系统变形几乎可忽略不计，即在一般温度记录时，线条尺寸是均匀一致的清淅线条。
笔尖头部放大结构见图3，它由钢管4、墨水41、通针2三部分组成。通针头部球顶22与钢管端口41齐平，即在一条直线上，其作用为不会划破高速运动的表面、纸屑及其污物不易进入钢管内孔、墨水畅通无阻，高速绘图不会断墨水现象。笔尖强度和刚度与钢管直径大小和长短及记录压力有关。一般钢管直径越小，钢管长度越短来满足笔尖的强度和刚度，刚性不好会影响绘图线条精度。笔记录压力越大刚性较差，一般笔的压力小于25g为宜。墨水的流畅性还决定于图4所示的配合间隙与流量(墨水流量)的关系曲线。流量Q座标为mg(毫克)，间隙配合座标为△，单位为μm(即微米)，从配合间隙与流量关系曲线表明，配合间隙越大，墨水流出量越大；配合间隙越小，墨水的流出量也就越小。这里必须指出，配合间隙不能太小，否则墨水无法流出来；配合间隙也不能太大，否则墨水在自重等因素作用下，墨水会掉下来。一般常用间隙为50至200μm为宜，不过通针与钢管孔径大小有其密切关系，运动速度和重力加速度的大小也有关系。所以，配合间隙h是决定墨水流畅性好坏的一个主要参数之一。
钢管4端部，(即笔尖部分)结构如图5所示。对钢管要求主要为端部41成球状、韧性好、耐磨损、端口与孔径光滑度高在0.8以上、耐腐蚀性好等特性。提高耐磨损性，可在钢管表面层镀上一层3－10μm厚的镀层，材料一般为碳化钨、碳化硼、碳化钛等。钢管孔内高光洁度采用0.5μm的研磨膏获得。为此，高速绘图速度高与钢管材料、工艺、结构是很重要的，是笔尖记录时的关键部件。
通针及通针头部放大图6所示。通针2要求耐腐蚀性能好，钢丝弹性好、韧性高，振动时不易断裂。头部放大后为半园状最为理想。它的主要功能是导墨水性和防止纸屑进入钢管内孔堵塞墨水流出，同时能控制墨水的流量大小。通针头部为球状时，高速记录时不易把纸屑刮下来堵塞笔头，使墨水流畅性差。
墨水的导向性按图2结构，这样的结构系统是最理想的墨水导向系统。不过还要与图7所示的笔芯5结构相结合起来。即墨水流出时，墨水内腔形成真空－负压力，此时靠图7结构中的小孔(节流孔)51来补充其大气压力，同时，在笔芯外缘表面还设有纵向节流槽52，否则在高速记录时会出现断墨水现象。
缝隙的漏损流量计算(经向缝隙间漏损流量)钢管4的固定的工作筒，通针2为一固定的柱塞，它们之间形成一同心的径向缝隙△，见图9所示。且△＜α，工作介质为记录墨水，记录时由工作筒上面靠墨水重力、笔尖运动冲力(或叫惯性力)、墨水容器内的墨水静压力经径向缝隙流到大气中去(即把墨水划在图纸等物上)。现在设筒内压力的p1，墨水流出口压力为p2，见图9所示。并设墨水在平行板间的稳定层流运动，而且质量力只有重力。并令x轴平行于平板而且会其与流速u方向一致，令y及Z轴在有效断面上，原点取在二板的中间线上，如
图10所示(△P≠0，二板均不动，p1＞p2)。
根据流动特点和条件来简化那维一斯托克斯方程式。
首先考虑质量力，因为只有重力，故而X＝0，Y＝0，Z＝－g。
因为是稳定流，故得
＝0因为是平行平板而且坐标轴又成上述情况，即X轴与速度方向相一致，故得Uy＝Uz＝0，Un＝U。
而且根据连续方程式
＝0故知
＝0，这就是说Ux值沿x轴是不变的，等于某一个定数，即un＝u≠0。
又因为平板在y方向无限宽，故知在y方向的边界面对墨水流动没有影响，故得
＝0根据以上分析，知速度u仅仅是坐标Z的函数，即U＝U(Z)。
现在把以上所得的结果代入那维一斯托克斯方程式中去，得到简化方程式如下
现在把上述第一方程式改写为
。
在平行平板间层流运动中，有效断面上平均墨水动压力沿x轴的变化率为一常数。且知
＝－ (P1-P2)/(L) ＝－ (△p)/(L) ，式中p1，p2各为二有效断面上的平均墨水动压力。实际墨水运动时能量总是沿流动方向下降的。在现在的情况下即是压力能沿流动方向下降，亦即
永远为负，但是p1－p2却是永远为正。故而在上式中出现一个“－”号。
又根据平行平板的特性亦不难想到沿x轴方向测压管墨水头线成直线下降，这也就是说
或 (△p)/(L) 沿x轴是一常数。
其次因为速度u仅仅是z坐标的函数，故而可写成
＝－ (△p)/(μl) 。
上式是平行平板间层流运动的微分方程式。
将其微分方程式对Z积分二次；得u＝－ (△p)/(2μl) Z2＋C1Z＋C2，上式中C1及C2是需要由边界条件来确定的积分常数。当△p≠0，二板均不动，如
图10所示。这时边界条件是Z＝±h时，u＝0。
代入二次积分的方程式得u＝ (△p)/(2μl) (h2－Z2)。
可见速度在有效断面上按旋转抛物面分布，且x轴上这点的速度为最大，即umax。umax＝ (Δph2)/(2μ1) 。
流量
。取y轴方向宽度为B，则Q=∫-hhudzB=∫-hhΔp2μl(h2-Z2)dzB=2Δp3μlh3B]]>现在的情况下△p＝p，h＝ (△)/2 ，B＝πd。
代入上式得θ＝ (πdpΔ3)/(12μ1) 。
可见墨水通过经向缝隙的漏损流量与缝隙△的三次方成比例。因此为了使墨水记录时流利性好，必须尽可能地控制缝隙△值的大小。
平均速度v。
v=QA=23ΔpμlBh32hB=Δph33μl=23umar]]>。
从墨水的平均速度便知，墨水流动速度与钢管长度1成反比。钢管长度1越长，墨水流动速度低，即墨水的流量Q小；否则相反。墨水容器内，墨水越多及笔尖运动速度越快，造成△p越大。此时，出墨水快，且流量也大。总之，墨水的记录流利性与钢管长度、缝隙、通针直径d大小、墨水容量、笔尖运动速度和加速度有着密切的关系。
μ粘性动力系数。
当速度梯度等于1时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。单位为达因·秒／厘米2＝1泊＝100厘泊＝ 1/98.1 公斤·秒／米2。
墨水的动－静压平衡技术，它的特征是记录时(笔在运动时)，墨水不断振动及不断供给笔尖高速记录，墨水产生流动产生微小的动压力10－30mmHg，并在墨水框内产生真空的趋势，此时产生的真空压力由图七笔芯结构来补充其大气压力。笔芯结构1为通大气压的小槽，通入大气压的节流小孔51。通大气压的纵向节流小槽52和通入大气压的节流小小孔51来补充其大气压力，始终使墨水框内保持一个大气压力，达到动压平衡，墨水输送和记录正常。当笔静止时，由于温度、重力等影响，导致墨水产生运动的趋势，并产生压力差，导致墨水流动，但有图7和图2结构，墨水内框在通大气压槽和小孔的作用下，也能始终保持内外压力为一个大气压力。这就达到了墨水在静止时的平衡。真空压力与孔径关系见图8所示。
通过计算机高速绘图、人工描图、人工书写等使用，记录速度为10－100cm／秒，记录线条0.2－2毫米。颜色为红、蓝、黑、绿、紫、棕、橙、黄、青、桔红、桃红、金黄等色。使用后不要每天清洗笔芯，露笔24小时也不会干笔尖，因为选用的特种墨水是真溶液墨水、三年以后也不变质(在常温下)。所以，这种笔是目前比较理想的多功能、多用途笔，是90年代的新结构、新品种的新型产品。
权利要求1.一种绘图笔，包括笔杆、笔夹、带节流孔的笔芯、墨水容器、金属头、同心设置在在金属头中的通针和不锈钢管，其特征是所述金属管构成有阶梯状内腔，所述通针在与墨水容器相接处设计成半凹园状，通针头制成圆头状，通针与金属管的间隙大小为50-200μm；所述钢管头部制成球状且有一碳化钨、碳化硼或碳化钛镀层。
2.如权利要求1所述的绘图笔，其特征是所述钢管头部的镀层厚3－10μm。
3.如权利要求1或2所述的绘图笔，其特征是所述笔芯还设有纵向节流槽。
4.如权利要求1或3所述的绘图笔，其特征是所述绘图笔的笔头可以替换。
5.如权利要求1所述的绘图笔，其特征是所述墨水容器的进水口有一定的锥度。
专利摘要一种绘图笔，包括笔杆、笔夹、带节流孔的笔芯、墨水容器、金属头，同心设置在在金属头中的通针和不锈钢管，其特征是所述金属管构成有阶梯状内腔，所述通针在与墨水容器相接处设计成半凹圆状，通针头制成圆头状，通针与金属管的间隙大小为50-200μm；所述钢管头部制成球状且有一碳化钨、碳化硼或碳化钛镀层。
文档编号B43K17/00GK2088939SQ9120240
公开日1991年11月20日 申请日期1991年2月7日 优先权日1991年2月7日
发明者温庆锦 申请人:邮电部第三研究所