全部答案

2019-02-10 01:55:06

•   自动铅笔最重要的性能就是出芯，出芯的方便，快速，高精度与高稳定是一支专业制图笔的重要素质。此外，自动铅笔还要有良好的续芯性能，当一根铅芯用完了，可以很方便地自动续芯，而不必手动操作，这可以提高设计效率，不为了操作铅笔而分心。我的朋友在10年以前送给我一支中档的樱花自动铅笔，这只笔的加工相当精密，使用起来感觉不错，但由于樱花公司根本不是专业的制笔公司，他们不懂得如何设计续芯，结果这只笔完全没有续芯能力！每当一根铅芯用完以后，我都要打开芯库，手动拿出一根铅芯，再把剩余的很短的旧芯拔掉，然后按开夹头，从笔尖护芯管端，把整根铅芯小心翼翼地反向插入到笔体中，稍有不慎就会折断笔芯，操作起来费时费力，相当无奈。
    但是如果把这只笔废弃不用，又着实可惜！早年我还有一支美国帕克自动铅笔，它采取旋转出芯机构，这种机构先天就没有自动续芯能力，一但铅芯用完，必须要拧开笔体，手动续芯，使用起来比较麻凡。自动铅笔还应该具有保护能力与便携能力，当我们在外出时，一定要带上纸笔，以便随时记下创意动机，但是一根护芯管固定，又没有保护机构的自动铅笔，必定会把你的衣袋扎出小洞，或者护芯管被衣服刮弯，万一铅笔落地，护芯管撞击硬地，你的铅笔基本就报废了！护芯管会被磕弯，即便你能把它再直过来，但些微的形位尺寸误差的增大都会使铅笔性能大为下降，如果你用的是一支高档笔，那真是一场灾难（它的价值可能有上千元！）。
     第一个问题，我谈出芯。上述的普通原理会有哪些优点和缺陷呢？优点，结构简单，夹紧力大，工作可靠（铅芯允差大），使用寿命长；缺点，推出力量大，无法采用更先进的原理，因此出芯操作比较麻烦，必须要改变手指握笔的姿势，用拇指做轴向运动来推出铅芯。 在历史上仅就自动铅笔的专利发明就有几百项，但我研究过一些以后发现它们大同小异，真实的自动原理也就几种而已，其他的专利全是某种原理的演变。
    归纳起来，最先进的原理是一种被称为“全自动”出芯的原理，最早由德国人发明，后被日本人改进，演变，发展成很多不同的专利。它的原理并不复杂，在笔体中安装了两个单向卡头机构，这种机构使铅芯只能像一个方向移动，而不能反方向移动；其中一个卡头与滑动的护芯管连接，护芯管被弹簧顶向前方，被笔尖内凸缘限位，后方的卡头可在笔体中移动，带有延迟机构，也有保持弹簧。
    在书写时，铅芯越磨越短，当纸面碰到护芯管时，它就会缩回，但铅芯被后面的卡头夹住了，不会随动，当书写者台笔时，护芯管在保持簧的作用下自动回位，前卡头就把铅芯从后卡头中拉出来一点儿，达到了自动出芯的作用。这种原理还有一种顶压铅芯出芯的功能。在书写时，尽管铅芯没有磨损到与护芯管齐平，书写者仍然可以顶压铅芯头，使铅芯连同两个卡头一起后移，然后抬起手，首先，铅芯与护芯管一起向前运动，把铅芯从后面的卡头中拉出一截，然后，在延时一段时间以后，前卡头已经复位，后卡头才开始复位，这时铅芯就会被推出护芯管，完成了出芯动作。
     对于这种最高级的全自动出芯自动铅笔而言，最关键的地方在于卡头必须要有极好的单向性能，或者说两个方向的阻力差越大越好。当护芯管被推入时，力量极小，而其复位时，又有足够的卡阻力带动铅芯向前运动。为了达到如此效果，此类铅笔常常采用一种斜面滚珠式的精密卡头。
    它是一个有内圆锥表面的铜碗，里面有3个直径微小的滚珠，铅芯从一面插入轻而易举，但反方向移动却会受到强大的卡阻力量。关于延时机构，原理也不一样，有些设计是采用真正的阻尼延迟，例如用软性有机材料做成阻尼，或者用金属零件加阻尼油，使厚卡头的复位晚于前卡头；但有些设计不同，采用的是机械自锁结构，后卡头移动到位以后会被卡住，只有当前卡头复位以后才会触发后卡头的卡锁，释放后卡头，就像机械帘幕快门那样。
     此类全自动铅笔原理非常先进，看上去性能极好，但实际情况却不像想象的那么完美。其一，3滚珠卡头是一个极端精密的配件，微小的铅芯直径变化都会导致卡紧时滚珠的轴向位置较大变化，铅芯的直径误差稍大，卡阻就会失灵，因此必须要使用高精度铅芯，或者说不适合使用国产铅芯。
    其二，3球卡头卡紧铅芯时滚珠会顶压在铅芯圆周的3个点上，书写顶压力越大，滚珠压迫铅芯的力也越大，这样如果铅芯的性能稍弱就会被压断。其三，全自动出芯的原理是基于书写时纸面碰触护芯管引起护芯管移动而带出铅芯的，那么，也就是说在书写时护芯管要经常接触纸面，由于纸面对它的摩擦是侧向的，而护芯管的回缩是轴向的，因此两者的摩擦力会很大，这样不仅影响写字的手感，而且还会造成护芯管的快速磨损，这对铅笔的寿命影响极大。
    其三，此原理的运动精度极高，零件的公差都不应大于1um，甚至应该更小，这给加工生产带来了很大的麻烦，使产品的成本大幅度提高，还不仅如此，如果卡头内部的零件稍有磨损，其工作就会失常，卡阻力大为下降，使整只笔都报废掉。还有一个问题是双卡头的自动铅笔剩余铅芯不可能太短，浪费较大。
     在日本的专利中还有几种常用的结构。例如，侧按式的出芯原理有两种，一种是仅仅把尾帽移动到铅笔的侧面，较靠近笔头的位置，使推出铅芯的动作不需要改变书写的姿势，这的确有一定的效果，但还不属于真正的侧钦动式；另一种真正的侧钦式由侧钦钮来顶压90度排列的推赶来出芯，手感大为改善。
    然而这种出芯方式也不理想，由于用铅笔书写时铅芯的磨损而需要边写边不断地旋转笔体，改变铅芯与纸面的接触角度，这样一来，当你打算出芯时，侧按钮就不知道藏到哪里去了！一种折腰式的出芯原理就比以上两个方案要好得多了，这种铅笔能够折腰，360度范围内并不限制角度，你把笔杆转到哪个位置都可以弯折笔杆来出芯，非常方便。
     我还设计了两种十分特别的自动原理，也可以成为专利。第一种叫电动出芯自动原理。笔的结构并无特别，卡头也用3滚珠式，但推动机构却采用电磁铁。一节微型化的锂电池给1F的超大电容充电，当需要出芯时，按下电子开关钮，电容器对强力电磁铁放电，产生不小的推力来推动出芯机构。
    此方案的自动化程度很高，结构也比较复杂，但却因为需要充电而操作繁琐，假如没有条件充电，那就会无可奈何，况且那些电池，电磁铁和大电容的体积都不小，会占有很多的笔体内空间。第二种叫做惯性出芯自动原理。在笔体后部安装一个很大的重锤，用它来压迫出芯，在需要出芯时甩动铅笔，铅芯就会被推出一段。
    这种先进的设计极具价值。 第二个问题，我谈实用性。目前有很多设计普通的自动铅笔，像德国红环的600型，施德楼的925-85/925-95等等，设计得都不错，细长的造型，细长的护芯管，全金属的高档笔体，摩擦力很大的滚花前段和六角或圆形的后段，带有铅芯硬度指示，尾帽橡皮，可调单次出芯长度等等，众多功能，加工精密，性能优秀；然而这种产品却只能放在固定的地点使用，不便携带，如果把它装在衣袋里，它的护芯管会像针一样刺穿衣袋，这样衣袋也会把护芯管刮弯；如果不小心把铅笔跌落在地上，因为它的重心靠笔端，一定会是笔尖先着地，护芯管必弯，而且无法修复。
    另外这种笔体的尺寸也很长，大约有145mm，上衣口袋不大能容纳得下，携带起来实在是不便。比较可行的携带方法是把它装在一个便携笔筒中，然后装在裤兜里，用时再取出，相当麻烦！ 我认为较好的便携设计是缩短笔体的总长度，也不要把笔杆直径设计得过小。日本的潘托和德国的拉米都有那种短粗胖型的自动铅笔，外观十分喜人，憨傻可爱，只不过这些产品都是低档的塑料东西，原理也十分简单。
    当然，要便携绝不能仅仅设计这样的形体而已，还需要考虑如何保护珍贵的护芯管。美国的曦菲利和帕克都有大量的时尚产品，我这样称呼它们，这些铅笔的尖端都没有伸长的护芯管，笔尖是一个像圆珠笔一样的锥形金属，强度很大，基本不会被摔坏，但这种笔当然也不能被用来制图，而只能书写。
    日本的一些专利把护芯管设计成活动的，当推动尾钮收芯时也可以连同护芯管一起收入笔管，起到保护作用，但这个设计有弊端，护芯管本来就十分细小，再被设计成滑动的单件，稍有配合误差都会导致护芯管在正常使用时的晃动，手感极差！还有一些专利设计了整个笔头都能回缩的结构，这样的原理能够好一点儿；比较优秀的一种设计是附加一个可以滑动的保护套，用完比以后可以通过旋转比前段使护套滑出，包容了笔头与护芯管，从而免于其被伤害。
     这里需要额外提及一个很有趣的设计。一位美国人最先搞出了左轮枪似的多芯可换复合笔。它的原理是在一个转轮上安装6支带有复位簧的滑动机构，每只机构的尾端都连接着一个笔芯，转轮的中心是一个连接着尾帽的滑动推杆，在推杆中装有一个依靠重力下垂的阻铁，当把笔体旋转到某一个滑动机构向下时，阻铁就会落入该滑动机构的槽口，这时推动尾帽，就可以把这个滑动机构推出并自锁，这样相关的笔芯也就被推出笔尖了。
    这个设计很巧妙，第一次实现了1笔6芯，这6个笔芯可以是4支圆珠笔，1支滚珠笔外加1支活动铅笔，使用范围相当广阔。我曾经买过这样的产品，发现了它最严重的足以毁掉此专利价值的弊端，它被推出的每一个笔芯都是倾斜的，从笔管的外缘向轴心倾斜，这对书写的影响很大，特别是铅笔，当你需要旋转笔芯的角度时尤其如此。
    那时，我也开始挖空心思地设计改进这种特别左轮枪结构，最后搞出来一种相当不错的专利，很可惜我从来就没有发表过它，因此世界上也没有这种产品。 我的设计是7孔结构，在一个大直径的笔管内的外缘上排列着6支笔芯，一只带有缺口的半圆薄壁管被插入在这6支笔芯的内圆处，该薄壁管连接在笔尾端的一个旋转环上，可以用手动旋转。
    每支笔芯的尾端都安装了一个重锤与卡锁结构，在笔头里安装有弹簧和锁定机构，锁定机构通过笔腰的旋转套控制开启。当你需要使用哪个笔芯时，就手动旋转尾环，使笔内的半圆套的缺口对准相应笔芯，然后旋转笔体，使该缺口向上，笔芯就会落入笔中轴腔内，然后向下甩动笔体，在重锤的作用下，该笔芯冲出笔尖，然后被锁定，就可以使用了。
    用完以后，旋转笔腰，卡锁释放，笔芯又可以被弹簧复位，再利用重力回位，如此更换笔芯，不仅实现了多芯功能，而且每一支笔芯都可以绝对垂直地出芯，书写性能绝佳，还省略了推压式的尾帽。 第三个问题，我谈摩擦器。在铅笔的自动原理上，摩擦器本来应该使用单向卡头，它被安装在笔尖内，对铅芯施加一个把持力，只允许铅芯前进，不允许它倒退。
    但是一方面考虑到收芯，另一方面考虑它的功能，并不需要良好的单向性能，因此设计师就把它简化成了摩擦器，并采用廉价的软橡胶之类的材料来制作它。这类摩擦器是被压装在笔头内孔中的，它的问题相当严重。一方面，摩擦器的固定不牢，在人们收芯时，铅芯回退，摩擦力很容易把这个摩擦器推动，使它从笔尖内脱落出来，尚失作用，这样一来铅笔就废了，不能出芯了；另一方面，橡胶的寿命相当短暂，用不了几年摩擦器就会失灵，因此根本不能在高档笔中使用这样的零件。
     为了改进摩擦器的性能，日本开始在笔尖内孔中焊接一些带有弧度的细金属丝来替代橡胶零件，这些高弹性的锰合金钢丝耐磨性极好，使用10年都不会被磨断，而且摩擦力的保持性能也极好，多年一至，我很欣赏这样的设计。 此类摩擦器的性能是有问题的，因为它不是单向机构，而属于双向机构，两个方向的摩擦力完全相等，这就意味着，铅芯的推出力量过大，抵抗回缩的力量不足。
    对于使用三抓卡头的普通自动原理，出芯是依靠手动按压尾钮来实现的，所以出芯力极大，完全不必顾及摩擦器的阻力；但对于那些更加高级，复杂的出芯原理，要求在很小的出芯力作用下就能可靠地完成出芯动作，这就要求摩擦器有很小的正向力，和足够大的反向力了。德国的全自动铅笔实际上使用了结构完全相同的3球卡头来作摩擦器，它的性能是太好了，除了不能收芯，效果十分理想。
    可想而知，这种铅笔不能收芯，必须要考虑给他设计一个护芯管与铅芯的保护方案，例如整个笔头回缩或者推出一段保护管，把护芯管与铅芯罩住。 我是经常关注高档自动铅笔市场的，有时会在网上大量搜索新的产品，新的设计。我发现有很多的高档产品实际上属于时尚品而非科技品。
    例如，在一个最普通的出芯原理上采用红木，楠木，大理石等特别材料来制造笔壳，给金属镀上钛或黄金，搞些高雅时尚的造型，等等数不尽的花哨设计。这些产品其实没有什么使用价值，连收藏价值也不大，完全变成了商业化的东西，就与镀金座便是一个意思。真正的高性能自动铅笔是很少能见到的，例如以上我描述过的全自动型产品，在我国市场中基本见不到，我想大概3球卡头的市场占有率还不到万分之一，这是现状。
     最后，我想详谈一下我的思想与具体的结构设计。 *关于3球卡头：在一个斜面上，在360度原周内均匀分布有3个直径很小的滚珠，这些滚珠被弱力弹簧推向斜面圆锥的小直径端，它们相互碰撞，顶在一起，这样就形成了一个3球卡头。当一根铅芯从圆锥小直径端插入时，它会顶开3个滚珠，穿通卡头体，从另一端伸出。
    这只铅芯只能前进，不能后退，当它后退时，3个滚珠就会在圆锥的斜面上滚动，造成轴心圆直径缩小，结果把铅芯给夹住了，后退的力量越大，夹芯力也越大，而且由于倾斜角度的关系，夹心力永远会大于后退力，因此这种卡头的单向作用性能极高，根本不需要像普通3抓卡头那样，必须要借用强力弹簧的作用力来夹芯，夹芯力还不会改变，弹簧使对卡头的操作力太大，结果很多自动出芯专利都不可能被使用。
    这种3球卡头就不同了，正向力极其微小，反向力极其强大，性能相当理想。 有一种设计在结构上作了简化，它在青铜圆锥的小直径端安装了一个磁铁端板，3个滚珠被磁铁吸引自动聚集在小直径端，从而省去了弹簧，这个设计不错，但磁铁的性能是否会影响寿命需要考虑。
    另一个改进是，把圆锥做在3个沟槽里，每个沟槽中安放一支滚珠，如此限制了滚珠的随意串动，使性能更加稳定。 3球卡头也有它的弊端。第一个弊端，它对铅芯的夹持依靠3点接触，接触面积极小，自然会把铅芯夹出半球形的凹坑，如果铅芯的强度不够高，它很容易把铅芯夹断。
    因此，这种笔不能使用碳素铅芯，而只能用树酯铅芯。如果适当加大滚珠的直径，断芯的问题会有所改善，但依然不能被彻底解决；第二个弊端，圆锥的倾斜角度很难设计，角度小了，夹持可靠性大为提高，自锁能力变好，但对铅芯的直径精确度要求更高，如果铅芯太细，卡头就会失去作用，不能阻止铅芯退回；如果角度设计得较大，对铅芯直径的精度要求可以放低，但夹持的可靠性会下降，有时会出现不能自锁而失去作用；第三个弊端，3支滚珠的直径极小，圆锥面的精度也极高，尺寸误差不应该大于1微米，如此高精尖的机械加工，必然导致成本的大幅度上扬，因此这种卡头十分昂贵；第四个弊端，同样的原因，一旦有铅芯被夹断的情况发生，在高压下一些铅粉残屑可能会粘附在3个滚珠上或者圆锥表面上，导致卡头的功能失常，因此该结构的工作可靠性并不理想；第五个弊端，也是同样的原因，卡头零件的些微磨损都会对其性能产生明显的影响，虽然斜面有自动消除误差的性能，但容差还是太小，因此该设计的使用寿命不会很长；第六个弊端，这种卡头不容易被手动打开，不像三抓卡头那样，可以通过推动连接卡头的尾帽把三抓打开，使卡头可以自由通过铅芯，这种3球卡头很难把3球推开，使铅芯自由通过，因此使用它设计铅笔时最难解决续芯问题。
    我的改进方案是，把上述的磁性端板做成一个活动管状，它既可以吸引滚珠又可以通过钦压尾帽把滚珠给顶开，使铅芯能在重力的作用下落入并通过卡头，这就解决了续芯问题。 *关于出芯原理，我认为常用的后钦尾帽方式并不理想。在制图书写中拇指要经常改变位置，去压动尾帽才能把铅芯推出会耽误工作，影响创意构思。
    在这方面折腰式的设计要先进得多，不须改变手位，只要稍加用力按压笔杆，铅芯就会伸出，简单快捷。遗憾这种设计在结构上会受到极大限制，制造难度也很高。那种依靠护芯管摩擦纸面的自动原理已经被我否定了，但它的前钦式出芯原理却还不错，你可以利用书写时的句点来作为出芯动作，这个句点比一般的书写压力更重；然而假如你是在画图那该怎么办呢？你总不能在线条上加一个很重的点儿或者借用一张草纸来专门作出芯动作吧？因此可见，前钦式并不实用！最好的出芯原理就像最理想的手枪自动原理一样困扰了人们几十年，可用的原理就那么几种，人们已经牵驴技穷，不能发明出来更理想的方案了。
    我的设计是采取重力出芯，只要你甩动一下手臂，铅芯就会伸出一段，这个方案的实施相当简单，就在笔体后段增加一个足够大的重锤也就解决了！前人是否太笨了？ 使用重力出芯的设计必有前题，一个是必须使用高性能的卡头，例如3球卡头，另一个是必须要解决续芯问题，利用尾帽来顶开后卡头的滚珠，使铅芯能够穿过卡头，抵达前卡头的滚珠孔，以后的动作就可以依靠重锤操作了。
    

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  男***

  2019-02-10 01:55:06

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