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急招圆珠笔手工组装在家加工(圆珠笔有多难造)

小时候盼着上学的原因之一,就是又可以买新文具了。很多人不知道,看似普通的文具使用的技术并不普通。

Part.1

做一支圆珠笔,很难么?

圆珠笔之所以能顺利出墨,是因为在书写过程中,圆珠笔头的小球在与纸张接触时产生的摩擦力作用下滚动,从而带出笔芯中的墨水,形成字迹。

简单来说,圆珠笔头的结构是在球座体的顶部嵌入一个球,这样球就可以平稳旋转,不容易从球座体上脱落。

然而,如此简单的设计,对球的要求并不简单。

圆珠笔头的制造主要有三个技术难点。首先,为了保证流畅的书写体验,球和发球台之间的配合非常重要。球和球座之间的间隙约为5微米。如果间隙太小,墨水不会顺利流出。如果间隙过大,会导致漏墨,甚至会使小球从笔尖脱落。

其次,在书写过程中,由于笔尖球与纸张的不断摩擦,球与球座的间隙会逐渐变大。久而久之,墨水容易从缝隙中漏出,影响书写。

此外,圆珠笔尖具有极高的加工精度和装配精度。笔尖和导油槽中有不均匀的台阶用于导墨,每个导油槽的加工精度要求为1微米。

这些因素都对圆珠笔球的材料性能提出了更高的要求。

圆珠笔尖的内部结构

(图片来源:参考文献1)

Part.2

寻找特种钢材——“笔尖钢”

圆珠笔球的材料经历了不断的发展。早期的铅黄铜和镍铜由于耐腐蚀性差,已经基本被淘汰。可以使用现有的不同规格的材料,包括不锈钢球、碳化钨球和陶瓷球,其中不锈钢已经成为圆珠笔最常用的材料。

圆珠笔用钢有一个特殊的名称——笔尖钢。笔尖钢需要具有耐腐蚀性,以抵抗长期与墨水接触过程中溶剂等对球体的腐蚀。

同时,为了保证球与球座间隙的稳定性,笔尖钢还需要有耐磨性。

在加工过程中,会使用硬质合金钻头以30000rpm的高速进行加工,加工误差不能超过3微米,这就要求笔尖钢具有良好的切削性能。同时,易切削的性能还体现在需要对切屑进行细分,比如有缺口的切屑和C型切屑,这样可以方便快捷地将废弃的切屑从工件上分离出来,减少划伤面,保证笔头内腔复杂结构的完整性。

易去除碎屑和C形碎屑

(图片来源:参考文献。5)

笔尖钢属于易切削不锈钢,是一种特殊的钢材。它是在铁素体不锈钢中加入一定量的易切削元素,如硫、铅和磷制成的。

易切削元件的作用机理可以概括为这种元件及其夹杂物,它不仅可以润滑刀具和钢,还可以作为应力集中点使切屑变脆。

其中,不同元素的作用方式略有不同。例如,铅元素处于球形粒子的简单状态。在切削时产生的摩擦热作用下,熔点较低的铅元素熔化析出,对接触面起到润滑作用。钢中的硫和锰会形成硫化锰夹杂物,从而阻断钢的连续性,使切屑变短,易于清除。此外,硫化锰会在切削力的作用下沿剪切面延伸,最终降低摩擦阻力。

在切削过程中,自由切削元件及其形成的夹杂物可以润滑刀具和材料。

Part.3

攻克“中国制造”笔尖钢!

圆珠笔的钢由碳、硅、锰、磷、铜、镍等十多种元素组成,每种元素的含量也不同。选择了哪些元素,每个元素使用了多少,何时添加了每个元素等。会对钢材的性能产生影响。

长期以来,化学成分和技术

但是,即使没有技术支持,项目也很难,我们克服了这一技术,开发了国产笔尖钢,并于2017年实现了笔尖钢的国产量产。从此,中国使用的笔尖钢可以自豪地写下“中国制造”的标志。

与国外的笔尖钢相比,我们的笔尖钢元素相似,含量不同,但使用性能仍然很好。

当我们使用圆珠笔时,我们可能没有意识到,如此微小的笔尖实际上需要科学技术研究来开发材料。我们不仅需要详细了解金属的微观结构及其机理,还需要不断积累数据,调整参数,设计工艺方法,才能制造出所需的特殊钢。

我们甚至不会想到,小笔尖要经过800米以上的连续书写和连续墨水的严格测试才能达标。

有时候我们觉得科学研究离我们很远,却不知道它已经渗透到生活的方方面面,我们只需要解码。

参考文献:

(1)郭恒昌、苏娟、黄刚。引用该论文王志平,王志平,王志平.中国制笔,2020(01),11-18。

苏娟、杜、郭恒昌。引用该论文王志平,王志平,王志平,王志平.润滑与密封,2019,44,5,83-89。

(3)C. Furusho,H. Takabayashi。

Ferrite type free cutting stainless steel for e.g. bearing of precision equipment, contains carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, copper, nickel, chromium, molybdenum, vanadium, tungsten, and titanium, in specified mass ratio. Derwent Primary Accession Number: 2017-78270T.

(4)H. Wang, J. Li, J. Zhai, D. Che. Stainless steel for ballpoint pen tip, comprises chromium, nitrogen, lead, tellurium, vanadium, niobium, nickel, copper, oxygen, carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, balance iron and unavoidable impurities. Derwent Primary Accession Number: 2017-582091.

(5)夏明哲. 专用易切削不锈钢切削性能与微观组织的关联研究[D]. 浙江工业大学, 2016.

(6)付文笙, 沈平, 杨乾坤, 张东, 杨树峰, 付建勋. 基于反向工程方法的易切削笔尖钢关键工艺参数的探索[J]. 2019, 41, 91-97.

(7)Q. Yang, P. Shen, D. Zhang, Y. Wu, J. Fu. Analysis on composition and inclusions of ballpoint pen tip steel. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2018, 25, 420-428.

来源:“中科院物理所”人民号