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圓珠筆書寫潤(rùn)滑度研究(四)

2014-12-25 02:22上海晨光文具股份有限公司姚鶴忠王通虎李安
文體用品與科技 2014年19期
關(guān)鍵詞:筆頭劃線磨粒

□ 上海晨光文具股份有限公司 姚鶴忠 王通虎 李安

6、筆頭的磨損研究

磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中表層材料不斷損傷的過(guò)程,它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。

磨損分類方法表達(dá)了人們對(duì)磨損機(jī)理的認(rèn)識(shí),不同的學(xué)者提出了不同的分類觀點(diǎn),至今還沒有普遍公認(rèn)的統(tǒng)一的磨損分類方法,其中一種分類為:磨粒磨損;粘著磨損;疲勞磨損;腐蝕磨損;微動(dòng)磨損。

外界硬顆?;蛘邔?duì)磨表面上的硬突起物在摩擦過(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象,稱為磨粒磨損。 磨粒磨損有以下三種形式:(1)磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間,類似于研磨作用,此稱為三體磨粒磨損。通常三體磨損的磨粒與金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力,往往超過(guò)磨粒的壓潰強(qiáng)度。這種壓應(yīng)力使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞;而脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落;(2)磨粒沿一個(gè)固體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損稱為二體磨粒磨損。當(dāng)磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近平行時(shí),磨粒與表面接觸處的應(yīng)力較低,因此固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。如果磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近垂直時(shí),常稱為沖擊磨損。此時(shí)磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞,在表面上磨出較深的溝槽,并有大顆粒材料從表面脫落。沖擊磨損量與沖擊能量有關(guān);(3)在一對(duì)摩擦副中,硬表面的粗糙峰對(duì)軟表面起著磨粒作用,這也是二體磨損,它通常是低應(yīng)力磨粒磨損。

一般說(shuō)來(lái),磨粒磨損的機(jī)理是磨粒的犁溝作用,即微觀切削過(guò)程。顯然,材料相對(duì)磨粒的硬度和載荷起著重要的作用。

目前主要有三種磨粒磨損機(jī)理,即(1) 微觀切削:法向載荷將磨料壓入摩擦表面,而滑動(dòng)時(shí)的摩擦力通過(guò)磨料的犁溝作用使表面剪切、犁皺和切削,產(chǎn)生槽狀磨痕;(2)擠壓剝落:磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕,將塑性材料的表面擠壓出層狀或鱗片狀的剝落碎屑;(3)疲勞破壞:摩擦表面在磨料產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下,使表面材料因疲勞而剝落。

本章的主要內(nèi)容為筆頭書寫過(guò)程中磨損的成因進(jìn)行深入分析,并討論潤(rùn)滑與磨損的關(guān)系,希望尋求出磨損的影響因素排序。

(1)筆頭磨損的成因

圖16 球珠表面的微孔(放大500倍)

圖17 球座底部經(jīng)切削加工后的表面狀況

圖18 實(shí)際接觸面積示意圖

目前,使用量最多的是碳化鎢球珠,其表面經(jīng)多道研磨后,表面粗糙度可達(dá)到Ra0.016-0.08μm,但是,碳化鎢球珠是采用粉末冶金工藝加工而成,因此表面會(huì)有大量的微孔存在(如圖16所示);而球座體的球座部分經(jīng)切削加工后,表面粗糙度通常在Ra3.2μm左右(如圖17所示),即使經(jīng)過(guò)壓珠可能使球座底部的表面粗糙度有所改善,但是兩者的差異還是很大的。由于表面粗糙度的影響,兩個(gè)表面的實(shí)際接觸并不是發(fā)生在所有的表觀面積上,而只是在一小部分的微凸體上(如圖18所示)。

圓珠筆在書寫過(guò)程中其球珠在球座內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng),幾乎相當(dāng)于微型軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)。以最小的微型軸承681為例,最高轉(zhuǎn)速2000rpm,最大動(dòng)負(fù)荷96N。經(jīng)過(guò)計(jì)算其鋼珠的轉(zhuǎn)速約為66.68轉(zhuǎn)/秒,單位面積受力約為94.3N/mm2。

圓珠筆筆頭以Φ0.5球珠為例,最大書寫壓力為150克,書寫速度為4.5m/分,經(jīng)過(guò)計(jì)算球珠的轉(zhuǎn)速約為47.77轉(zhuǎn)/秒,球座底部支承球珠的單位面積受力約為30.2N/mm2。

筆頭的球珠轉(zhuǎn)速為微型軸承的鋼珠轉(zhuǎn)速的71.64%,球座底部支承球珠的單位面積受力為微型軸承的32.03%。

由于碳化鎢球珠的表面硬度非常硬,達(dá)到HV1600以上。而球座體如果采用易切削不銹鋼,表面硬度為HV300左右;采用鎳白銅則表面硬度為HV220左右;采用鉛黃銅則表面硬度為HV150左右。球珠的表面硬度與球座底部的表面硬度相差很大,并且兩者的表面粗糙度又差異很大,因此,在一定的壓力和時(shí)間的相互滑動(dòng)過(guò)程中,球珠的光滑硬表面會(huì)不斷擠壓球座底部表面的粗糙凸峰,使之變形、剪切,甚至斷裂(如圖19所示),這就是球座底部表面的磨損。

圖19 粗糙峰的變形與斷裂

通常情況下,一支采用不銹鋼筆頭Φ0.5球珠的中性筆芯,在標(biāo)準(zhǔn)的書寫儀上以0.98N書寫壓力、4.5m/min書寫速度連續(xù)劃線400米左右,球座底部支承球珠的部分會(huì)磨損約0.002-0.02mm左右,而球珠的磨損基本可以忽略不計(jì)。

就像所有機(jī)械磨損一樣,圓珠筆筆頭的球珠與支承其的球座底部之間的磨損,同樣會(huì)有一個(gè)磨合期、穩(wěn)定期到失效期的過(guò)程。磨合期的磨損量相對(duì)會(huì)稍大些,這是因?yàn)榧庸ず蟮谋砻娲植诙纫约扒蛑榕c支承其的球座底部之間的吻合程度尚未達(dá)到最佳狀態(tài),兩者的實(shí)際接觸面積最小,而磨合期應(yīng)該盡可能短,一般在書寫的前50-100米之內(nèi)(如圖20所示);當(dāng)接觸凸峰經(jīng)過(guò)塑性變形被調(diào)整到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),就進(jìn)入了磨損的穩(wěn)定期,此時(shí)的單位長(zhǎng)度的磨損量是比較小的;進(jìn)入磨損的失效期,磨損量又會(huì)進(jìn)一步上升,通常情況下多數(shù)的圓珠筆筆頭并不存在磨損的失效期,因?yàn)槎鄶?shù)圓珠筆在油墨或墨水寫完后其筆頭還基本處于正常狀態(tài),而少數(shù)出現(xiàn)磨損的失效期的筆頭是因?yàn)闀鴮戦L(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),球座體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理,或者加工精度差,或者球座體與球珠以及墨水匹配不好,使得書寫的中后期出墨量偏小等等原因所造成。

圖20 筆芯劃線出墨量全過(guò)程的曲線圖

(2)筆頭磨損的形式與分類

如果以碳化鎢球珠配合不銹鋼、鎳白銅或鉛黃銅等不同材質(zhì)的球座體,這樣的摩擦副其主要發(fā)生磨損主要發(fā)生在硬度較低的球座體(維氏硬度HV150-400,遠(yuǎn)小于碳化鎢球珠的HV1500)的底部,主要形式為磨粒磨損,隨著書寫的進(jìn)行,韌性金屬發(fā)生塑性變形或疲勞,脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而進(jìn)一步嚴(yán)重。即便都是不銹鋼材料,采用成型針管和易切削不銹鋼絲所加工的筆頭,其磨損形式和結(jié)果也不盡相同。

①采用成型針管加工的筆頭

采用成型針管加工的針管型筆頭,其成型針管通常采用314不銹鋼材料,經(jīng)過(guò)多次拉拔后硬度相對(duì)最高(維氏硬度HV400左右),并且脆性亦相對(duì)較高,其磨損的形式和結(jié)果是比較典型的脆性金屬剝落。如圖21所示,針管型筆頭P7-0.4在書寫劃線前后的對(duì)比,顯示此種筆頭書寫劃線過(guò)程中磨損很大(總磨損量為25.4μm,球座深度增大約為20μm),但是其小孔直徑、油槽寬度等幾乎不變,壓珠直徑也明顯增大,可以認(rèn)為該筆頭在書寫劃線過(guò)程中發(fā)生了大量的脆裂剝落,塑性變形的比例并不高。

圖21 針管型筆頭P7-0.4書寫劃線前后磨損狀況

②采用易切削不銹鋼線材加工的筆頭

采用易切削不銹鋼線材加工的筆頭,其線材主要為SF-20T,維氏硬度HV300左右,其磨損的形式和結(jié)果是比較典型的韌性擠壓變形剝落。如圖22所示,子彈型筆頭U1-0.5在書寫劃線前后對(duì)比,顯示此種筆頭書寫劃線過(guò)程中有一定磨損(總磨損量為15.2μm,球座深度增大約為12μm),但更明顯的是其小孔直徑、油槽寬度均發(fā)現(xiàn)了明顯變小,而壓珠直徑則明顯增大,可以認(rèn)為該筆頭在書寫劃線過(guò)程中球座發(fā)生了較大變形,但脆裂剝落比例并不高。

圖22 子彈型筆頭U1-0.5書寫劃線前后磨損狀況

③采用鎳白銅、鉛黃銅材料加工的筆頭

采用鎳白銅、鉛黃銅材料加工的筆頭,其材料硬度在HV150-200左右,磨損的形式和結(jié)果是比較典型的微觀切削磨損。如圖23所示,子彈型筆頭C1-0.7在書寫劃線前后的對(duì)比,由于此類筆頭通常使用于油性(包括中油)圓珠筆,墨水的潤(rùn)滑度左右比較明顯,因此,此類筆頭書寫劃線過(guò)程中筆頭磨損很小,未出現(xiàn)明顯的變形、剝落,但球座底部表面可清晰可見劃痕。

圖23 子彈型筆頭C1-0.7書寫劃線前后磨損狀況

通常情況下發(fā)生磨損的表面的粗糙度應(yīng)該有所改善,即變得更為光滑,特別是對(duì)于那些加工后表面粗糙度較差的(即表面凸峰比較明顯的),會(huì)有明顯的改善。但是,也有例外,比如脆性金屬剝落較多的表面粗糙度反而會(huì)變得更差。

⑶筆頭磨損的成因與分析

造成筆頭磨損的原因很多,包括墨水的潤(rùn)滑性、筆頭的材質(zhì)、筆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)、筆頭加工精度(球座底部表面粗糙度、尺寸誤差)等。

①墨水的潤(rùn)滑性

從大類來(lái)分,油性(特別是中油)墨水潤(rùn)滑性最好,平均磨損僅為0.2686μm/100m;

其次是中性墨水,平均磨損為0.9143μm/100m;最差的是水性墨水,平均磨損達(dá)到2.187μm/100m(見圖24),相差達(dá)到8倍多。

圖24 不同墨水的筆頭平均磨損

即使是同一類墨水,例如中性墨水,不同的顏色,不同的配方,其墨水潤(rùn)滑性相差也是比較大的。以中性墨水中比較常用的5種墨水為例,M-1黑的平均磨損為0.7064μm/100m,

M-2黑的平均磨損為1.94μm/100m,M-3藍(lán)的平均磨損為0.738μm/100m,M-4藍(lán)的平均磨損為0.4933μm/100m,M-5紅的平均磨損為0.5578μm/100m(見圖25),最大與最小之間相差亦近4倍。

圖25 不同中性墨水的筆頭平均磨損

表15

表16

而磨損最大的水性墨水則因?yàn)槟呐浞讲煌P頭結(jié)構(gòu)的不同等形成更大的差異,我們收集了20種不同的水性墨水圓珠筆,得到的結(jié)果見表15。

從表15可以看到,磨損最嚴(yán)重的筆頭平均磨損達(dá)到了4.79μm/100m,最小的平均磨損僅為0.39μm/100m,兩者相差12倍多。

②筆頭的材質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于筆頭的材質(zhì)不同會(huì)造成磨損的結(jié)果不同,在上一節(jié)已有闡述,同樣是不銹鋼材料,采用成型管材加工而成的針管型筆頭,由于成型管材經(jīng)過(guò)多次拉拔后硬度相對(duì)較高,脆性亦相對(duì)較高,并且針管型筆頭采用打三點(diǎn)形成球座,所形成的三條油槽面積較大,相應(yīng)的支承球珠的面積就比較小,因此,該種筆頭的磨損相對(duì)比較嚴(yán)重,我們收集了5種針管型筆頭,與同一種墨水(M-2黑)匹配,得到的結(jié)果見表16。

從表16可以看到,磨損最嚴(yán)重的筆頭總磨損量達(dá)到了25.4μm,平均磨損達(dá)到了4.44μm/100m,總體平均磨損達(dá)到了2.518μm/100m。

表17

表18

同樣采用M-2黑中性墨水匹配的另外3種筆頭,因?yàn)槭遣捎靡浊邢鞑讳P鋼線材加工,油槽為3-5條,球座底部支承球珠的面積相對(duì)要大一些,磨損狀況大為改觀,得到的結(jié)果就大相徑庭(見表17),平均磨損達(dá)最大為1.18μm/100m,總體平均磨損僅為0.977μm/100m。

③筆頭的加工精度

筆頭加工精度主要是針對(duì)球座底部表面粗糙度而言,由于加工機(jī)床的不同,加工工藝的不同,加工刀具的不同,以及切削液的不同等等,造成筆頭的球座底部表面粗糙度相差很大,據(jù)初略統(tǒng)計(jì)在Ra0.902-5.54μm之間,在同樣墨水的條件下,粗糙度大的筆頭相對(duì)磨損就嚴(yán)重。為了證實(shí)上述判斷的正確性,我們將11種均采用易切削不銹鋼線材加工的筆頭,分別匹配黑、藍(lán)、紅三種墨水,檢測(cè)磨損量的結(jié)果見表18。

圖26 不同筆頭與三種墨水匹配后的磨損狀況

從圖26可以看到,Y3-0.5筆頭匹配藍(lán)、紅色墨水的平均磨損均是最低的,分別為0.19μm/100m和0.1μm/100m,匹配黑色的在中間為0.61μm/100m。此外,Z1-0.5、P7-0.4、M1-0.4等筆頭的平均磨損也處于相對(duì)較低的水平,經(jīng)檢測(cè)這些筆頭的球座底部表面粗糙度均在Ra2μm以下。

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