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1、 书写润滑度的研究对于进步提升书写性能具有重要 作用与意义。本： 艾 通过对圆珠笔书写日 寸 摩擦状况的研究， 在书写受力分析、摩擦力理论计算 模拟测试以及反复验 证的基础上，发明了l到珠笔书写润滑度检测方法及其检测 仪器，亨 且运用圆珠笔书写润滑度检测仪展开了_系列的 研究工作， 包括笔头摩擦研究，笔头匹配墨水后的摩擦研 究，笔头的磨损研究等。通过对书写润滑度的研究， 将原 先无法定量的 只能依靠有经验的人的感觉与比较来判断 的 书 写手感顺滑性这样一个感官 胜指标 提升为可以定量 的 通过仪器来检测的书写润滑度检测项目 并且在相关 理论的指导下，通过大量的实践和积累，找到书写润滑的 基本规
2、律，以及对 目前存在的 问题的解决方案，用以指。 导 技术研究、产品开发、 质蹙控制等生产实践，必将极大地 推动书写润滑度乃至整个书写性能的改善和提高 言 对于书写工具来说 ，圆珠笔的诞生可以认为是具有革 命性的创新。因为，圆珠笔笔头前端的球珠在书写时 司 滚动，将书写介质 ( 墨水或油墨)带到纸张表面，使书写 更 为流畅，手感更为顺滑 尽管如此 自圆珠笔诞生以 来 ，人们对提高其书写 手感舒适度的追求始 终没有停止 龙 所谓书写手感舒适度是指书写时的流畅性和润滑度 两者之间既有相对独立性叠也有相互的关联性。对于书写 的流畅性， 司 以在规定的书写纸张、书写角度、书写速度 和书写 压力T 在书
3、写仪上连续划线 通过检查线迹的状 况 出墨量大小及其波动状况来判定其书写的流畅性 但 是。，对于书写的润滑度，目前只有书写手感顺滑性这样一 个感官性指标，依靠确 经验的人的感觉和比较来 4 晰 ： 始 终会因人而 异， 受至 l】 1清 绪、 感觉灵 敏度等影响 尤其是出 墨量大小的影响， 同一批笔芯 ( 笔头和墨水相同 )，当拿 到一支出墨量比较大的笔芯划线时，人会本能地减小书写 压力。就会感觉很顺滑，当拿到支出墨蜃比较小的笔芯 划线时，人又会本能地加大书写压力，就会感觉不顺滑， 实际上它们的书写润滑度是相差很小的。巨 书写手感顺滑性根本无法准确地 定量地分： 。 长期以来，人们希望能够有一
4、种方法刨 出书写的润滑度，这也是行业内共同关心自 此而进行了长期不懈的努力-， - 最早可以追镬 年代上海市制笔工业研究所曾进行过这方西 来上海晨光文具股份有限公司、天津中天= 司 真彩。文具股份有限公司等均进行了有盍 得 了进展和相应的成果。上海晨光文具股侈 多年的研究和探索，发明了圆珠笔书写润祚 并研制成功 圆珠笔书写润滑度检测仪 ， 圆珠笔笔头和笔芯的综合摩擦力及综合摩拱 圆珠笔书写润滑度 ，已申请了相关专利 ( 2 X，2 o r 3 1 0 3 9 0 7 5 3 3 )。 本文将系统回 顾 圆珠笔书写润滑度研劣 绍 嚼珠笔书写润滑度检测仪及其检测 据的分析得出一些有参考价值的意见。
5、 12 、 圆珠笔书 写时的摩擦状况研寅 摩擦学原理表 明 只要有 界面接触，彭 擦、润滑及磨损。圆珠笔书写过程 中 产 生拄 撩副：一是笔头的球珠与纸张之间的摩擦 ； 珠与球座体之间的摩擦。这两组摩擦类型麓 不同的是 球珠与纸张之f H 的摩擦以滚动 动为辅 ( 部分特殊情况， 如打滑)，数值 球座体之间的摩擦则主要为滑动摩擦，数隹 着磨损的产生 此外，还有书写介质 ( 墨外 摩擦，以及作为润滑荆的润滑作用。上述名 和润滑是 同时交替发生 ，混合进行的，我 分析和计算来还原圆珠笔书写时的实际 状况 ( 1 ) 书写受力分析 圆珠笔书写时，如图l 书写压力即法向牵 头的球座底部作用于球珠上，球
6、珠对球座臆 用力N，同时， 写压力通过球珠传递到中 写面订一个法向载茼力w ，而书写面对球珠也有一个反 作川力N 。 要达到正常书写的目的，关键的还要有一个水平的力F 作用的笔一 h，使笔头的球珠与书写面发生相对运动，如果 要使这8 f $ H 对运动不是滑动而是滚动，则还需要一个条件 就是能使球珠转动的力矩M，相应的会有一个阻碍球珠转 动的力矩M 。 州题足人在书巧时施加在笔上的水平力的位置和大小 都 不 样 ，也 无法 测 得其 具 体数 据 ，于 是 ，我们 设 想 将 将 t 5 过程 的受 力渊擎一 l F ，将原来 丰动运动 的笔改为静 I 卜 ， 将 原来静止 的纸张改 为主动
7、，即给纸张施 加一 个水 平力 的拉力F ， r j J F 一 F 图1 圆珠笔笔头与书写面的受力示意图 但 向相反，那么F 的作用点就在球珠与书写面接触 点的切线方向，球珠的半径R为力臂，形成能使球珠转动 的 力矩M，则 M F R ( 2 1 ) 如果假设纸张是刚性的，则使球珠滚动的条件应该是 球珠 与纸张之间的滑动摩擦力F 球珠与球座底部之间 的滑动痒擦力F 。 实 际上 纸 张并非是 刚性 的 ，以通 常使用 的7 0 克 书写纸 为俐 ，足一种较软的弹性体，其厚度约为0 1 11 1 m，而圆珠 笔的球珠通常采用碳化钨材料，硬度很高是刚性体，在书 写压力作用下球珠会在纸张面上压出一
8、个凹坑 ，球珠直径 大的压入深度小，球珠直径小的压入深度大，以球珠直径 为0 5 ram为例 ，书写压 力为0 9 8 N时 ，球珠 会压 人书写纸 表面深度约0 0 5 ram ( 如图2 所示)。 当球 珠 因书写 力使 纸张表 面发生 凹陷的 同时 ，纸张 有一- 个水平的拉 力而会使纸 张表面与球珠 接触点 的另一侧( 与水平拉 力反方 向 ) 产生变形和隆起 ，这使得书写面对球珠的反作用力N 的作 用点从最低点 C 向隆起一侧移至C ，其移动 的距离e 相 当于 反作用力对于滚动物体质心的力臂，它具有长度的量纲， 这就是滚动摩擦系数k，它跟滚动物体和支承面的材料、性 质，硬度、表面状
9、态及物体半径等有关。 这样当反作用力N 与法向载荷力w 不在一条直线上 时，就形成了一个阻碍滚动的滚动摩擦力矩M ，即 M ， =kW ( 2 -2 ) 视点关注 S p ec i al W a t c h 纸 张 图2 不同直径球珠压入书写面 ( 纸张)深度示意图 而实际上还有一个阻碍滚动的力矩还应该是球珠与球 座底部的滑动摩擦力F ， ，与球珠质心所形成的滚动摩擦力 矩M ，即 M! =F l R ( 2 3 ) 假设 M=M =M + M ( 2 4 ) 则 F R=k W F F R ( 2 5 ) k F一 w + F 1 ( 2 6 ) 另外 ，也可 以用 量纲 一化量 即滚动 阻
10、力系 数f r 来表征 滚动摩擦的大小。它在数值上等于滚动驱动力产生单位距 离所做的功与法向载荷 之H 5 1 2 】 ，即 f r 一 一 ( 2 7 ) t r = =一 W R 以及它的修正公式 f 一 ( 2 8 )r 也就是说 ，当摩擦副材料及润滑剂相同的情况下，其 滚动摩擦系数k 是基本不变的，那么滚动阻力系数f r 与球珠 的直径大小成反比。这也可以解释球珠直径大的笔头书写 手感要 比球珠直径小的好的原因之一。 于 是 F=f W+ F ， ( 2 9 ) 根据摩擦学的经典摩擦定律，计算滑动摩擦力F l 的公 式 如下 ： F ， = u W ( 2 l 0 ) 式中F l 为滑
11、动摩擦力； 为滑动摩擦系数；w为正压力。 则Ff w+ W = ( f +“)W ( 2 1 1 ) 根据上述( 2 l 1 ) 公式 ，如果我们知道滚动阻力系数f r 和 滑动摩擦系数 ，就 可以求出综合摩擦力 ；或者我们能够 测出综合摩擦力，也就能够计算出综合摩擦系数。 ( 2 ) 书写摩擦力计算 圆珠笔笔头的球珠与球座体由不同的材料组合，相当 于不同的摩擦副的配合，因此，圆珠笔笔头的摩擦系数大 小，主要取决于摩擦副材料的特性及其配合，目前常见的 组合见表1 。 2 o l 4 0 4文体用品与科技 盟 注：目前最典型的是前四种 此外 ，还有材料表面的粗糙度，以及表面吸附膜的存 在。通常我
12、们将没有加墨水的笔头所进行的摩擦试验称 为 “ 干摩擦”，其实并非真正是两种材料直接接触的干摩 擦 ，经过加工以后的笔头，在球珠和球座底部的表面会存 在一层吸附膜，所不同的仅是这种吸附膜的性质，即是物 理吸附还是化学吸附，吸附膜的厚度等。当吸附膜较厚， 能够完全隔开两种材料的直接接触时，表现为摩擦系数很 小 ，而 当吸附膜较簿 ，不能够 完全隔开两 种材料 的直接接 触，或者吸附膜被破坏了，则会表现为摩擦系数很大。 查机械设计手册 ，钢与木材的滚动摩擦系数为0 0 3 0 0 4 c m，考虑到纸张由木纤维为主制成，单页纸可能比 木材要软 ，但是，放置在光滑的不锈钢板上，其硬度应该 比木材高很
13、多，而且 ，笔头的碳化钨球珠硬度也大大高于 一 般的钢材。于是，我们通过大量试验和计算，将滚动摩 擦系 数假 定为0 0 4 ram，则滚 动摩擦 阻力 系数 为0 0 3 6 5 0 0 7 3 ( 见表2 )。 表2 圆珠笔笔头滚动摩擦阻力系数表 碳化钨球珠与镍白铜球座体组成的笔头， 0 5 mm F= ( 0 0 5 6 6+ 0 3 3 )0 9 8 =0 3 7 8 9 N 碳化钨球珠与不锈钢球座体组成的笔头， 0 5 mm 球珠直 径为 球珠直径为 F =( 0 0 5 6 6 + 0 2 8 )0 9 8 = 0 3 2 9 8 N 根据以上的初步计算，圆珠笔笔头的球珠与球座体由
14、 不同的材料组合成的不同摩擦副，在相似的条件下，其综 合摩擦力大小的排列大体上有如下的规律： 碳化钨 塑料 碳化钨 铅黄铜 碳化钨 镍 白铜 碳化钨不锈钢 3、 圆珠笔书写润滑度检测仪的研发 通过对圆珠笔书写时的受力分析，以及在假设条件下 的初步计算表明，所谓综合摩擦力应该是圆珠笔笔头的球 珠与球座底部之间的滑动摩擦力和笔头球珠与书写面 ( 纸 张)之间的滚动摩擦力之和，因此，如果有一种仪器能够 检测出综合摩擦力大小，则就可以综合摩擦系数的大小来 表征笔头润滑度的优劣，这也是研发圆珠笔书写润滑度检 测仪的初衷和最基本的出发点。 ( 1 ) 圆珠笔书写润滑度检测仪的基本原理 圆珠笔书写润滑度检测
15、仪可以模拟书写的基本状况， 只是将原来作主动运动的笔或笔芯变为静止的而让纸张 做主动运动。如图3 所示，润滑度检测仪有一个旋转平台， 上面放置测试用的纸张 ，当试样笔芯9 0 。垂直于 ( 也可 以调整为与书写面呈7 0 。书写角度)旋转平台的测试纸张 时，旋转平台转动就相当于试样笔芯在围绕旋转平台的轴 球珠直径0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 f r 0 0 7 3 0 0 6 3 0 0 5 6 6 0 0 5 1 6 0 0 4 7 8 0 0 4 4 7 0 0 4 0 0 3 6 5 查机械设计手册，4 5 #淬火钢与P O M的滑动摩擦系数 为0 4 6 ，碳化钨与铜
16、的滑动摩擦系数为0 3 5 ，考虑到铅黄 铜含有铅的成分 ，且硬度较低，因此，可以将碳化钨与铅 黄铜的滑动摩擦系数假定为0 3 8 ，碳化钨与镍白铜的滑动 摩擦系数假定为0 3 3 。碳化钨与不锈钢未能直接查到对应 的系数，根据经验假定为0 2 8 。 针对以上 四种典型的摩擦副 ，以笔头球珠直径均为 0 5 ram，书写压力为0 9 8 N且 垂直于 书写面 ，可 以分别计 算出它们的综合摩擦力F： 碳化钨球珠与塑料 ( P O M)球座体组成的笔头，球珠 直径为0 5 mm F= ( 0 0 5 6 6+ 0 4 6 )0 9 8 = 0 5 0 6 3 N 碳化钨球珠与铅黄铜球座体组成的笔头，球
