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圆珠笔的书写机理初步研究 上海晨光文具股份有限公司 姚鹤忠 圆珠笔在书写时，其笔头前端的球珠与书写面（通常为纸张）接触，由于同时受到垂直向下的书写压力和水平方向的推力，球珠会将书写压力传递给书写面，而书写面反作用力给球珠，并通过球珠传递到支承球珠的球座底部，即在球珠与支承其的球座底部之间，以及球珠与书写面之间分别形成了两对压力与反作用力，同时，由于水平方向的推力以及球珠与书写面之间的摩擦阻力作用，会使球珠转动起来；由于书写介质（油墨或墨水）对书写面的润湿性大于对球珠的润湿性[1]，就将粘附在球珠表面的书写介质再粘附到书写面上而形成了线（字）迹。 圆珠笔在书写时，其笔头前端的球珠与支承其的球座底部之间，由于书写压力的作用会发生滑动摩擦，由此会产生磨损；而球珠与书写面之间则是一种滚动摩擦，或者说是滚动、滑动和旋转的组合[2]。此外，书写介质对于滑动摩擦可以起到润滑剂的作用，同时其本身还存在液体的内部摩擦。因此，仔细分析圆珠笔的书写过程，是一个滑动摩擦、滚动摩擦、内部摩擦及润滑作用的组合，并且又相互关联影响的复杂过程。 为了能够理清这么一个复杂的过程，我们试图运用流体力学、摩擦学、表面物理化学等理论，从圆珠笔笔头的内部构造与书写介质在笔头中的流动分析入手，先将滑动摩擦、滚动摩擦和内部摩擦这三种摩擦，以及书写介质的润滑剂作用分别单独进行分析，找出其各自对于书写的流畅性和润滑度的影响，以及它们相互之间的关联点，然后再进行综合分析，以勾勒出一个比较完整的体系。 圆珠笔笔头的内部构造 通常情况下圆珠笔笔头是由球珠和球座体组成（见图1），也有特殊情况，这就是按动式中性笔所采用的弹簧笔头，在球座体的中间还放置了一根弹簧（见图2）。 球珠就是直径大小不同的小圆珠，要求其硬度、圆度和表面粗糙度等达到一定的标准。球珠可以采用不同的材料制作，例如琴钢丝（碳钢）、不锈钢、碳化钨、玻璃、陶瓷（氧化锆）、氧化铝等，以及不同的加工工艺所制成。 球座体也可以采用不同的材料制作，例如铅黄铜、镍白铜、不锈钢、塑料（POM）等，以及不同的加工工艺所制成，外部形状也可以有很多的变化，但是，其内部构造经过几十年 图1 圆珠笔笔头 图2 中性笔弹簧笔头 的不断改进和发展，已形成了比较稳定的基本结构。 球座体的内部构造可以分为三个部分来分解，第一部分为球座，即球座体的前端容纳球珠的部分，比较重要的尺寸分别为：球座内径、球座内锥角（加工球座时钻头的顶角所形成的角度）、球座口边（俗称碗边）厚度、球座环槽大小（由球座内径与球座内锥角以及球珠三者所形成的横截面近似三角形的圆环空间）、球珠在球座内的轴向间隙与径向间隙（见图3）、油槽的临界槽径（经过压珠或者冲圆后球珠与球座底部接触面的最大直径）等。 第二部分为中孔，即球座体的后端与连接或储墨管连通的部分，是书写介质来源的通路，通常为圆直孔或有台阶（加工工艺需要所形成）的圆孔。 图3 球座内的环槽、径向间隙和轴向间隙 第三部分为小孔和油槽，即连通球座与中孔之间的中间部分，比较重要的尺寸分别为： 小孔的直径与长度、油槽的数量（通常有三条、四条、五条等）（见图4）、油槽的宽度、油槽的深度、槽冲角、油槽的外径等。其中油槽的深度有两种不同的状况，一种是油槽直接与中孔贯通，通常是在小孔长度较短以及书写介质特性需要的情况下，此时的油槽的深度就是 A. B. C. 图4 笔头内的油槽 A.三条 B.四条 C.五条 贯通部分的长度；另一种是油槽仅与小孔相通（见图5），油槽的底部并不是一个平面，而是一个锥面，因此就有了槽冲角。 图5 油槽与小孔相通以及槽冲角 此外，油槽的外径与油槽的临界槽径的差值大小，再加上油槽的宽度大小，就决定了油槽与环槽贯通面积的大小，这是影响出墨量大小的很重要的因素之一。 书写介质在笔头中的流动分析 圆珠笔的书写介质均是液体，基本可分为三种类型，油性油墨、水性墨水和介于高粘度油性油墨与低粘度水性墨水之间的中粘度凝胶状水性墨水。 油性油墨既有高粘度的，也有中、低粘度的，还有可擦油墨等，其粘度通常在2000~20000mPa·s之间；水性墨水的粘度通常在8mPa·s以下；中性墨水的粘度通常在2000mPa·s左右。 为了分析书写介质在笔头中的流动状况，可以在笔头内部取三个点（见图6），第一点 是笔头的中孔，这是笔头内最大的空间和通路，也是供墨的源头；第二点是笔头的小孔，这是笔头内由供墨转向出墨的连接点；第三点是球珠与球座内径之间的间隙，通常情况下这是笔头内最小的通路，决定了出