材料组织对切削加工圆珠笔头的质量影响

车德会，王斌，王辉绵，谭国华

（1.太原钢铁（集团）有限公司 先进不锈钢材料国家重点实验室 太原 030003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司 技术中心 太原 030003）

1.前言

圆珠笔起源于上世纪40年代，后由西方传入中国，研发早期圆珠笔要比钢笔昂贵。直至上世纪90年代，我国一直跟随着国际制笔的潮流，制笔用材料和设备均可以自主生产。从上世纪90年代至今，国际材料技术和数控设备能力突飞猛进，性能更加优异的精细化圆珠笔产品给人们带来了更优异的使用体验，而我国在该领域与国际先进水平也拉开了的差距，也恰恰是这些年的圆珠笔技术的快速发展，使其成为我们日常生活和工作中最常用的一种笔类产品，但其中核心部件仍采用进口材料。圆珠笔头看起来很不起眼，但在制笔厂关于它的检验项目多达几十项，内部结构的尺寸精度均在微米级水平，对材料的要求极为苛刻。太钢在2017年研发成功了圆珠笔头用易切削不锈钢材料，2018年6月又研制出新型环保的无铅易切削不锈钢材料。开发过程中进行了大量的试验试制，掌握了一系列关键技术。本文针对新型环保无铅不锈钢材料的组织状态进行多批次实验，阐明了材料组织状态与圆珠笔头质量之间的关系。

2.材料与方法

2.1 材料

制作圆珠笔头所使用的材料为太钢新型环保笔头用钢丝产品，直径为Φ2.29mm，钢号为TBPS-E。本文所述材料均为同一炉钢材试制。其成分含有重量百分比约20%的铬元素和接近2%的钼元素，体现了新型环保圆珠笔头材料优异的抗腐蚀性能[1]。

2.2 加工方法

该钢丝采用轧制盘条经过多道次拉拔加工，制成φ2.29mm的成品钢丝。拉拔加工共采用4种试验工艺，参数如表1所示，确定热处理时间，考察热处理温度对材料组织的影响。为控制合适的成品钢丝力学性能及使用性能，在成品钢丝前进行退火，然后经拉拔获得成品钢丝。

表1 不同热处理工艺参数

采用上述成品钢丝在高速数控机床MIKRON LX-24 机器上加工笔头，加工笔头的型号为670，规格为0.7mm 球珠。

3 分析及讨论

3.1 组织分析

将笔头丝材切断成单个笔头坯料，先将笔头坯料沿纵向热镶嵌在树脂料中，采用砂轮机研磨至中心位置并抛光，采用盐酸氯化铁溶液对材料进行侵蚀。并对4 个不同工艺的材料进行金相观察，金相照片如图1所示。从图中可以看出，工艺1 生产的钢丝组织存在少部分未再结晶的长条状晶粒，工艺2 较工艺1 再结晶明显转好，但工艺2 的组织仍存在少量晶粒未再结晶，工艺3 和工艺4 生产的钢丝组织表现为再结晶完全，但工艺4 中少量晶粒较工艺3 出现长大情况，均匀性略差于工艺3。

图1 不同工艺钢丝金相组织照片

3.2 圆珠笔头的质量分析

采用上面不同工艺生产的材料均可在笔头机床上加工为成品圆珠笔头，但抽检不同工艺生产的圆珠笔头时，发现工艺1 材料生产的圆珠笔头锥面部位有肉眼难以察觉的微小变形，需采用10 倍的放大镜可以细致观察，如图2（上）所示。根据经验判断，工艺1 生产的圆珠笔头存在打孔偏心问题，圆珠笔头内腔加工后偏向一侧，在锥面相对薄壁的一侧发生微量的、向外侧隆起的变形，而合格笔头的前锥面平直无变形。采用容易出现偏孔的材料持续加工会造成切削刀具使用寿命缩短，制作的笔芯可能会造成不同方向的书写出墨量不均匀等问题。

图2 不同工艺材料生产的笔头外观（10X）

图2（下）为工艺3 生产的圆珠笔头，抽检均为合格品，未发现存在打孔偏心的问题，加工过程刀具损耗较小，笔头的各项书写性能合格。采用试验工艺2 和工艺4 生产少量笔头，抽检也均为合格产品，未发生打孔偏心的笔头。但从金相组织观察，工艺2处于完全再结晶的边缘，抗波动性差，易出现问题，而工艺4 的部分晶粒开始长大，组织也不均匀，况且温度高生产过程能耗也高。而工艺3 的组织显示再结晶完全，晶粒均匀，理论上力学性能也更均匀。

3.3 打孔偏心笔头分析

笔头采用镶嵌的办法，然后磨光至纵剖面的一半位置，光学显微镜进行观察圆珠笔头前锥面的尖端，发现前锥面内外加工面的最短距离在两侧存在偏差。图3为典型的照片，图中可见一侧的内外切削面最短距离为80μm，一侧为180μm，造成后续加工冲导油槽的工序受力偏离中心，薄壁一侧在冲槽力的作用下发生屈服，导致外部可见变形，以及锥部可能掉珠、后续影响书写角度等问题。

图3 偏孔笔头剖面照片

抽检4个打孔偏心的笔头剖解测量，数据如表2所示。其中薄侧内外距离为内外切削面的最短距离小的数值，厚侧内外距离为内外切削面的最短距离大的数值，偏离轴心距离通过公式Δd=（B-A）/2cosθ计算，其中θ=15°。从表2数据可以判断偏离轴心测量距离在21.2μm～57.5μm之间，但考虑所示位置是否为最大偏心截面问题，推断最大偏心距离约为60μm。

表2 笔头剖解测量偏移数据结果

3.4 原因分析

通过对笔头坯料的测量，发现少量坯料存在微量弯曲的现象，因此在镶嵌样品时并排排列的两个坯料之间的缝隙存在中间与两端大小不一的现象（见图4）。这足以证明笔头坯料存在弯曲。测试结果如图4所示，两个样品左侧端部间距为96μm，中间则变宽，间距为168μm，右侧端部为112μm。从表面看似乎造成笔头加工过程中打孔偏心的原因是坯料弯曲，其实真正的原因是材料的再结晶不完全，组织不均匀，该种组织状态为非正常成品组织。当硬态钢丝在退火时温度和时间的不合适导致的再结晶不完全[2]时，中心部存在残余应力，屈服强度较高[3]，在盘成盘卷后再开卷矫直过程，因材料内部的未再结晶晶粒应力影响，矫直后发生微量回弹导致切割后的笔头坯料微量弯曲。也正是材料内部的未再结晶晶粒的应力影响，导致加工刀具的周边的加工量和抗力不均匀，造成了加工轨迹的偏移。

图4 相邻两颗笔头坯料间距变化情况

4.结 论

通过上述测量分析发现，在固定的热处理时间内，圆珠笔头用钢丝材料在860～920℃范围内热处理，得到的钢丝在加工圆珠笔头时可获得质 量合格的圆珠笔头，但从组织状态看，优选工艺为890℃。而在830℃下热处理后得到的钢丝在加工圆珠笔头后出现偏孔问题，分析偏孔问题成因与钢丝的制作工艺相关。本文也证明，采用太钢自主研发的特有生产装备路线结合本文的优选工艺生产的新型环保圆珠笔头用材料满足圆珠笔头加工要求，制作的圆珠笔头通过了圆珠笔芯全部的检测项目，目前该材料已经批量投放市场，获得了用户好评，不仅实现了该种材料的国产化，还进一步提升了该种材料的应用性能。