材料組織對(duì)切削加工圓珠筆頭的質(zhì)量影響

車(chē)德會(huì)，王斌，王輝綿，譚國(guó)華

（1.太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司 先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術(shù)中心 太原 030003）

1.前言

圓珠筆起源于上世紀(jì)40年代，后由西方傳入中國(guó)，研發(fā)早期圓珠筆要比鋼筆昂貴。直至上世紀(jì)90年代，我國(guó)一直跟隨著國(guó)際制筆的潮流，制筆用材料和設(shè)備均可以自主生產(chǎn)。從上世紀(jì)90年代至今，國(guó)際材料技術(shù)和數(shù)控設(shè)備能力突飛猛進(jìn)，性能更加優(yōu)異的精細(xì)化圓珠筆產(chǎn)品給人們帶來(lái)了更優(yōu)異的使用體驗(yàn)，而我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平也拉開(kāi)了的差距，也恰恰是這些年的圓珠筆技術(shù)的快速發(fā)展，使其成為我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦凶畛Ｓ玫囊环N筆類(lèi)產(chǎn)品，但其中核心部件仍采用進(jìn)口材料。圓珠筆頭看起來(lái)很不起眼，但在制筆廠關(guān)于它的檢驗(yàn)項(xiàng)目多達(dá)幾十項(xiàng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸精度均在微米級(jí)水平，對(duì)材料的要求極為苛刻。太鋼在2017年研發(fā)成功了圓珠筆頭用易切削不銹鋼材料，2018年6月又研制出新型環(huán)保的無(wú)鉛易切削不銹鋼材料。開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了大量的試驗(yàn)試制，掌握了一系列關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)新型環(huán)保無(wú)鉛不銹鋼材料的組織狀態(tài)進(jìn)行多批次實(shí)驗(yàn)，闡明了材料組織狀態(tài)與圓珠筆頭質(zhì)量之間的關(guān)系。

2.材料與方法

2.1 材料

制作圓珠筆頭所使用的材料為太鋼新型環(huán)保筆頭用鋼絲產(chǎn)品，直徑為Φ2.29mm，鋼號(hào)為T(mén)BPS-E。本文所述材料均為同一爐鋼材試制。其成分含有重量百分比約20%的鉻元素和接近2%的鉬元素，體現(xiàn)了新型環(huán)保圓珠筆頭材料優(yōu)異的抗腐蝕性能[1]。

2.2 加工方法

該鋼絲采用軋制盤(pán)條經(jīng)過(guò)多道次拉拔加工，制成φ2.29mm的成品鋼絲。拉拔加工共采用4種試驗(yàn)工藝，參數(shù)如表1所示，確定熱處理時(shí)間，考察熱處理溫度對(duì)材料組織的影響。為控制合適的成品鋼絲力學(xué)性能及使用性能，在成品鋼絲前進(jìn)行退火，然后經(jīng)拉拔獲得成品鋼絲。

表1 不同熱處理工藝參數(shù)

采用上述成品鋼絲在高速數(shù)控機(jī)床MIKRON LX-24 機(jī)器上加工筆頭，加工筆頭的型號(hào)為670，規(guī)格為0.7mm 球珠。

3 分析及討論

3.1 組織分析

將筆頭絲材切斷成單個(gè)筆頭坯料，先將筆頭坯料沿縱向熱鑲嵌在樹(shù)脂料中，采用砂輪機(jī)研磨至中心位置并拋光，采用鹽酸氯化鐵溶液對(duì)材料進(jìn)行侵蝕。并對(duì)4 個(gè)不同工藝的材料進(jìn)行金相觀察，金相照片如圖1所示。從圖中可以看出，工藝1 生產(chǎn)的鋼絲組織存在少部分未再結(jié)晶的長(zhǎng)條狀晶粒，工藝2 較工藝1 再結(jié)晶明顯轉(zhuǎn)好，但工藝2 的組織仍存在少量晶粒未再結(jié)晶，工藝3 和工藝4 生產(chǎn)的鋼絲組織表現(xiàn)為再結(jié)晶完全，但工藝4 中少量晶粒較工藝3 出現(xiàn)長(zhǎng)大情況，均勻性略差于工藝3。

圖1 不同工藝鋼絲金相組織照片

3.2 圓珠筆頭的質(zhì)量分析

采用上面不同工藝生產(chǎn)的材料均可在筆頭機(jī)床上加工為成品圓珠筆頭，但抽檢不同工藝生產(chǎn)的圓珠筆頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)工藝1 材料生產(chǎn)的圓珠筆頭錐面部位有肉眼難以察覺(jué)的微小變形，需采用10 倍的放大鏡可以細(xì)致觀察，如圖2（上）所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，工藝1 生產(chǎn)的圓珠筆頭存在打孔偏心問(wèn)題，圓珠筆頭內(nèi)腔加工后偏向一側(cè)，在錐面相對(duì)薄壁的一側(cè)發(fā)生微量的、向外側(cè)隆起的變形，而合格筆頭的前錐面平直無(wú)變形。采用容易出現(xiàn)偏孔的材料持續(xù)加工會(huì)造成切削刀具使用壽命縮短，制作的筆芯可能會(huì)造成不同方向的書(shū)寫(xiě)出墨量不均勻等問(wèn)題。

圖2 不同工藝材料生產(chǎn)的筆頭外觀（10X）

圖2（下）為工藝3 生產(chǎn)的圓珠筆頭，抽檢均為合格品，未發(fā)現(xiàn)存在打孔偏心的問(wèn)題，加工過(guò)程刀具損耗較小，筆頭的各項(xiàng)書(shū)寫(xiě)性能合格。采用試驗(yàn)工藝2 和工藝4 生產(chǎn)少量筆頭，抽檢也均為合格產(chǎn)品，未發(fā)生打孔偏心的筆頭。但從金相組織觀察，工藝2處于完全再結(jié)晶的邊緣，抗波動(dòng)性差，易出現(xiàn)問(wèn)題，而工藝4 的部分晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，組織也不均勻，況且溫度高生產(chǎn)過(guò)程能耗也高。而工藝3 的組織顯示再結(jié)晶完全，晶粒均勻，理論上力學(xué)性能也更均勻。

3.3 打孔偏心筆頭分析

筆頭采用鑲嵌的辦法，然后磨光至縱剖面的一半位置，光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察圓珠筆頭前錐面的尖端，發(fā)現(xiàn)前錐面內(nèi)外加工面的最短距離在兩側(cè)存在偏差。圖3為典型的照片，圖中可見(jiàn)一側(cè)的內(nèi)外切削面最短距離為80μm，一側(cè)為180μm，造成后續(xù)加工沖導(dǎo)油槽的工序受力偏離中心，薄壁一側(cè)在沖槽力的作用下發(fā)生屈服，導(dǎo)致外部可見(jiàn)變形，以及錐部可能掉珠、后續(xù)影響書(shū)寫(xiě)角度等問(wèn)題。

圖3 偏孔筆頭剖面照片

抽檢4個(gè)打孔偏心的筆頭剖解測(cè)量，數(shù)據(jù)如表2所示。其中薄側(cè)內(nèi)外距離為內(nèi)外切削面的最短距離小的數(shù)值，厚側(cè)內(nèi)外距離為內(nèi)外切削面的最短距離大的數(shù)值，偏離軸心距離通過(guò)公式Δd=（B-A）/2cosθ計(jì)算，其中θ=15°。從表2數(shù)據(jù)可以判斷偏離軸心測(cè)量距離在21.2μm～57.5μm之間，但考慮所示位置是否為最大偏心截面問(wèn)題，推斷最大偏心距離約為60μm。

表2 筆頭剖解測(cè)量偏移數(shù)據(jù)結(jié)果

3.4 原因分析

通過(guò)對(duì)筆頭坯料的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)少量坯料存在微量彎曲的現(xiàn)象，因此在鑲嵌樣品時(shí)并排排列的兩個(gè)坯料之間的縫隙存在中間與兩端大小不一的現(xiàn)象（見(jiàn)圖4）。這足以證明筆頭坯料存在彎曲。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，兩個(gè)樣品左側(cè)端部間距為96μm，中間則變寬，間距為168μm，右側(cè)端部為112μm。從表面看似乎造成筆頭加工過(guò)程中打孔偏心的原因是坯料彎曲，其實(shí)真正的原因是材料的再結(jié)晶不完全，組織不均勻，該種組織狀態(tài)為非正常成品組織。當(dāng)硬態(tài)鋼絲在退火時(shí)溫度和時(shí)間的不合適導(dǎo)致的再結(jié)晶不完全[2]時(shí)，中心部存在殘余應(yīng)力，屈服強(qiáng)度較高[3]，在盤(pán)成盤(pán)卷后再開(kāi)卷矯直過(guò)程，因材料內(nèi)部的未再結(jié)晶晶粒應(yīng)力影響，矯直后發(fā)生微量回彈導(dǎo)致切割后的筆頭坯料微量彎曲。也正是材料內(nèi)部的未再結(jié)晶晶粒的應(yīng)力影響，導(dǎo)致加工刀具的周邊的加工量和抗力不均勻，造成了加工軌跡的偏移。

圖4 相鄰兩顆筆頭坯料間距變化情況

4.結(jié) 論

通過(guò)上述測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)，在固定的熱處理時(shí)間內(nèi)，圓珠筆頭用鋼絲材料在860～920℃范圍內(nèi)熱處理，得到的鋼絲在加工圓珠筆頭時(shí)可獲得質(zhì) 量合格的圓珠筆頭，但從組織狀態(tài)看，優(yōu)選工藝為890℃。而在830℃下熱處理后得到的鋼絲在加工圓珠筆頭后出現(xiàn)偏孔問(wèn)題，分析偏孔問(wèn)題成因與鋼絲的制作工藝相關(guān)。本文也證明，采用太鋼自主研發(fā)的特有生產(chǎn)裝備路線結(jié)合本文的優(yōu)選工藝生產(chǎn)的新型環(huán)保圓珠筆頭用材料滿足圓珠筆頭加工要求，制作的圓珠筆頭通過(guò)了圓珠筆芯全部的檢測(cè)項(xiàng)目，目前該材料已經(jīng)批量投放市場(chǎng)，獲得了用戶好評(píng)，不僅實(shí)現(xiàn)了該種材料的國(guó)產(chǎn)化，還進(jìn)一步提升了該種材料的應(yīng)用性能。