一笔墨染，一匠于心
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2017年1月，一则新闻突然传遍大江南北，在大街小巷、茶余饭后中被谈说着：
“中国，能够制造圆珠笔尖了！”
你可能想不到为什么这则新闻受到全国的关注？你可能想不到这小小笔尖的背后蕴藏着什么秘密？但是，如若你看到圆珠笔的内部，定会为其精细的工艺赞叹，如若你穿越而来，定会将它的身世欢喜地回味。
小小笔尖的终极秘密
一个小小的笔尖到底都由什么组成呢？到底是如何运转的呢？麻雀虽小，五脏俱全，简单的圆珠笔中，包含着不简单的结构，蕴藏着不简单的运转秘密，如果将圆珠笔比作“人”的话，小小的笔尖如同人的大脑，是储墨管与纸张之间的“枢纽”，控制着油墨的运输，所以书写过程的终极秘密就在这小脑袋里。
这奇妙的书写过程全靠两个小部件——球珠和球座体坚持不懈地工作着，球珠是一个小钢球，是我们平时所说的“笔珠”，在笔尖的最前端，它与纸面相接触，把油墨传递到纸面上。球座体是一个逐渐窄小的通道，由球座、油槽、小孔、中孔组成。球座是球珠的底座，小孔和油槽在球座与中孔的中间传输油墨，中孔连通储墨管，是笔尖的最后端。
图1 圆珠笔笔尖的内部构造
(图片来源：圆珠笔的书写机理初步研究 姚鹤忠
注：图片中注释非原图标记)
假设我们是一滴小油墨，从储墨管出发，开启我们的“探险之旅”，从储墨管出来后，首先跑进中孔这个“隧道”，小小的“隧道”越来越窄，跑到最窄的地方，就是小孔了，小孔前面是油槽，里面由几条运输油墨的“小路”组成，我们选择其中一条再继续向前跑，会碰到一个圆圆的球，它像是游乐园中的大转盘，我们站在圆球上，被带着旋转，最后运输到纸上，和众多的油墨好朋友们组成了各种的文字与符号，众多小油墨的旅程就组成了圆珠笔的书写过程。
为什么球珠会转动起来？其实，这个油墨的小旅程并不简单，它涉及到流体力学、摩擦学、表面物理化学等等许多的理论知识，当笔尖前端的小球珠与纸张接触时，使用者给笔施加了压力和推力，纸面受到压力后会产生有反作用力作用给球珠，静止的球座体与滚动的小球珠接触，产生一个作用力给小球珠，与此同时，受到反作用力与球座体作用力的小球珠就自然而然地转动起来了。
一纸墨香，一次蜕变
长久以来，笔的发展都比较漫长，毛笔、铅笔、钢笔都没有解决怎样能使笔长期保存或长期使用的问题，于是人们想，有没有一种笔易于留存，并可以长时间的使用呢？
100多年前最初的圆珠笔设想诞生了，1888年美国的约翰·劳德设想在笔尖中带入一个可以旋转的圆珠，通过从墨水囊中不断获取墨水而进行书写，这是一个解决如何长期书写的问题的大胆设想，但是发明的道路上都不是一蹴而就的，约翰·劳德的发明只停留在设想阶段。
图2 拉兹罗·比洛
(图片来源：笔尖上的材料 李明洋)
在约翰·劳德之后有众多的发明家投入到圆珠笔的发明中，在大家遇到的众多困难中，油墨的漏油问题成为了不可忽视的困难，直到拉兹罗·比洛的出现。这位来自匈牙利的“观察者”在一家颜料店发现了速干墨水，“这不是恰好可以用来解决圆珠笔的漏油问题吗？”于是他用速干墨水作为圆珠笔墨水的原材料，终于解决了油墨问题。拉兹罗·比洛并没有止步于此，他通过进一步的设想与研究，与哥哥一起设计出了圆珠笔的原型。
图3 拉兹罗·比洛的圆珠笔专利
(图片来源:笔尖上的材料 李明洋)
解决了油墨的问题后，球珠材料和球座体加工等问题也需要进一步解决，1957年，美国著名的制笔商派克公司在推出新款圆珠笔时，率先使用碳化钨作为笔珠。碳化钨是一种耐磨蚀、耐腐蚀、耐高温氧化的高硬合金，它的硬度极强，是人类制出硬度仅次于金刚石、而高于其他天然矿物的高硬材料。碳化钨材料的使用是一个笔尖材料的重大突破，并且一直延续至今。
图4 派克圆珠笔Jotter
(图片来源：圆珠笔的发明与发展 姚鹤忠)
而后的法国比克公司巧妙地把拉兹罗·比洛的专利与碳化物材料结合在了一起，更加完善了圆珠笔的性能。
材料和油墨的问题都解决了，如何实现大量的生产呢？米克朗公司提出了完整的生产流程，由TR-42型裁线机、RP-32型冷镦机、LX-24型24工位组合机床和清洗机来构成。
首先制作笔头毛坯，接下来在组合机床上完成加工，包括钻孔、扩孔、镗孔、冲槽、车倒角圆角、安放笔珠……等12道工序。最后经过离心、清洗和检测，一个圆珠笔笔尖就制作完成了。
如同浩瀚银河，在圆珠笔的发展过程中，出现了大量如同星星的发明家，但发明的路上总不是一蹴而就的，历史留下的总是星星点点，如同星辰总有一些逐渐暗淡，也总有一些异常闪耀，无论光芒的多少，他们都值得被敬佩，因为正是这些星星的存在，才组成足以令人震撼的旗布星峙。
一段故事,一次见证
中国圆珠笔的故事要从71年前说起，1948年丰华圆珠笔厂的郑惠诚率先开始制笔历程，除了球珠，其余组件均是自己研发制造，并在1949年终于制造了第一支我国国产圆珠笔——华丰圆珠笔。
图5 丰华早期广告
(图片来源：圆珠笔的发明与发展 姚鹤忠)
1959年的夏天，文士活动铅笔厂自主研发出笔尖材料-镍白铜，并在 1959年9月终于成功研制上海牌弯头圆珠笔。
2004年清华大学黄勇、杨金龙、谢志鹏等自主研发了陶瓷水基胶态注射成型工艺，可以制造出致密陶瓷微珠作为球珠。
图6 上海真彩文具股份有限公司董事长黄小喜正在调试多工位笔头加工机
（图片来源：观察者网 综合报道）
2014年，真彩也在对笔尖生产中最重要的设备（米克朗LX-24）的研究和改进基础上制成 COREX高精度多工位笔头加工机床。
直到2016年，李克强总理的“圆珠笔之问”提出了新的制笔问题，其实我国的油性圆珠笔已经实现国产化，但水性圆珠笔、中性圆珠笔、中油圆珠笔的制造还存在困难，最大的困难在于笔尖加工制作的精密设备和原材料的生产，圆珠笔对于不锈钢材的要求极高，在满足耐磨耐腐蚀的前提下，必须是易切割易加工的。这是对于机械行业和原材料行业的巨大挑战。
图7 太原钢铁集团有限公司-笔尖钢
（图片来源：新华网）
2017年1月9日，太原钢铁集团有限公司正式向社会公布，太钢终于生产出高性能、易切削、不开裂的笔尖专用钢材。
图8 王辉绵与同事在讨论笔尖钢冶炼工艺 张轩瑜摄
（图片来源：经济日报）
那么究竟是如何解决原材料的问题呢？太钢集团的高级工程师王辉绵说，这次的研发灵感来自于山西人家里常见的“和面”。
面要想和得软硬适中，就要加入其他的“料”，为了使钢材变得软硬适中，在里面填加入了特殊的微量元素——铝、锌，通过对微量元素的细微的配比变化，不断摸索，不断地积累数据，调整参数。
终于2016年9月，太钢成功生产出第一批切削性好的直径2.3毫米的不锈钢钢丝材料。经过严格测试，用太钢原料生产出来的笔芯实现了不同角度下的连续不断地书写800米不断线。
从1948年第一支笔到现在生产的直径2.3毫米的不锈钢钢丝，终于可以骄傲地写上“中国制造”四个字了。这背后是研发人员的勤勤恳恳，是全国上下劲往一处使的象征，中国笔尖的制造历程也许是一张叫作“未来”的蓝图中的小小缩影，这个缩影是中国科技的缩影，是无数个同研发人员一样的数万工作者的缩影，是中国生产力的全面提高的缩影，同时它也是一个见证，见证了科研道路上的不断前进，见证了数万工作者勤勤恳恳的匠心，见证了一个不言放弃、披荆斩棘的大国风范。
参考文献：
[1]姚鹤忠.圆珠笔的书写机理初步研究（一）[J].中国制笔,2010,(4):14-27.
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[3]姚鹤忠.圆珠笔的发明与发展[J].中国制笔,2017,(4):29-42.
[4]姚鹤忠.圆珠笔的发明与发展（续一）[J].中国制笔,2018,(2):30-39.
[5]罗 维.太钢研发成功圆珠笔笔头用不锈钢新材料[J].上海金属,2017,39(2):19.
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[9]姚鹤忠.圆珠笔的笔头与油墨(墨水)的匹配问题探讨[J].中国制笔,2006,(1):20-27.
