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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Grübchen auf der
Oberfläche von Kugeln für Kugelschreiber
Die Erfindung bezieht sich auf Schreibgeräte mit Kugelspitze, bei welchen das Schreibende oder die
Spitze eine Schreibkugel enthält, die in einer Fassung drehbar aufgenommen ist. Diese Fassung besitzt einen Grundsitz oder ein anderes Drucklager, gegen welches die Kugel während des Schreibens andrücken kann, und sie ist so gestaltet, dass die Kugel nicht herausfallen kann, wenn das Gerät von der Schreib- fläche abgehoben wird. Die Kugel wird mit Tinte aus einem Behälter über einen Zuführungskanal mit kleiner Bohrung versorgt, der zu der Rückseite der Kugel führt, so dass, wenn die Kugel in Umdrehung versetzt wird, indem man sie über eine Schreibfläche (z.
B. ein Blatt Papier) in Berührung mit dieser be- wegt, ein dünner Tintenfilm von der Kugel durch den engen Spalt zwischen Kugel und Fassung mitge- führt und als Schreibspur auf dieser Fläche abgetragen wird. Im allgemeinen sind die Lager-oder Sitz- flächen, die in der Kugelfassung vorgesehen sind, teilsphärisch und sie umfassen einen teilsphärischen seitlichen Sitz, der die Kugel in den Bereich oder oberhalb des Kugeläquators umgibt, und einen teilsphärischen Grundsitz. Der Grundsitz kann an seinem Umfang zusammenhängend oder unterbrochen sein, wobei er im letzteren Falle durch wenigstens einen Tintenkanal oder eine Rille unterteilt sein kann, die von dem Ende des Zuführungskanals nach auswärtsführt.
Er kann entweder ohne Unterbrechung in einen Teil des Seitensitzes, der unterhalb des Kugeläquators angeordnet ist, übergehen oder von diesem Teil durch einen die Kugel umgebenden Hohlraum getrennt sein. Mit diesem Hohlraum kann der Tintenkanal oder jeder der Tintenkanäle in Verbindung stehen. Typische Ausführungen einer Kugelfassung sind beispielsweise in der brit. Patentschrift Nr. 564, 172 und in der brit. Patentschrift Nr. 609,817 gezeigt.
Praktische Erwägungen für ein Gerät, das zum Schreiben mit Hand auf Papier bestimmt ist, machen es wünschenswert, eine Schreibkugel zu benutzen, deren Durchmesser nicht kleiner als 0,75 mm und nicht grösser als 1, 25 mm ist. Die meisten der heute in Gebrauch befindlichen Kugelschreiber verwenden eine hochpolierte, vorzugsweise lostfreie Stahlkugel von 0,8 bis 1, 0 mm Durchmesser.
Da die Gleichmässigkeit der Schreibspur in starkem Masse abhängig ist von der Gleichmässigkeit des zwischen der Kugel und ihren Sitzflächen in der Fassung, insbesondere der seitlichen Sitzfläche vorhandenen Spaltes, müssen die für Kugelschreiber bestimmten Kugeln so hergestellt sein, dass die maximale Abweichung von der wahren Kugelgestalt nicht grösser ist als 0, 0005 mm. Die Herstellung einer Hochglanzpolitur auf der Kugeloberfläche ist daher äusserst wünschenswert, um diese extreme Genauigkeit in der Massenherstellung zu erleichtern und aufrechtzuerhalten.
Es ist seit langem bekannt, dass eine derartige Politur im Gebrauch unerwünscht sein kann, da der Tintenfilm auf einer solchen Oberfläche leichter aufbricht und die Kugel selbst eine grössere Neigung hat, auf der Schreibfläche zu rutschen. Es ist auch schon erkannt worden, dass eine aufgerauhte oder mit Grübchen versehene Kugel den Tintentransport vom Inneren der Fassung auf die Schreibfläche unterstüt- zen würde.
Es wurden daher zahlreiche Vorschläge für die Verwendung von Kugeln gemacht, deren Oberfläche
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aufgerauht, mit Grübchen versehen, geriffelt oder porös ist. Es wurden auch verschiedene mechanische, chemische und elektrolytische Verfahren zur Herstellung von derartigen Kugeln vorgeschlagen. Diese
Vorschläge haben indessen nicht zu irgendeiner erheblichen oder bleibenden Leistungsverbesserung ge- führt.
Es gibt einfache und sichere Verfähren, um eine polierte Kugeloberfläche durch leichtes Ätzen oder mechanische Mittel in eine Oberfläche mit Seidenglanz überzuführen. Eine solche Oberfläche isteiner polierten Oberfläche merklich darin überlegen, dass bei ihr ein dünner Tintenfilm nicht in Kügelchen aufbricht. Jedoch ist die Verbesserung der Schreibeigenschaften überraschend gering und auch nur vor- übergehend, da eine so behandelte Oberfläche schnell zerstört oder verändert wird durch die während des
Schreibens eintretende Abriebwirkung des Papiers auf die Kugel.
Man kann auch ohne Schwierigkeit eine Kugel mit einer Oberfläche herstellen, die einer Feinläp- pung entspricht. Unter gewissen Umständen kann eine solche Kugel eine bessere Schreibspur erzeugen.
Eine solche Oberfläche hat jedoch einen Rauhigkeitsgrad, der so gross ist, dass die Abnutzung des wei- cheren Spitzenmaterials vergrössert wird, so dass sie zur Selbstzerstörung führt.
Es sind auch schon Vorschläge gemacht worden, um eine solche geläppte Oberfläche zu brünieren, um diese Schneidwirkung herabzusetzen oder zu beseitigen und eine Kugelform über eine weite Teilflä- che der Kugeloberfläche wieder herzustellen. Obwohl diese Massnahme ausführbar ist, führt sie doch da- zu, dass die etwa vorhandene Verbesserung in der Schreibspur auf diejenige einer mit Seidenglanz versehenen Kugeloberfläche herabgemindert wird.
Dadurch, dass man bei der Herstellung von Kugelschreibern einerseits bestrebt war, eine tiefe gleich- mässige Schreibspur zu erzielen und dies anderseits nicht erreichen konnte, indem man das Tintentrag- vermögen der Kugel steigert, hat man auf Verfahren zurückgegriffen, bei welchen der ursprüngliche Spalt zwischen der Kugel und ihrer Fassung vergrössert wird und man hat ausserdem Tinten mit sehr hoher Farbstoffkonzentration (bis zu 40%) und mit entsprechend hoher optischer Dichte entwickelt.
Die Anwendung eines breiten Anfangsspaltes hat, obwohl sie im allgemeinen zu besseren Erfolgen führt, als aufgerauhte Kugeln, andere Nachteile. Erstens ist eine grosse Fertigkeit und eine aussergewöhnliche Werkzeugwartung erforderlich, um die Kugeln in zuverlässiger Weise in den grossen Mengen herzustellen, die heutzutage vom Markt verlangt werden. Der eigentliche und kennzeichnende Nachteil eines weiten Spaltes liegt jedoch darin, dass die Kugel in ihrer Fassung und ihren sphärischen Lagerflächen eine grössere Freiheit für eine exzentrische Bewegung oder Verschiebung erhält.
Dadurch werden die Unterschiede in der Stärke des aus der Kugel fassung hervorgehenden Tintenfilms vergrö- ssert und ausserdem kann viel leichter Luft in die Fassung mit der wiedereintretenden Oberfläche der Kugel mitgenommen werden, wenn diese teilweise oder ganz von Tinte entblösst ist.
Obwohl also die Schreibspur bei einer Vergrösserung des Spaltes vertieft wird, ist es dabei schwieriger, gewisse Mängel zu vermeiden, wie die Anhäufung von Tintenüberschuss an dem Rand der Spitze (Klecksen, Schmutzen) und Unterbrechungen im Zusammenhang der Schreibspur, insbesondere bei Wechseln in der Strichrichtung (Springen).
Viele Benutzer würden auch beanstanden, dass ein solcher Kugelschreiber"zu leicht"schreibt, d. h. dass die äusserst geringe Reibung, die bei der Bewegung der Kugel während des Schreibens auftritt, die "Führung" herabsetzt, woraus sich eine schlechte Handschrift ergibt.
Ziel der Erfindung ist es nun, diese Schwierigkeiten zu vermeiden, indem ein Verfahren zur Herstellung einer Schreibkugel angegeben wird, deren Tintentragvermögen wesentlich vergrössert ist, ohne die im vorstehenden angegebenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von kraterförmigen Grübchen, die über die Oberfläche von Kugeln für Kugelschreiber verteilt sind, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Grübchen mittels Funkenerosion hergestellt werden.
Zweckmässigerweise wird dabei so vorgegangen, dass durch eine durch die zu behandelnde Kugel erfolgende vorübergehende Überbrückung eines zwischen zwei Elektroden gebildeten Spaltes eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden über die Kugel herbeigeführt wird, wobei Vorsorge getroffen wird, dass sich die Kugel von den Elektroden unter dem mechanischen Einfluss der Entladung entfernen kann und ihre räumliche Ausrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Entladungen geändert wird.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird jedes einzelne Grübchen je durch eine einzelne Entladung eines Kondensators erzeugt.
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werden.
Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens erhält man zum Unterschied von den mit den im vorstehenden aufgezeigten Nachteilen behafteten bisher bekannten rauhen Kugeln, welche die Lager- flächen des Gehäuses abnutzten, eine glatte Kugel mit einer - im Vergleich mit den bekannten rauhen
Kugeln - relativ kleinen Anzahl von grösseren Kratern. Der nicht mit Kratern versehene Teil der Ober- fläche der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Schreibkugel ist genau kugelförmig und kann eine sehr hochgradige Feinbearbeitung aufweisen.
Die Funkenerosion schlechthin war als ein elektrisches Bearbeitungsverfahren, welches im Stande ist, dieselbe Arbeit zu verrichten wie ein mechanisches Schleif- oder Läppverfahren, für verschiedenste An- wendungsfälle bereits bekannt.
Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfah- rens, die durch zwei Elektroden gekennzeichnet ist, die zwischeneinander einen Spalt bilden, der klei- ner ist als der Durchmesser der zu behandelnden Kugeln.
Zweckmässigerweise besitzt die erfindungsgemässe Vorrichtung zwei walzenförmige Elektroden, von denen mindestens eine während des Arbeitsvorganges um ihre Achse so gedreht wird, dass sich ihre Ober- fläche ständig entgegen der Richtung der Schwerkraft vom Spalt wegbewegt.
Die Erfindungsoll nun an Hand der Zeichnungen erläutert werden. In diesen zeigen : Fig. 1 teilweise geschnitten und teilweise in der Aufsicht eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte, mit kraterförmigen Grübchen versehene Kugel, Fig. 2 einen Schnitt durch den wesentlichen Teil eines
Schreibendes, welches mit einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten, mit kraterför- migen Grübchen versehenen Kugel ausgestattet ist, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2 m stark vergrössertem Massstab, Fig. 4 einen Schnitt durch ein einziges kraterförmiges Grübchen vor dem
Entfernen des Grates an seinem Rand, Fig. 5 eine Draufsicht auf ein solches Grübchen, Fig. 6 ein Schaubild für die Anordnung zur Durchführung des Funkenerosionsverfahrens gemäss der Erfindung, Fig.
7A und
7B gemeinsam eine geschnittene Aufsicht einer Einrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 8 einen geschnittenen Grundriss nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7A und 7B, jedoch teilweise aufgebrochen, Fig. 9 eine Einzelheit, Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. 7A, jedoch in einem grösseren Massstab, Fig. 11 die elektrische Schaltung, Fig. 12 und 13 eine geänderte Ausführungsform der erfindunggemässen Einrichtung.
Fig. 1 zeigt eine mit kraterförmigen Grübchen versehene Kugel 1 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm. Die Grübchen 2 sind über die glatte sphärische Oberfläche 3 der Kugel, die eine hochpolierte oder mit Seidenglanz versehene Oberfläche haben kann, zufällig verteilt. Die Grübchen können 1/3-2/3 der gesamten Oberflächenausdehnung bedecken. Die besten Ergebnisse wurden jedoch erzielt, wenn die von den Grübchen eingenommene Fläche etwa die Hälfte der gesamten Oberfläche beträgt. Es ist verständlich, dass ein günstiges Verhältnis zwischen dem Tintentragvermögen der Grübchen und der glatten Lagerfläche der von Grübchen freien Kugeloberfläche eingehalten werden sollte.
Der Durchmesser der Grübchen soll zweckmässig nicht kleiner als 10 u sein, da andernfalls das Tintentragvermögen der Grübchen so klein wird, dass es praktisch nicht mehr wirksam ist. Der Durchmesser soll zweckmässig nicht grösser als 70 sein, da sonst die örtliche Abweichung von der sphärischen Gesamtform der Kugel zu gross wird und die Kugel daher sich nicht mehr glatt über die Lagerflächen ihrer Fassung hinwegdreht. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die kraterförmigen Grübchen einen Durchmesser von 30 bis 50 haben, wobei eine mit Grübchen versehene Stahlkugel von 1 mm Durchmesser in einer aus einer Zinnlegierung mit Spritzguss hergestellten Spitze mit einer viskosen Tinte von etwa 80 bis 100 Poise bei 250 C verwendet wurde.
Fig. 2 zeigt eine Kugelschreiberspitze 4 mit einer mit Grübchen versehenen Kugel 1, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist. Ein wesentliches Merkmal dieser Bauart ist in Fig. 3 in stark vergrössertem Massstabe dargestellt. Die Spitze selbst kann aus einer Zinnlegierung im Spritzguss hergestellt sein, wie dies beispielsweise in der brit. Patentschrift Nr. 769,296 beschrieben wurde. Die Kugel 1 wird seitlich durch eine teilsphärische Seitensitzfläche 5 gehalten, welche sie oberhalb und unterhalb des Kugeläquators umgibt. Der auf die Kugel wirkende Schreibdruck wird durch eine teilsphärische Grundsitzfläche 6 aufgenommen, welche durch die Scheitel 7a einer dreieckförmigen Verbreiterung 7 des Endteiles 8 des Zuführungskanals in am Umfang verteilte Flächen unterteilt wird.
Diese Scheitel 7a erstrecken sich nach aussen über den Umfang des Grundsitzes 6 hinaus und stehen mit einem Tintenhohlraum 9 in Verbindung, der die Kugel 1 zwischen dem Grundsitz und dem Seitensitz umgibt. Die Tinte ist bei 45 angedeutet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist zwischen der glatten Kugeloberfläche 3 und dem Seitensitz 5 ein
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radialer Abstand oder Spalt 10 vorhanden, durch welchen Tinte durch die Drehung der Kugel scherend getragen wird. Ausserdem tragen die kraterförmigen Grübchen 2 Tinte aus der Fassung zu der Schreib- fläche, u. zw. unabhängig von der Grösse des radialen Spaltes.
Die Bedeutung dieser Ausbildung wird durch die folgenden Betrachtungen erläutert :
Da der Tintenfilm, welcher den radialen Spalt 10 ausfüllt, zwischen der bewegten Kugeloberflä- che 3 und der feststehenden sphärischen Fläche des seitlichen Sitzes 5 geschert wird, ergibt sich, dass der von der Kugeloberfläche mitgeführte Tintenfilm, sobald er aus der Kugelfassung austritt, nur halb so stark ist (abgesehen von den kraterförmigen Grübchen) wie der den Spalt 10 ausfüllende
Film.
Anderseits ist die Tinte in den Grübchen 2 nicht oder nicht in demselben Ausmass der erwähnten
Scherung unterworfen und wird daher insgesamt mit der Kugel fortgetragen. Somit sind die Grübchen, ob- wohl sie nur einen Teil der Kugeloberfläche einnehmen, sehr wirksame Tintenträger hinsichtlich der tat- sächlich als Spur auf der Schreibfläche abgetragenen Tintenmenge.
Weitere Vorteile liegen darin, dass die in den Grübchen mitgeführte Tintenmenge völlig unabhängig ist von dem sich ändernden radialen Spalt zwischen der Kugel und ihren Sitzflächen, und dass ein etwaiger, nicht von dem Papier aufgenommener Tintenüberschuss zurück in die Kugelfassung gebracht, also nicht an dem Rand der Fassung weggeschabt und abgelegt wird. Ausserdem wird durch den kleineren radialen Spalt der mit einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kugel versehenen Spitze-im Vergleich zu einer herkömmlichen, dieselbe Spurtiefe hervorbringenden Schreibspitze - in Verbindung mit der die Tinte festhaltenden Wirkung der Grübchen bewirkt, dass viel weniger Luft durch die sich drehende Kugel in das Innere der Spitze mitgenommen wird.
Fig. 3 erläutert noch eine weitere, zunächst überraschende Eigenschaft der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kugel, nämlich dass kraterförmige Grübchen mit einem Durchmesser von z. B. 50 u, wenn sie von einer vollkommen glatten sphärischen Fläche umgeben sind, nicht die Schreibeigenschaften der Spitze, welche durch eine glatte Drehung der Kugel in einem gutgeschmierten Lager bedingt sind, beeinträchtigen. Fasst man Fig. 3 als Darstellung eines Teiles eines sphärischen Grundsitzes auf, so erkennt man, dass, wenn die Kugel in diesen gedrückt wird, die Tinte in dem Kratergrübchen durch die aufeinanderpassenden sphärischen Flächen der Kugel und der diese umgebenden Sitzfläche eingeschlossen ist. Die Tinte bildet daher in einem derartigen Grübchen ein Druckflüssigkeitskissen, welches wie ein Schmierfilm wirkt.
Aus diesem Grunde trifft es nicht zu, dass eine Kugel, bei welcher der Flächenanteil der Grübchen 50% beträgt, dadurch die Hälfte der Lagerfläche einbüsst. Dies würde nur der Fall sein, wenn die einzelnen Grübchen zu gross wären oder wenn sie nicht gleichmässig über die Oberfläche der Kugel verteilt wären, so dass eine grössere Zahl von Grübchen ineinander übergehen würde. Wenn anderseits die Hälfte der, Oberfläche einer Kugel von 1 mm Kratergrübchen, die im Durchmesser nicht wesentlich 50 li überschreiten, aufweist und die Grösse der verschiedenen sphärischen Grundsitzflächen nicht viel kleiner ist als etwa 0,25 mm, so lässt sich zeigen, dass mehr als die Hälfte der Grübchen innerhalb der Grundsitzfläche zur Ausbildung des die Kugel tragenden Schmierfilms voll beitragen.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es wünschenswert, dass die Fläche des einzelnen Grundsitzes wenigstens das Zwanzigfache der Fläche eines einzelnen Grübchens beträgt.
Dies alles trägt zur Herstellung einer verbesserten Kugelschreiberspitze bei, die eine aussergewöhnlich einheitliche und stetig tiefe Schreibspur, jedoch ohne das Schmieren oder andere häufige Fehler der gebräuchlichen Kugelschreiber liefert.
Dies wird durch die im folgenden beispielsweise geschilderten Ergebnisse bestätigt :
Bei herkömmlichen Kugelschreibern wird die Kugel in ihrer Fassung durch Bördeln oder Drücken gehalten, wobei also der die Kugel umgebende Rand auf sie entweder durch einen einzigen Druck mit einer konischenForm odermittels eines Rollensatzes ausgeübten fortlaufenden Druck gepresst wird. Infolge der ela- stischen Rückbewegung wirdbeidiesenbekannten Verfahren ein sehr kleiner aber gleichmässiger Radialspalt zwischen der polierten Kugel (ohne Grübchen) und ihren Sitzflächen gebildet. Ein derartiger Spalt ist schwer direkt messbar, er beträgt jedoch in dem besonderen Beispiel einer gebördelten Spitze etwa 2-3 u, gemessen mit der Gasblasenmethode, wie sei in der brit.
Patentschrift Nr. 629,283 beschrieben ist. Prüfungen dieses Beispiels mit einer polierten Kugel (ohne Grübchen) und einer viskosen Tinte von etwa 80 bis 100 Poise bei 250 C, die auf einer schreibenden Maschine, welche eine fortlaufende Spur mit einer Geschwindigkeit von 8 cm/sec bei einer Gewichtsbelastung der Spitze von 170 g erzeugt, durchgeführt wurden, zeigen, dass die durchschnittliche Stärke des Tintenfilms auf gewöhnlichem Schreibpapier etwa 0, l u beträgt.
Nimmt man eine solche Spitze mit polierter Kugel (ohne Grübchen) als Vergleichsgrundlage, so
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kann durch Verwendung einer mit Kratergrübchen versehenen Kugel unter sonst gleichen Bedingungen die arf der Schreibfläche abgetragene Tintenmenge um ein Mehrfaches gesteigert werden. Unter Berücksich- tigung der obigen Darlegungen erklärt dies. warum die Tiefe, die Regelmässigkeit und Stetigkeit der Spur so bedeutend verbessert werden. i Fig. 4 zeigt im Schnitt ein typisches Kratergrübchen 2, welches durch Erosion mittels eines ein- zigen Funkens erzeugt wurde.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf ein derartiges Grübchen. Beispielsweise kann ein Kratergrübchen mit einem Durchmesser von etwa 40 J. l und etwa 5 J. l Tiefe in einer Kugel von 1 mm Durchmesser aus rostfrei- em Stahl durch eine einzige Entladung eines Kondensators von 0, 1 mF, der auf 40 V aufgeladen ist und Paraffinöl bei Raumtemperatur als Dielektrikum hat, erzeugt werden. Versuche haben gezeigt, dass die bei der Bildung eines einzigen Kratergrübchens erodierte Metallmenge proportional ist zu der elektri- schen Energie einer einzigen Kondensatorentladung. So erzeugt eine Kapazität von 0,01 mF bei 40 V
Kratergrübchen mit etwa 15 J. l Durchmesser, während eine Kapazität von 1, 0 mF bei 40 V Kratergrüb- chen von etwa 70bol Durchmesser erzeugt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird durch den Funken ein dünner Grat 11 um den Krater 2 aufgewor- fen. Das diesen Grat bildende Material liegt oberhalb der sphärischen Fläche 3, da es jedoch sehr spröde ist, kann es leicht durch irgendein Entgratungsverfahren entfernt werden, wie z. B. durch Walzen zwischen harten Platten, durch Scheuern, Läppen, Polieren od. dgl.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Anordnung zur Herstellung einer mit Kratergrübchen versehenen Ku- gel mit Hilfe einer Folge von Funkenentladungen, die jeweils einen einzigen Funken bilden. Eine
Gleichstromquelle von z. B. 40 V wird bei 20,21 angeschlossen und speist über einen Widerstand 12 einen Kondensator 13, der als elektrischer Energiespeicher dient. Der Ausgang des Kondensators wird an zwei Elektroden 14,15 angeschlossen, die aus parallelen Rollen bestehen, welche mit einer Ge- schwindigkeit von z. B. 150 Umdr/min umlaufen. Die Rollen können aus Messing bestehen und haben einen Durchmesser von 12,7 bis 19 mm. Sie sind zur Behandlung einer Kugel von 1 mm durch einen
Spalt von etwa 0,5 mm getrennt. Die Rollen tauchen ganz in ein flüssiges Dielektrikum 16, wie z. B.
Paraffinöl, ein. Die aus Isoliermaterial hergestellten Schaber 17,18, welche sich über die ganze Län- ge der Rollen erstrecken, verhindern, dass die jeweils behandelte Kugel 1 durch die Bewegung der Flüs- sigkeit oder umlaufenden Rollen hinweggeführt wird.
Die Pumpwirkung der Rollen trägt dazu bei, zu verhindern, dass die Kugel den Spalt zwischen den
Rollen kurzschliesst und bewirkt eine schwebende Bewegung der Kugel dicht an der Fläche jeder Rolle.
Wenn die Kugel 1 sich den Rollen 14,15 nähert, erreicht sie einen Punkt, an dem die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Flüssigkeit 16 nicht mehr ausreicht, so dass eine elektrische Entladung-von der Rolle 14 über die elektrisch leitende Kugel zu der Rolle 15 stattfindet. Obwohl die Schaltung so ausgelegt ist, dass der Kondensator 13 eine Funkenfrequenz von vielen Tausend pro Sekunde erzeugen kann, ist die Anordnung so getroffen, dass, abgesehen von aussergewöhnlichen Umständen, jeweils nur eine einzige Entladung auftritt und nicht eine schnelle Folge einer Vielzahl von Entladungen.
Die grundlegende Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass die Kugel 1 sich vollständig frei von den Elektroden 14,15 unter dem Einfluss irgendeiner auf sie einwirkenden Kraft hinwegbewegen kann ; wahrscheinlich wird durch die explosive Natur des Funkens, der eine kleine Menge der Flüssigkeit 16 zum Verdampfen bringt, die Kraft geliefert, welche die Kugel aus der Nähe der Rollenoberfläche wegschleudert und dadurch den Spalt über die Durchschlagsstrecke für den folgenden Funken hinaus vergrössert. Der nächste Funke kann daher nur auftreten, wenn die Kugel auf die Rollen zurückfällt, wobei inzwischen ein anderer Teil der Kugeloberfläche der Kraterbildung ausgesetzt wird.
Die Umfangsgeschwindigkeit der Rollen 14,15 ist so gewählt, dass die Bewegung der Flüssigkeit 16 in der Nähe der Rollenoberfläche eine ausreichende viskose Wirkung hat, um die Kugel hochzuführen und einen kleinen Abstand zwischen Kugel und Rollen aufrechtzuerhalten. Der Zustand ist der, dass im allgemeinen die Kugel einerseits die Rollen nicht berührt, aber anderseits nicht zu weit von den Oberflächen der Rollen entfernt ist, um elektrische Entladungen zu ermöglichen.
Nach einer bestimmten Zeit ist somit die Kugel in dem gewünschten Ausmass mit einer Vielzahl von einzelnen Kratergrübchen von im wesentlichen einheitlicher Grösse bedeckt, wobei die Grübchen etwa gleichförmig, jedoch nach reinem Zufall über die gesamte Aussenfläche der Kugel verteilt sind. Da und dort können zwei benachbarte Kratergrübchen zusammenfliessen, jedoch werden im. wesentlichen alle Grübchen einzeln von der glatten Aussenfläche der Kugel umgeben. Ihre Grösse hängt von der zugeführ-
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ten Spannung und von der Kapazität des Kondensators ab.
Man kann eine Folge von Kugeln behandeln, indem man sie längs des Spaltes zwischen den Elektro- den durch rollende Bewegung fortbewegt, so dass bei dieser Bewegung jede Kugel gedreht und die Vertei- lung der Grübchen über ihre Oberfläche erleichtert wird.
Bei der in den Fig. 7A-10 gezeigten Einrichtung sind die Rollen 14,15 in nichtleitenden Stirn- platten 22,23 drehbar gelagert, welche durch Abstandsbolzen 24 miteinander im Abstand verbun- den sind. Die Rollen oder Walzen 14,15 rotieren in der in Fig. 10 durch Pfeile angegebenen Rich- tung, sie werden durch einen Elektromotor 15 angetrieben und bilden einen kleinen Spalt. Zweckmä- ssig treibt der Motor. 25 die Rolle 15 durch ein Schneckengetriebe 26, wobei beide Rollen durch ein Getriebe 28 miteinander gekuppelt sind. Die Kugeln 1 werden den Rollen aus einem Vorratsbehälter 29 durch ein Zuführungsrohr 30 zugeführt. Sie werden in geeigneten Abständen durch eine umlaufende Mitnehmerscheibe 31 in der Grundplatte des Behälters 29 geliefert. Diese Mitnehmer- scheibe besitzt in Abständen angeordnete Nuten oder Taschen 32 an ihrem Umfang, welche die Kugeln aufnehmen.
Die Scheibe wird von dem Motor 25 oder einem andem Motor durch ein Getriebe angetrieben, zu welchem ein Untersetzungsgetriebekasten 33 und gleiche Kegelzahnräder 33'ge- hören. Wie in Fig. 7A dargestellt, sind die Grundplatte des Behälters 29 und die Mitnehmerscheibe 31 geneigt angeordnet. Im unteren Teil des Vorratsbehälters reihen sich die Kugeln selbst in die Ausschnitte 32 ein und werden dann zu einem höheren Punkt mitgeführt, in welchem jeder Ausschnitt der Reihe nach mit dem Eintrittsende des Rohres 30 zusammentrifft, so dass jede Kugel aus ihrem Ausschnitt in das Rohr zu dem zwischen den Rollen 14,15 bestehenden Spalt herunterfällt.
Zweckmässig sind diese Rollen mit einem Winkel von 1 oder 20 geneigt angeordnet, so dass, wenn sie in Richtung der Pfeile (Fig. 10) umlaufen, die Kugeln 1 in Abständen längs der Rollen rollen, bis sie am linken Ende der Einrichtung durch ein Austrittsrohr 34 abgegeben werden. Die Streben 17', 18'bestehen aus Nylonfäden, welche zwischen den Stimplatten 22,23 gespannt sind.
Der Strom wird über Leitungen 20'21'zugeführt, die an Klemmen 36,37 angeschlossen sind, welche die Rollen 14 bzw. 15 über Bürsten speisen. Für jede Rolle kann eine Bürste vorgesehen sein, wie sie in Fig. 9 in Verbindung mit Rolle 15 gezeigt ist. Sie besteht aus einer Bürste 38, die von der Klemme 37 gespeist und gegen das Ende der Rolle 15 durch einen Federkontakt 39 angedrückt wird.
Die Rollen 14,15 können mit derselben oder mit etwas unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit umlaufen. Nach einem Ausführungsbeispiel beträgt die Umfangsgeschwindigkeit der Rolle 14 etwa 7, 3 m/min und diejenige der Rolle 15 etwa 6 m/min, wobei die Kugeln 1, die einen Durchmesser von 1 mm haben, mit einer Verteilung von etwa einer Kugel pro Sekunde zugeführt werden. Zu diesem Zweck haben die Rollen einen Durchmesser von 17, 3 mm, während der Motor 25 mit einer Drehzahl von 3400 Umdr/min umläuft und das Untersetzungsverhältnis des Getriebes 26 und des Getriebes 28 etwa 25 : 1 bzw. 6 : 5 beträgt. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebekastens 33 beträgt 900 : 1 und die Mitnehmerscheibe 31 besitzt sechzehn Taschen 32. Die Länge der Rollen 14, 15 kann 39 cm betragen.
Die Einrichtung kann in einem Bad mit einer dielektrischen Flüssigkeit 16 aufgestellt werden, deren Höhe so gewählt ist, dass die Rollen ganz eintauchen.
Die elektrische Einrichtung kann in einem Gehäuse 40 untergebracht sein. Wie dargestellt, be- steht sie aus einer Reihe von Kondensatoren 13a-13e, deren Kapazität in Stufen von 0,01 mF für Kondensator 13a bis 1 mF für Kondensator 13e ansteigt. Es sind ferner Widerstände 12a-12e vorgesehen, deren Grösse in Stufen von 9, 1 k Ohm für Widerstand 12a bis 125 Ohm für Widerstand 12e abnimmt. Der gewünschte Kondensator und der entsprechende Widerstand können durch einen Schalter 41 eingeschaltet werden. Ausserdem kann ein Spannungsmesser 42 vorgesehen sein.
Anstatt dass man die Kugeln längs der Rollen herabrollen lässt, können Einrichtungen getroffen werden, um sie längs der Rollen zu bewegen, wobei man für Aufrechterhaltung ihres gegenseitigen Abstandes sorgt. Zu diesem Zweck kann, wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt, eine Rolle 14'mit einem Schraubengewinde 43 versehen sein, in welchem die Kugeln 1 liegen. Für Kugeln von 1 mm kann
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messer von 17, 8 mm und einen Gewindefussdurchmesser von 16,6 mm, während der Umfangsspalt zwischen den Rollen zwischen 0. 25 mm und 0, 38 mm liegt.
Die Rolle 14'rotiert mit 120 Umdr/min und die
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Einer der Hauptvorteile der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kugel liegt darin. dass die von der Kugel aus dem Innenraum der Kugelfassung auf die Schreibfläche übertragene Tintenmenge erheblich vergrössert werden kann, ohne den Radialspalt zwischen der Kugeloberfläche und ihren sphärischen Lagerflächen in der Fassung zu vergrössern. Es wurde jedoch festgestellt, dass dieser Vorteil ) nur dann voll ausnutzbar ist, wenn die richtige Kombination zwischen Kratergrösse, Oberflächenanteil und Viskosität der Tinte gewählt wird.
Dies wird verständlich, wenn man die Faktoren untersucht, welche die Stärke der von einem Kugelschreiber erzeugten Tintenspur bestimmen. Wenn eine Kugel in ihrer Fassung dadurch festgehalten wird, dass man den Rand über die Kugeloberfläche bördelt, walzt, schmiedet oder drückt, bis an den dem Rand ) benachbarten Wandungen des Gehäuses eine sphärische Lagerfläche erzeugt ist, so werden die in diesen Wandungen während dieser Operation auftretenden elastischen Spannungen nachträglich nachlassen. Infolgedessen wird die Kugel in ihrer Fassung nicht festgeklemmt, sondern sie dreht sich frei, wenn auch der Spalt zwischen ihr und der Fassung sehr klein ist.
Die durch ein solches richtig hergestelltes Schreibgerät erzeugte Spur hat eine durchschnittliche Stärke von 0, 1 bis 0, 2J. !, d. h. einen Wert, der viel zu niedrig ist, um eine ganz befriedigende gleichmässige Spur zu erzeugen.
Es wurden daher verschiedene Verfahren entwickelt, um diesen Spalt durch eine zweite Operation zu vergrössern. Die damit gemachte Erfahrung geht jedoch dahin, dass eine solche Massnahme, obwohl sie die "Härte" des Kugelschreibers stark herabsetzt, den Spalt nicht aufweiten kann, um eine Spur von mehr als 0,5 bis 0, 6 zu erzeugen, ohne die sphärische Form der inneren Lagerflächen, die durch die erste Operation erzeugt wurden, zu deformieren. Eine solche Deformation hat jedoch eine minderwertige ungleichmässige Spur zur Folge.
Alle diese Verfahren haben das eine gemeinsam, dass die Spurstärke fast völlig abhängig ist von dem Kugelspalt, während der Einfluss der Viskosität in dem praktisch brauchbaren Bereich gering ist. Da während des Schreibens zwischen Kugeloberfläche und Schreibfläche immer ein gewisser Schlupf auftritt, erfolgt der Tintentransport von der Kugel auf die Schreibfläche zumindest teilweise durch eine wischende Einwirkung.
Bei Anwendung der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Schreibkugel tritt zu dem Tintenführungsvermögen des Spaltes noch dasjenige der Kratergrübchen hinzu. Das Tintenführungsvermögen der Kratergrübchen kann auf wenigstens das Doppelte desjenigen des Spaltes vergrössert werden, indem man die Bedeckungsfläche der Grübchen und/oder ihre Einzelgrösse steigert. Die Spurstärke wurde
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erforderlich ist. Es besteht somit ein weiterer Spielraum, um die gewünschte Spurdicke zu erzielen, ohne ihre Qualität irgendwie zu beeinträchtigen.
Anderseits erfolgt der Tintentransport aus den Kratergrübchen auf die Schreibfläche hauptsächlich durch eine"Fleckwirkung"und weniger durch eine Wischwirkung. Aus diesem Grunde ist der Einfluss der Viskosität beträchtlich.
Die Tinten, die gegenwärtig in guten Kugelschreibern, welche mit grübchenfreien Kugeln ausgestattet sind, benutzt werden, haben eine Viskosität, die mindestens 80-100 Poise bei 25 C beträgt, ein Wert, der etwa 300-400 bei 150 C und 40-50 bei 300 C entspricht. Es wurde festgestellt, dass eine geringere Viskosität, die zwar ein leichteres Schreiben und einen freieren Tintenfluss ermöglicht, zugleich auch die unerwünschte Neigung eines Kugelschreibers vergrössert, sichtbare Unregelmässigkeiten in der längs der Schreibspur aufgebrachten Tintenmenge zu erzeugen. Dieser Fehler ist als Klecksen bekannt und besteht darin, dass ein zusätzlicher Tropfen oder Tintenklecks aufgebracht wird, wenn die Spur ihre Richtung ziemlich scharf ändert, wie z. B. bei der oberen Schleife des Buchstaben nett.
Es wurde jetzt festgestellt, dass diese Neigung praktisch über den gesamten Viskositätsbereich \on 10 Poise aufwärts verschwindet, wenn man die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kugeln mit kraterförmigen Grübchen verwendet. Anderseits hat sich ferner ergeben, dass die Wirksamkeit der Kratergrübchen als Tintenträger abnimmt, wenn die Viskosität innerhalb dieses Viskositätsbereiches zunimmt. Der Grund ist fast mit Sicherheit das Unvermögen der Kugel, die Kratergrübchen von Tinte bei schneller Berührung mit der Schreibfläche zu entleeren, wenn die Viskosität zu hoch ist.
Versuche mit gebräuchlichen Tintenarten zeigen, dass, wenn die Viskosität über 200 Poise bei Raumtemperatur (Schreibtemperatur) erhöht wird, die Kratergrübchen unwirksam werden, wie sich aus dem folgenden Beispiel für eine gewöhnliche Spitze mit 1 mm Kugel ergibt :
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Angenäherte Schichtdicke der Spur in
Mikron.
EMI8.3
<tb>
<tb>
; <SEP> a) <SEP> grübchenfreie <SEP> Kugel <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0,6 <SEP> 0,6 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0,5 <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP>
<tb>
b) Kugel mit kraterförmigen Grüb- chen bei 40% Flächenanteil der Grüb- chen und einer Kratertiefe von 5,5 bis 6, 0
EMI8.4
<tb>
<tb> Mikron <SEP> 1,2 <SEP> 1, <SEP> 15 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> 1,0 <SEP> 0,85 <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> 0,65
<tb>
Die besten Ergebnisse erzielt man im allgemeinen, wenn man die höchste Tintenviskosität wählt, bei welcher sich noch die gewünschte Schichtstärke der Spur ergibt.
Um völlige Gleichmässigkeit der Tiefe längs der Spur zu erreichen, d. h. keinen sichtbaren Überschuss oder Mangel an Tinte, ist es wünschenswert, den Tintenverbrauch der gegenwärtig gebräuchlichen Kugelschreiberspitzen um wenigstens 50% zu erhöhen. In dem obigen Beispiel könnte dies noch mit einer Tintenviskosität von etwa 100 Poise bei Schreibtemperatur erreicht werden, d. h. bei einer Viskosität, die etwa dem halben untersten Wert entspricht, bei welchem eine normale Kugelschreiberspitze noch ihre beste Leistung zeigt. Anderseits ist die Viskosität noch genügend gross, um ein Klecksen der Schreibspitze infolge Aussickerns der Tinte zu vermeiden.
Es ist daher ersichtlich, dass, wenn der Oberflächenanteil und der Durchmesser der Kratergrübchen vergrössert werden, dieselbe Steigerung des Verbrauches wie in dem obigen Beispiel mit einer höheren Viskosität erreicht werden könnte. Für eine typische Kugelschreibertinte ergaben die folgenden Werte-
EMI8.5
d. h.1 mm Durchmesser :
EMI8.6
<tb>
<tb> Oberflächenanteil <SEP> in
<tb> % <SEP> 35 <SEP> 40 <SEP> 50
<tb> Kapazität <SEP> des <SEP> Kondensators <SEP> in
<tb> mF <SEP> 0,03 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0,25
<tb> Gleichspannung <SEP> 40 <SEP> 40 <SEP> 40
<tb> Durchschnittlicher <SEP> Durchmesser
<tb> der <SEP> Krater <SEP> in
<tb> Mikron <SEP> 25 <SEP> 40 <SEP> 50
<tb> Durchschnittliche <SEP> Tiefe <SEP> der <SEP> Krater <SEP> in
<tb> Mikron <SEP> 5,0 <SEP> 5, <SEP> 7.
<SEP> 6, <SEP> 2 <SEP>
<tb> Tintentragvermögen <SEP> der <SEP> Kratergrübchen, <SEP> ausgedrückt <SEP> durch <SEP> die <SEP> entsprechende <SEP> Filmschichtdicke <SEP> in
<tb> Mikron <SEP> 0,6 <SEP> 0,8 <SEP> 1, <SEP> 0
<tb> Durchschnittlicher <SEP> Abstand <SEP> der <SEP> Krater <SEP> in
<tb> Mikron <SEP> etwa <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 17
<tb> Angenäherte <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Kratergrübchen <SEP> je <SEP> Kugel <SEP> 2200 <SEP> 1000 <SEP> 800
<tb> Tintenviskosität <SEP> bei <SEP> der <SEP> durchschnittlichen <SEP> Schreibtemperatur <SEP> in
<tb> Poise <SEP> 25 <SEP> 80 <SEP> 120
<tb>
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Obwohl also ein grosser Spielraum für die Auswahl der Grössen besteht, mit welchen ein gewisses Ergebnis erreichbar ist und die auch in der Herstellung beherrscht werden können, sind die folgenden Bereiche zu bevorzugen :
EMI9.1
<tb>
<tb> Oberflächenanteil <SEP> zwischen <SEP> 30 <SEP> und <SEP> 500/0
<tb> Kraterdurchmesser <SEP> zwischen <SEP> 30 <SEP> und <SEP> 50 <SEP> Mikron
<tb> Tintenviskosität <SEP> bei
<tb> Schreibtemperatur <SEP> zwischen <SEP> 40 <SEP> und <SEP> 100 <SEP> Poise
<tb> Entsprechende <SEP> Viskosität <SEP> bei
<tb> einer <SEP> Bezugstemperatur <SEP> von <SEP> 250 <SEP> C
<tb> einer <SEP> Tinte <SEP> zur <SEP> Verwendung <SEP> in <SEP> : <SEP>
<tb> a) <SEP> gemässigtem <SEP> Klima
<tb> (Raumtemperatur <SEP> 150 <SEP> C) <SEP> zwischen <SEP> 10 <SEP> und <SEP> 30 <SEP> Poise
<tb> b) <SEP> heissem <SEP> Klima
<tb> (Raumtemperatur <SEP> 300 <SEP> C) <SEP> zwischen <SEP> 80 <SEP> und <SEP> 200 <SEP> Poise.
<tb>
In diesen Bereichen wurde die beste Gesamtleistung für einen normalen Kugelschreiber mit einer Kugel von 1 mm erzielt.
Die angegebenen bevorzugten Bereiche sowie die Spurschichtdicke wurden als Richtlinie angeführt, sie können jedoch keinen absoluten Wert haben, da der jeweilige Tintenverbrauch bzw. die Spurschichtstärke auch von Faktoren beeinflusst werden, auf welche sich das erfindungsgemässe Verfahren nicht auswirkt. Dazu gehören vor allem die besondere Handschrift sowie die Gewohnheiten der einzelnen Schreiber, die in grossen Grenzen schwanken, und die physikalische Beschaffenheit der Schreibfläche, insbesondere deren Absorptionseigenschaft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von kraterförmigen Grübchen, die über die Oberfläche von Kugeln für Kugelschreiber verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grübchen mittels Funkenerosion hergestellt werden.