第7章(4)表面质量
物理化学第七章
粗分散物系
>10-7m
混浊泥水，牛 奶，豆浆
3、胶体四大特征：（同溶液相比较）
①聚结不稳定性（热不稳自发聚沉）②多相不均匀性 聚结不稳定性 ②多相不均匀性（一相分散 于另一相，有相界面）③高分散性 ③高分散性（颗粒大小及胶团量不相同） 结构组成不确定性（受添加剂或添加物影响） ④结构组成不确定性 （真溶液：热稳，均相物系，组成，结构，分子量恒定） 4、胶体化学研究内容：表面现象，分散物系及高分子溶液 5、表面：物体处于真空或与本身饱和蒸气达平衡的面。 6、界面：物体与空气或其他物体相接触的面（存在于两相之间 几个nm厚度薄层） 7、表面现象（Surface phenomenon）：凡物质处于凝聚状态时， 其界面上发生的一切物理化学现象。（包括s-g,s-l,l-g,ss,l-l等统称表面）严格讲为界面现象，如：毛细现象，润湿 作用，液体过热，蒸气过饱和，吸附作用等统称界面现象 AS Sο (Interface phenomenon)。
（1）按分散相和分散介质的聚集状态分类
分散相 分散介质 名称 气 泡沫 液 液 乳状液 固 悬浮体，溶液胶 气 液 固 固溶胶 固 气 液 气 气溶胶 固
实例 肥皂泡沫 牛奶 泥浆，金溶胶 浮石，泡沫玻璃 珍珠，某些矿石 某些合金 雾 烟
（2）按分散相的分散度分类
类型 低分子 分散物系 分散相粒子半 径 <10-9m 分散相 原子 离子,小分子 性质 均相，热力学稳定物 系，扩散快，能透过 半透膜，形成真溶液 均相，热力学稳定物 系，扩散慢，不能透 过半透膜，形成真溶 液 举例 NaCI、蔗糖的 水溶液，混合 气体等 聚乙烯醇水溶 液
之一)：当毛细管插入润湿性液体水中时，管内液面呈凹面, △P背向 液面，使液体受到向上提升力而沿管内壁上升,当液柱产生的静压 力ρgh=△P时达平衡停止移动；反之，当毛细管插入非润湿性液体 汞中时产生管内凸液面，因△P向下,使管内液面下降至ρgh=△P 达平衡时停止，此为毛细现象。
第7章 汽车覆盖件的冲压电子教材
第7章汽车覆盖件的冲压7.1 概述7.2 汽车覆盖件冲压工艺(1)本章对汽车覆盖件的变形及工艺特点进行了分析,介绍了汽车覆盖件的工艺及模具设计要点。
学习目的与要求：1．了解汽车覆盖件的变形及工艺特点；2．掌握汽车覆盖件的拉深工艺设计要点；重点：1．汽车覆盖件的变形及工艺特点2．汽车覆盖件的拉深工艺设计要点难点：汽车覆盖件的拉深工艺设计；7.1 概述7.1.1 概念覆盖件:覆盖车类发动机、底盘、驾驶室和车身的薄板异形类表面零件和内部零件。
货车的驾驶室、轿车的车身等主要都是由覆盖件构成的。
覆盖件是组成汽车内外形体的重要零件，要求制造容易、维修方便、使用安全可靠、外型美观时尚。
图 7—1 汽车驾驶室覆盖件示意图1-保险杠 2-前围板 3、4-左右前围侧板 5-顶盖 6、7-左右前车门外板 8、9-左右中柱外板 10、11-左、右后柱外板 12-后围上板 13-后围下板 14、15-左右轮罩后段 16、17-左右前脚踏板、19-左右后脚踏板 20-仪表板 21-仪表板上板 22-仪表板面板 23、24-左右前门内板 25、26-左右前柱内板 27、28-左右中柱内板 29、30-左右侧围上横粱 31-地板前部 32-地板后部7.1.2 汽车覆盖件的特点与技术条件1. 覆盖件的特点覆盖件与一般冲压件相比较，具有材料薄、外形复杂(多为空间曲面，且形状和轮廓不规则)、结构尺寸大和表面质量高等特点。
其冲压工艺设计、模具设计和模具制造工艺也均有独特之处。
覆盖件的零件种类如图7-1所示。
2. 覆盖件的技术条件(1) 应具有良好的表面质量(2) 应具有符合要求的几何尺寸和曲面形状(3) 应具有良好的工艺性覆盖件的工艺性，主要体现在冲压性能、焊接装配性能、操作安全性能、材料利用率及对材料的要求等几方面。
(4) 应具有足够的刚性覆盖件刚性差的原因，一般是由于在拉深过程中材料的塑性变形不够充分，造成某些部位刚性不足。
这种塑性变形不够、刚性差的拉深件，在切边以后会产生很大变形。
第七章 表面现象习题答案教学文案
第七章表面现象习题答案第七章 表面现象习题答案1．在293.15K 时，把半径为1 mm 的球形水滴分散成半径为1 μm 的球形小水滴，比表面为原来的多少倍？表面Gibbs 自由能增加了多少？此过程环境至少需做功多少？已知293K 时水的表面张力为0.07288 N ⋅m -1。
解： (1)小液滴比表面r a =rr r V A 334432=ππ＝球体积球面积 r 1 = 10-3 m ， r 2 = 10-6 m3632112101010/3/312===--r r r r a a r r ＝ 倍(2)分散前液滴表面积62111044-⨯==ππr A m 2分散后小液滴数 9321323121103434=⎪⎪⎭⎫⎝⎛===r r r rV V n ππ 个 分散后液滴总表面积 ()3269222104104104--⨯=⨯=⋅=πππr n A m 2∆A = A 2 -A 1 ≈ A 2∆G = σ⋅∆A = 0.07288⨯4π⨯10-3 = 9.158⨯10-4 J(3)环境至少做的功 W r '＝∆G ＝9.158⨯10-4 J 2.将10-3 m 3 油状药物分散水中，制成油滴半径为10-6 m 的乳状液。
已知油水界面张力为65⨯10-3 N ⋅m -1，求分散过程需作多少功？增加的表面Gibbs 能为多少？如果加入适量表面活性剂后，油水界面张力下降至30⨯10-3 N ⋅m -1，则此分散过程所需的功比原来过程减少了多少？解：（1）分散后总表面积 小油滴面积小油滴体积总体积⋅=A36332331031010310343410⨯=⨯=⨯=⋅=----r r r ππ m 2分散前表面积与分散后相比可忽略，∆A ＝A分散过程环境作的功及所增加的表面自由能：W r '＝∆G ＝σ⋅∆A ＝65⨯10-3⨯3⨯103＝195 J (2) 加入表面活性剂后，分散过程环境作的功W r '＝∆G ＝σ ⋅∆A ＝30⨯10-3⨯3＝90 J比原来过程少做功＝195-90＝105 J3. 常压下，水的表面张力σ（N ⋅m -1）与温度T （K ）的关系可表示为：σ＝（75.64－0.00495 T ）⨯10-3 。
第7章典型表面
7.1 外圆表面切削成形
7.1 外圆表面切削成形
7.1 外圆表面切削成形
7.1 外圆表面切削成形
表1 车削的加工类型
151
动画1 车端面
动画2 车外圆
动画3 车孔
动画4 钻孔
动画5 扩孔
动画6 铰孔
7.1 外圆表面切削成形
7.1 外圆表面切削成形
7.1 外圆表面切削成形
3.车削外圆时工件的装夹特点 在车床上车削外圆可采用三爪 自定心卡盘、四爪单动卡盘、顶尖、 心轴、中心架、跟刀架、花盘和弯 板等。
补充知识 2)无心磨削法 无心磨床磨削外圆时，工件不 是用顶尖或卡盘定心，而是直接由 托板和导轮支承，用被加工表面本 身定位。磨削砂轮以高速旋转作切 削主运动，导轮是用树脂或橡胶为 结合剂的砂轮，它与工件之间的摩 擦系数较大，
补充知识 当导轮以较低的速度带动工件 旋转时，工件的线速度与导轮表面 的线速度相近。工件由托板与导轮 共同支承，工件的中心一般应高于 砂轮与导轮的连心线，以免工件加 工后出现棱圆形。
补充知识 1. 砂轮 砂轮是重要的磨削工具。它是 用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、 干燥、焙烧及车整(修整砂轮用金刚 笔)而成的多孔疏松物体。砂轮的特 性主要由磨料、粒度、硬度、结合 剂、组织及形状尺寸等因素所决定。
补充知识
补充知识
补充知识
补充知识
补充知识 1)磨料 磨料是制造砂轮的主要材料， 直接担负切削工作。磨料应具有高 硬度、高耐热性和一定的韧性，在 磨削过程中受力破碎后还要能形成 锋利的几何形状。常用的磨料有氧 化物系(刚玉类)、碳化物系和超硬 磨料系等三类。
补充知识
即使比较锋利且凸出的磨粒， 其切削过程大致可分为三个阶段。 1)滑擦阶段 磨粒从工件表面上滑擦而过， 只有弹性变形而无切屑。
机械加工质量
（4）调整误差 机械加工过程中的每一道工序都要进行各种各样 的调整工作，由于调整不可能绝对准确，因此必 然会产生误差，这些误差称为调整误差。
2、工艺系统的受力变形 （1）工艺系统的刚度 机械加工过程中，工艺系统在切削力、传动力、惯
性力、夹紧力、重力等外力的作用下，各环节将 产生相应的变形，使刀具和工件间已调整好的正 确位置关系遭到破坏而造成加工误差。例如，在 车床上车削细长轴时，工件在切削力的作用下会 发生变形，使加工出的工件出现两头细中间粗的 腰鼓形
第七章 机械加工质量
尺寸精度
机械加工精度
形状精度
加 工 质 量
表面质量
位置精度 表面粗糙度
表面层的物理、力学性能
第一节 概述 一、机械加工精度 1、机械加工精度的概念
所谓机械加工精度，是指零件在加工后的几何 参数（尺寸大小、几何形状、表面间的相互位 置）的实际值与理论值相符合的程度。符合程 度高，加工精度也高；反之则加工精度低。机 械加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精 度三项内容，三者有联系，也有区别。
3）定尺寸刀具法 用具有一定形状和尺寸精度的刀 具进行加工，使加工表面达到要求的形状和尺寸的 加工方法。如用钻头、铰刀、键槽铣刀等刀具的加 工即为定尺寸刀具法。定尺寸刀具法生产率较高， 加工精度较稳定，广泛的应用于各种生产类型。 4）自动控制法 把测量装置、进给装置和控制机构 组成一个自动加工系统，使加工过程中的尺寸测量、 刀具的补偿和切削加工一系列工作自动完成，从而 自动获得所要求的尺寸精度的加工方法。该方法生 产率高，加工精度稳定，劳动强度低，适应于批量 生产。
原始误差主要来自两方面：一方面是在加工前就存 在的工艺系统本身的误差（几何误差），包括加 工原理误差，机床、夹具、刀具的制造误差，工 件的安装误差，工艺系统的调整误差等；另一方 面是加工过程中工艺系统的受力变形、受热变形、 工件残余应力引起的变形和刀具的磨损等引起的 误差，以及加工后因内应力引起的变形和测量引 起的误差等。
第一节表面质量的概念表面质量
➢ 振幅：主要取决于激振力的大小及频率比和阻尼比， 而与初始条件无关。
➢ 动态放大系数η=A/A2= ➢ 准静态区、共振区和惯性区
1 (12)2 (2)2
➢ 振幅与各参数之间的关系：
干扰力幅值Po↑→A2 ↑
系统刚度k ↑ → A2 ↓ 阻尼系数c ↑ → A2 ↓
4. 消除强迫振动的措施：
等 μ=1
一般情况下 0<μ<1
重叠系数越大，越容易产 生自激振动。
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再生颤振学说
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振型耦合学说在偶然干扰力作源自下，刀架将沿X1、X2两个刚度方向振动。刀尖 运动轨迹为封闭椭圆，相位差不 同，运动轨迹不同。当刀具从A 经C到B做振入运动时，切削厚 度较薄，切削力较小；而刀具从 B 经D到A做振出运动时，切削 厚度较大，切削力较大。
机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶 粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度提 高、塑性下降的现象，称加工硬化。
评定指标：
① 表面层的显微硬度 HV ② 硬化层深度 h
③ 硬化程度 N
NHVHV 0 10% 0 HV 0
影响因素：
① 刀具：切削刃钝圆半径及磨损 ② 切削用量：进给量和切削速度
淬火烧伤
硬工度件较表低面的温回度火超屈过氏相体变或温索度氏A体C3。，冷却 充分，工件表面被二次淬火。但淬透层
很薄，其下层仍为回火屈氏体或索氏体
。
第十页，共28页
2. 表面层的金相变化
② 影响磨削烧伤的因素：
a) 磨削用量
aP↗
工件表层温度↗↗
烧伤↗↗
机械制造工艺教案第七章4-6节(已排)
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（3）时效处理 时效处理有人工时效和自然时效两 种，目的都是为了消除毛坯制造和机械加工中产 生的内应力。精度要求一般的铸件，只需进行一 次时效处理，安排在粗加工后较好，可同时消除 铸造和粗加工所产生的应力。有时为减少运输工 作量，也可放在粗加工之前进行。精度要求较高 的铸件，则应在半精加工之后安排第二次时效处 理，使精度稳定。精度要求很高的精密丝杆、主 轴等零件，则应安排多次时效处理。对于精密丝 杠、精密轴承、精密量具及油泵油嘴配件等，为 了消除残余奥氏体，稳定尺寸，还要采用冰冷处 理（冷却到－70～－80℃，保温1～2h），一般在 回火后进行。
21
（4）表面处理 某些零件为了进一步提高表面的抗蚀能力， 增加耐磨性，常采用表面处理工序，使零件表面覆盖一层 金属镀层、非金属涂层和氧化膜等。金属镀层有镀铬、镀 锌、镀镍、镀铜及镀金、银等；非金属涂层有涂油漆、磷 化等；氧化膜层有钢的发蓝、发黑、钝化，铝合金的阳极 氧化处理等。零件的表面处理工序一般都安排在工艺过程 的最后进行。表面处理对工件表面本身尺寸的改变一般可 以不考虑，但精度要求很高的表面应考虑尺寸的增大量。 当零件的某些配合表面不要求进行表面处理时，则应进行 局部保护或采用机械加工的方法予以切除。
3
（2）加工表面的技术要求是决定表面加工方法的首 要因素，此外还应包括由于基准不重合而提高对某 些表面的加工要求，以及由于被作为精基准而可能 对其提出的更高加工要求。 （3）加工方法选择的步骤总是首先确定被加工零件 主要表面的最终加工方法，然后再选择前面一系列 工序的加工方法和顺序。可提出几个方案进行比较， 选择其中一个比较合理的方案。例如加工一个直径 为φ25H7和表面粗糙度为Ra0.8μm的孔，可有四种 加工方案：①钻孔-扩孔-粗铰-精铰；②钻孔-粗镗半精镗-磨削；③钻孔-粗镗-半精镗-精镗-精细镗； ④钻-拉。应根据零件加工表面的结构特点和产量 等条件，再确定采用其中一种加工方案。主要表面 的加工方法选定以后，再选定各次要表面的加工方 法。
教科版八年级物理下册教案：第7章第4节 重 力
教案：教科版八年级物理下册第7章第4节重力一、教学内容本节课的教学内容选自教科版八年级物理下册第7章第4节，具体内容包括：1. 重力的概念：地球附近的一切物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。
2. 重力的方向：重力的方向总是竖直向下。
3. 重力的作用点：重力的作用点叫重心，多数物体的重心在物体上，一些不规则物体或空心物体的重心可能不在物体上。
4. 重力的大小：物体的重力跟它的质量成正比，计算公式为G=mg。
二、教学目标1. 让学生了解重力的概念、方向、作用点和大小，能用重力的知识解释生活中的现象。
2. 培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。
3. 培养学生积极参与课堂讨论、动手实验的良好习惯。
三、教学难点与重点1. 重力的概念及其方向。
2. 重力的作用点及重心。
3. 重力的大小及计算公式。
四、教具与学具准备1. 教具：地球模型、悬挂重物的绳子、测力计。
2. 学具：学生实验器材、练习册。
五、教学过程1. 实践情景引入：提问学生为什么扔出去的物体最终会落回地面？引导学生思考重力的存在。
2. 知识讲解：(1) 重力的概念：地球附近的一切物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。
(2) 重力的方向：重力的方向总是竖直向下。
(3) 重力的作用点：重力的作用点叫重心，多数物体的重心在物体上，一些不规则物体或空心物体的重心可能不在物体上。
(4) 重力的大小：物体的重力跟它的质量成正比，计算公式为G=mg。
3. 例题讲解：运用重力知识解释为什么抛出去的物体最终会落回地面？4. 随堂练习：学生自主完成练习册上的相关题目。
5. 实验环节：学生分组进行实验，验证重力的方向和大小。
六、板书设计重力1. 概念：地球附近的一切物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。
2. 方向：重力的方向总是竖直向下。
3. 作用点：重力的作用点叫重心，多数物体的重心在物体上，一些不规则物体或空心物体的重心可能不在物体上。
4. 大小：物体的重力跟它的质量成正比，计算公式为 G=mg。
第7章 连铸工艺
第七章连铸工艺第一节概述钢水浇注方式有两种，即模注和连铸。
目前连铸已经取代了模注工艺。
一．连铸优点1．简化工序、缩短流程、基建投资低：①省掉了模注的脱模、整模、均热和开坯等；②基建投资节约40%，占地面积减少30%，劳动力节省75%。
2．提高了金属收得率：①模注－开坯工艺切头切尾损失10~20%，而连铸1~2%，即金属收得率提高10~14%；②收得率提高意味着产量提高，3．降低能源消耗：减少25~50%能量消耗。
①连铸是“一火成材”，模注是“两火成材”；②连铸热装热送和直接轧制进一步节约能源（唐钢薄板）。
4．生产过程机械化和自动化程度高，改善劳动条件：①模注工作环境是最差、工艺最落后；②生产机械化解放了转炉的生产能力（如唐钢二钢1987年的连铸改造使产量增加）。
5．提高质量和扩大品种：①连铸技术和装备提高（电磁搅拌、保护浇注、液面自动控制等）使产品质量不断提高、可浇品种范围增加。
②除了沸腾钢以外，几乎所有的钢种都可以采用连铸生产。
★由于以上优点，降低了生产成本，提高了经济效益。
二．连铸机分类1．普通连铸机：是指技术成熟，在工业生产已经普遍采用的连铸机。
（主要讲述的内容）特殊连铸机：仍处于试验阶段，没有投入大规模工业化生产的连铸机。
2．按机型分类：立式、立弯式、弧形、椭圆形、水平式连铸机等。
目前最常用的是弧形连铸机－包括全弧形、直弧形和多点矫直连铸机。
3．按连铸坯断面形状：方坯、圆坯、矩形坯、板坯和异型坯等。
小方坯：7070~150150m m⨯⨯；大方坯：200200~450450m m⨯⨯宽厚比＝1 矩形坯：150100~400560m m⨯⨯宽厚比<3板坯：150600~3002640m m⨯⨯宽厚比>3 圆坯：80~450mmφφ4．按开发厂家：罗可普、康卡斯特、德马克等。
5．按浇注钢种：普钢连铸机和特钢连铸机。
目前，普钢连铸机正在向特钢连铸机发展。
三．连铸对钢水的要求1．成分合格：指钢水中化学成分符合标准要求，成分尽量控制在中限。
第7章 分层实体制造工艺及材料
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7.2 成型原理及工艺
7.2.3 工艺特点
优点： （1）原型制件精度高。 （2）原型制件耐高温，具有较高的硬度和良好的力学性能。 （3）成型速度较快。 （4）直接用CAD模型进行数据驱动，无需准备工装夹具。 （5）无须另外设计和制作支撑结构。 （6）制件可以直接使用，无需进行后矫正和后固化处理。 （7）不受复杂三维形状及成型空间的影响； （8）原材料相对比较便宜，可在短时间内制作模型，交货快，费用省。
4）再次涂覆同样的混合后的环氧树脂材料，以填充
表面的沟痕并长时间固化，如图2所示。
图1 剥离后的原型经过砂布打磨前后表面形态示意图 图2 涂覆两遍环氧树脂后的原型表面形态示意图
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7.2 成型原理及工艺
7.2.2 成型工艺
5）对表面已经涂覆了坚硬的环氧树脂材料的原型再次 用砂布进行打磨，打磨之前和打磨过程中应注意测量原型 的尺寸，以确保原型尺寸在要求的公差范围之内。
LOM成型设备结构原理图
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7.1 概述
Michael Feygin于1984年提出了LOM设 想，并于1985年组建了Helisys公司(后为 Cubic Technologies公司)，于1990年开发出 了世界上第一台商用LOM设备LOM-1015。 Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成型材 料，可制造用金属薄板制作的成型件，该公 司还与Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材 料的LOM工艺。
7.2 成型原理及工艺
7.2.2 成型工艺
表面涂覆的具体工艺过程如下：
第七章表面现象
第七章表⾯现象第七章表⾯现象（⼀）主要公式及其适⽤条件1、表⾯张⼒的定义 A W A G N p T d /d )/('r ,,=??=σ式中：N p T A G ,,)/(??为在温度、压⼒及相组成恒定的条件下，系统的吉布斯函数随表⾯积A 的变化率，称为⽐表⾯吉布斯函数；A W d /d 'r 为在恒温、恒压及相组成恒定的可逆条件下，系统每增加单位表⾯积所得到的最⼤⾮体积功，称为⽐表⾯功。
⼆者的单位皆为J ·m -2 = N ·m -1。
2、润湿⾓与杨⽒⽅程 l -g l -s g s /)(cos σσσθ-=-式中：σs -g 、σs -l 及σg -l 分别在⼀定温度下，固-⽓、固-液及⽓-液之间的表⾯（或界⾯）张⼒；θ为⽓、液、固三相交界处，在同⼀个垂直剖⾯上，⽓-液界⾯与固-液界⾯之间含有液体的夹⾓，称为润湿⾓或接触⾓。
此式适⽤的条件为铺展系数?≤0。
3、铺展系数的定义 ? = σs -g -σs -l -σg -l4、拉普拉斯⽅程 ?p = 2σ / r此式适⽤于在⼀定温度下，曲率半径为r 的圆球形液滴或在液体中半径为r 的⼩⽓泡附加压⼒?p 的计算。
对于悬浮在⽓体中半径为r 的⼩⽓泡，因为它有内外两个表⾯，所以泡内⽓体所承受的附加压⼒。
?p = 4σ / r式中σ为液膜的表⾯张⼒。
5、开尔⽂公式 r M p p RT r ρσ/2)/ln(式中：σ、ρ、p 和p r 分别为在温度T 时液体的表⾯张⼒、密度、饱和蒸⽓压和半径为r 圆球形⼩液滴的饱和蒸⽓压；M 为液体的摩尔质量。
适⽤条件为圆球形液滴和不考虑分散度对σ的影响。
6、兰格缪尔吸附等温式 ),1/(bp bp +=θ或 )1/(bp bp +Γ=Γ∞在⼀定温度下指定吸附系统，式中θ为覆盖度，b 为吸附系数，p 为吸附平衡压⼒，Γ及Γ∞分别为平衡吸附量和饱和吸附量。
此式适⽤于⽓体在固体表⾯上的单分⼦层吸附。
机械制造工艺学课件第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
➢ 精密、超精密磨削和磨料加工
超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微 粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固 结磨料和游离磨料两大类加工方式。
固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材 料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID 磨削、双 端面精密磨削以及电泳磨削等。
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
7.1 概述
现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加
工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性
，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术
是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和
发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该技
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨 剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。 游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。
① 超精密研磨技术
研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面
和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面
7
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
② 超精密砂带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和 微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂 带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达 到高精度和低表面粗糙度值。
砂带磨削机构示意图
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
③ ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术
术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，
第七章-表面现象
第七章 表面现象一、表面现象表面现象是研究具有巨大表面系统的物理化学。
由于系统的表面层分子和相内部分子的处境不同，引起了表面的特殊物理化学性质，表现出各种表面现象。
1. 比表面吉布斯函数和表面张力 （1）比表面吉布斯函数nP T A G ,,s ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=γ 物理意义：定温定压及组成一定的条件下，每增加单位表面积使系统增加的吉布斯函数；它的含义是，系统单位面积表面层分子比同量的相内分子超出的吉布斯函数。
（2）沿着与表面相切的方向垂直作用于表面上任意单位长度线段上的表面紧缩张力，称为表面张力。
lF 2=γ 它平行于水平液面，在边界上指向液体内部。
（3）比表面吉布斯函数和表面张力的数值相等，量纲相同，物理意义不同。
（4）表面张力与温度的关系B B,,,,s n p A n p T T A S ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂γ 2.润湿（1）根据接触角来判断液体对固体的润湿能力： θ<90º，润湿；θ=0º，完全润湿；θ>90º，不润湿；θ=180º完全不润湿。
（2）根据杨氏方程lg sl s g ----=γγγθcos 3.弯曲液面现象（1）附加压力——拉普拉斯方程rp γ2=∆ 其方向总是指向曲率中心（2）微小液滴的蒸气压——开尔文公式rRT M p p r ργ2ln= （3）毛细现象grh ρθγcos 2=4.气——固吸附，朗缪尔吸附等温方程式bpbpΓΓm+=1 5.溶液的表面吸附和表面活性剂 （1）吉布斯吸附等温方程式cRT c Γd d γ-=（2）表面活性剂溶于水时，能显著地降低溶液表面张力的物质，称为表面活性剂。
结构为即含有亲水基，又含有亲油基，称为两亲性分子。
二、习题10.2 在293.15K 及101.325kPa 下，把半径为1×10-3m 的汞滴分散成半径为1×10-9的小汞滴，试求此过程系统的表面吉布斯函数变为若干？已知293.15K 汞的表面张力为0.470N •m -1。
第7章机械零件精度测量基础知识
轴类零件
箱体类零件
《机械基础 》（多学时）教学课件
加工的零件合格吗？如 何检测呢？
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第7章 机械零件精度测量基础知识
第1节 公差、配合与粗糙度 第2节 测量工具和测量仪器
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第1节 极限、配合与粗糙度
工件加工时不可能做的绝对准确，总有误差存在，工件 的误差可分为：尺寸误差和几何形状误差。 1、尺寸误差 工件加工后的实际尺寸与理想尺寸之差。 2、几何形状误差 （1）宏观几何误差 （2）微观几何误差 （3）相对位置误差 3、公差
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1.3.2表面粗糙度的符号及其标注
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1.3.3 表面粗糙度的选用
表面粗糙度参数值的选用，应该既要满足零件表面的功 能要求，又要考虑经济合理性。具体选用时，可参照已有的 类似零件图，用类比法确定。
在满足零件功能要求前提下，应尽量选用较大的表面粗 糙度参数值，以降低加工成本。一般地说，零件的工作表 面、配合表面、密封表面、运动速度高和单位压力大的摩擦 非工作表面、非配合表面、尺寸精度低的表面参数值应考参
TD=|ES-EI| 轴的公差
Td=| es- ei| 6、零线、公差带和公差带图 零线是在公差带图中，确定偏差时的一条基准线。 公差带是代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。 公差带图可以直观地表示出公差的大小及公差带相对于零线 的位置。
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公差是允许工件尺寸、几何形状和相互位置变动的范 围，用以限制误差。误差是在加工过程中产生的，而公差是 由设计人员给定的。
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第7章 刻蚀工艺
3）选择比 ：被刻蚀材料的刻蚀速率与掩膜或底层的刻蚀速 率的比值，选择比的控制通常与气体种类、比例、等离子
体的偏压功率、反应温度等有关系。
4）刻蚀轮廓 ：—般而言越接近90度越好，只有在少数特例 中，如在接触孔或走线孔的制作中，为了使后续金属溅镀 工艺能有较好的阶梯覆盖能力而故意使其刻蚀轮廓小于90 度。通常，刻蚀轮廓可利用气体的种类、比例和偏压功率 等方面的调节进行控制。
图7-4 磁场强化活性离子刻蚀设备示意图
3．电子回旋共振式等离子体刻蚀机
电子回旋共振(ECR)系统利用微波以及外加磁场来产
生光密度等离子体。当电子回旋率与外加微波频率相同时，
外加电场与电子的移动将发生共振，产生高离子化的等离 子体。电子回旋共振刻蚀系统如图7-5所示。
该系统有等离子体产生腔和扩散腔两个腔。微波由波
3、氮化硅的湿法刻蚀
Si3N4在半导体工艺中主要是作为场氧化层在进行氧化生
长时的屏蔽膜及半导体器件完成主要制备流程后的保护层。
可以使用加热180 C，85%的H3PO4溶液刻蚀Si3N4 ，其刻蚀 速率与Si3N4的生长方式有关，例如：用PECVD方式比用高
o
温LPCVD方法得到的Si3N4的刻蚀速率快很多。
材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择性偏低。同时，被击出的
物质并非挥发性物质，这些物质容易二次沉积在被刻蚀薄 膜的表面及侧壁。
化学性刻蚀
又称等离子体刻蚀，是利用等离子体将刻蚀气体电离
并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散
到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具 有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种
综上所述，湿法刻蚀设备简单、工艺操作方便， 一 般的常规生产均能满足要求。但各向同性刻蚀性太强，容 易出现横向钻蚀现象，如图7-1所示难以控制线宽，而且 刻蚀剂大多为腐蚀性较强的试剂，安全性较差。所以，已 逐渐被干法刻蚀代替。
材料表界面第七章--高分子材料的表面改性
7.5.2 等离子体处理对聚合物表面的改性效果
（1）表面交联
CH2 CH2 + He+
.
2 ( CH2 CH )
CH 2
.
CH
+H.
（2）极性基团的引入
.
CH2 CH
+ H. + He
CH2 CH
CH 2 CH
CH2 CH + H2
36
37
● 氩或氮等离子处理的聚乙烯和聚四氟乙烯表面的光电子能谱揭 示，处理后C1s峰或F1s峰减弱，O1s峰和N1s峰增强，表明表面 含氧基团或含氮基团的增加（图7-9） （图7-10）
17
7.3 化学改性
● 化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表面发生化学的和物理的 变化。
7.3.1 含氟聚合物 含氟聚合物，具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气
的穿透性能，在化学、电子工业和医学方面有广泛应用。但含氟聚合物 的表面能很低，是润湿性最差粘结最难的聚合物，使其应用受到限制。 因此必须表面改性。
C1s=~285eV; N1s=399~400eV; O1s=~533.0eV
单色化AlKα射线激发的聚苯氧基膦嗪的XPS谱来自
《聚合物表面分析》，[英]，D 布里格斯 著
7
8
● 电晕放电处理: 氧化
● 火焰处理: 氧化
表
● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面
面
● 等离子体改性: 交联,引入官能团等
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例 的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并随着发生 断链反应。
ew机械制造技术基础第7章
ap = 0.01(mm)
0.5
0
30
40
50
60
v(m/s), vw(m/min)
a）
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.01 0.02 0.03 0.04
b）
ap(mm)
磨削用量对表面粗糙度的影响17
磨削速度 磨削速度越高，参与切削的磨粒数增多，可以增
加工件单位面积上的刻痕数，又因高速磨削时塑性变形不充分 表面粗糙度值小
纵向
横向
3
➢表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响
工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶 格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化， 从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又 称冷作硬化和强化。
➢适当的冷作硬化→显微硬度↑→零件的耐磨性↑
过度的冷作硬化→金属组织“疏松” →表面产生裂纹 →在相对运动中可能会产生金属剥落→零件磨损↑↑
2) 淬火烧伤
磨削时工件表面温度超过相变温度时，则马氏体转变 为奥氏体。 在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马 氏体组织，但很薄； 表层下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。表面层总 的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。
26
3）退火烧伤 磨削时，当工件表面层温度超过相变温度时，
则马氏体转变为奥氏体。 若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢
4
2. 表面质量对零件配合性质的影响
表面粗糙度的大小影响表面的配合质量
在间隙配合时, 太大的表面粗糙度使运动后的间隙 越来越大；
过盈配合时, 减小了过盈量, 使配合不稳定.
5
3. 表面质量对零件疲劳性能的影响
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工件材料
•材料塑性↑→ Ra↑ •同样材料晶粒组织大↑→ Ra↑ ，常用正火、调质处理
刀具材料、刃磨质量
•刀具材料强度↑→ Ra↓ •刃磨质量↑→ Ra↓ •冷却、润滑↑→ Ra↓
（二）磨削加工表面粗糙度
1、 磨削中影响粗糙度的几何因素 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细 的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻 痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。
对耐腐蚀性能 的影响
三、 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制
机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几 何因素和物理力学因素两个方面。 （一）切削加工表面粗糙度
1、几何因素
•刀尖圆弧半径rε •主偏角kr、副偏角kr′ •进给量f（如图）
图
车削、刨削时残留面积高度
H=f/(cotκr+cotκr′)
六、 机械加工中的振动
（一）机械加工中的振动现象
振动对机械加工的影响
振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面
质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床 丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身 心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使 机械加工生产率降低。
1．滚压加工
滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或 滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压 点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压， 凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平， 降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬 化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和 疲劳强度。 滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面， 通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如 图为典型的滚压加工示意图。
（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响
表面粗糙度较大，则降低了配合精度。
（2）表面残余应力对零件工作精度的影响
表面层有较大的残余应力，就会影响它 们精度的稳定性。
4．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响
（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深， 渗透与腐蚀作用越强烈。 因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性 能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不 易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降 低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减 小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度； 对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损 失。
2．表面质量对零件疲劳强度的影响
（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响
表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。
对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交 变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力 集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳 性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深， 纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。
一、 概 述
零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且 包括加工表面质量。
机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面， 它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。 虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复 杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀 性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此 必须加以足够的重视。
图
表面粗糙度与初期磨损量的关系
（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响
加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨 性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高， 塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和 塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是 因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏 松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接 触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。
⑵切削用量的影响
⑶工件材料性能的影响
材料塑性↑→冷硬↑
2. 表面层残余应力
定义： 机械加工中工件表面层组织发生 变化时，在表面层及其与基体材料的交 界处会产生互相平衡的弹性力。这种应 力即为表面层的残余应力。
（1）表面层残余应力的产生
冷态塑变
工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑 变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产 生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。
衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h；
3）硬化程度N
N=(HV-HV0)/HV0×100％
式中 HV0——工件原表面层的显微硬度。
（3）影响表面层加工硬化的因素
⑴刀具几何形状的影响
切削刃 rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑ →表层金属的塑变加剧→冷硬↑ 切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓ f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑
表面质量的含义（内容）
表面粗糙度 表面微观几何 形状特征 表面波度
零件表面质量
表面物理力学 性能的变化
表面层冷作硬化 表面层残余应力
表面层金相组织的变化
二、表面质量对零件使用性能的影响
1．表面质量对零件耐磨性的影响
（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示。 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平 的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑， 存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘 结而加剧磨损。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷 加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也 随之右移。
表面质量对零件使用性能的影响
粗糙度太大、太小都不耐磨 对耐磨性影响 适度冷硬能提高耐磨性 粗糙度越大，疲劳强度越差
零件表面质量
对疲劳强度的 影响
适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度
对工作精度的 影响
粗糙度越大、工作精度降低
残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反 之则降低耐腐蚀性
粒早期崩落→Ra ↑ 。
（2）砂轮粒度与硬度
•磨粒太细，砂轮易被磨屑
堵塞，使表面粗糙度值增大， 若导热情况不好，还会烧伤 工件表面。
•砂轮太硬，使表面粗糙度增
大； •砂轮选得太软，使表面粗糙 度值增大。
砂轮粒度
•粒度↓→Ra↓ • 金刚石笔锋利↑，修正导程、 径向进给量↓→ Ra↓ •磨粒等高性↑→Ra↓ •硬度↑→钝化磨粒脱落↓→ Ra↑ •硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑ •硬度合适、自励性好↑→Ra↓ •砂轮V↑→ Ra↓ •ap、工件V↑→ 塑变↑→ Ra↑ •粗磨ap↑→生产率↑ •精磨ap↓→ Ra↓(ap=0光磨) •太硬、太软、韧性、导热性差
滚压加工原理
2. 喷丸强化
喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件 表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提 高零件的疲劳强度。 珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用 一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表 面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。 珠丸的直径一般为0.2~4mm，对于尺寸较小、表面粗糙度 值较小的工件，采用直径较小的珠丸。 喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强 化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。 经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面 粗糙度值可由Ra5~2.5μm 减小到Ra0.63~0.32μm ，可几倍 甚至几十倍地提高零件的使用寿命。
影响金相组织变化 因素
•切削热
1. 表面层的冷作硬化
（1） 表面层加工硬化的产生
定义：机械加工时，工件表面层金属受到 切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶 格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉 长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强 度和硬度增加，这种现象称为加工硬化， 又称冷作硬化和强化。
（2） 衡量表面层加工硬化的指标
H=f 2/(8rε)
2、物理力学因素
（1）工件材料的影响
韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈
大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的 工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗 加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状， 由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表 面粗糙。
糙度值↓ ； 磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表 面粗糙度值↑ ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采 用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较 小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表 面粗糙度值。
（2）工件材料
•太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ； •太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ； •韧性太大，热导率差会使磨
砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越 多，表面粗糙度值就越小。 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影 响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少， 因此表面粗糙度值增大。 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被 重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。
（2）切削速度的影响
（3）进给量的影响
加工塑性材料时，切削速度对 表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞 刺的影响）见图所示。 此外，切削速度越高，塑性变 形越不充分，表面粗糙度值越小 选择低速宽刀精切和高速精切， 可以得到较小的表面粗糙度。
减小进给量f固然可以减小 表面粗糙度值，但进给量过小， 表面粗糙度会有增大的趋势。 此外，合理使用冷却润滑液， 适当增大刀具的前角，提高刀具 的刃磨质量等，均能有效地减小 表面粗糙度值。
1）
2） 热态塑变
表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压 应力(其原理见图)
3） 金相组织变化