Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000, Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018), 1.490 (2019), 2.263 (2020), 2.485 (2021), 3.2 (2022).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2024 Vol.25 No.4 P.275-356

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Special Feature on Vibration Assisted Manufacturing Technology

Guest Editors: Jianjian WANG, Daxi GENG

Research Articles

High-efficiency ultrasonic assisted drilling of CFRP/Ti stacks under non-separation type and dry conditions

Enze YING, Zehua ZHOU, Daxi GENG, Zhenyu SHAO, Zhefei SUN, Yihang LIU, Lianxing LIU, Xinggang JIANG, Deyuan ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300227 Downloaded: 296 Clicked: 418 Cited: 0 Commented: 0(p.275-291) <Full Text> <PPT > 8

Chinese summary <1> CFRP/Ti叠层结构不分离超声辅助干式高效钻削研究

作者：应恩泽¹，周泽华²，耿大喜¹，邵振宇³，孙哲飞¹，刘逸航¹，姜兴刚¹，张德远¹
机构：¹北京航空航天大学，机械工程与自动化学院，中国北京，100191；²北京晨晶电子有限公司，中国北京，100015；³航天时代飞鸿技术有限公司，中国北京，100094
目的：超声辅助钻孔（UAD）因其可以提高加工质量和刀具寿命的优点，被广泛应用于CFRP/Ti叠层的制孔加工中，然而其分离切削的特性限制了加工效率。本文针对CFRP/Ti叠层传统分离型UAD效率低的问题，开展在高进给率下刀具与工件连续切削的不分离型UAD可行性实验，旨在保证加工质量的情况下，实现高效的超声振动辅助钻削加工。
创新点：1.建立超声振动钻削的运动学模型，提出不分离型UAD的概念，打破传统UAD必须实现分离切削的观念，从而提高加工效率；2.进行一系列可行性实验，验证不分离型UAD在提高加工效率的情况下，仍可以产生比常规钻削更好的加工质量与刀具寿命。
方法：1.从运动学角度分析超声振动钻削切削刃的运动轨迹，分析超声振动钻削的变角度和变速度切削特性，并研究不分离型分离超声振动钻削的刀具减粘和提升刀具切削能力的特性；2.开展一系列CFRP/Ti叠层的不分离型UAD可行性实验，验证该方法对加工质量（包括钻削推力、孔表面质量以及孔径精度等）的提升效果；3.研究不分离型超声振动钻削的刀具减粘和提升刀具切削能力的特性。
结论：1.相比于常规钻削，不分离型UAD可以有效降低钻削推力；2.不分离型UAD可以有效提升孔表面质量与孔径精度；3.不分离型UAD可以有效减少刀具粘结，提升刀具寿命。

关键词组：CFRP/Ti叠层；超声辅助钻削；切削力；表面质量；刀具磨损

Influence of overhanging tool length and vibrator material on electromechanical impedance and amplitude prediction in ultrasonic spindle vibrator

Rendi KURNIAWAN, Moran XU, Min Ki CHOO, Shuo CHEN, Yein KWAK, Jielin CHEN, Saood ALI, Hanwei TENG, Pil Wan HAN, Gi Soo KIM, Tae Jo KO

DOI: 10.1631/jzus.A2300243 Downloaded: 15 Clicked: 26 Cited: 0 Commented: 0(p.292-310) <Full Text> <PPT > 5

Chinese summary <3> 刀具悬伸长度和换能器材料对超声主轴振动器的机电阻抗和振幅预测的影响

作者：Rendi KURNIAWAN¹,Moran XU¹, Min Ki CHOO¹, Shuo CHEN¹, Yein KWAK¹, Jielin CHEN¹, Saood ALI¹, Hanwei TENG¹, Pin WanHAN², Gi Soo KIM³, Tae Jo KO¹
机构：¹Precision Machining Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan-si, Gyeongbuk-do, Republic of Korea;²Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), Changwon-si, Gyeongsangnam-do, Republic of Korea;³KASWIN Co., Ltd, Changwon-si, Gyeongsangnam-do, Republic of Korea
目的：本文围绕用于设计单自由度谐振装备的阻抗频率和振幅预测展开研究，并考虑刀具悬伸长度（OL）和换能器不同材料的影响。此外，本文旨在提出一种考虑OL和不同材料影响的阻抗和阻尼比模型，以预测谐振频率和振幅。
创新点：1.在阻抗模型中将圆角形变幅杆简化为指数形，并简化夹头、螺母和刀具。2.在振幅仿真分析中考虑振幅与阻尼比的关系，以精确预测振幅。3.在实验验证中研究换能器不同材料的影响。
方法：1.选用不锈钢（SS 316L）和钛合金（Ti-6Al-4V）做为超声换能器的材料，并在超声换能器上施加最大可达20 MPa的预紧力。2.研究OL在40~50 mm范围内变化时对谐振频率的影响，并测量在100~300 V电压下的谐振振幅。3.进行铝合金6061铣削实验以验证超声换能器的性能。
结论：1.钛合金材料具有较高的谐振频率和最大25.6 μm的振幅。2.机电阻抗仿真预测谐振频率的误差小于3%。3.为了准确预测谐振振幅，有必要通过标定校准来确定阻尼比。4.加工可行性实验表明，超声换能器可以使切削力降低20%~30%。

关键词组：超声主轴；超声振动辅助铣削；单自由度；频率；振幅；铣削

Prediction of undeformed chip thickness distribution and surface roughness in ultrasonic vibration grinding of inner hole of bearings

Yanqin LI, Daohui XIANG, Guofu GAO, Feng JIAO, Bo ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200609 Downloaded: 313 Clicked: 432 Cited: 0 Commented: 0(p.311-323) <Full Text> <PPT > 5

Chinese summary <2> 轴承内孔超声振动磨削未变形切屑厚度分布及表面粗糙度预测

作者：李艳琴，向道辉，高国富，焦锋，赵波
机构：河南理工大学，机械与动力工程学院，中国焦作，454000
目的：超声振动辅助磨削在材料去除机理上与传统磨削有明显不同。超声振动辅助磨削中颗粒与工件相互作用的随机性会产生不同形状与厚度的切屑，然而，对超声磨削过程中的磨粒-工件相互作用的随机性及与表面粗糙度的关系还有待进一步研究。
创新点：提供一种快速有效的方法预测纵向超声振动磨削加工工件的表面粗糙度。
方法：1.采用符号差分法（表1）计算磨粒与工件的干涉深度和宽度，得到未变形切屑厚度（UCT）分布来描述磨粒与工件相互作用的随机特性。2.分析不同磨削参数下UCT厚度分布的特征。3.基于UCT分布，建立表面粗糙度预测模型。4.通过实验验证模型的有效性。
结论：1.基于超声磨削过程中磨粒的运动轨迹，提出符号差分法计算磨粒与工件的干涉深度和宽度，提高仿真效率。2.在超声磨削过程中UCT分布服从指数分布；通过提取不同加工参数下UCT分布的特征参数，发现超声波的应用可以改变UCT的深度和宽度，增强重复干涉效应，以及降低表面粗糙度。3.分析磨削参数对UCT分布特性的影响规律发现，基于UCT均值建立表面粗糙度预测模型得到的实验值与理论值的变化趋势一致，且最大偏差为14.3%。4.高砂轮转速、低工件速度、小磨削深度及合适的超声振幅有利于获得较低的UCT，从而形成较光滑的工件表面。

关键词组：超声振动磨削；未变形切屑厚度（UCT）；分布特征；表面粗糙度

Regular papers

Influence of vibration on the lubrication effect of a splash-lubricated gearbox

Yi LIU, Kailin ZHANG, Shuai SHAO, Hongxu XIANG, Zhijian YE

DOI: 10.1631/jzus.A2300436 Downloaded: 138 Clicked: 177 Cited: 0 Commented: 0(p.324-339) <Full Text> <PPT > 7

Chinese summary <1> 振动激励对飞溅润滑齿轮箱中润滑效果的影响

作者：刘逸，张开林，邵帅，向泓旭，叶志坚
机构：西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031
目的：以轨道交通车辆齿轮箱为研究对象，本文旨在研究轨道振动激励对飞溅润滑齿轮箱的润滑和效率的影响。
创新点：1.研究振动对齿轮箱内润滑与效率的影响；2.提出润滑评价指标，综合评估润滑情况；3.实测轨道激励。
方法：1.建立在动参考系中的齿轮箱高保真三维数值模型，并对不同振动方向下的齿轮箱进行计算流体力学仿真；2.讨论转速、浸油深度和不同喷油体积速率对润滑和效率的影响；3.提出一种对飞溅润滑齿轮箱内部润滑状况的评价方法，并量化地比较不同运行参数对润滑与效率的影响；4.通过实验验证该仿真方法的可行性。
结论：1.振动状态下，齿轮箱搅油损失和轴承供油量与静态下相比显著增大；2.在不同方向的振动中，横向振动载荷对齿轮箱润滑状况与效率的影响最大；3.对于所研究的轨道交通车辆齿轮箱，转速为1600 r/min、浸油深度为2倍齿高时润滑状态最佳；4.在各运行参数中，转速对齿轮箱的润滑与效率影响最为显著。

关键词组：综合润滑评价；搅油损失；动参考系；飞溅润滑；振动激励

N-doping offering higher photodegradation performance of dissolved black carbon for organic pollutants: experimental and theoretical studies

Yong GUO, Mengxia CHEN, Ting CHEN, Ying GUO, Zixuan XU, Guowei XU, Soukthakhane SINSONESACK, Keophoungeun KANMANY

DOI: 10.1631/jzus.A2300081 Downloaded: 389 Clicked: 504 Cited: 0 Commented: 0(p.340-356) <Full Text> <PPT > 4

Chinese summary <2> 掺杂氮元素使溶解性黑碳对有机污染物具有更高的光降解性能：实验和理论研究

作者：郭勇^1,3，陈孟霞¹，陈婷²，郭颖²，徐子璇¹，徐国威¹，Soukthakhane SINSONESACK⁴, Keophoungeun KANMANY⁴
机构：¹河海大学，浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，中国南京，210093；²江苏省环境科学研究院，江苏省环境工程重点实验室，中国南京，210036；³南京大学，污染控制与资源化研究国家重点实验室，中国南京，210023；⁴老挝自然资源和环境部，自然资源与环境研究所，中央环境实验室，老挝万象，999012
目的：1.将传统解释可溶性黑炭（DBC）结构的理论与能带结构理论相结合，定量研究DBC的光活性物种与能带结构的关系。2.阐明氮元素掺杂对DBC结构光降解污染物的影响机制。
创新点：通过能带结构理论阐明氮元素掺杂使DBC对有机污染物具有更高的光降解性能的机制。
方法：1.通过实验分析，证明氮元素成功掺入DBC；2.通过光降解实验数据，证明氮掺杂的DBC提高对有机污染物的光降解效率；3.通过活性物种捕获和分子探针实验确定主要的贡献物种，进一步结合能带结构理论阐明两种可溶性的黑碳在光降解过程中产生的贡献物种的不同的原因。
结论：氮掺杂促进了生物炭衍生的DBC对四环素（TC）和亚甲基蓝（MB）的光降解性能。这可能是由于以下原因：（1）氮掺杂使DBC的价带能量从1.55 eV增加到氮掺杂的可溶性黑炭（NDBC）的2.04 eV，这足以使NDBC的水氧化形成·OH。换句话说，NDBC可以产生-OH和，而DBC只能产生。（2）氮掺杂使DBC的带隙从2.29 eV增加到2.62 eV，从而导致光生电子孔的分离效率提高，最终促进光降解效率。（3）氮掺杂降低DBC在光照下的稳定性，使DBC对可见光的反应更加灵敏。

关键词组：可溶性黑碳；N-掺杂；有机污染物；带隙；光降解