基于振动离心淬火的油气行业高负荷部件内表面优化与可持续制造研究

《Scientific Reports》：Sustainable production of critical components for the oil and gas industry

　　

摘要

本研究探讨了在工业4.0和工业5.0框架下，石油和天然气行业中高负荷部件的可持续制造和质量保障的需求。主要目标是通过用更高效的资源利用方式替代传统的能源密集型精加工工艺，优化NB 32.02.102-04圆柱套的内表面处理。本研究提出了一种渐进式的技术路线，将传统的磨削和珩磨工艺替换为利用振动离心淬火（VCH）技术和硬质合金表面改性的压力处理方法。研究开发了一种方法论，用于分析整个制造过程中的表面粗糙度参数的传递和变化情况，从粗孔加工到最终塑性变形精加工（PDF）。专门设计了振动设备来处理这些关键部件难以触及的内部表面。实验结果表明，表面粗糙度特性得到了显著改善：轮廓的算术平均偏差（Ra）从6.12微米降低到了0.63微米，不规则度的十点高度（Rz）降低了约17倍，达到1.38微米。此外，表面的承载能力也有所提升，相对轴承长度（tm）增加了1.7倍。同时，表面间距参数RS和RSm降低了四倍多。技术传承性的分析表明，振动离心淬火是一种关键的技术手段，它能有效改变表面的原有特性，形成具有更好功能性能的表面状态。所开发的技术符合可持续制造的原则，通过消除潜在有害的切削液和磨料的使用、降低能源消耗以及减少材料浪费，支持了联合国可持续发展目标（SDGs）7、9、12和13的实现。研究结果展示了将振动离心淬火技术集成到NB 32.02.102-04圆柱套制造过程中的潜力，这是一种环保的精加工策略。然而，仍需进一步研究其对抗磨损性、疲劳强度以及关键工业部件长期可靠性的影响。