Monitorización en línea de procesos de forja en frío mediante sensores de vibración

Escuchando el trabajo del metal pesado

Cuando aprietas un tornillo en una bicicleta o se ensamblan los tramos de un puente, muchas de esas piezas metálicas resistentes se formaron en fracciones de segundo mediante prensas potentes. Asegurar que cada una de esas piezas sea precisa y segura es crítico, pero comprobarlas constantemente resulta difícil y costoso. Este estudio muestra cómo, simplemente «escuchando» las vibraciones de una prensa de forja, se puede inferir en tiempo real si la máquina está sana y si las piezas que produce están dentro de tolerancia, sin necesidad de perforar huecos para nuevos sensores ni rediseñar herramientas caras.

Cómo se moldean las piezas metálicas

La forja en frío es un proceso de conformado del metal a temperatura ambiente que emplea fuerzas enormes. Se usa ampliamente para piezas de pequeño a mediano tamaño, como tornillos o pernos, fabricadas en grandes cantidades y a alta velocidad. En el proceso analizado aquí, cilindros metálicos lisos se transforman en piezas con cabezas semejantes a tornillos en dos pasos: primero el vástago se empuja hacia delante, luego la cabeza se abulta o engrosa. Estas operaciones se realizan dentro de matrices sometidas a grandes esfuerzos que deben permanecer extremadamente rígidas y precisas. Tradicionalmente, añadir sensores dentro de esas herramientas requiere mecanizar cavidades o canales adicionales, lo que puede debilitarlas, algo que los fabricantes prefieren evitar dada la ya enorme presión interna.

Una forma simple de acoplar «oídos» inteligentes

En lugar de modificar el utillaje, los investigadores exploraron una idea más ligera: atornillar sensores de vibración en orificios roscados que ya existen en la prensa y en las herramientas para su manipulación y transporte. Emplearon sensores compactos microelectromecánicos (MEMS), cada uno con una pequeña masa suspendida cuya oscilación se traduce en una señal eléctrica medible. Con la ayuda de un adaptador en forma de tornillo, cinco sensores se colocaron en distintas ubicaciones de la herramienta superior e inferior, orientados tanto horizontal como verticalmente. El equipo realizó más de 1.200 carreras de forja a distintas velocidades y posiciones del émbolo, midiendo además la altura de la cabeza de cada pieza y la temperatura dentro de las matrices.

Las vibraciones revelan el ritmo de la prensa

Al analizar una sola carrera con detalle, los investigadores pudieron asociar partes de la señal de vibración con momentos clave del movimiento de la prensa. Mientras el vástago se movía hacia abajo sin contacto, las vibraciones se mantenían bajas. Una vez que el cilindro metálico se comprimía en las dos etapas de conformado, la señal aumentaba bruscamente y luego se tranquilizaba cuando el vástago alcanzaba el punto más bajo. Cuando el bastidor de la prensa rebotaba y el vástago aceleraba hacia arriba, aparecía otro patrón de vibración distintivo. Los sensores situados en la parte frontal de la herramienta superior, en especial los que medían movimiento vertical, mostraron las señales más grandes y nítidas. Esto demostró que sensores atornillables sencillos pueden captar no solo el comportamiento general de la prensa, sino también los detalles de lo que la herramienta y la pieza experimentan internamente.

Conectando sacudidas, forma y calor

A lo largo de toda la producción, las lecturas de vibración variaron en consonancia con la frecuencia de las carreras: velocidades mayores implicaban vibraciones más intensas. Dentro de cada rango de velocidad, fluctuaciones menores en las señales se correlacionaron con cambios deliberados en la posición del émbolo, los cuales alteraban la altura de las cabezas de las piezas. El equipo empleó un método de agrupamiento no supervisado para combinar datos de vibración y calidad, mostrando que bandas distintivas de valores de vibración correspondían a distintos niveles de calidad y velocidades, incluso sin etiquetado previo. En algunas posiciones de sensor, la relación entre la intensidad de la vibración y la altura de la cabeza de la pieza fue casi lineal. Al mismo tiempo, las mediciones de temperatura de la matriz indicaron que cuando las condiciones de conformado cambiaban lo suficiente como para afectar la vibración y la altura de la pieza, también variaba la acumulación de calor en la herramienta.

Qué implica esto para las piezas metálicas de uso cotidiano

El estudio concluye que sensores de vibración externos, colocados con cuidado, pueden seguir de forma fiable tanto el comportamiento de la prensa de forja como la calidad de las piezas que produce, sin rediseñar ni debilitar las herramientas. Simplemente supervisando si las amplitudes de vibración se mantienen dentro de una envolvente saludable, las fábricas podrían detectar problemas como cambios de velocidad o deriva en las dimensiones de las piezas de forma temprana, antes de que se acumulen piezas defectuosas. En el futuro, combinar estos sensores compactos con sistemas de control inteligentes podría permitir que las prensas corrijan automáticamente sus ajustes, manteniendo millones de componentes metálicos cotidianos precisos, duraderos y seguros, al tiempo que se reducen costes y desperdicios.

Cita: Tchasse, P., Liewald, M. Inline monitoring of cold forging processes using vibration sensors. Sci Rep 16, 12583 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49219-2

Palabras clave: forja en frío, monitorización de vibraciones, control de calidad en línea, conformado de metales, sensores industriales