Monitoraggio in linea dei processi di formatura a freddo mediante sensori di vibrazione

Ascoltare il lavoro del metallo pesante

Quando stringi una vite su una bicicletta o si assembla un ponte, molte di quelle parti metalliche resistenti sono state formate in frazioni di secondo da presse potenti. Garantire che ciascuno di questi pezzi sia preciso e sicuro è fondamentale, ma ispezionarli continuamente è difficile e costoso. Questo studio mostra come il semplice “ascolto” delle vibrazioni di una pressa per formatura possa rivelare, in tempo reale, se la macchina è in buona salute e se i pezzi prodotti rientrano nelle tolleranze—senza praticare fori per nuovi sensori o riprogettare stampi costosi.

Come il metallo viene modellato

La formatura a freddo è una tecnica per deformare il metallo a temperatura ambiente usando forze molto elevate. È largamente impiegata per pezzi di piccole e medie dimensioni, come viti o bulloni, prodotti in grandi quantità e ad alta velocità. Nel processo esaminato qui, cilindri metallici semplici vengono trasformati in elementi simili a viti in due fasi: prima l’asta viene spinta in avanti, poi la testa viene imbutita, cioè si addensa. Queste operazioni avvengono all’interno di matrici soggette a forti sollecitazioni che devono rimanere estremamente rigide e precise. Tradizionalmente, aggiungere sensori all’interno di tali utensili richiede la lavorazione di cavità o canali supplementari, che può indebolirli—cosa che i produttori vogliono evitare dato l’enorme carico interno già presente.

Un modo semplice per attaccare “orecchie” intelligenti

Invece di modificare gli utensili, i ricercatori hanno esplorato un’idea più snella: avvitare sensori di vibrazione sui fori filettati che sono già presenti sulla pressa e sugli utensili per movimentazione e trasporto. Hanno impiegato sensori di vibrazione MEMS compatti, ciascuno contenente una minuscola massa sospesa la cui escursione viene convertita in un segnale elettrico misurabile. Con l’aiuto di un adattatore a forma di vite, cinque sensori sono stati posizionati in punti diversi dell’utensile superiore e inferiore, orientati sia orizzontalmente sia verticalmente. Il team ha quindi eseguito oltre 1.200 corse di formatura a velocità e posizioni del punzone variabili, misurando anche l’altezza della testa di ciascun pezzo e la temperatura all’interno delle matrici.

Le vibrazioni rivelano il ritmo della pressa

Analizzando nel dettaglio una singola corsa, i ricercatori sono riusciti ad associare parti del segnale di vibrazione a momenti chiave del moto della pressa. Quando il pistone scendeva in modo costante prima del contatto, le vibrazioni restavano basse. Una volta che il pezzo metallico veniva compresso nelle due fasi di formatura, il segnale aumentava bruscamente, poi si calmava quando il pistone raggiungeva il punto più basso. Quando la struttura della pressa rimbalzava e il pistone accelerava verso l’alto, compariva un altro schema di vibrazione distinto. I sensori posti frontalmente sull’utensile superiore, in particolare quelli che misuravano il moto verticale, mostravano i segnali più ampi e netti. Questo ha dimostrato che sensori semplici avvitati esternamente possono catturare non solo il comportamento generale della pressa, ma anche i dettagli di ciò che utensile e pezzo stanno sperimentando internamente.

Collegare vibrazioni, forma e calore

Nel corso dell’intera produzione, le letture di vibrazione variavano in funzione della frequenza delle corse: velocità più elevate implicavano vibrazioni più intense. All’interno di ciascuna fascia di velocità, piccole fluttuazioni nei segnali corrispondevano a variazioni deliberate della posizione del punzone, che modificavano l’altezza delle teste dei pezzi. Il team ha utilizzato un metodo di clustering non supervisionato per raggruppare dati combinati di vibrazione e qualità, mostrando che bande distintive di valori di vibrazione corrispondevano a diversi livelli di qualità e velocità, anche senza etichettatura preventiva. In alcune posizioni dei sensori, la relazione tra intensità delle vibrazioni e altezza della testa del pezzo risultava quasi lineare. Allo stesso tempo, le misure di temperatura della matrice hanno mostrato che quando le condizioni di formatura cambiavano a sufficienza da influenzare vibrazione e altezza del pezzo, cambiava anche l’accumulo di calore nell’utensile.

Cosa significa per i componenti metallici di uso comune

Lo studio conclude che sensori di vibrazione esterni ben posizionati possono monitorare in modo affidabile sia il comportamento della pressa che la qualità dei pezzi prodotti, senza riprogettare o indebolire gli utensili. Semplicemente controllando se le ampiezze di vibrazione rimangono entro un involucro di sicurezza, le fabbriche potrebbero rilevare precocemente problemi come variazioni di velocità o deriva delle dimensioni dei pezzi, prima che si accumulino componenti difettosi. In futuro, combinare questi sensori compatti con sistemi di controllo intelligenti potrebbe permettere alle presse di correggere automaticamente le impostazioni, mantenendo milioni di componenti metallici quotidiani precisi, durevoli e sicuri, riducendo al contempo costi e sprechi.

Citazione: 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

Parole chiave: formatura a freddo, monitoraggio delle vibrazioni, controllo qualità in linea, formatura dei metalli, sensori industriali