Inline bewaking van koudsmeedprocessen met trilsensoren

Luisteren naar zwaar metaalwerk

Wanneer je een bout op een fiets aandraait of een brug in elkaar wordt gezet, zijn veel van die sterke metalen onderdelen in enkele ogenblikken gevormd door krachtige persen. Zeker weten dat elk van deze onderdelen nauwkeurig en veilig is, is cruciaal, maar ze voortdurend controleren is moeilijk en kostbaar. Deze studie laat zien hoe het eenvoudigweg "luisteren" naar de trillingen van een smeedpers in realtime kan aangeven of de machine gezond is en of de geproduceerde onderdelen binnen tolerantie vallen—zonder gaten te boren voor nieuwe sensoren of dure gereedschappen te herontwerpen.

Hoe metalen onderdelen in vorm worden geperst

Koudsmeden is een manier om metaal bij kamertemperatuur te vormen met enorme krachten. Het wordt veel gebruikt voor kleine tot middelgrote onderdelen, zoals schroeven of bouten, die in grote aantallen en met hoge snelheid worden geproduceerd. In het hier onderzochte proces worden eenvoudige metalen cilinders in twee stappen tot schroefachtige onderdelen gevormd: eerst wordt de staaf naar voren geperst, daarna wordt de kop uitgeduwd of verdikt. Deze bewerkingen vinden plaats in sterk belaste matrijzen die extreem stijf en nauwkeurig moeten blijven. Traditioneel betekent het toevoegen van sensoren binnen zulke gereedschappen het bewerken van extra holtes of kanalen, wat ze kan verzwakken—iets wat fabrikanten willen vermijden gezien de al enorme interne drukken.

Een eenvoudige manier om slimme oren te monteren

In plaats van het gereedschap te modificeren, onderzochten de onderzoekers een slankere optie: trillingssensoren vastschroeven op draadbouten die al aanwezig zijn op de pers en het gereedschap voor hantering en transport. Ze gebruikten compacte micro-elektromechanische (MEMS) trilsensoren, elk met een klein opgehangen massa-lichaam waarvan de beweging wordt omgezet in een meetbaar elektrisch signaal. Met behulp van een schroefvormige adapter werden vijf sensoren op verschillende locaties van het boven- en ondergereedschap geplaatst, zowel horizontaal als verticaal georiënteerd. Het team voerde vervolgens meer dan 1.200 smeedslagen uit bij wisselende snelheden en slagposities, terwijl ze ook de hoogte van elke onderdeelkop en de temperatuur in de matrijzen maten.

Trillingen onthullen het ritme van de pers

Door in te zoomen op een enkele slag konden de onderzoekers delen van het trilsignaal koppelen aan sleutelmomenten in de persbeweging. Terwijl de ram gestaag omlaag bewoog vóór contact, bleven de trillingen laag. Zodra het metalen blok in de twee vormstadia werd samengedrukt, steeg het signaal scherp en kalmeerde vervolgens toen de ram zijn laagste punt bereikte. Toen het persframe terugveerde en de ram omhoog versnelde, trad een ander kenmerkend trilpatroon op. Sensoren aan de voorkant van het bovenste gereedschap, vooral die verticale beweging maten, toonden de grootste en duidelijkste signalen. Dit toonde aan dat eenvoudige op bouten gemonteerde sensoren niet alleen het algemene gedrag van de pers kunnen vastleggen, maar ook de details van wat het gereedschap en het werkstuk van binnen ervaren.

Trillingen, vorm en warmte verbinden

Gedurende de volledige productie veranderden de trilmetingen in stap met het slagrate: hogere snelheden betekenden sterkere trillingen. Binnen elke snelheidsrange kwamen kleinere schommelingen in de signalen overeen met doelbewuste veranderingen in slagpositie, die bepaalden hoe hoog de onderdeelkoppen werden. Het team gebruikte een ongecontroleerde clusteringmethode om gecombineerde trillings- en kwaliteitsgegevens te groeperen, waarbij bleek dat onderscheidende banden van trillingswaarden overeenkwamen met verschillende kwaliteitsniveaus en snelheden, zelfs zonder voorafgaande etikettering. Op sommige sensorposities was de relatie tussen trillingssterkte en kophoogte van het onderdeel bijna lineair. Tegelijkertijd lieten matrijztemperatuurmetingen zien dat wanneer de vormcondities zodanig veranderden dat trillingen en onderdeelhoogte werden beïnvloed, ook de hoeveelheid warmte die zich in het gereedschap ophoopte veranderde.

Wat dit betekent voor alledaagse metalen onderdelen

De studie concludeert dat zorgvuldig geplaatste externe trilsensoren betrouwbaar zowel het gedrag van de smeedpers als de kwaliteit van de geproduceerde onderdelen kunnen volgen, zonder het gereedschap te herontwerpen of te verzwakken. Door simpelweg te controleren of trillingsamplitudes binnen een gezond bereik blijven, zouden fabrieken problemen zoals snelheidswijzigingen of verschuivende onderdeelafmetingen vroegtijdig kunnen herkennen, voordat defecte onderdelen zich opstapelen. In de toekomst kan het combineren van deze compacte sensoren met intelligente regelsystemen persen in staat stellen hun eigen instellingen automatisch aan te passen, waardoor miljoenen alledaagse metalen componenten nauwkeurig, duurzaam en veilig blijven en tegelijk kosten en afval verminderen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: koudsmeden, trilbewaking, inline kwaliteitscontrole, metaalvorming, industriële sensoren