Monitorowanie procesu kucia na zimno w linii produkcyjnej za pomocą czujników drgań

Słuchając ciężkiej obróbki metalu

Gdy dokręcasz śrubę w rowerze albo łączone są elementy mostu, wiele z tych wytrzymałych części zostało ukształtowanych w ułamkach sekundy przez potężne prasy. Zapewnienie, że każda z tych części jest dokładna i bezpieczna, jest kluczowe, ale stała kontrola jest trudna i kosztowna. Badanie to pokazuje, jak proste „słuchanie” drgań prasy kuźniczej może w czasie rzeczywistym ujawnić, czy maszyna działa prawidłowo i czy produkowane części mieszczą się w tolerancjach — bez wiercenia otworów pod nowe czujniki czy przebudowy drogich narzędzi.

Jak metalowe części są formowane

Kucie na zimno to metoda formowania metalu w temperaturze otoczenia przy użyciu ogromnych sił. Jest powszechnie stosowane do części małych i średnich, takich jak śruby czy bolec, wytwarzanych masowo i z dużą prędkością. W opisywanym procesie proste metalowe walce są przekształcane w elementy przypominające śruby w dwóch etapach: najpierw pręt jest wyciskany do przodu, a następnie jego główka jest zagęszczana (upset). Operacje te zachodzą we wnętrzu wyśmienicie obciążonych matryc, które muszą pozostać wyjątkowo sztywne i precyzyjne. Tradycyjnie dodawanie czujników do takich narzędzi wymaga obróbki dodatkowych wnęk czy kanałów, co może je osłabić — a producenci chcą tego unikać, biorąc pod uwagę już ogromne ciśnienia wewnętrzne.

Prosty sposób na przymocowanie „inteligentnych uszu”

Zamiast modyfikować narzędzia, badacze sprawdzili bardziej oszczędny pomysł: przymocowanie czujników drgań do gwintowanych otworów, które już istnieją na prasie i narzędziach służących do transportu i montażu. Użyli kompaktowych mikromechanicznych (MEMS) czujników drgań, z każdym zawierającym maleńką zawieszoną masę, której ruch przekształcany jest w mierzalny sygnał elektryczny. Za pomocą adaptera w kształcie śruby pięć czujników umieszczono w różnych miejscach górnego i dolnego narzędzia, skierowanych zarówno poziomo, jak i pionowo. Zespół wykonał ponad 1 200 cykli kucia przy różnych prędkościach i pozycjach stempla, jednocześnie mierząc wysokość główek elementów i temperaturę wewnątrz matryc.

Drgania ujawniają rytm prasy

Analizując pojedynczy cykl, badacze mogli powiązać fragmenty sygnału drgań z kluczowymi momentami ruchu prasy. Gdy tłok poruszał się równomiernie w dół przed zetknięciem, drgania były niewielkie. Po ściśnięciu materiału w dwóch etapach formowania sygnał gwałtownie wzrastał, a następnie uspokajał się, gdy tłok osiągał najniższy punkt. Gdy rama prasy odbijała i tłok przyspieszał w górę, pojawiał się kolejny charakterystyczny wzorzec drgań. Czujniki umieszczone z przodu górnego narzędzia, zwłaszcza te mierzące ruch pionowy, rejestrowały najsilniejsze i najczytelniejsze sygnały. Pokazało to, że proste czujniki przymocowane śrubami mogą uchwycić nie tylko ogólne zachowanie prasy, ale też szczegóły dotyczące tego, co dzieje się wewnątrz narzędzia i z obrabianą częścią.

Łączenie drgań, kształtu i ciepła

W całym cyklu produkcyjnym odczyty drgań zmieniały się wraz z częstotliwością cykli: wyższe prędkości oznaczały silniejsze drgania. W obrębie każdego przedziału prędkości mniejsze fluktuacje sygnałów korelowały z celowymi zmianami pozycji stempla, które wpływały na wysokość główek części. Zespół zastosował metodę klastrowania bez nadzoru do grupowania połączonych danych o drganiach i jakości, pokazując, że wyraźne pasma wartości drgań odpowiadały różnym poziomom jakości i prędkościom, nawet bez wcześniejszego oznaczania danych. W niektórych pozycjach czujników zależność między natężeniem drgań a wysokością główki części była niemal liniowa. Jednocześnie pomiary temperatury matryc wykazały, że gdy warunki formowania zmieniały się na tyle, by wpłynąć na drgania i wysokość części, zmieniała się też ilość nagromadzonego ciepła w narzędziu.

Znaczenie dla codziennych metalowych części

Badanie dochodzi do wniosku, że starannie umieszczone zewnętrzne czujniki drgań mogą wiarygodnie śledzić zarówno zachowanie prasy kuciskowej, jak i jakość produkowanych części, bez konieczności przebudowy lub osłabiania narzędzi. Poprzez proste sprawdzanie, czy amplitudy drgań mieszczą się w bezpiecznym zakresie, zakłady mogą wykrywać problemy takie jak zmiany prędkości czy dryf wymiarów części na wczesnym etapie, zanim pojawią się wadliwe elementy. W przyszłości połączenie tych kompaktowych czujników z inteligentnymi systemami sterowania mogłoby pozwolić prasom na automatyczne korygowanie ustawień, utrzymując miliony codziennych metalowych komponentów w granicach dokładności, trwałości i bezpieczeństwa, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów i odpadów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kucie na zimno, monitorowanie drgań, kontrola jakości w linii, kształtowanie metalu, czujniki przemysłowe