Inline-övervakning av kallformningsprocesser med vibrationssensorer

Att lyssna på tungmetallarbetet

När du drar åt en bult på en cykel eller när en bro sätts samman har många av de starka metalldelarna formats på bråkdelen av en sekund av kraftfulla pressar. Att säkerställa att varje enskild detalj är precis och säker är avgörande, men att kontrollera dem konstant är svårt och kostsamt. Denna studie visar hur man enkelt genom att ”lyssna” på vibrationssignaler från en smidespress i realtid kan avgöra om maskinen är i gott skick och om delarna håller toleranserna — utan att borra hål för nya sensorer eller att omkonstruera dyra verktyg.

Hur metalldelar pressas till form

Kallformning är en metod för att forma metall vid rumstemperatur med enorma krafter. Den används i stor utsträckning för små till medelstora delar, såsom skruvar eller bultar, som produceras i mycket stora antal och hög hastighet. I processen som undersöks här förvandlas enkla metallcylindrar till skruvliknande detaljer i två steg: först trycks stången framåt, därefter ’uppses’ eller förtjockas dess huvud. Dessa operationer sker i starkt belastade matriser som måste förbli extremt styva och precisa. Traditionellt innebär tillägg av sensorer inuti sådana verktyg att man måste bearbeta fram extra håligheter eller kanaler, vilket kan försvaga dem — något tillverkare vill undvika med tanke på de redan enorma inre trycken.

Ett enkelt sätt att fästa intelligenta öron

I stället för att modifiera verktygen undersökte forskarna en enklare idé: att bulta vibrationssensorer på gängade hål som redan finns på pressen och verktygen för hantering och transport. De använde kompakta MEMS-vibrationssensorer (mikro-elektro-mekaniska system), vardera med en liten upphängd massa vars rörelse omvandlas till en mätbar elektrisk signal. Med hjälp av en skruvformad adapter placerades fem sensorer på olika positioner på övre och nedre verktyget, orienterade både horisontellt och vertikalt. Teamet körde därefter fler än 1 200 smidestag vid varierande hastigheter och stanspositioner, samtidigt som de mätte höjden på varje dels huvud och temperaturen inne i matriserna.

Vibrationer avslöjar pressens rytm

Genom att zooma in på ett enda slag kunde forskarna koppla delar av vibrationssignalen till nyckelögonblick i pressens rörelse. När stampern rörde sig stadigt nedåt före kontakt höll sig vibrationerna låga. När metallbilletet pressades i de två formningsstegen steg signalen kraftigt, för att sedan lugna sig när stampern nådde sin lägsta punkt. När pressramen fjädrade tillbaka och stampern accelererade uppåt uppträdde ett annat distinkt vibrationsmönster. Sensorer på framsidan av det övre verktyget, särskilt de som mätte vertikal rörelse, visade de största och klaraste signalerna. Detta visade att enkla bolt-on-sensorer kan fånga inte bara pressens allmänna beteende utan också detaljer om vad verktyget och arbetsstycket utsätts för inuti.

Att koppla skakningar, form och värme

Över hela produktionsserien förändrades vibrationsavläsningarna i takt med slagfrekvensen: högre hastigheter gav kraftigare vibrationer. Inom varje hastighetsintervall korrelerade mindre variationer i signalerna med avsiktliga förändringar i stanspositionen, vilket påverkade hur höga delarnas huvuden blev. Teamet använde en oövervakad klustringsmetod för att gruppera kombinerade vibrations- och kvalitetsdata, vilket visade att distinkta band av vibrationsvärden motsvarade olika kvalitetsnivåer och hastigheter, även utan förhandsmärkning. På vissa sensorpositioner var sambandet mellan vibrationsstyrka och delhuvudets höjd nästan linjärt. Samtidigt visade mätningar av matristemperaturen att när formningsförhållandena ändrades till den grad att både vibration och delhöjd påverkades, förändrades även hur mycket värme som ackumulerades i verktyget.

Vad detta betyder för vardagliga metalldelar

Studien slutsatser är att noggrant placerade externa vibrationssensorer pålitligt kan övervaka både smidespressens beteende och kvaliteten hos de delar den producerar, utan att omkonstruera eller försvaga verktygen. Genom att enkelt bevaka om vibrationsamplituder håller sig inom ett hälsosamt intervall kan fabriker upptäcka problem som hastighetsändringar eller glidande delmått tidigt, innan felaktiga delar samlas upp. I framtiden kan kombinationen av dessa kompakta sensorer med intelligenta styrsystem göra det möjligt för pressar att automatiskt korrigera sina inställningar, vilket håller miljontals vardagliga metalldelar precisa, hållbara och säkra samtidigt som kostnader och avfall minskar.

Citering: 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

Nyckelord: kallformning, vibrationsövervakning, inline kvalitetskontroll, metallformning, industrisensorer