使用振动传感器对冷冲压工艺进行在线监测

倾听重型金属的作业

无论是拧紧自行车上的螺栓，还是将桥梁拼装起来，许多这些结实的金属零件都是由强力压力机在瞬间成形的。确保每个零件都精确且安全至关重要，但不断检验它们既困难又昂贵。该研究展示了如何仅通过“倾听”冲压机的振动，即时判断机器是否健康以及其制造的零件是否在公差范围内——无需为新传感器钻孔或重新设计昂贵的刀具。

金属零件如何被挤压成型

冷冲压是在室温下利用巨大的力对金属进行成形的一种方法。它被广泛用于小到中等尺寸的零件，例如成批高速生产的螺钉或螺栓。在这里研究的工艺中，简单的金属圆柱体通过两步被变成螺钉状零件：首先将杆材向前挤压，然后将其头部顶起（加厚）。这些操作发生在高度受力的模具内，模具必须保持极高的刚性和精度。传统上，在此类工具中增加传感器意味着需要加工额外的空腔或通道，这会削弱它们——制造商希望避免这种情况，因为内部压力已经非常巨大。

给设备装上“聪明的耳朵”的简单方法

研究人员没有修改刀具，而是探索了更精简的方案：将振动传感器螺栓固定到压力机和刀具上已有的螺纹孔（用于搬运和运输）。他们使用了紧凑的微机电系统（MEMS）振动传感器，每个传感器包含一个微小的悬浮质量，其运动被转换为可测的电信号。借助一个螺旋形适配器，五个传感器被安置在上下模具的不同位置，既有水平方向也有垂直方向。随后，团队在不同速度和冲头位置下运行了超过1200次冲击，同时还测量了每个零件头部的高度和模具内部的温度。

振动揭示了压力机的节律

通过放大单次行程，研究人员能够将振动信号的各个部分与压力机运动的关键时刻对应起来。当冲头在接触前稳定下行时，振动保持较低；一旦金属坯料在两个成形阶段被挤压，信号急剧上升，然后在冲头到达最低点时平缓。当机架回弹且冲头加速上行时，又出现了另一种明显的振动模式。位于上模前方的传感器，尤其是测量垂直方向运动的传感器，显示出最大的且最清晰的信号。这表明，简单的螺栓固定传感器不仅能捕捉压力机的一般行为，还能反映模具与工件内部所经历的细节。

将振动、形状与热联系起来

在整个生产过程中，振动读数随行程速率变化：速度越高振动越强。在每个速度区间内，信号的微小波动与冲头位置的刻意改变相对应，这些改变会影响零件头部的高度。团队使用了一种无监督聚类方法对振动与质量数据的组合进行分组，显示出不同的振动值带对应于不同的质量水平和速度，即使没有事先标注。在某些传感器位置，振动强度与零件头部高度之间几乎呈线性关系。同时，模具温度测量表明，当成形条件发生足以影响振动和零件高度的变化时，模具内部的热量积累也会随之改变。

对日常金属零件意味着什么

研究得出结论：精心放置的外部振动传感器可以可靠地跟踪冲压机的运行状况以及其所产零件的质量，而无需重新设计或削弱工具。通过简单监测振动幅值是否保持在健康范围内，工厂可以及早发现诸如速度变化或零件尺寸漂移等问题，防止不合格零件大量堆积。未来，将这些紧凑传感器与智能控制系统结合，可能使压力机自动纠正其设置，从而在降低成本和浪费的同时，保持数以百万计日常金属部件的精度、耐用性和安全性。

引用: 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

关键词: 冷冲压, 振动监测, 在线质量控制, 金属成形, 工业传感器