冷鍛工藝憑借高尺寸精度和大批量生產(chǎn)能力，在汽車緊固件、精密零部件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，如何在不損傷模具結(jié)構(gòu)完整性的前提下實(shí)現(xiàn)過程在線監(jiān)測，長期以來是業(yè)界難以突破的瓶頸。近日，發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）的一項(xiàng)研究給出了一種切實(shí)可行的新方案：利用可外掛式振動傳感器，在無需改動模具主體結(jié)構(gòu)的條件下，實(shí)現(xiàn)冷鍛過程的全面在線監(jiān)控。

冷鍛加工的工件重量通常不超過30千克，壓力機(jī)沖程頻率Zui高可達(dá)每分鐘300次。如此高節(jié)拍的生產(chǎn)環(huán)境中，熱載荷與機(jī)械載荷劇烈波動，實(shí)時監(jiān)測難度極大。更棘手的是，冷鍛模具承受的工件表面壓力可高達(dá)3000牛/平方毫米，模具本身往往需要通過收縮環(huán)加固，任何因傳感器集成而導(dǎo)致的模具體積削減，都可能引發(fā)整體剛度下降乃至模具失效。

現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的局限與振動傳感器的切入點(diǎn)

為規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)界此前已探索過多種薄型傳感器方案。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器被集成進(jìn)增材制造的模具中，用于測量溫度和應(yīng)變；壓電薄膜傳感器被安裝于擠壓沖頭，用于檢測同心度偏差和模具溫升。此類方案技術(shù)上雖已被證明有效，但成本高昂，尚未在工業(yè)批量生產(chǎn)場景中得到充分驗(yàn)證。因此，大多數(shù)企業(yè)仍依賴測力傳感器監(jiān)測成形力、依賴熱電偶監(jiān)測模具溫度——這些方法本身也各有集成難題。

聲發(fā)射（AE）傳感器則因其集成靈活性受到一定關(guān)注，曾被應(yīng)用于機(jī)加工、鑄造、塑料注射成型及板料成形等領(lǐng)域的質(zhì)量監(jiān)測，但外部噪聲干擾問題始終是制約其實(shí)用化的隱患。相比之下，振動傳感器此前在冷鍛領(lǐng)域的應(yīng)用研究極為有限——已有少數(shù)文獻(xiàn)提及將加速度傳感器用于監(jiān)測壓力機(jī)或滑塊運(yùn)動，但均未將振動信號與Zui終零件質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來加以分析。正是這一空白，促成了本次研究的立題。

兩階段冷鍛試驗(yàn)：傳感器布局與信號采集

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套兩階段冷鍛試驗(yàn)方案，工藝流程包括正向棒料擠壓和鐓粗兩個工步，Zui終成形一種類螺釘零件（無螺紋、無驅(qū)動結(jié)構(gòu)和），頭部直徑約20毫米、頭部高度約6毫米、桿部直徑約10毫米、桿部高度約20毫米。坯料材質(zhì)為1.5510鋼，表面經(jīng)磷化皂化處理以提升耐溫性。壓力機(jī)采用舒勒（Schuler）伺服機(jī)械肘節(jié)式壓力機(jī)，鐓粗能力5000千牛，沖程頻率范圍為每分鐘3至45次。

傳感器集成方面，研究團(tuán)隊(duì)選用了奧圖森（Autosen GmbH）公司生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振動傳感器。該傳感器基于電容原理：內(nèi)部懸浮微質(zhì)量塊在運(yùn)動時改變與固定電極之間的間隙，進(jìn)而引起電容變化，輸出微質(zhì)量塊振動速度的均方根值（單位：毫米/秒）。關(guān)鍵在于，研究人員充分利用了模具和滑塊上原本用于運(yùn)輸目的的M20螺紋孔，通過定制M20×60六角螺栓作為適配器，將傳感器（M8接口）無損掛載到模具各部位，完全避免了對模具本體的任何改動。共計(jì)布置五個振動傳感器：上模具背部水平方向兩個、上模具前部垂直方向兩個、下模具右后側(cè)水平方向一個。

此外，系統(tǒng)還配備了激光輪廓儀對每個成形件進(jìn)行在線質(zhì)量檢測，以頭部高度作為質(zhì)量評判指標(biāo)；并通過模具內(nèi)置熱電偶同步記錄溫度數(shù)據(jù)，多維度數(shù)據(jù)的聯(lián)合采集為后續(xù)分析提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1233次連續(xù)沖壓驗(yàn)證：振動信號與質(zhì)量的強(qiáng)相關(guān)性

研究團(tuán)隊(duì)以連續(xù)1233次沖壓生產(chǎn)作為驗(yàn)證場景，期間將沖程頻率在每分鐘25次、20次、15次、10次之間切換四次，每檔頻率保持約300次沖程，同時每隔25次沖程調(diào)整一次沖頭高度位置，以主動引入零件質(zhì)量波動。

單次沖程的振動信號分析揭示了清晰的物理分段特征：A階段，滑塊向下死點(diǎn)運(yùn)動，振動幅值較低；B階段，沖頭接觸工件并完成擠壓與鐓粗，振動幅值迅速攀升至峰值，隨后隨著工件與模具摩擦力被克服而趨于回落；C階段，滑塊到達(dá)下死點(diǎn)后，壓力機(jī)因彈性變形儲存的機(jī)械能瞬間釋放，滑塊急速上行加速，產(chǎn)生明顯的振動特征，可直接反映壓力機(jī)和模具的剛度水平；D至E階段，上模具傳感器跟隨滑塊回程，而安裝于下模具的第五號傳感器則與頂出器動作形成對應(yīng)關(guān)聯(lián)。

在連續(xù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析中，振動信號幅值與沖程頻率的正相關(guān)關(guān)系一目了然：頻率越高，幅值越大，且不同頻率檔位之間存在明顯梯度分層。垂直方向布置的2號和3號傳感器因其方向敏感性更優(yōu)，對零件質(zhì)量波動的響應(yīng)尤為顯著——其信號波動模式可直接對應(yīng)沖頭位置調(diào)節(jié)引起的頭部高度變化。

研究進(jìn)一步采用K均值聚類（k-means clustering）算法對振動信號與零件頭部高度數(shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督學(xué)習(xí)分析，將數(shù)據(jù)劃分為九個簇類，以捕捉三種沖程頻率下的三段質(zhì)量區(qū)間。結(jié)果表明，對于垂直方向傳感器，振動信號與零件質(zhì)量之間甚至呈現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，通過設(shè)置包絡(luò)曲線和允差限值即可實(shí)現(xiàn)簡便的質(zhì)量邊界監(jiān)控，無需復(fù)雜的離線分析。

溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步佐證了上述發(fā)現(xiàn)：頭部高度的增大對應(yīng)模具溫度的降低，兩者變化趨勢高度吻合，說明成形功的變化同時影響著振動信號與模具熱狀態(tài)，三者之間存在深層次的物理耦合關(guān)系。

綜合來看，本研究首次系統(tǒng)性地證明了外掛式振動傳感器可同時勝任冷鍛壓力機(jī)全局行為監(jiān)測和模具局部載荷與零件質(zhì)量的精細(xì)化監(jiān)測。未來研究方向?qū)⒕劢褂趯⒄駝訙y量與閉環(huán)控制策略結(jié)合，并引入人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)方法，推動冷鍛工藝向長期穩(wěn)健的自主控制邁進(jìn)。