Come Calcolare la Forza di Estrazione dei Cilindri Idraulici negli Stampi a Iniezione con Bloccaggio Meccanico

Principi di Progettazione e Calcolo della Forza di Estrazione

La scelta di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione viene spesso considerata una semplice operazione di selezione da catalogo. Molti progettisti scelgono il diametro del cilindro basandosi sull’esperienza maturata in progetti precedenti oppure utilizzando la stessa soluzione adottata su stampi apparentemente simili.

Questo approccio, tuttavia, porta frequentemente a cilindri sovradimensionati, maggior consumo di olio, costi superiori al necessario e, nei casi peggiori, a cilindri incapaci di sviluppare la reale forza richiesta durante la fase di estrazione del pezzo stampato.

Un cilindro idraulico non dovrebbe mai essere scelto esclusivamente in funzione del diametro dell’alesaggio o della corsa.

Il corretto dimensionamento inizia sempre con un’analisi accurata delle forze che agiranno sul componente mobile durante l’intero ciclo di stampaggio.

Durante il funzionamento di uno stampo a iniezione, un cilindro idraulico può infatti svolgere compiti completamente differenti:

contrastare la pressione esercitata dal materiale plastico durante l’iniezione;
mantenere in posizione un tassello o un carrello;
estrarre un inserto dopo il raffreddamento del pezzo;
vincere gli attriti delle guide;
garantire precisione di posizionamento per milioni di cicli produttivi.

Ogni fase dello stampaggio genera condizioni di carico differenti.

Per questo motivo il cilindro deve essere dimensionato in funzione delle reali condizioni operative e non semplicemente sulla base delle sue dimensioni geometriche.

Uno degli errori più frequenti consiste nel ritenere che il cilindro debba sempre contrastare la pressione del materiale plastico.

In realtà moltissimi stampi moderni sono dotati di sistemi di bloccaggio meccanico che modificano completamente il metodo di calcolo.

Questo articolo analizza un caso reale affrontato dal reparto tecnico Vega nel quale è stato necessario dimensionare due cilindri idraulici destinati esclusivamente alla fase di estrazione, poiché le forze generate durante l’iniezione venivano completamente assorbite dallo stampo attraverso uno spallamento meccanico.

Perché il Bloccaggio Meccanico Cambia Completamente il Dimensionamento

Durante la fase di riempimento dello stampo il materiale plastico viene iniettato nella cavità ad una pressione estremamente elevata.

Se il tassello mobile fosse mantenuto chiuso unicamente dal cilindro idraulico, quest’ultimo dovrebbe sviluppare una forza sufficiente a contrastare direttamente la pressione esercitata dal materiale plastico.

Negli stampi di elevata qualità, invece, vengono normalmente utilizzati:

spallamenti meccanici;
cunei inclinati;
sistemi di bloccaggio meccanico.

Questi componenti trasferiscono le forze generate durante l’iniezione direttamente nella struttura dello stampo.

Quando il bloccaggio meccanico è correttamente progettato, il cilindro idraulico non deve più contrastare la pressione della cavità.

Il suo unico compito diventa quello di estrarre il tassello al termine dello stampaggio.

Questo dettaglio modifica completamente il procedimento di calcolo.

Non è più necessario determinare:

superficie frontale;
pressione di iniezione;
forza di spinta.

Occorre invece analizzare:

superficie laterale del tassello;
coefficiente di adesione della plastica;
angolo di sformo;
temperatura del pezzo;
forza utile di estrazione.

Comprendere il funzionamento del bloccaggio meccanico rappresenta quindi il primo passo per progettare correttamente qualsiasi cilindro destinato agli stampi a iniezione.

Il Caso Reale

Un costruttore di stampi ha richiesto al reparto tecnico Vega il dimensionamento di due cilindri idraulici destinati ad uno stampo per la produzione di un raccordo a gomito.

Nella richiesta il cliente specificava chiaramente che lo stampo era già dotato di bloccaggio meccanico.

Di conseguenza i cilindri dovevano sviluppare esclusivamente la forza necessaria per la fase di estrazione.

Questa informazione è fondamentale.

Sapendo che il bloccaggio meccanico assorbiva completamente la pressione del materiale plastico, il reparto tecnico ha potuto concentrare l’intera analisi sul calcolo della forza di trazione.

Anziché scegliere immediatamente un cilindro da catalogo, gli ingegneri Vega hanno eseguito il calcolo completo della forza di estrazione utilizzando la geometria reale del pezzo.

Questo metodo consente di evitare inutili sovradimensionamenti mantenendo un elevato margine di sicurezza.

Dati di Progetto

L’analisi è iniziata esaminando il modello tridimensionale inviato dal cliente.

Dal disegno sono stati ricavati i seguenti dati:

Parametro	Valore
Superficie laterale	177,66 cm²
Angolo di sformo	1°
Coefficiente di adesione	20 kg/cm²
Temperatura stimata del pezzo	30–40°C
Bloccaggio meccanico	Presente

Questi dati costituiscono la base dell’intero dimensionamento del cilindro.

Fase 1 – Calcolo della Superficie Laterale

Poiché il cilindro non deve contrastare la pressione di iniezione, la superficie frontale del tassello non viene presa in considerazione.

L’unico parametro geometrico realmente importante è la superficie laterale a contatto con il materiale plastico.

Dal modello tridimensionale è stata ricavata una superficie pari a:

177,66 cm²

Questa rappresenta l’area sulla quale il materiale plastico aderisce all’acciaio durante il raffreddamento.

Maggiore è questa superficie, maggiore sarà la forza necessaria per estrarre il tassello.

Uno degli errori più comuni consiste nel confondere la superficie frontale con quella laterale.

La superficie frontale serve esclusivamente per calcolare la forza generata durante l’iniezione.

La superficie laterale determina invece la forza richiesta durante l’estrazione.

Sono due calcoli completamente differenti.

Fase 2 – Analisi dell’Angolo di Sformo

Il secondo parametro preso in considerazione riguarda l’angolo di sformo.

Nel caso analizzato esso risulta pari a:

1°

Può sembrare un dettaglio trascurabile, ma in realtà rappresenta uno dei parametri che influenzano maggiormente la forza di estrazione.

L’angolo di sformo riduce la pressione di contatto tra il materiale plastico e l’acciaio.

All’aumentare dello sformo diminuisce l’adesione del pezzo allo stampo.

Al contrario, angoli molto piccoli aumentano sensibilmente la forza necessaria per l’estrazione.

Molti progettisti cercano di risolvere il problema installando cilindri più grandi.

Spesso, invece, sarebbe sufficiente aumentare leggermente l’angolo di sformo per ridurre drasticamente la forza richiesta senza modificare il circuito oleodinamico.

Fase 3 – Stima del Coefficiente di Adesione

Dopo aver analizzato la geometria del tassello, il reparto tecnico Vega ha stimato il coefficiente di adesione tra il materiale plastico e la superficie dello stampo.

Per questa applicazione è stato assunto un valore pari a:

20 kg/cm²

Tale valore è stato considerato adeguato per:

angolo di sformo pari ad 1°;
pezzo relativamente freddo;
temperatura stimata durante l’estrazione compresa tra 30°C e 40°C.

Il coefficiente di adesione rappresenta uno dei parametri più difficili da determinare.

Esso dipende infatti da numerosi fattori:

tipo di polimero;
cariche minerali;
finitura superficiale dello stampo;
rugosità della cavità;
temperatura dello stampo;
tempo di raffreddamento;
ritiro del materiale;
eventuali lubrificanti.

Per questo motivo aziende con lunga esperienza nel settore, come Vega, utilizzano coefficienti ricavati dall’esperienza maturata su migliaia di applicazioni reali.

Fase 4 – Calcolo della Forza di Estrazione

Una volta determinata la superficie laterale ed il coefficiente di adesione è possibile eseguire il calcolo della forza necessaria per estrarre il tassello.

La formula utilizzata è estremamente semplice:

Forza di estrazione = Superficie laterale × Coefficiente di adesione

Sostituendo i valori del caso reale:

Superficie laterale = 177,66 cm²

Coefficiente di adesione = 20 kg/cm²

Forza = 177,66 × 20

Forza = 3.553 kgf

Questo valore coincide esattamente con quello calcolato dal reparto tecnico Vega.

La forza di 3.553 kgf rappresenta la forza utile minima che il cilindro dovrà essere in grado di sviluppare per garantire un’estrazione affidabile del componente stampato.

Perché Questo Calcolo È Fondamentale

Molti progettisti, quando non conoscono con precisione la forza richiesta, scelgono semplicemente un cilindro più grande.

Sebbene questa soluzione sembri prudente, spesso introduce nuovi problemi.

Un cilindro sovradimensionato comporta:

maggiore consumo di olio;
gruppi oleodinamici più grandi;
valvole di dimensioni superiori;
maggiore ingombro nello stampo;
tempi di risposta più lenti;
costi di produzione più elevati.

Al contrario, un cilindro sottodimensionato può non riuscire ad estrarre il pezzo in modo affidabile, causando fermi macchina e costosi interventi di manutenzione.

Per questo motivo il calcolo della forza di estrazione rappresenta il punto di partenza di qualsiasi corretto dimensionamento.

Dimensionamento del Cilindro, Coefficiente di Sicurezza e Analisi Tecnica

Nella prima parte di questo articolo abbiamo dimostrato come il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico inizi sempre dal calcolo delle forze realmente presenti durante il ciclo di stampaggio.

Nel caso analizzato, il bloccaggio meccanico dello stampo assorbe completamente la pressione di iniezione.

Il cilindro idraulico deve quindi sviluppare esclusivamente la forza necessaria per vincere l’adesione tra il componente plastico e il tassello.

L’analisi del reparto tecnico Vega ha determinato una forza utile di estrazione pari a:

3.553 kgf.

A questo punto, tuttavia, il lavoro dell’ingegnere non è ancora terminato.

Conoscere la forza richiesta rappresenta soltanto il punto di partenza.

Occorre ora verificare quale cilindro sia realmente in grado di sviluppare tale forza con un adeguato margine di sicurezza.

Fase 5 – Scelta della Pressione di Esercizio

Uno degli aspetti più importanti nella progettazione di un impianto oleodinamico riguarda la pressione di esercizio.

Molti progettisti pensano che la scelta del diametro del cilindro sia indipendente dalla pressione.

In realtà i due parametri sono strettamente collegati.

Una pressione più elevata permette di utilizzare cilindri con diametro inferiore.

Una pressione più bassa richiede invece pistoni di diametro maggiore.

Per questa applicazione il reparto tecnico Vega ha proposto due differenti soluzioni:

cilindro Ø63 funzionante a 150 bar;
cilindro Ø80 funzionante a 100 bar.

Entrambe le soluzioni soddisfano perfettamente il requisito di forza.

Cambiano però dimensioni, consumi e comportamento del sistema oleodinamico.

Fase 6 – Calcolo dell’Area del Pistone

La forza sviluppata da un cilindro dipende esclusivamente da due parametri:

pressione dell’olio;
superficie del pistone.

Per determinare la superficie utile del pistone si utilizza la seguente formula:

Area = π × D² / 4

dove:

Area = superficie del pistone (cm²)
D = diametro del pistone (cm)

Calcolo del Cilindro Ø63

Diametro pistone:

63 mm

Convertendo il diametro in centimetri:

6,3 cm

Applicando la formula:

Area = 3,1416 × 6,3² / 4

Area = 3,1416 × 39,69 / 4

Area = 124,69 / 4

Area = 31,17 cm²

Questa rappresenta la superficie effettiva sulla quale agirà la pressione dell’olio.

Fase 7 – Calcolo della Forza Sviluppata

Per determinare la forza prodotta dal cilindro si utilizza la relazione fondamentale dell’oleodinamica:

Forza = Pressione × Area del pistone

Nel nostro caso:

Pressione = 150 bar

Area = 31,17 cm²

Quindi:

Forza = 150 × 31,17

Forza = 4.675 kgf

Il cilindro è quindi in grado di sviluppare una forza sensibilmente superiore ai 3.553 kgf richiesti per l’estrazione.

Fase 8 – Verifica del Coefficiente di Sicurezza

In progettazione non è corretto scegliere un cilindro capace di sviluppare esattamente la forza teoricamente necessaria.

Occorre sempre prevedere un margine di sicurezza.

Il coefficiente di sicurezza viene calcolato come:

Coefficiente di sicurezza = Forza disponibile / Forza richiesta

Nel nostro caso:

Coefficiente = 4.675 / 3.553

Coefficiente di sicurezza = 1,31

Ciò significa che il cilindro dispone di circa il 31% di forza aggiuntiva rispetto a quella strettamente necessaria.

Questo margine permette di compensare:

attrito delle guide;
attrito delle guarnizioni;
perdite di pressione;
contaminazione dell’olio;
tolleranze costruttive;
usura dopo milioni di cicli.

Per applicazioni di questo tipo un coefficiente compreso tra 1,2 e 1,5 rappresenta generalmente un ottimo compromesso tra affidabilità ed efficienza.

Soluzione Alternativa – Cilindro Ø80

Per i clienti che preferiscono lavorare con pressioni più contenute, Vega ha proposto anche una seconda soluzione.

Diametro pistone:

80 mm

Diametro convertito:

8 cm

Calcolando la superficie:

Area = 3,1416 × 8² / 4

Area = 3,1416 × 64 / 4

Area = 201,06 / 4

Area = 50,27 cm²

Calcolo della Forza del Cilindro Ø80

La pressione di esercizio proposta è pari a:

100 bar

Applicando la formula:

Forza = 100 × 50,27

Forza = 5.027 kgf

Coefficiente di Sicurezza del Cilindro Ø80

Il margine di sicurezza risulta quindi:

5.027 / 3.553

Coefficiente di sicurezza = 1,41

Il cilindro Ø80 dispone quindi di circa il 41% di forza in più rispetto alla forza realmente necessaria.

Questo maggiore margine viene ottenuto semplicemente aumentando la superficie del pistone e riducendo la pressione dell’olio.

Perché Vega Propone Due Soluzioni Diverse

Molti progettisti si aspettano che esista un solo cilindro corretto.

In realtà un corretto dimensionamento può portare a più soluzioni tecnicamente valide.

La scelta finale dipende dagli obiettivi del costruttore dello stampo.

Cilindro Ø63 a 150 bar

Vantaggi:

dimensioni compatte;
minore ingombro nello stampo;
minore volume d’olio;
maggiore velocità di movimento;
peso inferiore.

Possibili svantaggi:

pressione più elevata;
maggiore sollecitazione delle guarnizioni;
maggiore sensibilità ai picchi di pressione.

Cilindro Ø80 a 100 bar

Vantaggi:

pressione di lavoro inferiore;
minore stress sulle guarnizioni;
funzionamento più dolce;
maggiore margine di sicurezza;
maggiore durata dei componenti.

Possibili svantaggi:

maggiore ingombro;
maggiore quantità di olio movimentata;
velocità leggermente inferiore a parità di portata della pompa.

Entrambe le soluzioni rappresentano quindi un corretto compromesso progettuale.

L’Influenza della Temperatura del Pezzo

Nel calcolo iniziale il reparto tecnico Vega ha assunto una temperatura del pezzo compresa tra 30°C e 40°C.

Tuttavia gli ingegneri hanno evidenziato un aspetto molto importante.

Se il pezzo venisse estratto a temperatura più elevata, il coefficiente di adesione diminuirebbe.

Di conseguenza diminuirebbe anche la forza di estrazione.

Vediamo alcuni esempi.

Coefficiente di adesione = 20 kg/cm²

177,66 × 20

3.553 kgf

Coefficiente di adesione = 15 kg/cm²

177,66 × 15

2.665 kgf

Coefficiente di adesione = 10 kg/cm²

177,66 × 10

1.777 kgf

È evidente come la forza di estrazione possa ridursi di circa il 50% semplicemente modificando le condizioni di processo.

Per questo motivo il corretto dimensionamento di un cilindro non può essere separato dalla conoscenza del processo produttivo.

Errori Più Comuni nel Dimensionamento

L’analisi di questo caso mette in evidenza alcuni errori ricorrenti.

Il primo consiste nel calcolare il cilindro utilizzando la pressione di iniezione anche quando il bloccaggio meccanico assorbe completamente tali forze.

Un secondo errore riguarda la sottovalutazione dell’angolo di sformo.

Anche piccole variazioni dello sformo possono modificare sensibilmente la forza richiesta durante l’estrazione.

Un altro errore consiste nel considerare costante il coefficiente di adesione della plastica, ignorando l’effetto della temperatura del pezzo e delle caratteristiche del materiale.

Infine, molti progettisti scelgono cilindri molto più grandi del necessario “per sicurezza”.

Questa pratica aumenta i costi, i consumi energetici e l’ingombro dello stampo senza apportare reali vantaggi.

Metodo di Progettazione Consigliato

Quando un cilindro viene utilizzato esclusivamente per la fase di estrazione, il procedimento corretto dovrebbe sempre seguire questi passaggi:

Verificare che il bloccaggio meccanico assorba la pressione di iniezione.
Calcolare la superficie laterale del tassello.
Determinare l’angolo di sformo.
Stimare il coefficiente di adesione del materiale plastico.
Calcolare la forza di estrazione.
Scegliere la pressione di esercizio.
Calcolare l’area del pistone.
Verificare la forza sviluppata dal cilindro.
Calcolare il coefficiente di sicurezza.
Validare il progetto durante le prove stampo.

Seguendo questo metodo il dimensionamento diventa oggettivo, ripetibile e facilmente verificabile.

Conclusioni

Questo caso reale dimostra come il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico non inizi dalla scelta del diametro del pistone, ma dalla comprensione delle forze realmente presenti nello stampo.

Quando il bloccaggio meccanico assorbe completamente la pressione di iniezione, il cilindro deve essere progettato esclusivamente per vincere l’adesione tra il pezzo stampato e il tassello.

Attraverso il calcolo della superficie laterale, del coefficiente di adesione, della forza di estrazione, della superficie del pistone e del coefficiente di sicurezza, il reparto tecnico Vega ha dimostrato che sia un cilindro Ø63 a 150 bar sia un cilindro Ø80 a 100 bar rappresentano soluzioni tecnicamente corrette, ognuna con vantaggi specifici.

Questo caso evidenzia un principio fondamentale dell’ingegneria oleodinamica: il miglior cilindro non è quello più grande, ma quello correttamente dimensionato sulla base di calcoli oggettivi e delle reali condizioni operative dello stampo.