Come Dimensionare un Cilindro Oleodinamico per il Core Pulling: Comprendere le Forze di Spinta e di Estrazione

Perché il Calcolo delle Forze è Più Complesso di Quanto Sembri

La scelta del corretto cilindro oleodinamico per un sistema di core pulling viene spesso considerata un’operazione relativamente semplice: si stima la pressione di iniezione, la si moltiplica per l’area frontale del tassello e si seleziona un cilindro capace di sviluppare una forza superiore.

Nella realtà progettuale, però, questo approccio è quasi sempre insufficiente.

Molti cilindri vengono sovradimensionati perché il progettista considera esclusivamente la pressione di iniezione che agisce sulla superficie frontale del tassello. Altri, al contrario, risultano sottodimensionati perché non viene valutata correttamente la forza necessaria ad estrarre il tassello una volta che il materiale plastico si è raffreddato e si è ritirato attorno ad esso.

Le conseguenze possono essere numerose: movimenti lenti, pressioni idrauliche eccessive, usura prematura delle guarnizioni oppure, nei casi peggiori, un cilindro incapace di estrarre completamente il tassello.

Questo è esattamente il problema affrontato in un interessante caso reale seguito dal Vega Engineering Team, nel quale un costruttore di stampi richiese assistenza per dimensionare due cilindri oleodinamici compatti destinati all’estrazione di due lunghi tasselli.

Prima ancora di eseguire qualsiasi calcolo, il Reparto Tecnico Vega richiese al cliente il disegno 2D dello stampo, il modello 3D e la geometria completa del particolare plastico. Solo dopo aver analizzato questi documenti fu possibile iniziare il dimensionamento del cilindro.

Questo primo passaggio rappresenta uno dei principi fondamentali della progettazione dei cilindri oleodinamici:

Un cilindro non dovrebbe mai essere scelto considerando esclusivamente la pressione di esercizio. Deve essere dimensionato in funzione della geometria del pezzo stampato e delle reali forze che agiranno sul tassello durante tutto il ciclo produttivo.

Perché la Geometria dello Stampo è Fondamentale

Ogni tassello presente all’interno di uno stampo attraversa due condizioni di carico completamente differenti.

La prima si verifica durante la fase di iniezione.

Il materiale plastico fuso riempie la cavità esercitando pressioni estremamente elevate che tendono a spingere il tassello all’indietro.

Questa è la cosiddetta forza di spinta (Thrust Force).

La seconda fase inizia quando il pezzo si raffredda.

Durante il raffreddamento il materiale plastico si ritira e aderisce alle superfici del tassello. A questo punto la pressione di iniezione non è più il problema principale.

Diventa invece necessario vincere l’adesione della plastica al metallo per poter estrarre il tassello.

Questa è la forza di estrazione (Traction Force).

In moltissime applicazioni è proprio quest’ultima a determinare il corretto dimensionamento del cilindro.

Ignorare questa differenza significa correre il rischio di scegliere un cilindro non adeguato.

La Richiesta del Cliente

Il cliente aveva richiesto un’offerta per due cilindri V260CF, con corse minime rispettivamente di 155 mm e 205 mm, destinati all’estrazione di inserti da un componente plastico stampato.

Invece di preparare immediatamente il preventivo, il Vega Engineering Team preferì raccogliere tutte le informazioni tecniche necessarie.

In particolare richiese:

  • il disegno completo dello stampo;
  • il modello CAD 3D;
  • la geometria del pezzo plastico.

Senza questi dati sarebbe stato impossibile determinare con precisione le forze realmente in gioco.

Questo approccio rappresenta una buona pratica progettuale.

Un fornitore che suggerisce un cilindro senza aver analizzato il pezzo e lo stampo basa la propria scelta su semplici ipotesi, non su un vero calcolo ingegneristico.

Comprendere la Forza di Spinta

Il primo calcolo effettuato dal Vega Engineering Team riguardò la forza esercitata dalla pressione del materiale plastico sulla superficie frontale del tassello.

Per entrambi i tasselli venne considerato un diametro massimo di 48 mm, corrispondente ad una superficie frontale di circa 18 cm².

Assumendo una pressione stimata nella cavità di 500 bar, la forza utile di spinta risultò superiore a 9.000 kgf, confermando che durante la fase di iniezione il tassello è sottoposto a carichi estremamente elevati.

Tuttavia questo valore, da solo, non è sufficiente per scegliere il cilindro.

Molti progettisti interrompono qui il proprio dimensionamento.

È un errore piuttosto comune.

Il cilindro non deve infatti contrastare continuamente la pressione di iniezione, ma deve soprattutto garantire che il tassello possa essere estratto in modo affidabile una volta completato il raffreddamento del pezzo.

Perché la Forza di Estrazione è Più Difficile da Calcolare

Quando il polimero solidifica, la pressione di iniezione praticamente scompare.

Potrebbe sembrare quindi che l’estrazione richieda uno sforzo minimo.

Nella pratica avviene esattamente il contrario.

Durante il raffreddamento la plastica subisce un ritiro volumetrico che la porta ad aderire fortemente alle superfici cilindriche, alle nervature, alle gole e a qualsiasi elemento che costituisca il tassello.

Di conseguenza il cilindro deve vincere questa adesione prima ancora che il tassello inizi a muoversi.

A differenza della forza di spinta, che dipende principalmente dalla pressione di iniezione e dall’area frontale, la forza di estrazione è influenzata contemporaneamente da numerosi fattori:

  • superficie totale di contatto;
  • ritiro del materiale plastico;
  • tipologia del polimero;
  • angolo di sformo;
  • rugosità superficiale;
  • lubrificazione;
  • condizioni di stampaggio.

Per questo motivo non esiste una formula universale valida per tutti gli stampi.

L’esperienza del progettista diventa parte integrante del calcolo.

L’Importanza dell’Adesione della Plastica

Uno degli aspetti più interessanti di questo caso riguarda proprio il metodo utilizzato dal Vega Engineering Team.

Invece di ipotizzare un’unica forza di estrazione, il tassello è stato suddiviso in diverse superfici laterali.

Ogni superficie è stata analizzata singolarmente.

Per ciascuna di esse è stato assegnato un diverso coefficiente di adesione della plastica, in funzione della geometria e dell’angolo di sformo.

In alcune zone è stato utilizzato un coefficiente di 20 kg/cm², mentre in altre sono stati impiegati valori di 12 kg/cm² e persino 9 kg/cm², dimostrando come la geometria del tassello influenzi direttamente la forza necessaria all’estrazione.

Questo metodo evidenzia perché l’esperienza applicativa sia ancora oggi fondamentale.

Due tasselli con lo stesso diametro possono richiedere forze di estrazione completamente differenti semplicemente perché differiscono nelle superfici di contatto, nella lunghezza o negli angoli di sformo.

La sola area frontale racconta soltanto una piccola parte del problema.

Perché gli Angoli di Sformo Modificano la Forza Necessaria

Gli angoli di sformo vengono introdotti per facilitare l’estrazione del pezzo.

Anche un piccolo aumento dell’inclinazione riduce significativamente la pressione di contatto tra plastica e acciaio.

Di conseguenza diminuiscono:

  • l’attrito;
  • l’adesione;
  • la forza richiesta al cilindro oleodinamico.

Al contrario, superfici quasi verticali tendono a trattenere il pezzo con maggiore intensità, aumentando sensibilmente la forza di estrazione.

È proprio per questo motivo che il Vega Engineering Team non ha applicato un unico coefficiente di adesione all’intero tassello, ma ha differenziato i valori in funzione della geometria reale delle superfici.

Nella progettazione degli stampi, comprendere il comportamento del materiale plastico durante il raffreddamento è spesso molto più importante che aumentare semplicemente il diametro del cilindro.

Calcolare la Reale Forza di Estrazione e Selezionare il Cilindro Oleodinamico Corretto

Una volta determinata la forza teorica di spinta, il Vega Engineering Team affrontò la parte più importante del progetto: calcolare la reale forza necessaria per estrarre i tasselli dopo il raffreddamento del pezzo plastico.

A differenza della forza di spinta, che dipende principalmente dalla pressione di iniezione, la forza di estrazione è il risultato dell’interazione tra il polimero raffreddato e la superficie del tassello.

Per questo motivo Vega non eseguì un unico calcolo complessivo.

Ogni tassello venne suddiviso in diverse superfici di contatto, analizzando separatamente il contributo di ciascuna di esse alla forza totale di estrazione.

Tassello n.1: Analizzare Ogni Superficie Separatamente

Per il primo tassello furono individuate tre differenti superfici laterali.

Ognuna presentava una diversa area di contatto con il materiale plastico e contribuiva quindi in maniera differente alla forza totale richiesta al cilindro.

Il calcolo venne sviluppato considerando coefficienti di adesione differenti in funzione della geometria:

  • Superficie 1: 24 cm² con coefficiente di adesione pari a 20 kg/cm², corrispondente ad una forza di circa 480 kgf.
  • Superficie 2: 150,35 cm² con coefficiente di 12 kg/cm², pari a circa 1.804 kgf.
  • Superficie 3: 2,45 cm² con coefficiente di 20 kg/cm², pari a circa 19 kgf.

La somma delle tre componenti portò ad una forza utile di estrazione di circa 2.303 kgf.

Questo risultato è estremamente interessante.

Durante l’iniezione il tassello era sottoposto ad una forza superiore ai 9.000 kgf, ma per il dimensionamento del cilindro risultava determinante la forza necessaria ad estrarlo dopo il raffreddamento del pezzo.

Senza analizzare singolarmente ogni superficie laterale sarebbe stato impossibile ottenere una valutazione affidabile.

La Scelta del Cilindro

Sulla base dei risultati ottenuti, il Vega Engineering Team consigliò un cilindro V260CF CF071 con corsa speciale da 205 mm, da utilizzare con una pressione minima di esercizio pari a 120 bar.

Non fu scelto il cilindro più grande disponibile.

Fu invece individuata la soluzione capace di garantire la forza richiesta con la minima pressione necessaria.

Questo approccio offre numerosi vantaggi:

  • minore consumo energetico;
  • riduzione delle sollecitazioni sulle guarnizioni;
  • maggiore durata del cilindro;
  • funzionamento più regolare;
  • migliore affidabilità dello stampo.

Sovradimensionare un cilindro può sembrare una scelta prudente, ma nella maggior parte dei casi comporta costi superiori e un funzionamento meno efficiente.

Tassello n.2: Una Geometria Diversa Produce Risultati Diversi

Per il secondo tassello il procedimento fu identico.

Anche se il diametro frontale rimaneva pressoché invariato, le superfici laterali risultavano differenti.

Di conseguenza anche la forza di estrazione cambiava.

Le tre superfici considerate generarono rispettivamente:

  • circa 94 kgf;
  • circa 952 kgf;
  • circa 1.054 kgf.

La forza totale di estrazione risultò quindi pari a circa 2.100 kgf, leggermente inferiore rispetto al primo tassello.

Questo dimostra chiaramente che due tasselli aventi lo stesso diametro non richiedono necessariamente lo stesso cilindro oleodinamico.

La geometria, la lunghezza delle superfici di contatto, gli angoli di sformo e il comportamento del materiale plastico possono modificare sensibilmente la forza richiesta.

Perché i Calcoli del Cliente Erano Diversi

Durante lo sviluppo del progetto il cliente comunicò che i propri calcoli producevano risultati differenti e chiese di conoscere nel dettaglio il metodo utilizzato da Vega.

Il Vega Engineering Team, invece di limitarsi a confermare la soluzione proposta, ripeté l’intero dimensionamento illustrando passo dopo passo tutti i calcoli effettuati.

Questo approccio rappresenta un esempio di vera consulenza tecnica.

Il dimensionamento di un cilindro non può basarsi esclusivamente su formule matematiche.

Entrano infatti in gioco anche numerosi fattori pratici, tra cui:

  • ritiro del materiale plastico;
  • finitura superficiale del tassello;
  • angolo di sformo;
  • condizioni di raffreddamento;
  • tipo di polimero;
  • tolleranze costruttive.

Per questo motivo l’esperienza maturata sul campo rappresenta un elemento fondamentale per ottenere risultati affidabili.

Perché i Disegni Sono Indispensabili

Una delle lezioni più importanti di questo caso riguarda proprio il punto di partenza dell’intero progetto.

Prima di effettuare qualsiasi calcolo, Vega richiese il modello tridimensionale dello stampo e del particolare plastico.

Senza queste informazioni non sarebbe stato possibile calcolare correttamente né la forza di spinta né la forza di estrazione.

Questo è un principio che ogni progettista dovrebbe seguire.

La scelta di un cilindro non dovrebbe mai dipendere soltanto da:

  • alesaggio;
  • corsa;
  • spazio disponibile nello stampo.

Occorre invece analizzare:

  • superficie frontale del tassello;
  • superficie laterale totale;
  • angoli di sformo;
  • pressione nella cavità;
  • materiale plastico;
  • ritiro del polimero;
  • coefficienti di adesione;
  • pressione di esercizio;
  • fattore di sicurezza.

Solo dopo questa analisi è possibile selezionare il cilindro realmente più adatto.

L’Ingegneria Va Oltre le Formule

Gli stampi moderni diventano ogni anno più complessi.

Tasselli sempre più lunghi, polimeri caricati con fibre di vetro, pareti sottili e cicli di produzione estremamente rapidi impongono requisiti sempre più elevati ai sistemi idraulici.

Per questo motivo il dimensionamento di un cilindro non può più essere considerato un semplice calcolo della pressione.

È un’attività multidisciplinare che richiede competenze di meccanica, tecnologia delle materie plastiche e progettazione degli stampi.

Il caso presentato dimostra come una corretta analisi della geometria del tassello e del comportamento del materiale plastico consenta di ottimizzare le dimensioni del cilindro, ridurre la pressione di lavoro e aumentare l’affidabilità dell’intero stampo.

Conclusioni

La scelta di un cilindro oleodinamico per il core pulling non dovrebbe mai basarsi esclusivamente sulla pressione di iniezione.

La vera sfida consiste nel comprendere il comportamento della plastica durante il raffreddamento e determinare con precisione la forza realmente necessaria per estrarre il tassello.

Il Vega Engineering Team ha affrontato questo progetto analizzando singolarmente ogni superficie di contatto, applicando coefficienti di adesione realistici e scegliendo il cilindro sulla base delle reali condizioni di lavoro, non di semplici ipotesi.

Questo metodo consente di ottenere sistemi più affidabili, ridurre i consumi energetici, limitare gli interventi di manutenzione e aumentare la durata operativa dei cilindri oleodinamici.

Approfondimenti Consigliati

Per approfondire il dimensionamento dei cilindri oleodinamici negli stampi a iniezione, possono essere utili anche i seguenti articoli tecnici:

Categoria: Supporto
Tag: • • • • • • • • •

Richiesta Informazioni

    * campi obbligatori

    Articoli correlati