Guida pratica al calcolo della forza di spinta, della forza di trazione, della pressione e del precarico
Il dimensionamento di un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello in uno stampo a iniezione non può essere effettuato semplicemente scegliendo il cilindro in base alle dimensioni del carrello o allo spazio disponibile nello stampo.
Durante l’iniezione, la pressione della plastica genera forze molto elevate sulle superfici dello stampo e sui componenti mobili. Il cilindro di bloccaggio deve quindi essere dimensionato in funzione delle forze effettivamente generate dalla geometria del pezzo e dalle condizioni di stampaggio.
Un’analisi tecnica Vega relativa a uno stampo con tre diversi carrelli rappresenta un esempio particolarmente interessante. Per ciascun carrello sono state calcolate la forza di spinta e la forza di trazione, arrivando alla scelta di tre cilindri differenti: CF084, CM050 e CF071.
L’analisi dimostra inoltre che il dimensionamento non termina con la scelta del cilindro: è necessario verificare anche il precarico, la struttura di supporto e il sistema di fissaggio del cilindro.
1. Perché è necessario bloccare un carrello?
Durante il processo di stampaggio a iniezione, la plastica viene introdotta nella cavità ad alta pressione.
Questa pressione agisce sulle superfici del pezzo e sui componenti dello stampo che delimitano la cavità.
Quando nello stampo è presente un carrello, la pressione può generare una forza che tende a spostarlo dalla posizione prevista.
Se il carrello non viene adeguatamente bloccato, possono verificarsi:
- movimento del carrello;
- formazione di bave;
- variazioni dimensionali del pezzo;
- danneggiamento dello stampo;
- usura prematura del sistema di bloccaggio.
Il cilindro idraulico di bloccaggio deve quindi generare una forza sufficiente a mantenere il carrello nella posizione corretta durante l’iniezione.
2. Il primo passo: calcolare la superficie frontale
Il primo calcolo effettuato da Vega riguarda la forza di spinta.
Il parametro di partenza è la superficie frontale complessiva sulla quale agisce la pressione della plastica.
Per il primo carrello, Vega ha considerato:
- superficie frontale complessiva: 173,7 cm²;
- pressione della plastica: 350 bar.
Il risultato del calcolo è stato:
60.795 kgf di forza di spinta.
Si tratta di una forza estremamente elevata.
Questo dimostra immediatamente perché la scelta del cilindro non possa essere effettuata semplicemente osservando le dimensioni fisiche del carrello.
La superficie effettivamente esposta alla pressione di iniezione è uno dei parametri fondamentali.
3. Forza di spinta e pressione di iniezione
La relazione fondamentale è:
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = superficie.
Nel caso di uno stampo a iniezione, la pressione esercitata sulla superficie proiettata del pezzo genera una forza che tende a spostare il componente dello stampo.
Per il primo carrello, Vega ha utilizzato:
- superficie frontale = 173,7 cm²;
- pressione considerata = 350 bar.
Il risultato documentato è:
60.795 kgf.
4. Perché la superficie proiettata è così importante?
Un errore comune consiste nel determinare la forza necessaria in base alle dimensioni complessive del pezzo.
Il parametro realmente importante è invece la superficie sulla quale la pressione agisce nella direzione che tende a spostare il carrello.
Due pezzi con dimensioni esterne simili possono quindi richiedere forze di bloccaggio molto differenti.
Per esempio:
- un pezzo grande può avere una superficie proiettata relativamente piccola;
- un pezzo più piccolo può avere una superficie proiettata molto maggiore.
Prima di scegliere il cilindro è quindi necessario determinare correttamente la superficie interessata dalla pressione.
5. Il secondo calcolo: la forza di trazione
Vega ha inoltre calcolato la forza di trazione.
Per il primo carrello sono stati utilizzati:
- superficie laterale complessiva: 187,4 cm²;
- coefficiente di adesione della plastica: 20 kg/cm²;
- forza di trazione: 3.747,6 kgf.
La relazione semplificata è:
dove:
- Aₗₐₜₑᵣₐₗₑ = superficie laterale;
- k = coefficiente di adesione.
Nell’applicazione analizzata, Vega ha utilizzato un coefficiente di adesione di 20 kg/cm².
6. Forza di spinta e forza di trazione non sono la stessa cosa
I due calcoli descrivono condizioni differenti.
Forza di spinta
È associata alla pressione della plastica che agisce sulla superficie frontale/proiettata.
Forza di trazione
Tiene invece conto della superficie laterale e del coefficiente di adesione considerato.
Per il primo carrello:
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Superficie frontale | 173,7 cm² |
| Pressione plastica | 350 bar |
| Forza di spinta | 60.795 kgf |
| Superficie laterale | 187,4 cm² |
| Coefficiente di adesione | 20 kg/cm² |
| Forza di trazione | 3.747,6 kgf |
Queste due condizioni devono essere valutate in funzione della geometria reale e della funzione del sistema di bloccaggio.
7. Scelta del cilindro per il primo carrello
Sulla base dei calcoli effettuati, Vega ha proposto un:
CF084
con:
- pressione minima di lavoro: 140 bar;
- precarico massimo: 0,05–0,08 mm.
La pressione minima di lavoro è un parametro particolarmente importante.
Il cilindro deve infatti essere in grado di sviluppare la forza necessaria alla pressione disponibile nel circuito idraulico.
La scelta deve quindi considerare contemporaneamente:
forza meccanica richiesta
e
pressione idraulica disponibile.
8. Perché la pressione idraulica è importante?
La forza generata da un cilindro idraulico dipende principalmente da:
- area efficace del pistone;
- pressione idraulica.
In forma semplificata:
dove:
- F = forza del cilindro;
- P = pressione idraulica;
- Aₚ = area efficace del pistone.
Di conseguenza, lo stesso cilindro può generare forze differenti a pressioni differenti.
Per questo motivo, nella prima applicazione Vega ha indicato una pressione minima di lavoro di 140 bar per il CF084.
9. L’importanza del precarico
Per il CF084 Vega ha indicato anche un valore specifico di:
precarico massimo: 0,05–0,08 mm.
Il precarico è un parametro importante nei sistemi di bloccaggio idraulico.
Serve a garantire che l’elemento di bloccaggio sia correttamente posizionato e che il sistema disponga del contatto meccanico necessario quando lo stampo è sottoposto alle forze di iniezione.
Il precarico, tuttavia, non deve essere considerato isolatamente.
Deve essere valutato insieme a:
- geometria del cilindro;
- configurazione dello stampo;
- superficie di bloccaggio;
- pressione idraulica;
- tolleranze meccaniche.
Il valore indicato da Vega deve essere considerato come specifico per questa applicazione e non come un valore universale per ogni installazione del CF084.
10. La struttura di supporto può diventare il punto debole
Uno degli aspetti più interessanti dell’analisi Vega riguarda il supporto sul quale viene fissato il cilindro.
Vega ha evidenziato che il supporto potrebbe flettersi a causa della forza calcolata.
Questo è un punto fondamentale.
Non basta chiedersi:
“Il cilindro è abbastanza potente?”
Bisogna anche chiedersi:
“La struttura che sostiene il cilindro è sufficientemente rigida per sopportare questa forza senza deformarsi?”
Un cilindro molto potente montato su un supporto insufficiente può infatti creare un nuovo problema.
11. La forza del cilindro deve essere trasferita correttamente allo stampo
Il percorso del carico può essere rappresentato come:
pressione idraulica
↓
cilindro
↓
elemento di bloccaggio
↓
carrello
↓
struttura dello stampo
Ogni componente di questa catena deve essere in grado di trasferire il carico.
Se uno dei componenti è troppo flessibile, la forza di bloccaggio può provocare deformazione invece di garantire un bloccaggio efficace.
Per il primo carrello, Vega ha quindi raccomandato di aumentare il numero delle viti di fissaggio e disporle in modo simmetrico ed equidistante.
12. Perché le viti di fissaggio sono importanti?
Le viti non servono semplicemente a mantenere il cilindro nella sua posizione.
Fanno parte del sistema di trasferimento del carico.
Quando il cilindro genera una forza di bloccaggio molto elevata, il sistema di fissaggio deve impedire:
- spostamenti;
- rotazioni;
- deformazioni;
- flessioni locali.
Nella prima applicazione, Vega ha quindi raccomandato di aumentare il numero delle viti e posizionarle in modo simmetrico ed equidistante.
È un principio progettuale particolarmente importante per applicazioni ad alta forza.
13. Il secondo carrello
Il secondo carrello presenta superfici molto più piccole.
Vega ha calcolato:
- superficie frontale complessiva: 5,2 cm²;
- pressione della plastica: 350 bar;
- forza di spinta: 1.820 kgf.
Per il calcolo della trazione:
- superficie laterale complessiva: 18,7 cm²;
- coefficiente di adesione: 20 kg/cm²;
- forza di trazione: 374 kgf.
Il cilindro consigliato è stato:
CM050
Vega ha indicato che il CM050 può essere utilizzato con o senza valvola di ritegno in questa applicazione.
Questo dimostra ancora una volta che il cilindro deve essere scelto in funzione dell’applicazione specifica.
14. Perché non utilizzare automaticamente lo stesso cilindro per tutti i carrelli?
Potrebbe sembrare conveniente utilizzare lo stesso cilindro per tutti i carrelli dello stampo.
In alcuni casi può essere una scelta pratica, ma non è necessariamente la soluzione tecnicamente migliore.
I tre carrelli analizzati dimostrano chiaramente la differenza.
Le forze di spinta calcolate sono:
Carrello 1
60.795 kgf
Carrello 2
1.820 kgf
Carrello 3
35.945 kgf
Utilizzare un solo modello per tutti i carrelli potrebbe quindi significare:
- sovradimensionare le applicazioni più piccole;
- oppure sottodimensionare quelle più gravose.
15. Il terzo carrello
Il terzo carrello rappresenta un’altra applicazione ad alto carico.
Vega ha calcolato:
- superficie frontale complessiva: 102,7 cm²;
- pressione della plastica: 350 bar;
- forza di spinta: 35.945 kgf.
Il calcolo della trazione ha prodotto:
- superficie laterale complessiva: 89 cm²;
- coefficiente di adesione: 20 kg/cm²;
- forza di trazione: 1.780 kgf.
Il cilindro consigliato è stato:
CF071
con:
precarico massimo: 0,15 mm.
16. Confronto tra le tre applicazioni
| Carrello 1 | Carrello 2 | Carrello 3 | |
|---|---|---|---|
| Superficie frontale | 173,7 cm² | 5,2 cm² | 102,7 cm² |
| Pressione plastica | 350 bar | 350 bar | 350 bar |
| Forza di spinta | 60.795 kgf | 1.820 kgf | 35.945 kgf |
| Superficie laterale | 187,4 cm² | 18,7 cm² | 89 cm² |
| Coefficiente di adesione | 20 kg/cm² | 20 kg/cm² | 20 kg/cm² |
| Forza di trazione | 3.747,6 kgf | 374 kgf | 1.780 kgf |
| Cilindro consigliato | CF084 | CM050 | CF071 |
| Precarico | 0,05–0,08 mm | — | 0,15 mm |
Questa tabella mostra quanto la scelta del cilindro dipenda dalla geometria specifica dell’applicazione.
17. Perché la pressione della plastica è così importante?
Vega ha utilizzato una pressione di riferimento di:
350 bar
per tutti e tre i calcoli.
Poiché la forza dipende dalla pressione e dalla superficie, un aumento della pressione di iniezione produrrebbe, a parità di superficie, un aumento della forza.
Il dimensionamento del cilindro non può quindi essere separato dalle condizioni di stampaggio.
È necessario conoscere quale pressione è stata utilizzata come riferimento nel calcolo.
18. Perché il calcolo deve essere verificato dal progettista dello stampo?
Al termine dell’analisi tecnica, Vega ha specificato:
“These are the results of my calculations, I suggest to the customer to do his verifications.”
Questo è un principio importante.
Un dimensionamento è affidabile soltanto se sono corretti anche i dati utilizzati come input.
Il progettista dello stampo dovrebbe quindi verificare:
- pressione reale nella cavità;
- geometria effettiva del pezzo;
- superfici proiettate;
- superfici laterali;
- condizioni di adesione;
- struttura dello stampo;
- pressione idraulica disponibile;
- installazione del cilindro;
- sistema di fissaggio.
I calcoli Vega forniscono quindi una base tecnica per la scelta del cilindro, ma la verifica finale deve essere effettuata sullo stampo reale e sulle effettive condizioni di processo.
19. Cosa succede se il supporto del cilindro si flette?
Il primo carrello offre una lezione particolarmente importante.
Vega ha calcolato una forza di spinta di:
60.795 kgf.
Il Technical Department ha quindi evidenziato che il supporto del cilindro potrebbe flettersi sotto questo carico.
Questo significa che la progettazione non può fermarsi alla scelta del cilindro.
Anche il supporto deve essere verificato.
Se il supporto si deforma, la posizione effettiva del sistema di bloccaggio può cambiare.
Questo può provocare:
- perdita del precarico effettivo;
- spostamento dell’elemento di bloccaggio;
- distribuzione non uniforme del carico;
- sollecitazioni aggiuntive sulla struttura dello stampo.
La soluzione suggerita da Vega consiste nell’aumentare il numero delle viti di fissaggio e disporle in modo simmetrico ed equidistante.
20. Perché il fissaggio simmetrico è importante?
Quando un cilindro genera una forza elevata, i punti di fissaggio dovrebbero essere disposti in modo da trasferire il carico nella struttura nel modo più uniforme possibile.
Una disposizione simmetrica contribuisce a ridurre:
- carichi eccentrici;
- deformazioni locali;
- torsioni;
- concentrazioni di carico.
Per questo Vega ha specificamente raccomandato di posizionare le viti aggiuntive in posizioni simmetriche ed equidistanti.
21. Procedura pratica per dimensionare un cilindro di bloccaggio
Un metodo utile per progettare un sistema di bloccaggio idraulico è il seguente.
Step 1 – Determinare la superficie frontale
Calcolare la superficie esposta alla pressione di iniezione.
Step 2 – Definire la pressione di progetto
Determinare la pressione della cavità da utilizzare nel calcolo.
Step 3 – Calcolare la forza di spinta
Utilizzare pressione e superficie proiettata.
Step 4 – Determinare la superficie laterale
Calcolare la superficie rilevante per la forza di trazione.
Step 5 – Applicare il coefficiente di adesione
Utilizzare il coefficiente appropriato per l’applicazione.
Step 6 – Calcolare la forza di trazione
Determinare la forza risultante.
Step 7 – Scegliere il cilindro
Selezionare un cilindro in grado di fornire la forza richiesta alla pressione idraulica disponibile.
Step 8 – Determinare il precarico
Rispettare il precarico previsto per l’applicazione e il cilindro scelto.
Step 9 – Verificare il supporto
Assicurarsi che il supporto del cilindro possa sopportare il carico senza deformazioni eccessive.
Step 10 – Verificare le viti
Controllare numero, posizione, simmetria e resistenza del sistema di fissaggio.
Step 11 – Verificare l’intero stampo
Cilindro, supporto, carrello e struttura dello stampo devono essere considerati come un unico sistema meccanico.
22. Il cilindro è soltanto una parte del sistema di bloccaggio
Un errore frequente consiste nel concentrarsi esclusivamente sul cilindro.
Il sistema reale è invece:
cilindro
fissaggio
elemento di bloccaggio
carrello
struttura dello stampo
Il cilindro può essere perfettamente dimensionato per la forza richiesta, ma se il supporto si flette il sistema potrebbe comunque non garantire il corretto bloccaggio.
Allo stesso modo, una struttura estremamente rigida non può compensare un cilindro sottodimensionato.
Il progetto deve quindi garantire contemporaneamente:
capacità idraulica
e
resistenza strutturale.
23. Perché bisogna considerare sia spinta sia trazione?
Un’altra importante lezione dell’applicazione è che il sistema può essere sottoposto a forze con direzioni differenti.
La pressione sulla superficie frontale genera la grande forza di spinta.
La superficie laterale e il coefficiente di adesione utilizzato generano la forza di trazione.
Le due condizioni devono essere analizzate in funzione della geometria reale e del movimento del carrello.
Nel primo caso la differenza è particolarmente evidente:
60.795 kgf di spinta
contro
3.747,6 kgf di trazione.
Nel terzo:
35.945 kgf di spinta
contro
1.780 kgf di trazione.
Questo dimostra perché una singola forza semplificata non sia sempre sufficiente per descrivere il carico del sistema.
24. La geometria dello stampo determina la dimensione del cilindro
I tre carrelli rappresentano perfettamente il rapporto tra geometria dello stampo e scelta del cilindro.
Il primo carrello ha:
173,7 cm² di superficie frontale
e richiede un:
CF084.
Il secondo ha solamente:
5,2 cm²
e richiede un:
CM050.
Il terzo ha:
102,7 cm²
e richiede un:
CF071.
Il cilindro deve quindi essere scelto in funzione dell’applicazione.
25. Checklist pratica per il progettista
Prima di scegliere un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello, verificare:
Geometria dello stampo
- Superficie frontale/proiettata
- Superficie laterale
- Geometria del carrello
- Direzione della pressione di iniezione
Parametri di processo
- Pressione prevista nella cavità
- Materiale plastico
- Coefficiente di adesione utilizzato
Calcolo delle forze
- Forza di spinta
- Forza di trazione
- Direzione delle forze risultanti
Cilindro
- Alesaggio
- Pressione di lavoro
- Forza richiesta
- Precarico
- Corsa
- Configurazione di bloccaggio
Struttura meccanica
- Rigidità del supporto
- Numero di viti
- Posizione delle viti
- Simmetria
- Equidistanza
- Resistenza delle piastre dello stampo
Verifica finale
- Calcoli del cliente
- Condizioni reali dello stampo
- Pressione idraulica disponibile
- Verifica meccanica dell’intero sistema
26. La lezione più importante
La scelta di un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello non può essere separata dal calcolo delle forze generate dal processo di stampaggio.
La sequenza corretta è:
geometria dello stampo
↓
superficie proiettata
↓
pressione nella cavità
↓
forza di spinta
↓
superficie laterale
↓
coefficiente di adesione
↓
forza di trazione
↓
scelta del cilindro
↓
precarico
↓
verifica del supporto e del fissaggio
Questo approccio è molto più affidabile rispetto alla scelta del cilindro semplicemente in base alle sue dimensioni.
Conclusione
Il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello in uno stampo a iniezione deve partire dalle forze generate dal processo di stampaggio.
Nell’applicazione analizzata da Vega, sono stati valutati tre diversi carrelli utilizzando una pressione di riferimento di 350 bar, ma con superfici molto differenti.
Il primo carrello presentava una superficie frontale di 173,7 cm², con una forza di spinta calcolata di 60.795 kgf e una forza di trazione di 3.747,6 kgf. Vega ha proposto un CF084, con pressione minima di lavoro di 140 bar e precarico massimo di 0,05–0,08 mm.
Il secondo carrello aveva una superficie frontale di soli 5,2 cm², con 1.820 kgf di spinta e 374 kgf di trazione. La soluzione proposta era un CM050, utilizzabile con o senza valvola di ritegno.
Il terzo carrello produceva 35.945 kgf di spinta e 1.780 kgf di trazione, portando alla scelta di un CF071 con precarico massimo di 0,15 mm.
La prima applicazione evidenzia inoltre un altro aspetto fondamentale: il supporto del cilindro deve essere sufficientemente rigido per sopportare la forza generata. Vega ha infatti segnalato il possibile rischio di flessione del supporto e ha raccomandato di aumentare il numero delle viti di fissaggio, disponendole in modo simmetrico ed equidistante.
La regola fondamentale è quindi:
Non scegliere un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello basandosi soltanto sulle dimensioni del cilindro. Prima bisogna calcolare le forze generate dalla plastica, scegliere il cilindro in funzione della forza richiesta e della pressione disponibile, definire il precarico e verificare infine che supporto, viti di fissaggio e struttura dello stampo siano in grado di trasferire il carico in sicurezza.
Come indicato da Vega nella documentazione tecnica, i risultati dei calcoli devono infine essere verificati dal cliente in relazione alle condizioni effettive dello stampo e del processo.
Per approfondire il tema, il V270CG è particolarmente pertinente: Vega lo descrive come un cilindro compatto autobloccante destinato alla movimentazione e al bloccaggio di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione, anche quando deve sostenere direttamente la pressione di iniezione.
URL utili verificati
- Vega Cylinders – Cilindri idraulici per stampi a iniezione — pagina generale della gamma Vega per stampi a iniezione e pressofusione.
- Vega V270CG – Cilindri idraulici compatti autobloccanti — particolarmente pertinente perché il V270CG è progettato per movimentare e bloccare carrelli, punzoni e spine e per sostenere direttamente la pressione di iniezione.
- Vega – Cilindri idraulici a bloccaggio meccanico — pagina ufficiale della categoria Mechanical Locking.
- Vega – Tecnologia di precarico e bloccaggio — utile per collegare l’articolo al concetto di precarico dello stelo e di contrasto alla pressione di iniezione.
- I 2 millimetri che avrebbero potuto fermare un intero stampo — articolo Vega particolarmente utile come approfondimento sul rapporto tra geometria dello stampo, cilindri autobloccanti e verifica preventiva del progetto.
- Meccanismi di estrazione con tassello quadrato — utile per approfondire i sistemi di estrazione laterale, carrelli e sottosquadri negli stampi a iniezione.
