Come superficie di adesione, forza di estrazione, alesaggio e pressione influenzano la scelta del cilindro
Il dimensionamento di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione non consiste semplicemente nella scelta dell’alesaggio più grande disponibile.
Quando il cilindro viene utilizzato per l’estrazione di un componente plastico, una delle principali forze che deve essere considerata è quella necessaria a vincere l’adesione tra il componente stampato e la superficie metallica dello stampo.
Questo rende particolarmente importanti:
- la superficie di contatto;
- il coefficiente di adesione considerato;
- la forza di estrazione richiesta;
- l’alesaggio del cilindro;
- la pressione idraulica disponibile;
- la portata del circuito.
Un’applicazione reale analizzata dal Vega Team mostra in modo concreto come questi parametri possano essere utilizzati per scegliere la configurazione più adatta.
Il Cliente stava sviluppando un’applicazione con materiale PA GF40% e doveva dimensionare 14 cilindri. La richiesta riguardava in particolare la scelta dell’alesaggio e la possibilità di utilizzare differenti diametri per i passaggi dell’olio.
L’analisi ha portato a confrontare differenti condizioni di adesione e differenti combinazioni di cilindro e pressione.
Il risultato mostra un principio fondamentale:
Il corretto dimensionamento di un cilindro per l’estrazione deve partire dalla forza realmente necessaria per vincere l’adesione del componente, e non semplicemente dalla pressione di iniezione.
1. Il problema del Cliente
Il Cliente aveva bisogno di individuare la soluzione idraulica più appropriata per un’applicazione di stampaggio con materiale:
PA GF40%
ovvero una poliammide caricata con il 40% di fibra di vetro.
L’applicazione prevedeva:
14 cilindri.
La domanda posta al Vega Team era principalmente legata al dimensionamento dell’alesaggio, con una valutazione tra differenti diametri, e alla possibilità di aumentare il diametro dei passaggi dell’olio.
Non si trattava quindi semplicemente di scegliere un prodotto dal catalogo.
Era necessario verificare:
- quanta forza fosse necessaria;
- quale alesaggio fosse sufficiente;
- quale pressione fosse richiesta;
- se il circuito idraulico fosse in grado di alimentare correttamente i 14 cilindri.
2. Il materiale PA GF40%
Il materiale utilizzato nel caso era PA GF40%.
La presenza della fibra di vetro rende il materiale particolarmente interessante dal punto di vista applicativo, ma il dimensionamento della forza di estrazione non può essere determinato considerando esclusivamente il tipo di materiale.
Bisogna considerare anche la superficie sulla quale agisce l’adesione.
In generale, la forza necessaria all’estrazione può essere influenzata da:
- materiale;
- superficie di contatto;
- geometria del componente;
- contrazione del materiale;
- finitura superficiale;
- condizioni di raffreddamento;
- coefficiente di adesione.
Nel caso analizzato, il Vega Team ha utilizzato due differenti coefficienti di adesione per valutare due condizioni di carico.
3. La superficie totale considerata
Il primo dato fondamentale dell’analisi era la superficie complessiva:
306,6 cm².
Questa superficie costituisce la base per il calcolo della forza di estrazione.
Il principio utilizzato può essere espresso in forma semplificata come:
Forza di estrazione = Superficie × Coefficiente di adesione
Una volta determinata la forza, è possibile confrontarla con la capacità dei diversi cilindri idraulici.
Questo passaggio è fondamentale perché permette di trasformare un dato geometrico dello stampo in un requisito concreto per il sistema oleodinamico.
4. Primo scenario: coefficiente di adesione di 20 kg/cm²
Il primo scenario analizzato dal Vega Team prevedeva un coefficiente di adesione pari a:
20 kg/cm².
Con la superficie complessiva considerata, la documentazione tecnica riporta una forza di trazione di:
6.032 kgf.
Questo rappresentava lo scenario di carico più elevato tra quelli analizzati.
A questo punto il problema diventava:
Quale cilindro può sviluppare 6.032 kgf alla pressione disponibile?
5. La soluzione CM063
Per la condizione di:
6.032 kgf
il Vega Team ha indicato come possibile soluzione:
CM063
con una pressione minima di esercizio di:
250 bar.
Questo risultato mostra il rapporto diretto tra alesaggio e pressione.
Un cilindro con un determinato alesaggio deve essere alimentato a una determinata pressione per raggiungere la forza richiesta.
6. L’alternativa CM080
Per la stessa forza di trazione, il Vega Team ha indicato anche una seconda possibilità:
CM080
con una pressione minima di esercizio di:
150 bar.
La differenza è significativa.
La stessa forza richiesta può essere ottenuta utilizzando:
- un cilindro di alesaggio inferiore a una pressione maggiore;
- oppure un cilindro di alesaggio maggiore a una pressione inferiore.
La scelta finale dipende quindi dalle caratteristiche dell’intero sistema.
7. Secondo scenario: coefficiente di adesione di 15 kg/cm²
Il Vega Team ha quindi valutato una seconda condizione.
Il coefficiente di adesione considerato era:
15 kg/cm².
In questo caso la forza di trazione indicata nella documentazione era:
4.599 kgf.
La riduzione del coefficiente di adesione comporta quindi una significativa riduzione della forza richiesta.
Questo dimostra quanto sia importante definire correttamente il coefficiente utilizzato nel calcolo.
8. CM063 a 150 bar
Con la forza di:
4.599 kgf
il Vega Team ha indicato nuovamente il:
CM063
ma con una pressione minima di:
150 bar.
La riduzione della forza richiesta consente quindi di utilizzare lo stesso cilindro a una pressione inferiore.
9. CM080 a 100 bar
Per la stessa condizione, il Vega Team ha indicato come alternativa:
CM080
con una pressione minima di esercizio di:
100 bar.
Il quadro completo diventa quindi:
| Coefficiente di adesione | Forza di trazione | Cilindro | Pressione minima |
|---|---|---|---|
| 20 kg/cm² | 6.032 kgf | CM063 | 250 bar |
| 20 kg/cm² | 6.032 kgf | CM080 | 150 bar |
| 15 kg/cm² | 4.599 kgf | CM063 | 150 bar |
| 15 kg/cm² | 4.599 kgf | CM080 | 100 bar |
Questa tabella riassume il cuore dell’analisi effettuata dal Vega Team.
10. Alesaggio e pressione: due parametri inseparabili
Per comprendere il motivo delle diverse combinazioni è sufficiente partire dalla relazione fondamentale:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = area effettiva del pistone.
A parità di forza richiesta:
maggiore alesaggio → maggiore area → minore pressione necessaria
mentre:
minore alesaggio → minore area → maggiore pressione necessaria
Il caso Cliente rappresenta perfettamente questo principio.
Per il carico maggiore sono state indicate:
CM063 → 250 bar
oppure:
CM080 → 150 bar.
11. Perché non scegliere semplicemente il cilindro più grande?
A prima vista potrebbe sembrare conveniente utilizzare sempre il cilindro con alesaggio maggiore.
Ma un cilindro più grande comporta anche:
- maggiori dimensioni;
- maggiore volume d’olio per ciclo;
- potenzialmente maggiore richiesta di portata;
- maggiori esigenze di spazio nello stampo.
Un cilindro più piccolo può invece essere vantaggioso quando la macchina dispone della pressione necessaria.
La scelta deve quindi essere un compromesso tecnico tra:
forza → pressione → spazio → portata → velocità.
12. Il problema dei 14 cilindri
Uno degli aspetti più interessanti del caso è che il Cliente non doveva utilizzare un solo cilindro.
L’applicazione prevedeva:
14 cilindri.
Questo modifica significativamente il problema dal punto di vista dell’impianto idraulico.
Quando sono presenti numerosi cilindri, bisogna verificare anche:
- portata complessiva;
- dimensione dei passaggi;
- perdite di carico;
- velocità di movimento;
- dimensionamento dei tubi;
- connessioni;
- distribuzione del flusso.
Per questo motivo la domanda del Cliente sul diametro dei passaggi dell’olio era perfettamente coerente con il problema di dimensionamento.
13. Il diametro dei passaggi dell’olio
Il Cliente aveva chiesto al Vega Team quale fosse il massimo diametro possibile dei passaggi dell’olio per una specifica configurazione:
V450CM 50 E O E G × 120.
Il dato fornito dal Vega Team era:
2,5 mm standard
con possibilità di arrivare a:
3,5–4 mm.
Questa è un’informazione particolarmente importante nel caso di un’applicazione con 14 cilindri.
14. Perché il diametro del passaggio dell’olio è importante
Il cilindro deve naturalmente sviluppare la forza necessaria.
Ma deve anche muoversi alla velocità richiesta.
Per ottenere una determinata velocità dello stelo è necessaria una determinata portata.
In presenza di passaggi molto piccoli possono aumentare le perdite di carico e diventare più difficile ottenere il flusso richiesto.
Quando un singolo circuito alimenta molti cilindri, il problema diventa ancora più importante.
Il dimensionamento deve quindi considerare contemporaneamente:
forza + pressione + portata.
15. Il V450CM utilizzato nel caso
Il V450CM appartiene alla gamma Vega di cilindri idraulici compatti a corsa breve per applicazioni su stampi.
La pagina ufficiale Vega indica per la versione standard alesaggi da 16 a 100 mm e corse da 10 a 200 mm. La pressione massima di esercizio indicata è 450 bar, mentre la portata massima varia da 7 a 45 l/min in funzione della configurazione.
Vega indica come applicazioni principali la movimentazione di:
- carrelli;
- punzoni;
- spine;
- elementi che generano sottosquadri;
- tavolini o piastre di estrazione.
Il V450CM è quindi particolarmente adatto a quelle applicazioni in cui sono richieste elevata resistenza e dimensioni compatte.
16. Il V450CM e la scelta dell’alesaggio
Il sito ufficiale Vega mostra configurazioni V450CM con alesaggi tra cui:
Ø50
e
Ø63.
Questo è particolarmente rilevante perché sono proprio le dimensioni che il Cliente stava valutando nell’applicazione.
La scelta non deve però essere effettuata semplicemente guardando l’alesaggio.
Bisogna prima conoscere la forza necessaria e quindi determinare la pressione richiesta per ciascuna configurazione.
17. Il valore dell’application engineering
Il caso Cliente dimostra la differenza tra:
vendere un cilindro
e
dimensionare una soluzione idraulica.
Il Cliente non aveva semplicemente bisogno di sapere quali cilindri V450CM fossero disponibili.
Aveva bisogno di sapere:
- quale forza fosse necessaria;
- quale coefficiente di adesione considerare;
- quale alesaggio fosse sufficiente;
- quale pressione fosse necessaria;
- se i passaggi dell’olio fossero adeguati;
- come gestire un’applicazione con 14 cilindri.
Il Vega Team ha quindi trasformato i dati dell’applicazione in differenti configurazioni tecniche.
18. La procedura di dimensionamento
Il caso può essere trasformato in una procedura generale utile per i progettisti.
1. Determinare la superficie
Nel caso analizzato:
306,6 cm²
2. Definire il coefficiente di adesione
Nel caso Cliente:
20 kg/cm²
oppure:
15 kg/cm²
3. Determinare la forza
Sono state considerate:
6.032 kgf
e
4.599 kgf.
4. Scegliere l’alesaggio
Confrontare le differenti configurazioni disponibili.
5. Determinare la pressione
Per esempio:
CM063 → 250 bar
oppure:
CM080 → 150 bar
nello scenario con maggiore adesione.
6. Verificare la portata
Questo passaggio diventa particolarmente importante quando vengono utilizzati 14 cilindri.
7. Verificare i passaggi dell’olio
Nel caso analizzato:
2,5 mm standard → 3,5–4 mm massimo indicato.
19. Il caso dimostra che il materiale non basta
Potrebbe essere facile concludere che, conoscendo il materiale PA GF40%, si possa determinare direttamente il cilindro.
Non è così.
Il materiale è soltanto uno dei parametri.
La forza dipende anche dalla superficie considerata e dal coefficiente di adesione adottato.
Nel caso analizzato, modificando il coefficiente da 20 a 15 kg/cm², la forza indicata passa da:
6.032 kgf
a:
4.599 kgf.
Questo cambiamento ha conseguenze dirette sulla pressione necessaria per il cilindro.
20. Verifica finale dell’applicazione
Il Vega Team ha indicato al Cliente di effettuare le proprie verifiche.
È una precisazione importante.
I dati di calcolo devono essere confrontati con le condizioni effettive dello stampo, comprese:
- geometria;
- superficie reale;
- materiale;
- condizioni di estrazione;
- coefficiente di adesione;
- pressione disponibile;
- portata;
- numero di cilindri;
- configurazione del circuito.
Il case study rappresenta quindi una valutazione tecnica specifica dell’applicazione, non un valore universale valido per qualsiasi stampo che utilizzi PA GF40%.
21. Cosa insegna questo caso ai progettisti di stampi
Il caso Cliente mette in evidenza alcuni principi fondamentali.
La forza di estrazione deve essere calcolata
Non è sufficiente conoscere la pressione della macchina.
La superficie di contatto è fondamentale
Nel caso analizzato la superficie considerata era 306,6 cm².
Il coefficiente di adesione modifica direttamente il carico
Con 20 kg/cm² la forza indicata era 6.032 kgf, mentre con 15 kg/cm² era 4.599 kgf.
Alesaggio e pressione devono essere considerati insieme
Il CM063 e il CM080 possono soddisfare lo stesso requisito di forza a pressioni differenti.
Il circuito idraulico è parte del dimensionamento
Con 14 cilindri, portata e passaggi dell’olio diventano parametri importanti.
Conclusione
Questo caso Cliente mostra in modo concreto come il dimensionamento di un cilindro idraulico per l’estrazione di componenti plastici debba partire dall’applicazione reale.
Il progetto prevedeva 14 cilindri e materiale PA GF40%. Il Cliente aveva bisogno di determinare la configurazione più appropriata e di verificare anche il diametro dei passaggi dell’olio.
Il Vega Team ha considerato una superficie complessiva di 306,6 cm² e due differenti condizioni di adesione.
Con 20 kg/cm², la forza di trazione indicata era 6.032 kgf. Le soluzioni proposte erano:
CM063 a 250 bar
oppure:
CM080 a 150 bar.
Con 15 kg/cm², la forza indicata era 4.599 kgf, con:
CM063 a 150 bar
oppure:
CM080 a 100 bar.
Per la configurazione V450CM considerata, il passaggio dell’olio standard era 2,5 mm, con possibilità indicata di arrivare a 3,5–4 mm.
La conclusione più importante è quindi:
Il dimensionamento di un cilindro idraulico non consiste semplicemente nella scelta dell’alesaggio. È necessario mettere in relazione superficie di contatto, coefficiente di adesione, forza di estrazione, pressione disponibile e capacità del circuito idraulico.
Nel caso analizzato, la possibilità di utilizzare differenti combinazioni di alesaggio e pressione ha permesso al Vega Team di proporre più soluzioni tecnicamente coerenti con il requisito di forza.
È questo il valore dell’application engineering: partire dalle condizioni reali dello stampo e arrivare a una soluzione idraulica dimensionata sulla specifica applicazione.
URL utili e verificati
1. V450CM – Cilindri idraulici compatti a corsa breve
Pagina ufficiale italiana della famiglia V450CM, con caratteristiche tecniche, alesaggi, corse, pressione massima, portata e principali applicazioni negli stampi.
V450CM – Cilindri idraulici compatti a corsa breve
2. V450CM – Configurazioni Ø50 e Ø63
Pagina ufficiale del V450CM con configurazioni che comprendono alesaggi Ø50 e Ø63, utili per il confronto oggetto del caso Cliente.
V450CM – Configurazioni e alesaggi
3. Cilindri idraulici per stampi
Pagina ufficiale Vega che raccoglie le famiglie di cilindri destinate alle diverse applicazioni negli stampi, compresa la movimentazione della piastra di estrazione.
4. Movimentazione piastra di estrazione
Pagina ufficiale Vega dedicata ai cilindri utilizzati per il movimento della piastra di estrazione degli stampi a iniezione.
Movimentazione piastra di estrazione
5. Cataloghi cilindri idraulici
Pagina ufficiale dei cataloghi Vega, organizzati per applicazione, con accesso ai diversi modelli e configuratori 3D.
