Calcolo della forza di trazione necessaria per lo svitamento di un’anima filettata
Quando uno stampo a iniezione deve produrre un componente con una filettatura, la semplice estrazione lineare del pezzo non è sempre possibile.
La filettatura crea infatti un vincolo meccanico tra il componente plastico e l’anima dello stampo. Per liberare il pezzo è necessario svitare l’anima filettata, trasformando un movimento lineare in una rotazione controllata.
In queste applicazioni, il cilindro idraulico può rappresentare il motore del sistema di svitamento: genera una forza lineare che viene successivamente trasformata in movimento rotatorio attraverso un sistema meccanico, tipicamente costituito da cremagliera e pignone.
Un caso reale analizzato dal Vega Team mostra come affrontare il dimensionamento della forza necessaria per questo tipo di applicazione.
Il Cliente aveva sottoposto a Vega due differenti applicazioni di svitamento. Il Vega Team ha calcolato la forza di trazione necessaria per svitare le filettature, mentre non ha calcolato la corsa del cilindro, poiché questa dipendeva dal sistema di ingranaggi utilizzato nell’applicazione.
Il risultato finale è particolarmente interessante: nonostante le due applicazioni presentassero forze di svitamento differenti, i cilindri CR040 selezionati dal Cliente sono stati ritenuti adatti per entrambe.
1. Il problema del Cliente
Il Cliente ha inviato al Vega Team i disegni relativi a due applicazioni con filettature e ha richiesto una verifica del dimensionamento dei cilindri idraulici necessari per il sistema di svitamento.
La domanda fondamentale era:
quale forza deve essere in grado di sviluppare il cilindro per svitare correttamente la filettatura?
Questa è la prima domanda da risolvere prima di scegliere il cilindro.
Un cilindro sottodimensionato potrebbe non riuscire a completare lo svitamento oppure potrebbe richiedere una pressione superiore a quella disponibile.
Un cilindro eccessivamente sovradimensionato, invece, può comportare maggiori ingombri e costi senza un reale vantaggio per l’applicazione.
2. Forza e corsa sono due problemi differenti
Uno degli aspetti più importanti del caso è che il Vega Team ha calcolato la forza di trazione, ma non la corsa del cilindro.
La ragione è legata alla cinematica del sistema.
In una configurazione tipica:
Cilindro idraulico → cremagliera → pignone → anima filettata
il cilindro produce un movimento lineare.
La cremagliera trasmette questo movimento al pignone.
Il pignone trasforma il movimento lineare in rotazione.
L’anima filettata ruota quindi per liberare il pezzo plastico.
Di conseguenza, la forza necessaria e la corsa necessaria non sono determinate dagli stessi parametri.
La forza dipende principalmente dalla resistenza allo svitamento.
La corsa dipende invece dalla cinematica della trasmissione.
3. Prima applicazione: 66 kgf di forza di trazione
Per la prima applicazione, il Vega Team ha determinato una superficie laterale della filettatura di circa:
3,3 cm²
Il coefficiente di adesione della plastica utilizzato nel calcolo era:
20 kg/cm².
La forza di trazione totale calcolata risultava:
66 kgf.
Il calcolo è:
F = A × C
dove:
- F = forza di trazione;
- A = superficie laterale della filettatura;
- C = coefficiente di adesione.
Quindi:
3,3 × 20 = 66 kgf
Il cilindro deve quindi essere in grado di fornire una forza compatibile con questo carico.
4. Seconda applicazione: 53 kgf di forza di trazione
La seconda applicazione presentava una superficie laterale della filettatura inferiore.
Il valore calcolato dal Vega Team era:
2,65 cm²
Il coefficiente di adesione utilizzato rimaneva:
20 kg/cm².
La forza di trazione risultante era:
53 kgf.
Anche in questo caso:
2,65 × 20 = 53 kgf
La seconda applicazione richiedeva quindi una forza inferiore rispetto alla prima.
5. Confronto tra le due applicazioni
I risultati del caso possono essere riassunti in questo modo:
| Applicazione | Superficie laterale filettatura | Adesione plastica | Forza di trazione |
|---|---|---|---|
| 1 | 3,3 cm² | 20 kg/cm² | 66 kgf |
| 2 | 2,65 cm² | 20 kg/cm² | 53 kgf |
La prima applicazione richiede quindi circa il 25% di forza in più rispetto alla seconda.
Questo risultato deriva direttamente dalla diversa superficie laterale considerata nel calcolo.
6. Perché la superficie della filettatura è importante
Quando il pezzo plastico viene raffreddato attorno all’anima filettata, la superficie di contatto tra plastica e filettatura contribuisce alla resistenza che il sistema di svitamento deve superare.
In termini semplificati:
maggiore superficie di contatto → maggiore forza potenzialmente necessaria per lo svitamento.
Nel caso analizzato:
3,3 cm² → 66 kgf
mentre:
2,65 cm² → 53 kgf.
Il calcolo documentato dal Vega Team mostra quindi una relazione direttamente proporzionale tra la superficie considerata e la forza richiesta, a parità di coefficiente di adesione.
7. Il ruolo dell’adesione della plastica
Un secondo parametro fondamentale è il coefficiente di adesione della plastica.
Per entrambe le applicazioni è stato utilizzato:
20 kg/cm².
Questo parametro rappresenta, nel modello di calcolo utilizzato nel caso, la resistenza associata all’adesione tra il materiale plastico e la superficie della filettatura.
La forza di svitamento dipende quindi dalla combinazione di:
geometria della filettatura + superficie di contatto + adesione della plastica.
Questo spiega perché non sia sufficiente conoscere soltanto il diametro nominale della filettatura per dimensionare il cilindro.
8. Il materiale utilizzato dal Cliente
Nella documentazione fornita dal Cliente era indicato il materiale:
ABSVO
con un valore di shrinkage indicato pari a:
1.005.
Il materiale è un elemento importante nelle applicazioni di svitamento perché il comportamento del polimero durante il raffreddamento può influenzare l’adesione e le condizioni di disimpegno dall’anima.
Tuttavia, è importante distinguere tra i dati presenti nella documentazione e i parametri effettivamente utilizzati nel calcolo.
Nel calcolo documentato dal Vega Team, la forza è stata determinata sulla base di:
superficie laterale della filettatura × coefficiente di adesione della plastica.
Il valore di shrinkage non viene invece inserito separatamente nella formula riportata.
9. Il risultato: lo stesso cilindro per entrambe le applicazioni
Uno degli aspetti più interessanti del caso è il risultato della selezione.
Le due applicazioni richiedevano:
66 kgf
e
53 kgf.
Il Vega Team ha confermato che i cilindri CR040 selezionati dal Cliente erano adatti per entrambe le applicazioni.
Questo dimostra che non è necessario utilizzare automaticamente un cilindro differente per ogni applicazione.
È sufficiente verificare che il cilindro selezionato disponga della capacità necessaria nelle condizioni operative previste.
10. La forza del cilindro idraulico
La forza sviluppata da un cilindro idraulico è legata alla pressione e all’area efficace del pistone.
La relazione fondamentale è:
F = P × A
dove:
- F = forza del cilindro;
- P = pressione idraulica;
- A = area efficace del pistone.
Una volta determinata la forza necessaria per lo svitamento, è quindi possibile verificare se il cilindro selezionato sia in grado di svilupparla alla pressione idraulica disponibile.
Nel caso analizzato, questa verifica ha portato alla conferma del CR040 già selezionato dal Cliente.
11. Il cilindro produce forza lineare, non rotazione
Questo aspetto è fondamentale per comprendere il funzionamento del sistema.
Il cilindro idraulico genera:
forza lineare
La cremagliera trasferisce questa forza al:
pignone
Il pignone genera quindi:
coppia
e l’anima filettata compie:
movimento rotatorio.
Il principio può essere rappresentato così:
Forza del cilindro → cremagliera → pignone → coppia → rotazione dell’anima
Il cilindro deve quindi essere dimensionato tenendo conto del sistema meccanico che si trova tra il cilindro e l’anima.
12. La coppia dipende dalla trasmissione
In una rappresentazione semplificata, la coppia generata dal pignone può essere espressa come:
T ≈ F × r
dove:
- T = coppia;
- F = forza applicata dalla cremagliera;
- r = raggio primitivo del pignone.
Nella realtà devono essere considerate anche le perdite meccaniche e l’efficienza della trasmissione.
Questo significa che la forza calcolata sulla filettatura e la forza richiesta al cilindro non devono essere confuse: tra le due esiste un sistema meccanico che deve essere dimensionato correttamente.
13. Perché la corsa dipende dagli ingranaggi
Il Vega Team ha specificato che la corsa del cilindro non è stata calcolata perché dipendeva dal sistema di ingranaggi.
Questo è tecnicamente importante.
La corsa necessaria dipende da parametri quali:
- numero di giri richiesti dall’anima;
- passo della filettatura;
- lunghezza di impegno;
- diametro primitivo del pignone;
- rapporto di trasmissione;
- configurazione della cremagliera.
Quindi non è possibile determinare correttamente la corsa del cilindro conoscendo soltanto la forza di svitamento.
14. Il numero di giri dell’anima
Per una filettatura a singolo principio, in una semplificazione progettuale il numero di giri necessario può essere correlato alla lunghezza di impegno e al passo:
Numero di giri ≈ lunghezza di impegno / passo
Per esempio, con:
- lunghezza di impegno = 12 mm;
- passo = 3 mm;
si ottengono:
12 / 3 = 4 giri
L’anima dovrebbe quindi ruotare di circa quattro giri per liberare completamente la filettatura.
Il sistema cremagliera-pignone deve poi trasformare questa rotazione nella corsa lineare richiesta dal cilindro.
Questo esempio è un approfondimento generale: non è un calcolo eseguito nel caso Cliente.
15. Forza e corsa devono essere verificate separatamente
Il case study dimostra quindi che esistono due dimensionamenti distinti.
Dimensionamento della forza
Serve a determinare se il cilindro può sviluppare la forza necessaria per azionare il sistema.
Dimensionamento della corsa
Serve a determinare se il cilindro può compiere lo spostamento necessario per ottenere la rotazione richiesta dell’anima.
Un cilindro può quindi avere:
forza sufficiente ma corsa insufficiente
oppure:
corsa sufficiente ma forza insufficiente.
La soluzione corretta deve soddisfare entrambe le condizioni.
16. L’importanza dei dati disponibili
Nel corso dello scambio tecnico è emerso che, per una delle applicazioni, il Cliente disponeva del disegno del pezzo, ma non del disegno completo dello stampo.
Il Vega Team ha inoltre evidenziato che non era presente il modello 3D del pezzo nel materiale ricevuto.
Questo è un punto importante nell’application engineering.
Per un dimensionamento completo possono essere utili:
- disegno dello stampo;
- modello 3D del pezzo;
- diametro della filettatura;
- passo;
- lunghezza di impegno;
- numero di principi;
- materiale;
- condizioni di adesione;
- sistema di ingranaggi;
- pressione disponibile;
- corsa richiesta.
Più completi sono i dati iniziali, più precisa può essere la progettazione dell’intero sistema.
17. Dal cilindro al sistema completo di svitamento
Il cilindro rappresenta soltanto una parte del sistema.
Un sistema completo può essere schematizzato come:
Cilindro idraulico
↓
Cremagliera
↓
Pignone
↓
Albero
↓
Anima filettata
↓
Componente plastico
Ogni elemento deve essere compatibile con gli altri.
Non basta quindi verificare che il cilindro abbia forza sufficiente.
Bisogna verificare anche che:
- la cremagliera sopporti il carico;
- il pignone sopporti la coppia;
- l’albero sia adeguatamente dimensionato;
- l’anima sia sufficientemente resistente;
- il movimento sia guidato correttamente.
18. La soluzione Vega per lo svitamento
La gamma attuale Vega comprende una categoria specifica per il Sistema di Svitamento, nella quale sono presenti il V215CR e il V210CS.
In particolare, il V210CS è progettato specificamente per applicazioni di svitamento negli stampi a iniezione.
La versione standard viene proposta con alesaggi da 32 a 50 mm e corse da 300 a 500 mm. Il sistema integra un cilindro compatto V220CC con una o due cremagliere montate lateralmente.
La configurazione compatta delle cremagliere parallele al cilindro è pensata per favorire la reattività del movimento di svitamento, mentre una vite di regolazione sulla testata posteriore consente di regolare il rapporto tra cremagliera e pignone e il punto di partenza del cilindro.
Il V210CS ha una pressione massima di esercizio dichiarata di 180 bar e una velocità massima di 0,1 m/s.
19. Dal case storico alla soluzione attuale
Il valore del case study non sta soltanto nei numeri di forza calcolati.
La situazione mostra un metodo di progettazione:
1. Analizzare la geometria della filettatura
2. Determinare la superficie interessata
3. Definire il coefficiente di adesione
4. Calcolare la forza di svitamento
5. Verificare il cilindro
6. Dimensionare la trasmissione
7. Determinare la corsa
8. Verificare il ciclo completo
La gamma attuale Vega per i sistemi di svitamento rende disponibile una soluzione specificamente progettata per integrare cilindro e trasmissione a cremagliera.
20. Il metodo di dimensionamento in pratica
Il caso Cliente può quindi essere trasformato in una procedura generale.
Fase 1 — Analisi della filettatura
Definire:
- diametro;
- passo;
- lunghezza;
- numero di principi.
Fase 2 — Calcolo della superficie
Determinare la superficie laterale considerata nel calcolo della resistenza allo svitamento.
Fase 3 — Definizione dell’adesione
Determinare il coefficiente di adesione appropriato.
Fase 4 — Calcolo della forza
Nel caso documentato:
Forza = superficie laterale × coefficiente di adesione
Fase 5 — Scelta del cilindro
Verificare la forza disponibile alla pressione di esercizio.
Fase 6 — Dimensionamento della trasmissione
Determinare:
- cremagliera;
- pignone;
- rapporto di trasmissione;
- coppia.
Fase 7 — Calcolo della corsa
Determinare la corsa necessaria per ottenere il numero di giri richiesto.
Fase 8 — Verifica del ciclo
Controllare:
- forza;
- corsa;
- velocità;
- coppia;
- tempo di ciclo.
21. Cosa insegna questo caso ai progettisti di stampi
Il case study mette in evidenza alcuni principi importanti.
La forza deve essere calcolata prima della scelta del cilindro
Le due applicazioni richiedevano rispettivamente 66 kgf e 53 kgf.
La geometria della filettatura influenza il carico
Una maggiore superficie laterale ha prodotto una maggiore forza calcolata.
L’adesione della plastica è un parametro fondamentale
Entrambe le applicazioni sono state calcolate con un coefficiente di 20 kg/cm².
La forza e la corsa non sono la stessa cosa
Il Vega Team ha calcolato la forza, ma non la corsa, perché quest’ultima dipendeva dal sistema di ingranaggi.
Lo stesso cilindro può essere adatto a più applicazioni
I CR040 selezionati dal Cliente sono stati ritenuti adatti per entrambe le applicazioni.
Conclusione
Il dimensionamento di un cilindro idraulico per lo svitamento di una filettatura deve partire dalla forza realmente richiesta dall’applicazione.
In questo caso reale, il Cliente ha sottoposto al Vega Team due differenti applicazioni di svitamento. Il Vega Team ha calcolato la forza di trazione necessaria per liberare le filettature, senza determinare la corsa del cilindro perché quest’ultima dipendeva dal sistema di ingranaggi.
Per la prima applicazione:
3,3 cm² × 20 kg/cm² = 66 kgf
Per la seconda:
2,65 cm² × 20 kg/cm² = 53 kgf.
I cilindri CR040 selezionati dal Cliente sono stati quindi ritenuti adatti per entrambe le applicazioni.
Il caso dimostra un principio fondamentale:
Nel dimensionamento di un sistema di svitamento idraulico, la forza del cilindro e la sua corsa sono due problemi distinti che devono essere analizzati e successivamente integrati attraverso la trasmissione meccanica.
Il processo può essere riassunto in:
geometria della filettatura → superficie di contatto → adesione della plastica → forza di svitamento → cilindro → cremagliera e pignone → rotazione dell’anima → corsa del cilindro → tempo di ciclo.
Questo approccio consente di passare dalla semplice scelta di un cilindro a una vera progettazione dell’applicazione.
URL utili e verificati
1. Sistema di Svitamento
Pagina ufficiale Vega dedicata alla categoria dei sistemi di svitamento. Mostra le famiglie di cilindri disponibili per questa applicazione, tra cui V215CR e V210CS.
Sistema di Svitamento – Vega Cylinders
2. V210CS – Cilindri oleodinamici con sistema di svitamento
Pagina ufficiale del V210CS, specificamente progettato per stampi a iniezione con movimento di svitamento. La pagina descrive cilindro, cremagliere, regolazione del pignone, pressione massima e caratteristiche tecniche.
V210CS – Cilindri oleodinamici con sistema di svitamento
3. Cilindri idraulici per stampi
Panoramica generale della gamma Vega per stampi a iniezione plastica e pressofusione, organizzata per applicazione.
4. Cataloghi cilindri idraulici
Pagina ufficiale con i cataloghi Vega organizzati per applicazione, compreso il Sistema di Svitamento.
5. Gamma completa dei cilindri idraulici
Catalogo online Vega con accesso al configuratore 3D e alle diverse famiglie di cilindri.
