Calcolo della forza di svitamento, verifica della cremagliera e scelta del cilindro
Nei sistemi di svitamento per stampi a iniezione, scegliere il cilindro idraulico non significa semplicemente verificare che il cilindro abbia una forza sufficiente a muovere la cremagliera.
È necessario considerare l’intera catena cinematica:
filetto → forza di svitamento → pignone → cremagliera → cilindro idraulico
Se uno solo di questi elementi viene sottodimensionato, il sistema può diventare critico.
Un caso reale analizzato dal Vega Team mostra molto bene questo problema.
Il Cliente aveva richiesto un sistema di svitamento per un particolare plastico filettato e chiedeva quale cilindro fosse necessario. Un requisito fondamentale era che la posizione del filetto dovesse essere la stessa a ogni ciclo.
Il Vega Team ha quindi eseguito il calcolo della forza necessaria per svitare il filetto e ha individuato una soluzione iniziale con un cilindro CS050, verificandone però anche i limiti rispetto alla cremagliera e al numero di cavità.
Il risultato è particolarmente interessante perché dimostra che il dimensionamento del cilindro non può essere effettuato separatamente dal sistema di trasmissione del moto.
1. La richiesta del Cliente
Il Cliente doveva realizzare uno stampo con un particolare plastico dotato di filetto.
Per ottenere il disimpegno del pezzo dallo stampo era necessario utilizzare un sistema di svitamento.
La richiesta al Vega Team era sostanzialmente composta da due punti:
- identificare il cilindro idraulico adatto;
- garantire che la posizione del filetto fosse uguale a ogni ciclo.
Il secondo requisito è particolarmente importante.
In un sistema di svitamento, infatti, non basta che il cilindro riesca a muovere il meccanismo.
È necessario che il movimento sia ripetibile e controllato, perché la posizione finale del filetto deve corrispondere alla posizione prevista dal processo di stampaggio.
2. Perché il calcolo della forza di svitamento è fondamentale
Quando il pezzo in plastica viene raffreddato attorno al maschio filettato, il materiale può esercitare una forza di adesione sulla superficie del filetto.
Il cilindro deve quindi generare una forza sufficiente a vincere questa resistenza.
Il Vega Team ha calcolato una forza di svitamento di circa:
1.690 kgf
per il particolare analizzato.
Questo valore costituisce il punto di partenza per il dimensionamento del sistema.
Ma non è ancora sufficiente per scegliere definitivamente il cilindro.
3. Come è stata calcolata la forza di svitamento
Il calcolo eseguito dal Vega Team parte dalla superficie laterale del filetto.
La superficie considerata è stata calcolata utilizzando:
10,9 × 3,14 × 2,47 ≈ 84,53 cm²
Il Vega Team ha specificato che questa superficie è leggermente superiore a quella reale e che questo approccio introduce quindi un margine di sicurezza nel calcolo.
Alla superficie viene quindi applicato un coefficiente di adesione della plastica pari a:
20 kg/cm²
Il calcolo diventa:
84,53 cm² × 20 kg/cm² = 1.690,6 kgf
ovvero circa:
1.690 kgf
Il valore è coerente con il calcolo riportato dal Vega Team nella comunicazione tecnica.
4. Perché il calcolo utilizza una superficie leggermente superiore
Un dettaglio interessante della comunicazione tecnica è che il Vega Team specifica che il valore della superficie laterale utilizzato nel calcolo è leggermente superiore a quello reale.
Questo significa che il calcolo non cerca semplicemente il valore teorico minimo.
L’obiettivo è introdurre un certo margine di sicurezza.
Nel dimensionamento di un sistema di svitamento questo approccio può essere utile perché le condizioni reali del processo possono variare in funzione di:
- materiale plastico;
- geometria del filetto;
- temperatura;
- condizioni di raffreddamento;
- tolleranze;
- condizioni superficiali;
- pressione di contatto.
Il caso documentato non fornisce però dati sufficienti per quantificare separatamente l’influenza di ciascuno di questi parametri.
5. La prima scelta: cilindro CS050
Sulla base della forza di svitamento calcolata, il Vega Team ha indicato come possibile soluzione il cilindro:
CS050
alla pressione minima di lavoro di:
140 bar.
Il codice e la corsa dovevano invece essere definiti in funzione del sistema di ingranaggi utilizzato nello stampo.
Questo punto è fondamentale.
Il cilindro non viene scelto soltanto in funzione della forza lineare.
La sua corsa deve essere compatibile con:
corsa della cremagliera + rapporto di trasmissione + rotazione richiesta del pignone + passo del filetto.
6. Il cilindro non agisce direttamente sul filetto
In un sistema di svitamento, il cilindro idraulico normalmente non applica direttamente una coppia al maschio filettato.
Il movimento lineare del cilindro viene trasformato in movimento rotatorio attraverso un sistema composto da:
cilindro → cremagliera → pignone → maschio filettato
Quindi la forza disponibile sul cilindro deve essere trasferita attraverso la cremagliera e il pignone.
Questo significa che il dimensionamento deve verificare almeno tre grandezze:
Forza del cilindro
La forza lineare disponibile.
Carico sulla cremagliera
La forza effettivamente trasmessa ai denti.
Coppia sul pignone
La coppia disponibile per ruotare il maschio filettato.
7. Il punto critico: il dente della cremagliera
Ed è proprio qui che il caso Cliente diventa particolarmente interessante.
Il Vega Team ha indicato che il carico massimo sul singolo dente della cremagliera, con modulo 2,5, era:
1.070 kg.
Questo valore deve essere confrontato con le forze generate dal sistema.
Non è quindi sufficiente dire:
“Il cilindro sviluppa abbastanza forza.”
Bisogna anche chiedersi:
La cremagliera e il suo dente sono in grado di trasferire questa forza senza superare il carico ammesso?
8. Il cilindro può essere sufficientemente potente, ma il sistema può essere critico
Questa è una delle lezioni più importanti del caso.
Il Vega Team ha individuato un cilindro CS050 come possibile soluzione alla pressione minima indicata.
Ma contemporaneamente ha evidenziato che il carico massimo sul singolo dente della cremagliera era 1.070 kg.
Il Cliente è stato quindi invitato a eseguire le proprie verifiche e i propri calcoli in funzione:
- della forza di svitamento;
- del sistema di ingranaggi.
Questo dimostra che il dimensionamento finale deve essere fatto sul sistema completo.
9. Cosa succede se ci sono più cavità?
Il Cliente ha successivamente sollevato un punto ancora più importante.
Ha osservato che, in presenza di più di una cavità, il cilindro con alesaggio 50 potrebbe non avere una forza sufficiente.
Questo è perfettamente comprensibile dal punto di vista del dimensionamento.
Se un singolo sistema di svitamento deve vincere contemporaneamente la resistenza di più pezzi, la forza richiesta può aumentare.
In prima approssimazione:
Forza totale ≈ forza per cavità × numero di cavità
quando le cavità vengono svitate contemporaneamente e le condizioni di carico sono equivalenti.
Tuttavia, il valore reale deve essere verificato considerando la geometria effettiva del sistema.
10. Esempio concettuale con più cavità
Supponiamo, esclusivamente come esempio teorico, che una cavità richieda:
1.690 kgf
Se due cavità fossero azionate contemporaneamente con lo stesso sistema e le forze fossero sostanzialmente additive:
1.690 × 2 = 3.380 kgf
Con tre cavità:
1.690 × 3 = 5.070 kgf
Questi valori non sono un nuovo dimensionamento del caso Cliente.
Servono soltanto a mostrare perché il numero di cavità può cambiare radicalmente il requisito del cilindro.
Il documento originale segnala proprio questo problema: in presenza di più di una cavità, il cilindro con alesaggio 50 potrebbe non avere forza sufficiente.
11. La pressione idraulica e la forza del cilindro
La forza teorica di un cilindro idraulico dipende dalla pressione e dall’area efficace del pistone.
In forma semplificata:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = area efficace del pistone.
Per un pistone circolare:
A = πD² / 4
dove D è il diametro dell’alesaggio.
Questa relazione spiega perché aumentare l’alesaggio permette di ottenere una forza maggiore alla stessa pressione.
Ma, ancora una volta, non basta fermarsi alla forza del pistone.
La forza deve essere compatibile con:
cremagliera + pignone + albero + maschio filettato + pezzo plastico.
12. Perché la corsa del cilindro dipende dal sistema di ingranaggi
Nel caso analizzato, il Vega Team specifica che codice e corsa del cilindro devono essere definiti in funzione del sistema di ingranaggi.
Questo è un aspetto fondamentale.
La corsa lineare della cremagliera determina la rotazione del pignone.
In forma semplificata:
s = r × θ
dove:
- s = spostamento lineare della cremagliera;
- r = raggio primitivo del pignone;
- θ = angolo di rotazione in radianti.
Quindi, per ottenere una determinata rotazione del maschio filettato, bisogna conoscere la geometria dell’ingranaggio.
13. Dal movimento lineare alla rotazione
Il sistema di svitamento converte quindi:
movimento lineare
in
movimento rotatorio.
Questo è uno dei motivi per cui i cilindri dedicati allo svitamento devono essere dimensionati in modo differente rispetto a un normale cilindro utilizzato per muovere direttamente una piastra o un carrello.
Nel sistema Vega, il cilindro V210CS attuale è costituito da un cilindro compatto a corsa lunga con una o due cremagliere laterali, progettato specificamente per applicazioni di svitamento. La pagina ufficiale indica inoltre che la regolazione sulla testa posteriore consente di ottimizzare l’accoppiamento tra cremagliera e pignone e il punto di partenza del cilindro.
14. Perché la regolazione dell’ingranaggio è importante
Il contatto tra cremagliera e pignone deve essere correttamente regolato.
Un accoppiamento non corretto può influenzare:
- distribuzione del carico;
- usura dei denti;
- rumorosità;
- precisione del movimento;
- ripetibilità della posizione.
La documentazione attuale del V210CS evidenzia proprio la presenza di una vite di regolazione sulla testa posteriore per ottimizzare l’ingranamento tra cremagliera e pignone e il punto di partenza del cilindro.
15. La ripetibilità della posizione del filetto
Nel caso Cliente c’era un requisito particolarmente importante:
la posizione del filetto doveva essere uguale a ogni ciclo.
Questo significa che non è sufficiente ottenere semplicemente una rotazione.
La rotazione deve essere:
- ripetibile;
- controllata;
- coerente con la posizione iniziale;
- coerente con la posizione finale.
Questo è particolarmente importante quando il pezzo presenta una geometria filettata che deve essere correttamente sincronizzata con il successivo ciclo di stampaggio.
16. La posizione iniziale è importante quanto quella finale
In un sistema di svitamento, la precisione non riguarda soltanto il punto in cui il maschio termina la rotazione.
È necessario controllare anche il punto di partenza.
Se la posizione iniziale cambia da un ciclo all’altro, anche una corsa identica del cilindro può produrre una posizione finale non corretta rispetto al pezzo.
Per questo la meccanica del sistema deve essere progettata per garantire una posizione iniziale definita e ripetibile.
17. Il rischio di sovraccaricare un singolo dente
Il valore di 1.070 kg indicato dal Vega Team per il singolo dente della cremagliera con modulo 2,5 è un elemento fondamentale del dimensionamento.
Quando una forza viene trasmessa attraverso un sistema a cremagliera e pignone, la distribuzione del carico sui denti deve essere attentamente considerata.
Il progettista deve verificare:
- modulo dell’ingranaggio;
- larghezza del dente;
- materiale;
- geometria;
- numero di denti impegnati;
- forza applicata;
- eventuali picchi di carico.
Il documento del caso non fornisce tutti questi dati, quindi non sarebbe corretto effettuare una verifica completa della resistenza del dente oltre ai valori esplicitamente indicati dal Vega Team.
18. Perché il caso è definito “critico”
Il Vega Team ha definito l’applicazione come potenzialmente critica.
Il motivo è facilmente comprensibile osservando la catena di carico:
adesione della plastica → forza di svitamento → cilindro → cremagliera → dente → pignone → maschio filettato
Un aumento della forza necessaria per lo svitamento può quindi influenzare contemporaneamente più componenti.
Per questo motivo la progettazione deve considerare l’intero sistema.
19. Un errore comune: dimensionare solo il cilindro
Un errore frequente nella progettazione di sistemi di svitamento è chiedersi soltanto:
“Quanta forza deve avere il cilindro?”
La domanda corretta dovrebbe essere:
“Qual è la forza necessaria per svitare il pezzo e come viene trasferita attraverso l’intero sistema meccanico?”
La sequenza corretta è:
- calcolare la forza di estrazione/svitamento;
- determinare la coppia richiesta;
- verificare il rapporto di trasmissione;
- determinare la forza necessaria sulla cremagliera;
- verificare il carico sui denti;
- dimensionare il cilindro;
- definire la corsa;
- verificare la ripetibilità della posizione.
20. Il ruolo del numero di cavità
Il numero di cavità può diventare uno dei parametri più importanti.
Una singola cavità può richiedere una determinata forza.
Ma se più cavità devono essere svitate contemporaneamente, il sistema deve essere dimensionato per il carico complessivo.
Il Cliente stesso ha evidenziato questo punto durante lo scambio tecnico, osservando che con più di una cavità il cilindro con alesaggio 50 avrebbe potuto non essere sufficiente.
Questa osservazione mostra perché il numero di cavità deve essere definito prima di finalizzare il cilindro.
21. Un approccio corretto al dimensionamento
Per un nuovo sistema di svitamento, una procedura razionale può essere:
Fase 1 – Analizzare il pezzo
Determinare:
- diametro del filetto;
- lunghezza;
- geometria;
- materiale;
- numero di filetti;
- superficie di contatto.
Fase 2 – Determinare la forza di svitamento
Utilizzare il modello di calcolo appropriato e applicare un adeguato margine di sicurezza.
Fase 3 – Determinare la coppia
La forza di svitamento deve essere convertita nella coppia necessaria sul maschio.
Fase 4 – Analizzare il sistema di ingranaggi
Verificare:
- modulo;
- diametro primitivo;
- rapporto di trasmissione;
- corsa della cremagliera.
Fase 5 – Verificare la cremagliera
Controllare il carico massimo sul dente.
Fase 6 – Selezionare il cilindro
Scegliere alesaggio e pressione necessari.
Fase 7 – Definire la corsa
La corsa deve essere compatibile con la rotazione richiesta.
Fase 8 – Verificare la ripetibilità
La posizione iniziale e finale deve essere ripetibile a ogni ciclo.
22. La soluzione Vega per i sistemi di svitamento
La gamma Vega attuale comprende il V210CS, progettato specificamente per applicazioni di svitamento negli stampi a iniezione.
La configurazione standard utilizza alesaggi da 32 a 50 mm e corse da 300 a 500 mm. Il cilindro integra una o due cremagliere laterali e utilizza un sistema compatto particolarmente adatto quando lo spazio nello stampo è limitato.
La pagina ufficiale indica inoltre:
- pressione massima di esercizio: 180 bar;
- velocità massima: 0,1 m/s;
- olio compatibile: olio minerale ISO VG46;
- sensori magnetici per il controllo della posizione.
Queste caratteristiche mostrano come il concetto sviluppato nel caso Cliente si sia tradotto in una soluzione di prodotto dedicata ai sistemi di svitamento.
23. Perché il V210CS è diverso da un normale cilindro
Il V210CS non è semplicemente un cilindro idraulico con una corsa lunga.
È concepito come sistema per trasformare il movimento lineare del cilindro in movimento rotatorio attraverso la cremagliera.
Questo permette di realizzare un sistema integrato e compatto.
Vega sottolinea proprio il vantaggio dell’ingombro ridotto rispetto a soluzioni basate su cilindri a tiranti, particolarmente utile negli stampi a iniezione dove lo spazio è limitato.
24. Sensori e controllo della posizione
Nel caso Cliente il requisito era che la posizione del filetto fosse uguale a ogni ciclo.
Il controllo della posizione può quindi essere un elemento importante dell’architettura del sistema.
Il V210CS attuale può essere equipaggiato con sensori elettronici regolabili che rilevano il campo magnetico generato dal magnete presente nel pistone. Il segnale può essere inviato al PLC della macchina di stampaggio.
Questo permette di integrare il movimento del sistema di svitamento con il controllo della macchina.
25. Dal caso Cliente a una regola generale
Il caso analizzato permette di ricavare una regola molto importante:
Un sistema di svitamento deve essere dimensionato partendo dalla forza richiesta dal pezzo e arrivando fino al dente della cremagliera e al cilindro, non viceversa.
Il percorso corretto è:
pezzo → filetto → adesione → forza di svitamento → coppia → pignone → cremagliera → cilindro
Non:
cilindro → “forza disponibile” → speriamo che sia sufficiente.
26. Cosa ci insegna questo caso
Il caso Cliente mette in evidenza diversi aspetti fondamentali.
La forza di svitamento deve essere calcolata
Nel caso analizzato il valore è stato stimato in circa 1.690 kgf.
La superficie del filetto può essere utilizzata per stimare la forza
Il Vega Team ha utilizzato una superficie di circa 84,53 cm² e un coefficiente di adesione di 20 kg/cm².
Il cilindro non è l’unico elemento da verificare
Il carico massimo indicato sul singolo dente della cremagliera era 1.070 kg per modulo 2,5.
Il numero di cavità cambia il problema
Il Cliente ha evidenziato che con più di una cavità il cilindro con alesaggio 50 potrebbe non avere forza sufficiente.
La corsa dipende dal sistema di ingranaggi
Il Vega Team ha specificato che codice e corsa devono essere definiti in funzione del sistema di ingranaggi.
La ripetibilità è parte del progetto
La posizione del filetto doveva essere la stessa a ogni ciclo.
Conclusione
Il dimensionamento di un sistema idraulico per lo svitamento di un filetto richiede un approccio molto più completo rispetto alla semplice scelta di un cilindro.
Nel caso analizzato, il Cliente aveva bisogno di un sistema capace di svitare un particolare plastico filettato mantenendo la posizione del filetto uguale a ogni ciclo.
Il Vega Team ha calcolato una forza di svitamento di circa 1.690 kgf, ottenuta considerando una superficie laterale del filetto di circa 84,53 cm² e un coefficiente di adesione della plastica di 20 kg/cm².
Come possibile soluzione è stato individuato un cilindro CS050, alla pressione minima di lavoro di 140 bar, lasciando però da definire codice e corsa in funzione del sistema di ingranaggi.
Contemporaneamente, il Vega Team ha evidenziato che il carico massimo sul singolo dente della cremagliera con modulo 2,5 era di 1.070 kg, invitando il Cliente a verificare il sistema in funzione della forza di svitamento e del sistema di ingranaggi.
Il Cliente ha inoltre evidenziato una questione fondamentale: con più di una cavità, un alesaggio 50 potrebbe non essere sufficiente.
La lezione generale è quindi molto chiara:
Per dimensionare correttamente un sistema di svitamento non bisogna chiedersi soltanto quale cilindro utilizzare. Bisogna verificare l’intera catena di trasmissione della forza, dal filetto fino al cilindro.
Forza di svitamento → coppia → pignone → cremagliera → dente → cilindro → corsa → posizione finale.
È proprio questa analisi completa che permette di ottenere un sistema di svitamento affidabile, ripetibile e correttamente dimensionato.
URL utili e verificati
1. V210CS – Cilindri oleodinamici per sistemi di svitamento
Pagina ufficiale Vega dedicata al V210CS, il prodotto specificamente sviluppato per lo svitamento negli stampi a iniezione. Contiene informazioni su cremagliera, pignone, corsa, alesaggi, pressione, velocità, sensori e regolazione dell’ingranaggio.
V210CS – Cilindri oleodinamici con sistema di svitamento
2. Sistema di svitamento – Catalogo Vega
Pagina ufficiale della categoria Sistema di Svitamento, dove Vega indica il V210CS come cilindro dedicato a questa applicazione.
Sistema di svitamento – Vega Cylinders
3. Cilindri idraulici per stampi
Panoramica ufficiale dei cilindri Vega per stampi a iniezione e pressofusione, con suddivisione per applicazione.
Cilindri idraulici per stampi – Vega Cylinders
4. Accessori per cilindri idraulici
Pagina ufficiale degli accessori Vega per il collegamento dei cilindri alle parti mobili dello stampo e al circuito idraulico.
Accessori per cilindri idraulici – Vega Cylinders
5. Cilindri idraulici Vega
Pagina generale dei cilindri idraulici Vega, utile per accedere alle diverse famiglie e al configuratore 3D.
Cilindri idraulici – Vega Cylinders
