Come Dimensionare un Cilindro Idraulico per Stampi a Iniezione: Un Caso Reale di Progettazione
Calcolo della Forza di Spinta, della Forza di Estrazione e Scelta del Cilindro Idraulico
La scelta di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione viene spesso considerata un’operazione semplice. Molti progettisti selezionano il cilindro in base allo spazio disponibile nello stampo oppure riutilizzano la stessa soluzione adottata in progetti precedenti apparentemente simili.
Questo approccio, tuttavia, porta frequentemente a cilindri sovradimensionati, consumi energetici inutilmente elevati, costi superiori al necessario oppure, nel peggiore dei casi, a cilindri incapaci di sopportare le reali sollecitazioni generate durante il ciclo di stampaggio.
Un cilindro idraulico deve essere scelto esclusivamente dopo aver determinato le forze che agiranno realmente sul componente movimentato.
Nella maggior parte degli stampi a iniezione il cilindro può essere chiamato a svolgere funzioni molto diverse durante il ciclo produttivo:
- contrastare la pressione esercitata dal materiale plastico durante l’iniezione;
- estrarre un tassello o un’anima aderente al pezzo stampato;
- vincere gli attriti delle guide;
- mantenere un componente perfettamente in posizione;
- lavorare milioni di cicli senza perdita di precisione.
Per questo motivo il dimensionamento di un cilindro idraulico è un vero e proprio calcolo ingegneristico e non una semplice scelta da catalogo.
Questo articolo analizza un caso reale affrontato dal reparto tecnico Vega, nel quale è stato richiesto il dimensionamento dei cilindri idraulici per tre differenti stampi a iniezione. Il caso dimostra come applicazioni apparentemente simili possano richiedere cilindri completamente diversi quando vengono calcolate correttamente le forze in gioco.
Il Problema Progettuale
Un costruttore di stampi ha inviato al reparto tecnico Vega i disegni costruttivi di tre stampi chiedendo supporto per individuare il cilindro idraulico più adatto per ogni movimento.
Anziché proporre immediatamente un modello standard, il reparto tecnico ha eseguito un’analisi completa di ciascuna applicazione.
Per ogni cilindro sono stati valutati:
- superficie frontale investita dalla pressione del materiale plastico;
- superficie laterale interessata dall’estrazione;
- coefficiente di adesione della plastica;
- angolo di sformo;
- temperatura prevista del pezzo durante l’estrazione;
- eventuali spallamenti meccanici presenti nello stampo;
- forza utile richiesta in spinta;
- forza utile richiesta in trazione.
Solo dopo aver completato questi calcoli è stato possibile individuare il cilindro idraulico corretto per ciascuna applicazione.
Questo metodo consente di evitare sia il sottodimensionamento sia il sovradimensionamento dell’impianto oleodinamico, aumentando affidabilità ed efficienza.
Stampo 21037 – Cilindro Superiore
Il primo stampo prevedeva un cilindro installato nella parte superiore dello stampo con il compito di mantenere in posizione un tassello durante la fase di iniezione.
Il primo passo è stato determinare la superficie frontale direttamente esposta alla pressione del materiale plastico.
La superficie risultava pari a circa:
28,3 cm²
La pressione stimata del materiale plastico all’interno della cavità era pari a:
500 bar
Da questi dati è stata calcolata una forza diretta esercitata dal materiale plastico di circa:
14.150 kgf
Questo valore mette immediatamente in evidenza uno degli aspetti più importanti nella progettazione degli stampi.
Sebbene la pressa sviluppi una determinata forza di chiusura, singoli componenti dello stampo possono essere sottoposti a forze estremamente elevate in funzione della superficie direttamente esposta alla pressione del materiale.
Trascurare questo calcolo può provocare:
- apertura del tassello;
- formazione di bave;
- usura accelerata;
- deformazioni;
- guasti meccanici.
Perché la Geometria Cambia le Forze
Osservando solamente il valore di 14.150 kgf, si potrebbe pensare che il cilindro debba essere dimensionato per contrastare completamente questa forza.
In realtà non è così.
Il tassello dello stampo presentava una superficie inclinata di 10°.
Questa geometria trasferisce gran parte della forza direttamente nella struttura dello stampo attraverso lo spallamento meccanico.
Di conseguenza il cilindro deve sviluppare soltanto la forza realmente necessaria per mantenere il tassello in posizione.
Nel caso reale tale forza risultava pari a circa:
2.495 kgf
Questo esempio dimostra chiaramente come il dimensionamento di un cilindro non possa essere effettuato considerando esclusivamente la pressione del materiale plastico.
La cinematica dello stampo modifica completamente le forze realmente richieste al cilindro.
Il Calcolo della Forza di Estrazione
Terminata la fase di iniezione, il problema cambia completamente.
Il cilindro non deve più contrastare la pressione del materiale plastico.
Ora deve vincere l’adesione tra il pezzo stampato e il tassello.
Per questo motivo non si considera più la superficie frontale.
Il parametro fondamentale diventa la superficie laterale del tassello.
Nel caso in esame essa risultava pari a circa:
5,9 cm²
Assumendo un coefficiente di adesione della plastica pari a:
20 kg/cm²
la forza di estrazione risultava di circa:
118 kgf
Il confronto con i 14.150 kgf calcolati durante la fase di iniezione evidenzia come il medesimo cilindro sia chiamato a lavorare in condizioni completamente differenti durante il ciclo produttivo.
Questo rappresenta uno degli errori più comuni nella progettazione degli stampi.
Molti progettisti dimensionano il cilindro considerando una sola fase del ciclo, mentre le condizioni operative cambiano continuamente.
Il Cilindro Consigliato
Dopo aver analizzato entrambe le condizioni di lavoro, il reparto tecnico Vega ha consigliato il seguente cilindro:
CM050CGHGQ030
Caratteristiche principali:
- corsa 50 mm;
- riduttore di corsa a 30 mm;
- sensori meccanici;
- pressione nominale di esercizio pari a 140 bar.
La scelta non è stata effettuata selezionando il cilindro più grande disponibile, ma individuando quello capace di fornire la forza utile richiesta mantenendo dimensioni compatte e una pressione di esercizio ottimale.
Questo approccio permette di ridurre il consumo energetico, migliorare la durata delle guarnizioni e aumentare l’affidabilità complessiva dello stampo.
Stampo 21037 – Cilindro Inferiore
Il secondo cilindro dello stesso stampo lavorava in condizioni completamente differenti.
In questo caso il tassello era dotato di uno spallamento meccanico in grado di assorbire integralmente la pressione del materiale plastico.
Per questo motivo non è stato necessario eseguire alcun calcolo della forza di spinta.
L’analisi si è concentrata esclusivamente sulla forza necessaria per estrarre il tassello.
La superficie laterale risultava pari a circa:
662 cm²
L’angolo di sformo era:
6,4°
Assumendo un coefficiente di adesione della plastica pari a:
8 kg/cm²
la forza utile richiesta in trazione risultava pari a circa:
5.296 kgf
Si tratta di una forza quasi cinquanta volte superiore rispetto a quella richiesta per l’estrazione del tassello superiore.
Eppure entrambi i cilindri appartengono allo stesso stampo.
Questo dimostra come ogni movimento debba essere analizzato individualmente.
Non esiste un cilindro “standard” valido per tutte le applicazioni.
L’Influenza della Temperatura del Pezzo
Uno degli aspetti più interessanti emersi durante questa analisi riguarda la temperatura del pezzo al momento dell’estrazione.
Il reparto tecnico Vega ha osservato che, se il componente plastico venisse estratto a una temperatura maggiore, il coefficiente di adesione potrebbe ridursi da 8 kg/cm² a circa 5 kg/cm².
In questa condizione la forza di estrazione scenderebbe da:
5.296 kgf
a circa:
3.310 kgf
La riduzione è prossima al 40%.
Questo esempio evidenzia un principio fondamentale nella progettazione degli stampi a iniezione.
La forza necessaria per estrarre un tassello non dipende esclusivamente dalla geometria dello stampo, ma anche dalle condizioni di processo.
Temperatura del pezzo, tempo di raffreddamento, materiale plastico e finitura superficiale influenzano direttamente il coefficiente di adesione e, di conseguenza, il corretto dimensionamento del cilindro idraulico.
Confronto tra Diverse Applicazioni e Metodo di Dimensionamento
Nella prima parte abbiamo visto come il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico non dipenda semplicemente dalla pressione di iniezione, ma dall’analisi completa delle forze realmente presenti durante l’intero ciclo di stampaggio.
Il primo stampo ha mostrato come la presenza di superfici inclinate e di spallamenti meccanici possa ridurre drasticamente la forza che il cilindro deve realmente sviluppare.
L’analisi dei due stampi successivi conferma ulteriormente questo principio.
Pur appartenendo alla stessa tipologia di applicazione, ogni movimento richiede infatti un cilindro completamente diverso.
Stampo 21038 – Quando lo Spallamento Meccanico Lavora al Posto del Cilindro
Nel secondo stampo analizzato il tassello era progettato con uno spallamento meccanico capace di assorbire completamente la pressione esercitata dal materiale plastico durante l’iniezione.
Di conseguenza il cilindro idraulico non aveva il compito di contrastare la pressione della cavità.
Il suo unico lavoro consisteva nell’estrarre il tassello al termine dello stampaggio.
Dal punto di vista progettuale questa è una soluzione estremamente efficiente.
Quando le forze generate dall’iniezione vengono scaricate direttamente sulla struttura dello stampo, il cilindro può essere dimensionato esclusivamente per la fase di estrazione.
I vantaggi sono numerosi:
- cilindri di dimensioni inferiori;
- minore pressione di esercizio;
- minori consumi energetici;
- minore usura delle guarnizioni;
- maggiore durata dell’impianto oleodinamico.
Il Calcolo della Forza di Estrazione
Per questo motivo il reparto tecnico Vega ha eseguito solamente il calcolo della forza di trazione.
La superficie laterale del tassello risultava pari a circa:
115 cm²
Assumendo un coefficiente di adesione della plastica pari a:
15 kg/cm²
la forza utile richiesta risultava pari a circa:
1.725 kgf, senza considerare ulteriori attriti.
Questo valore è circa un terzo della forza necessaria per il cilindro inferiore dello stampo precedente.
La differenza non dipende dalla dimensione dello stampo, ma esclusivamente dalla geometria del tassello e dalla superficie di contatto con il materiale plastico.
Il Cilindro Consigliato
Sulla base dei calcoli effettuati, Vega ha consigliato il cilindro:
CR063028D0GHGM100
equipaggiato con sensori magnetici a due fili.
Come soluzione alternativa è stato proposto il modello:
CM063CGHGQ100
dotato di sensori meccanici.
È interessante osservare che le due alternative differiscono principalmente per il sistema di rilevamento della posizione.
Dal punto di vista del dimensionamento, invece, entrambe soddisfano perfettamente la forza utile richiesta.
La scelta tra sensori magnetici e microinterruttori meccanici dipenderà quindi dagli standard del costruttore dello stampo, dal sistema di controllo della pressa e dalle preferenze del reparto manutenzione.
Stampo 21039 – Una Piccola Superficie Richiede un Piccolo Cilindro
Il terzo stampo rappresenta un esempio molto interessante perché dimostra come non tutti i movimenti richiedano cilindri di grandi dimensioni.
In questa applicazione il componente movimentato era costituito da due spine di diametro 11 mm.
La superficie frontale complessivamente esposta alla pressione del materiale plastico risultava pari a circa:
1,7 cm²
Anche considerando una pressione della cavità di 500 bar, la forza sviluppata dal materiale plastico risultava pari a circa:
850 kgf
Inoltre la forza di estrazione è stata considerata trascurabile grazie alla particolare geometria del componente.
Questo rappresenta uno dei carichi più bassi analizzati tra i tre stampi.
Il Cilindro Consigliato
Per questa applicazione è stato selezionato il cilindro:
equipaggiato con sensori magnetici.
Come alternativa è stato suggerito:
con sensori meccanici.
Questo esempio dimostra chiaramente che aumentare inutilmente il diametro del cilindro non rappresenta una scelta progettuale corretta.
Un cilindro sovradimensionato comporta infatti:
- maggiore ingombro nello stampo;
- maggiore quantità di olio movimentato;
- tempi di risposta più elevati;
- consumi energetici superiori;
- costi maggiori;
- maggiore peso complessivo dello stampo.
Il miglior progetto non utilizza il cilindro più grande, ma quello più adatto alle reali esigenze dell’applicazione.
Ogni Cilindro Deve Essere Dimensionato Singolarmente
L’insegnamento più importante di questo caso reale riguarda proprio il metodo di progettazione.
I tre stampi analizzati presentavano applicazioni molto simili.
Tuttavia ciascun cilindro richiedeva un dimensionamento completamente differente.
Le differenze erano dovute a:
- superficie frontale investita dalla pressione del materiale plastico;
- superficie laterale interessata dall’adesione;
- angolo di sformo;
- presenza o meno di spallamenti meccanici;
- coefficiente di adesione della plastica;
- temperatura del pezzo durante l’estrazione;
- corsa utile richiesta.
Di conseguenza non è possibile scegliere un cilindro semplicemente copiando una soluzione utilizzata in uno stampo precedente.
Ogni movimento deve essere calcolato singolarmente.
Il Ruolo dell’Adesione della Plastica
Uno degli aspetti più trascurati nella progettazione riguarda proprio la forza di adesione tra materiale plastico e acciaio.
Molti progettisti concentrano tutta l’attenzione sulla pressione di iniezione.
In numerose applicazioni, invece, è proprio la forza di estrazione a determinare il corretto dimensionamento del cilindro.
L’adesione dipende da numerosi fattori:
- tipo di polimero;
- finitura superficiale dello stampo;
- rugosità della cavità;
- angolo di sformo;
- temperatura dello stampo;
- temperatura del pezzo;
- tempo di raffreddamento;
- ritiro del materiale.
Una variazione anche modesta di uno solo di questi parametri può modificare sensibilmente la forza richiesta durante l’estrazione.
Il caso dello stampo 21037 ha mostrato chiaramente come un aumento della temperatura del pezzo possa ridurre il coefficiente di adesione e abbassare la forza necessaria di circa il 40%.
Un Metodo di Dimensionamento Applicabile a Qualsiasi Stampo
L’approccio seguito dal reparto tecnico Vega può essere utilizzato praticamente per qualsiasi applicazione oleodinamica negli stampi a iniezione.
Il procedimento comprende sempre le stesse fasi:
- Calcolare la superficie frontale investita dalla pressione del materiale plastico.
- Determinare la forza di spinta durante l’iniezione.
- Verificare l’eventuale presenza di spallamenti meccanici o superfici inclinate.
- Calcolare la superficie laterale interessata dall’adesione.
- Stimare il coefficiente di adesione della plastica.
- Determinare la forza di estrazione.
- Considerare attriti e opportuni coefficienti di sicurezza.
- Valutare l’influenza della temperatura del pezzo e delle condizioni di processo.
- Selezionare il cilindro capace di sviluppare la forza utile richiesta alla pressione di esercizio prevista.
- Verificare corsa, ingombri, fissaggi e sistema di rilevamento della posizione.
Seguendo questo metodo il progettista riduce sensibilmente il rischio di errori di dimensionamento e aumenta l’affidabilità dello stampo.
Lezioni Apprese dal Caso Reale
Questo caso dimostra come il corretto dimensionamento di un cilindro idraulico sia il risultato di un’analisi ingegneristica completa e non di una semplice scelta commerciale.
Le valutazioni eseguite dal reparto tecnico Vega hanno portato alla selezione di cilindri differenti per tre applicazioni apparentemente simili, dimostrando che ogni movimento dello stampo possiede caratteristiche proprie e deve essere studiato individualmente.
Attraverso questo approccio è possibile:
- ridurre il consumo energetico;
- evitare sovradimensionamenti inutili;
- aumentare la durata dei cilindri;
- diminuire gli interventi di manutenzione;
- migliorare l’affidabilità dello stampo;
- ridurre i tempi di fermo macchina.
Conclusioni
Dimensionare correttamente un cilindro idraulico significa comprendere il comportamento meccanico dell’intero stampo.
Pressione del materiale plastico, adesione del polimero, angolo di sformo, temperatura del pezzo, spallamenti meccanici e cinematica del movimento contribuiscono tutti a determinare la forza realmente richiesta durante il ciclo produttivo.
Il caso reale analizzato dimostra che non esistono cilindri “universali” per gli stampi a iniezione.
Ogni applicazione richiede un’analisi specifica e un dimensionamento dedicato.
Seguendo un metodo di calcolo strutturato è possibile ottenere stampi più affidabili, ridurre i consumi dell’impianto oleodinamico, aumentare la durata dei cilindri e garantire prestazioni costanti anche dopo milioni di cicli di produzione.
