Calcolare la Forza di Estrazione Anziché la Pressione di Iniezione
Uno degli errori più comuni nel dimensionamento dei cilindri oleodinamici per gli stampi di pressofusione consiste nel ritenere che il cilindro debba sempre resistere alla pressione di iniezione generata all’interno della cavità.
Questa ipotesi è corretta in alcune applicazioni, ma completamente sbagliata in altre.
L’elemento che determina il corretto criterio di calcolo non è la pressione di pressofusione in sé.
È il sistema con cui il carrello viene bloccato durante l’iniezione.
Se il carrello rimane in posizione esclusivamente grazie al cilindro oleodinamico, quest’ultimo dovrà sopportare le enormi forze generate dall’alluminio fuso durante il riempimento della cavità.
Se invece il carrello è bloccato meccanicamente mediante un cuneo, il cilindro non è più chiamato a contrastare la pressione di iniezione.
Il suo compito diventa completamente diverso.
Anziché resistere alla pressione dell’alluminio liquido, deve semplicemente estrarre il carrello dopo che il getto si è solidificato.
Questa differenza modifica radicalmente il metodo di dimensionamento e consente spesso di utilizzare cilindri molto più compatti, riducendo costi, ingombri e consumi energetici senza compromettere l’affidabilità dello stampo.
Un interessante caso reale sottoposto al Vega Technical Department dimostra perfettamente perché comprendere il sistema di bloccaggio rappresenti il primo passo nella scelta del cilindro corretto.
La Richiesta del Cliente
Il progetto riguardava uno stampo di pressofusione a quattro impronte, equipaggiato con due carrelli per ciascuna impronta, per un totale di otto cilindri oleodinamici.
Anziché chiedere direttamente quale cilindro utilizzare, il progettista aveva già eseguito i propri calcoli e desiderava una verifica tecnica da parte di Vega.
Questo approccio è tipico dei progettisti più esperti.
Prima eseguono il dimensionamento teorico e successivamente richiedono una conferma tecnica, verificando che il metodo di calcolo e la scelta del cilindro siano realmente corretti.
Nella sua email il cliente specifica chiaramente che tutti i carrelli sono bloccati meccanicamente tramite cuneo durante la fase di iniezione.
Di conseguenza, i cilindri oleodinamici non devono contrastare la pressione dell’alluminio, ma esclusivamente sviluppare la forza necessaria per estrarre gli inserti dopo la solidificazione del getto.
Questa semplice informazione cambia completamente il modo di affrontare il problema.
Perché il Bloccaggio Meccanico Cambia il Dimensionamento
Molti progettisti iniziano automaticamente il calcolo considerando la pressione di iniezione.
In questo caso sarebbe un errore.
Poiché il carrello viene mantenuto in posizione dal sistema di cunei, il cilindro non lavora durante la fase di riempimento dello stampo.
Le enormi forze sviluppate dalla pressione di pressofusione vengono infatti assorbite dalla struttura meccanica dello stampo.
Il cilindro entra in funzione soltanto dopo che:
- l’alluminio si è completamente solidificato;
- la pressione di iniezione è ormai scomparsa;
- lo stampo inizia ad aprirsi;
- il sistema di bloccaggio meccanico libera il carrello.
A questo punto il cilindro deve semplicemente vincere l’aderenza tra l’alluminio solidificato e l’inserto dello stampo.
Il problema progettuale non riguarda quindi la pressione di iniezione.
Riguarda esclusivamente la forza di estrazione.
Comprendere questa differenza permette spesso di ridurre sensibilmente le dimensioni del cilindro, la potenza della centralina oleodinamica e il consumo complessivo di energia.
Che Cos’è la Forza di Estrazione?
Quando l’alluminio solidifica tende a contrarsi attorno ai tasselli e agli inserti dello stampo.
Sebbene il ritiro del materiale favorisca in parte il distacco, in molte situazioni permane una significativa forza di adesione tra il pezzo pressofuso e la superficie dell’inserto.
Il cilindro deve quindi sviluppare una forza sufficiente a vincere questa adesione prima che il carrello possa arretrare.
A differenza della pressione di iniezione, la forza di estrazione dipende principalmente da:
- superficie di contatto tra alluminio e acciaio;
- coefficiente di aderenza;
- lega utilizzata;
- finitura superficiale;
- angolo di sformo;
- condizioni di raffreddamento.
Per questo motivo il dimensionamento viene normalmente eseguito partendo dalla superficie aderente e non dalla pressione presente durante l’iniezione.
Il Metodo di Calcolo Utilizzato dal Cliente
Per il primo tipo di carrello il progettista ha considerato:
- superficie soggetta a strappo: 12 cm²;
- coefficiente di aderenza dell’alluminio: 60 kg/cm².
La forza di estrazione ottenuta risulta quindi pari a:
720 kg
Con una pressione disponibile di 140 bar, il progettista ha selezionato un cilindro CM040, capace di sviluppare circa 1.226 kg di forza a trazione, ottenendo un coefficiente di sicurezza pari a circa 1,7.
Per il secondo tipo di carrello è stato seguito lo stesso procedimento.
La superficie aderente aumenta a 21,6 cm², portando la forza richiesta a circa 1.296 kg.
Alla stessa pressione di esercizio (140 bar) è stato quindi scelto un cilindro CM063, capace di sviluppare circa 3.500 kg di forza a trazione, ottenendo un coefficiente di sicurezza di circa 2,7.
Il progettista non chiede a Vega di rifare i calcoli.
Chiede piuttosto di verificare se sia il metodo utilizzato sia i coefficienti di sicurezza scelti siano corretti.
Come si Calcola la Forza di Estrazione
Il metodo utilizzato dal cliente segue una procedura comunemente adottata nella progettazione degli stampi di pressofusione.
La forza necessaria per estrarre un inserto può essere stimata con la relazione:
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Word):
F = A × Cdove:
- F = forza di estrazione;
- A = superficie di contatto tra alluminio e inserto;
- C = coefficiente di aderenza dell’alluminio.
Questa semplice relazione evidenzia un concetto fondamentale.
La forza richiesta dipende principalmente dalla superficie aderente e non dalla pressione che era presente all’interno della cavità durante l’iniezione.
Per questo motivo due carrelli appartenenti allo stesso stampo possono richiedere cilindri completamente differenti pur lavorando nelle medesime condizioni di pressofusione.
Perché il Coefficiente di Aderenza è Così Importante
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso riguarda il valore di 60 kg/cm² utilizzato come coefficiente di aderenza dell’alluminio.
Nella pratica progettuale questo valore rappresenta una stima ingegneristica della forza necessaria per separare il getto solidificato dalla superficie dell’inserto.
Tuttavia, il valore reale può variare sensibilmente in funzione di numerosi fattori, tra cui:
- tipo di lega di alluminio;
- rugosità superficiale dell’inserto;
- angolo di sformo;
- lubrificazione dello stampo;
- temperatura dello stampo;
- tempo di raffreddamento;
- trattamenti superficiali come nitrurazione o rivestimenti PVD.
Per questo motivo gli ingegneri più esperti non si affidano esclusivamente alle formule teoriche.
Combinano i calcoli con l’esperienza maturata su applicazioni analoghe.
Perché il Coefficiente di Sicurezza è Fondamentale
Una volta determinata la forza teorica di estrazione, occorre stabilire quale margine di sicurezza adottare.
Se il cilindro venisse dimensionato esattamente sulla forza teorica, qualsiasi variazione del processo produttivo potrebbe impedirne il corretto funzionamento.
Piccole differenze nella temperatura dell’alluminio, nella lubrificazione o nell’usura dello stampo possono infatti aumentare sensibilmente la forza necessaria per estrarre il carrello.
Per questo motivo il progettista ha scelto cilindri capaci di sviluppare forze significativamente superiori a quelle strettamente necessarie, chiedendo infine a Vega di verificare se i coefficienti di sicurezza 1,7 e 2,7 fossero realmente adeguati per questa applicazione.
Come Scegliere il Corretto Coefficiente di Sicurezza ed Evitare Cilindri Sovradimensionati
Nella prima parte abbiamo analizzato uno dei principi più importanti nel dimensionamento dei cilindri oleodinamici per gli stampi di pressofusione: quando i carrelli sono bloccati meccanicamente tramite cunei, il cilindro oleodinamico non deve contrastare la pressione di iniezione.
Il suo unico compito consiste nell’estrarre il carrello dopo che il getto di alluminio si è completamente solidificato.
Questa semplice osservazione modifica radicalmente il metodo di progettazione.
Anziché dimensionare il cilindro in funzione della pressione presente nella cavità, il progettista deve calcolare la forza necessaria a vincere l’aderenza tra l’alluminio solidificato e l’inserto dello stampo.
Tuttavia, determinare la forza teorica rappresenta soltanto il primo passo.
La vera sfida ingegneristica consiste nello stabilire quanta forza aggiuntiva sia necessaria per garantire un funzionamento affidabile durante l’intera vita dello stampo.
Perché i Calcoli Teorici Non Sono Mai Sufficenti
Ogni calcolo rappresenta una situazione ideale.
La produzione industriale, invece, non è mai perfettamente costante.
Durante il funzionamento dello stampo possono variare numerosi fattori, tra cui:
- temperatura dell’alluminio;
- temperatura dello stampo;
- qualità della lubrificazione;
- condizioni superficiali degli inserti;
- tempi di raffreddamento;
- tolleranze dimensionali;
- usura delle parti mobili.
Anche se il calcolo della forza di estrazione è corretto, queste variabili possono aumentare sensibilmente la forza realmente necessaria per liberare il carrello.
Per questo motivo nessun progettista esperto sceglie un cilindro in grado di sviluppare esattamente la forza teorica calcolata.
Si introduce sempre un opportuno margine di sicurezza.
Che Cos’è il Coefficiente di Sicurezza
Il coefficiente di sicurezza rappresenta la forza supplementare disponibile oltre il valore minimo teoricamente necessario.
Il suo scopo è compensare tutte quelle variabili che non possono essere previste con assoluta precisione durante la progettazione.
Tra queste troviamo:
- tolleranze costruttive;
- invecchiamento dei componenti oleodinamici;
- oscillazioni della pressione di alimentazione;
- contaminazione dell’olio;
- aumento degli attriti dovuto all’usura;
- variazioni dell’aderenza tra alluminio e acciaio.
Senza un adeguato coefficiente di sicurezza, anche un cilindro perfettamente dimensionato dal punto di vista teorico potrebbe non riuscire ad estrarre il carrello in particolari condizioni di lavoro.
Allo stesso tempo, un coefficiente eccessivamente elevato può comportare cilindri inutilmente grandi, maggior consumo di olio e costi superiori.
L’obiettivo dell’ingegnere è quindi trovare il giusto equilibrio.
Due Carrelli, Due Coefficienti di Sicurezza Differenti
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso riguarda proprio la scelta di due coefficienti di sicurezza differenti.
Per il Carrello 1, il progettista ha calcolato una forza teorica di estrazione pari a circa 720 kg.
Ha quindi selezionato un cilindro CM040, capace di sviluppare circa 1.226 kg di forza in trazione, ottenendo un coefficiente di sicurezza di circa 1,7.
Per il Carrello 2, la forza teorica richiesta sale invece a circa 1.296 kg.
In questo caso viene scelto un cilindro CM063, capace di sviluppare circa 3.500 kg di forza, corrispondente ad un coefficiente di sicurezza di circa 2,7.
È interessante osservare che il cliente non chiede a Vega quale cilindro utilizzare.
Domanda invece se il metodo di calcolo adottato e i coefficienti di sicurezza scelti siano corretti.
Questo dimostra un approccio progettuale estremamente professionale.
Un Coefficiente di Sicurezza Più Alto è Sempre Migliore?
Molti progettisti sono portati a pensare che scegliere il cilindro più grande rappresenti sempre la soluzione più sicura.
Dal punto di vista ingegneristico non è così.
Un cilindro sovradimensionato comporta diversi svantaggi:
- costo di acquisto più elevato;
- maggiore ingombro nello stampo;
- aumento del volume d’olio necessario;
- centralina oleodinamica più grande;
- movimenti più lenti se la portata della pompa rimane invariata;
- incremento del peso complessivo dello stampo.
Negli stampi di pressofusione, dove ogni millimetro disponibile è prezioso, un cilindro troppo grande può addirittura rendere impossibile il progetto.
L’obiettivo non è quindi scegliere il cilindro più potente, ma quello che offre il miglior compromesso tra affidabilità, prestazioni e compattezza.
Il Bloccaggio Meccanico Riduce le Esigenze Oleodinamiche
Uno degli insegnamenti più importanti di questo caso riguarda proprio il ruolo del bloccaggio meccanico.
Poiché i cunei assorbono completamente le enormi forze generate durante la fase di iniezione, il cilindro oleodinamico viene sollevato da uno dei carichi più gravosi dell’intero ciclo produttivo.
Questo permette di progettare il sistema oleodinamico esclusivamente in funzione della fase di estrazione.
I vantaggi sono evidenti:
- cilindri più compatti;
- minor consumo di olio;
- centraline meno potenti;
- circuiti oleodinamici più semplici;
- maggiore libertà nella progettazione dello stampo.
Questo principio evidenzia una delle regole fondamentali dell’ingegneria meccanica:
Quando una struttura meccanica può assorbire un carico statico in modo affidabile, gli attuatori oleodinamici dovrebbero essere utilizzati principalmente per generare movimento e non per sostenere continuamente il carico.
Verificare i Calcoli è Più Importante che Eseguirli
Uno degli aspetti più interessanti di questo caso non riguarda tanto le formule utilizzate.
Riguarda il metodo di lavoro del progettista.
Anziché dare per scontato che i propri calcoli fossero corretti, ha richiesto al Vega Technical Department una verifica tecnica indipendente prima di completare il progetto dello stampo.
Questo è il comportamento tipico dei progettisti più esperti.
I calcoli rappresentano soltanto uno strumento.
Le decisioni finali devono sempre essere valutate considerando:
- geometria dello stampo;
- modalità di funzionamento;
- esperienza maturata su applicazioni analoghe;
- prestazioni dell’impianto oleodinamico;
- affidabilità richiesta nel lungo periodo.
Solo integrando teoria ed esperienza è possibile progettare sistemi realmente affidabili.
Oltre i Numeri
Le formule necessarie per calcolare la forza di estrazione sono relativamente semplici.
La parte più difficile consiste nell’interpretarne correttamente il risultato.
Il progettista deve infatti chiedersi:
- il coefficiente di aderenza scelto rappresenta realmente il processo produttivo?
- la pressione disponibile sarà sempre pari a quella prevista?
- il coefficiente di sicurezza è sufficiente?
- il cilindro mantiene adeguata rigidità?
- sono state considerate le future variazioni del processo?
A queste domande non rispondono le formule.
Risponde l’esperienza dell’ingegnere.
L’Ingegneria Significa Comprendere l’Intero Sistema
Questo caso dimostra che il dimensionamento di un cilindro oleodinamico non può essere ridotto ad un semplice calcolo della forza.
Per scegliere correttamente il cilindro occorre comprendere:
- il sistema di bloccaggio meccanico;
- il funzionamento del carrello;
- l’aderenza dell’alluminio;
- la pressione disponibile;
- le prestazioni del cilindro;
- il coefficiente di sicurezza;
- le inevitabili variazioni del processo produttivo.
Solo dopo aver analizzato l’intero sistema è possibile selezionare il cilindro più adatto.
Nel caso esaminato il progettista ha correttamente basato il dimensionamento sulla forza di estrazione e non sulla pressione di iniezione, scegliendo cilindri dotati di un adeguato margine di sicurezza per garantire un funzionamento affidabile nelle reali condizioni di produzione.
Conclusioni
Questo caso evidenzia uno degli errori più frequenti nella progettazione degli stampi di pressofusione.
La forza richiesta al cilindro oleodinamico non dipende sempre dalla pressione di iniezione.
Quando i carrelli sono bloccati meccanicamente mediante cunei, il cilindro deve semplicemente vincere l’aderenza tra l’alluminio solidificato e l’inserto durante la fase di estrazione.
Comprendere questa differenza permette di utilizzare cilindri più compatti, ridurre la potenza richiesta alla centralina oleodinamica e semplificare la progettazione dello stampo, mantenendo al tempo stesso elevati livelli di affidabilità.
In definitiva, una buona progettazione oleodinamica non consiste nello scegliere il cilindro più grande disponibile.
Consiste nel comprendere quali forze il cilindro dovrà realmente contrastare e dimensionarlo di conseguenza.
