Guida pratica al calcolo di forza, coppia, corsa della cremagliera e corsa del cilindro
Lo svitamento dei pezzi stampati negli stampi a iniezione richiede un’attenta valutazione della forza e della coppia necessarie per estrarre il componente filettato, oltre che del numero di impronte, della geometria del filetto e del rapporto di trasmissione tra cilindro idraulico, cremagliera e pignoni.
Un errore frequente consiste nel dimensionare il cilindro idraulico solamente in base alla corsa richiesta oppure scegliere un sistema di svitamento commerciale senza verificare prima la forza e la coppia effettivamente necessarie per svitare il pezzo.
Una reale applicazione Vega relativa a uno stampo a quattro impronte con maschi filettati costituisce un ottimo esempio per comprendere come progettare questo tipo di sistema.
In questa applicazione, il cliente aveva ricevuto da HASCO una proposta per un sistema di svitamento meccanico. Il distributore Vega chiese al Technical Department di analizzare l’applicazione e proporre una soluzione alternativa utilizzando un cilindro idraulico Vega e un sistema a cremagliera e pignone.
La valutazione tecnica portò ai seguenti risultati:
- forza utile necessaria per svitare ogni maschio: circa 316 kgf;
- numero di impronte: 4;
- forza totale: circa 1.264 kgf;
- cilindro consigliato: CS050;
- cremagliera: modulo 2;
- corsa del cilindro e lunghezza della cremagliera: da determinare in funzione del rapporto di trasmissione dei pignoni.
Questa applicazione permette di definire un metodo pratico per il corretto dimensionamento di un sistema di svitamento idraulico.
1. Perché utilizzare un sistema di svitamento in uno stampo a iniezione?
Quando un pezzo stampato presenta un filetto interno o esterno che impedisce una semplice estrazione lineare, il maschio o l’anima che forma il filetto deve essere ruotato prima che il pezzo possa essere estratto.
Il principio è quindi quello dello svitamento meccanico.
Durante l’apertura dello stampo, il sistema deve:
- ruotare il maschio;
- effettuare il numero di giri necessario;
- mantenere sincronizzate le diverse impronte;
- completare il movimento di estrazione;
- riportare il sistema nella posizione iniziale.
Un sistema di svitamento idraulico può essere composto da:
- cilindro idraulico;
- cremagliera;
- pignone;
- ingranaggi intermedi;
- alberi;
- maschi filettati.
Questa soluzione è particolarmente interessante quando più impronte devono essere azionate contemporaneamente.
2. L’applicazione: quattro impronte
L’applicazione analizzata da Vega prevedeva quattro impronte.
Il disegno HASCO mostra quattro maschi filettati disposti intorno alla zona centrale dello stampo.
La proposta originale HASCO comprendeva un sistema di svitamento meccanico costituito da:
- vite a passo rapido;
- madrevite;
- pignoni;
- ingranaggi intermedi;
- cuscinetti;
- alberi e altri componenti di trasmissione.
La documentazione HASCO specifica:
- filetto: 22,8 × 12;
- diametro del filetto: 22,8 mm;
- passo: 1,5 mm;
- lunghezza del filetto: 17,7 mm;
- numero di impronte: 4;
- rotazioni calcolate: 2,48;
- corsa richiesta dal sistema: 123,75 mm.
Il disegno HASCO indica inoltre una vite a passo rapido destra e un ingranaggio intermedio con z = 40.
3. La prima domanda: quanta forza è necessaria per svitare il maschio?
Prima di scegliere il cilindro idraulico bisogna determinare la forza richiesta.
Questo è il principio fondamentale.
Il calcolo non dovrebbe iniziare dalla domanda:
“Quale cilindro possiamo utilizzare?”
Dovrebbe invece iniziare dalla domanda:
“Quale forza è effettivamente necessaria per svitare il maschio filettato?”
In questa applicazione, Vega ha considerato la superficie del filetto per il dimensionamento.
La forza utile risultante è stata:
316 kgf per ogni maschio filettato.
Questo valore rappresenta la forza utile calcolata da Vega per lo svitamento di ciascuna delle quattro impronte.
4. Dalla forza di una singola impronta alla forza totale
Lo stampo dispone di quattro impronte.
Se ogni maschio richiede circa:
316 kgf
la forza complessiva, considerando contemporaneamente tutte e quattro le impronte, è:
Vega ha quindi calcolato una forza totale di circa:
1.264 kgf per quattro impronte.
Questo è uno dei punti più importanti dell’applicazione.
Quando più maschi filettati vengono azionati contemporaneamente, il sistema deve essere verificato rispetto al carico complessivo, non soltanto rispetto alla forza necessaria per un singolo maschio.
5. Perché il numero di impronte è importante?
Con un solo maschio filettato, la forza da considerare sarebbe quella richiesta da quella singola impronta.
In questa applicazione, invece, sono presenti quattro impronte.
Se tutti i maschi vengono azionati contemporaneamente, il sistema di azionamento deve quindi essere in grado di gestire il carico complessivo.
In questo caso:
1 × 316 kgf = 316 kgf
mentre:
4 × 316 kgf = 1.264 kgf
La differenza è significativa.
Per questo il numero di impronte dovrebbe essere uno dei primi dati richiesti al cliente quando si deve dimensionare un sistema di svitamento per uno stampo multi-impronta.
6. Il cilindro idraulico consigliato da Vega
Dopo aver determinato la forza necessaria, Vega ha proposto:
Cilindro CS050 con cremagliera modulo 2.
È importante capire che il cilindro non deve essere considerato separatamente.
Il sistema completo è:
cilindro idraulico → cremagliera → pignone → trasmissione → maschio filettato
Il cilindro genera un movimento lineare.
La cremagliera trasforma questo movimento lineare in rotazione attraverso il pignone.
La rotazione viene quindi trasferita ai maschi filettati.
7. Come una cremagliera trasforma il movimento lineare in rotazione
Il principio è semplice.
Il cilindro idraulico si muove linearmente.
La cremagliera è collegata allo stelo del cilindro.
Quando la cremagliera si muove:
movimento lineare della cremagliera
↓
rotazione del pignone
↓
rotazione dell’albero
↓
rotazione del maschio filettato
↓
svitamento del pezzo
Il sistema permette quindi di trasformare la corsa lineare del cilindro in una determinata quantità di rotazione.
8. Perché il modulo della cremagliera è importante
Nell’applicazione Vega è stato indicato:
modulo 2.
Il modulo è uno dei parametri fondamentali che definiscono la geometria degli ingranaggi e delle cremagliere.
Influenza:
- dimensione dei denti;
- diametro primitivo;
- capacità di trasmettere il carico;
- dimensioni complessive della trasmissione.
Il modulo non deve quindi essere scelto soltanto in base allo spazio disponibile.
Deve essere compatibile anche con il carico che la trasmissione deve trasferire.
In questa applicazione, Vega ha proposto una cremagliera modulo 2.
9. La forza del cilindro non è direttamente uguale alla forza sul maschio
Questo è un concetto fondamentale.
La forza calcolata sul maschio:
316 kgf
non deve necessariamente essere confrontata direttamente con la forza lineare disponibile sullo stelo del cilindro.
Tra cilindro e maschio esiste infatti una trasmissione meccanica composta da:
- cremagliera;
- pignone;
- eventuali ingranaggi intermedi;
- alberi.
Il rapporto di trasmissione determina la relazione tra:
- forza lineare del cilindro;
- coppia disponibile sul pignone;
- coppia applicata al maschio;
- corsa del cilindro;
- numero di giri del maschio.
Per questo motivo Vega ha indicato il cilindro CS050 e contemporaneamente ha specificato che la corsa del cilindro e la lunghezza della cremagliera devono essere determinate in funzione del rapporto di trasmissione dei pignoni.
10. La coppia è il parametro fondamentale nello svitamento
Nel movimento rotativo di svitamento, la grandezza meccanica fondamentale è la coppia.
In forma semplificata:
dove:
- T = coppia;
- F = forza;
- r = braccio.
In un sistema a cremagliera e pignone, la forza lineare della cremagliera genera una coppia sul pignone.
La geometria del pignone determina quindi il rapporto tra la forza lineare della cremagliera e la coppia disponibile.
La coppia viene successivamente trasferita al maschio filettato attraverso la trasmissione.
11. Perché il rapporto tra i pignoni è importante
Quando vengono utilizzati più ingranaggi, il rapporto tra i loro diametri o il numero dei denti determina:
- velocità di rotazione;
- coppia disponibile;
- velocità del maschio;
- numero di giri;
- corsa necessaria della cremagliera.
È proprio per questo che Vega non ha semplicemente indicato una corsa standard del cilindro.
La documentazione tecnica specifica esplicitamente che:
la corsa del cilindro e la lunghezza della cremagliera devono essere calcolate dal cliente in funzione del rapporto tra i pignoni.
Questo è un principio importante da ricordare nelle future applicazioni.
12. Corsa del cilindro e rotazione del maschio
Il cliente deve quindi determinare quanta corsa lineare della cremagliera sia necessaria per ottenere il numero di giri richiesto dal maschio.
Nel sistema HASCO erano indicati:
2,48 giri
e:
123,75 mm di corsa richiesta.
Questi valori appartengono però alla specifica configurazione di trasmissione HASCO riportata nella documentazione originale.
Non devono essere trasferiti automaticamente alla configurazione Vega senza verificare il rapporto di trasmissione del sistema Vega.
Il principio corretto è:
La corsa necessaria del cilindro dipende dalla cinematica effettiva della trasmissione.
13. Non confondere la corsa del sistema HASCO con quella del cilindro Vega
Il documento HASCO indica una corsa richiesta di:
123,75 mm.
La documentazione Vega specifica invece che la corsa del cilindro e la lunghezza della cremagliera devono essere calcolate in funzione del rapporto tra i pignoni.
Pertanto non sarebbe corretto scrivere:
“Il cilindro Vega deve avere una corsa di 123,75 mm.”
La formulazione tecnicamente corretta è:
123,75 mm è la corsa indicata per la configurazione HASCO; la corsa del cilindro Vega deve essere determinata in funzione della trasmissione utilizzata nella soluzione Vega.
Questa distinzione è importante per non trasferire automaticamente un dato appartenente a un sistema meccanico diverso.
14. La lunghezza del filetto non determina direttamente la forza di svitamento
La documentazione HASCO indica:
- diametro del filetto: 22,8 mm;
- passo: 1,5 mm;
- lunghezza del filetto: 17,7 mm.
Questi parametri sono importanti per comprendere il movimento di svitamento.
Tuttavia, Vega specifica che per il dimensionamento della forza è stata considerata la superficie del filetto.
La lunghezza del filetto non deve quindi essere utilizzata da sola come indicatore diretto della forza necessaria allo svitamento.
15. Il passo del filetto e il movimento di svitamento
Il documento HASCO indica un passo di:
1,5 mm.
Il passo determina, in condizioni ideali, l’avanzamento assiale teorico associato a ogni giro.
Per un filetto con passo 1,5 mm:
1 giro → 1,5 mm di avanzamento teorico
Il sistema di svitamento deve tuttavia essere progettato sulla base della geometria reale del pezzo e del movimento necessario per liberare completamente il filetto.
Nel sistema HASCO erano stati calcolati:
2,48 giri.
16. Perché quattro impronte possono essere disposte in linea
In questa applicazione, il distributore propose di disporre le quattro impronte in linea e utilizzare un cilindro Vega con sistema a cremagliera.
Stefano Rogora confermò di essere d’accordo con questa soluzione.
Fece però un’osservazione interessante:
il sistema HASCO avrebbe mantenuto lo stampo più compatto.
Questo dimostra che la progettazione di un sistema di svitamento non riguarda solamente la forza.
Bisogna considerare anche:
- disposizione delle impronte;
- spazio disponibile;
- compattezza dello stampo;
- posizione della trasmissione;
- accessibilità;
- installazione;
- manutenzione.
17. Compattezza contro semplicità della trasmissione
Il sistema HASCO mostrato nel disegno utilizza una disposizione relativamente compatta dei componenti meccanici.
La proposta Vega utilizza invece una disposizione lineare delle quattro impronte con un sistema composto da cilindro e cremagliera.
Le due soluzioni possono quindi presentare vantaggi differenti.
Sistema meccanico compatto
Può ridurre l’ingombro complessivo dello stampo.
Sistema a cremagliera e cilindro
Può offrire una soluzione relativamente semplice per trasferire il movimento lineare idraulico a più maschi.
La scelta finale deve quindi considerare l’intera architettura dello stampo e non soltanto la forza richiesta.
18. Il dimensionamento deve partire dalla forza effettiva
L’applicazione dimostra una sequenza molto utile.
Primo parametro
Determinare la forza necessaria per una singola impronta:
316 kgf.
Secondo parametro
Moltiplicare per il numero di impronte:
316 × 4 = 1.264 kgf.
Terzo parametro
Selezionare il cilindro e il modulo della cremagliera:
CS050 + cremagliera modulo 2.
Quarto parametro
Determinare la corsa in funzione della trasmissione:
rapporto tra i pignoni → corsa della cremagliera → corsa del cilindro.
Questa procedura è molto più affidabile rispetto alla scelta del cilindro partendo semplicemente dalla corsa richiesta.
19. Quali informazioni chiedere al cliente?
Quando un cliente richiede un sistema di svitamento, è utile raccogliere almeno le seguenti informazioni.
Dati del filetto
- diametro;
- passo;
- lunghezza;
- tipo di filetto;
- direzione di rotazione.
Dati dello stampo
- numero di impronte;
- disposizione delle impronte;
- distanza tra le impronte;
- spazio disponibile;
- possibile posizione del cilindro.
Dati del processo
- materiale plastico;
- condizioni di stampaggio;
- forza necessaria allo svitamento, se già conosciuta.
Dati del movimento
- numero di giri necessari;
- direzione di rotazione;
- corsa richiesta;
- tempo disponibile per lo svitamento.
Dati della trasmissione
- numero di denti dei pignoni;
- modulo;
- rapporto di trasmissione;
- numero di ingranaggi intermedi.
Con questi dati è possibile dimensionare correttamente il sistema di svitamento.
20. Il numero di giri è un parametro fondamentale
Uno dei primi dati da determinare è il numero di giri necessari per liberare completamente il filetto.
Nella configurazione HASCO analizzata in questa applicazione erano stati calcolati:
2,48 giri.
Questo significa che il maschio deve ruotare per quasi due giri e mezzo prima di essere completamente liberato dal pezzo stampato.
Il numero di giri determina direttamente il movimento necessario al sistema di trasmissione.
21. Dal numero di giri alla corsa della cremagliera
Una volta conosciuto il numero di giri richiesti, bisogna determinare quanto deve muoversi linearmente la cremagliera.
La relazione dipende dal diametro primitivo del pignone.
In forma semplificata:
dove:
- s = spostamento lineare della cremagliera;
- n = numero di giri;
- dₚ = diametro primitivo del pignone.
Questa relazione deve essere applicata alla configurazione reale della trasmissione.
Se sono presenti ulteriori pignoni o ingranaggi, il loro rapporto di trasmissione deve essere incluso nel calcolo.
È proprio per questo motivo che Vega ha specificato che la corsa del cilindro deve essere determinata in funzione del rapporto tra i pignoni.
22. Perché sapere solamente che il filetto è 22,8 × 12 non è sufficiente
Il documento HASCO specifica:
Filetto: 22,8 × 12.
Questa informazione, da sola, non è sufficiente per progettare il sistema Vega.
È necessario conoscere anche:
- coppia necessaria allo svitamento;
- numero di maschi;
- rapporto di trasmissione dei pignoni;
- numero di giri;
- corsa richiesta;
- spazio disponibile.
Il filetto definisce una parte del problema.
La trasmissione meccanica definisce invece come il movimento del cilindro viene trasformato nella rotazione del maschio.
23. Perché Vega ha considerato la superficie del filetto
La documentazione tecnica Vega è esplicita:
“Per il dimensionamento ho considerato solo la superficie del filetto.”
Pertanto, la forza documentata nell’applicazione si riferisce alla superficie del filetto considerata nel calcolo.
Non bisogna aggiungere arbitrariamente altre superfici o introdurre fattori correttivi che non risultano dalla documentazione.
Il risultato Vega documentato è:
316 kgf per maschio
e:
1.264 kgf per quattro maschi.
24. Perché il sistema deve essere dimensionato per il carico complessivo
In un sistema a quattro impronte, tutte le forze devono essere considerate contemporaneamente se i quattro maschi sono azionati dallo stesso meccanismo.
Il sistema complessivo deve quindi essere verificato rispetto al carico totale.
In questa applicazione:
4 impronte × 316 kgf = 1.264 kgf
Questo è il valore complessivo indicato da Vega.
La trasmissione deve quindi essere verificata non solo per il singolo maschio, ma anche per il carico complessivo trasferito attraverso cremagliera e ingranaggi.
25. Cilindro e trasmissione devono essere progettati come un unico sistema
Questo è un concetto fondamentale.
Non bisogna considerare separatamente:
cilindro idraulico
e
sistema di svitamento.
Il corretto approccio ingegneristico considera:
cilindro + cremagliera + pignioni + ingranaggi + maschi
come un unico sistema di trasmissione.
Un cilindro con forza sufficiente può comunque risultare inadatto se:
- il rapporto di trasmissione è errato;
- la corsa è insufficiente;
- il pignone è sottodimensionato;
- la cremagliera è sottodimensionata;
- non è possibile ottenere il numero di giri richiesto.
26. La scelta del CS050
In questa applicazione Vega ha consigliato:
CS050
con:
cremagliera modulo 2.
Questa è la soluzione tecnica documentata per questa specifica applicazione.
Non deve essere trasformata in una regola generale del tipo:
“Per quattro impronte bisogna sempre utilizzare un CS050.”
Non sarebbe corretto.
Il CS050 è stato identificato come soluzione per questa specifica applicazione, sulla base della forza calcolata e della configurazione meccanica considerata.
Un altro stampo con:
- quattro impronte;
- filetto differente;
- diametro diverso;
- attrito differente;
- coppia richiesta differente;
potrebbe richiedere un cilindro diverso.
27. Cosa possiamo imparare dal confronto con HASCO?
Il cliente aveva ricevuto una proposta HASCO e aveva chiesto a Vega di valutare una soluzione alternativa.
La documentazione HASCO mostrava una soluzione meccanica completa con:
- vite a passo rapido;
- madrevite;
- ingranaggi;
- ingranaggi intermedi;
- cuscinetti;
- alberi;
- chiavette.
La proposta Vega introduceva invece un concetto differente:
cilindro idraulico + cremagliera + pignioni
per generare lo stesso movimento fondamentale di svitamento.
È un esempio interessante di come lo stesso problema di stampaggio possa essere risolto attraverso architetture meccaniche differenti.
28. Quando è interessante una soluzione a cremagliera e pignone?
Una trasmissione a cremagliera e pignone può essere interessante quando l’applicazione dispone di:
- spazio lineare per la cremagliera;
- più maschi filettati;
- necessità di movimentazione sincronizzata;
- un cilindro idraulico come fonte di movimento;
- elevate forze richieste;
- necessità di una trasmissione meccanica relativamente semplice.
La reale idoneità deve comunque essere verificata per ogni specifico stampo.
29. Il movimento di ritorno
Un sistema di svitamento non deve soltanto effettuare il movimento di svitamento.
Deve anche tornare nella posizione iniziale.
Il cilindro deve quindi effettuare il movimento inverso e riportare:
cremagliera → pignioni → maschi
nella posizione corretta.
La direzione di rotazione deve essere compatibile con il filetto.
La documentazione HASCO indica una direzione di rotazione destra e una vite a passo rapido destra.
Anche questo parametro deve essere verificato durante la progettazione.
30. Checklist per il dimensionamento di un sistema di svitamento
Prima di proporre un cilindro Vega per un’applicazione di svitamento in uno stampo a iniezione, è consigliabile verificare:
Filetto
- Diametro
- Passo
- Lunghezza
- Tipo di filetto
- Direzione di rotazione
Pezzo stampato
- Materiale
- Geometria
- Superficie del filetto
- Forza necessaria allo svitamento
Stampo
- Numero di impronte
- Disposizione delle impronte
- Spazio disponibile
- Possibile posizione del cilindro
Trasmissione
- Modulo
- Numero di denti
- Diametro dei pignoni
- Rapporto di trasmissione
- Numero di ingranaggi intermedi
Movimento
- Numero di giri richiesti
- Corsa della cremagliera
- Corsa del cilindro
- Direzione di rotazione
- Tempo disponibile per lo svitamento
Forza
- Forza per impronta
- Numero di impronte
- Forza totale
- Coppia necessaria
- Verifica della trasmissione
31. I dati dell’applicazione
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Numero di impronte | 4 |
| Diametro del filetto | 22,8 mm |
| Passo | 1,5 mm |
| Lunghezza del filetto | 17,7 mm |
| Giri HASCO | 2,48 |
| Corsa richiesta HASCO | 123,75 mm |
| Forza Vega per maschio | 316 kgf |
| Forza totale | 1.264 kgf |
| Cilindro Vega consigliato | CS050 |
| Modulo cremagliera | 2 |
I dati relativi a filetto, passo, lunghezza, giri e corsa provengono dalla proposta HASCO, mentre i dati relativi alla forza, al cilindro CS050 e alla cremagliera modulo 2 provengono dalla valutazione tecnica Vega.
32. La principale lezione ingegneristica
Questa applicazione dimostra che il dimensionamento di un sistema di svitamento non dovrebbe iniziare dalla scelta del cilindro.
La sequenza corretta è:
Geometria del filetto
↓
Forza necessaria per una singola impronta
↓
Numero di impronte
↓
Forza totale
↓
Coppia richiesta
↓
Progettazione della trasmissione
↓
Modulo della cremagliera e dei pignoni
↓
Rapporto di trasmissione
↓
Corsa della cremagliera
↓
Corsa del cilindro
↓
Scelta definitiva del cilindro
In questa applicazione, questo processo ha portato alla scelta di un cilindro CS050 con cremagliera modulo 2, sulla base di una forza utile di circa 316 kgf per ciascun maschio, per un totale di 1.264 kgf per quattro impronte.
33. Conclusione
I sistemi di svitamento idraulico per stampi a iniezione devono essere dimensionati considerando contemporaneamente forza, coppia, numero di impronte, numero di giri, rapporto di trasmissione e corsa del cilindro.
Una reale applicazione relativa a uno stampo a quattro impronte rappresenta un esempio molto chiaro.
Il cliente cercava una soluzione di svitamento per quattro impronte e aveva ricevuto una proposta HASCO come riferimento.
La proposta HASCO indicava un diametro del filetto di 22,8 mm, passo 1,5 mm, lunghezza del filetto 17,7 mm, 2,48 giri e una corsa richiesta di 123,75 mm.
Vega ha analizzato l’applicazione considerando la superficie del filetto e ha calcolato una forza utile di circa 316 kgf per ciascun maschio, pari a circa 1.264 kgf per quattro impronte.
La soluzione proposta è stata un cilindro CS050 con cremagliera modulo 2. La corsa del cilindro e la lunghezza della cremagliera non sono state fissate arbitrariamente: Vega ha specificato che devono essere determinate in funzione del rapporto di trasmissione dei pignoni.
La regola più importante da ricordare è quindi:
Nel dimensionamento di un sistema di svitamento idraulico non bisogna scegliere il cilindro partendo dalla corsa. Prima bisogna determinare la forza e la coppia necessarie, il numero di giri e il rapporto di trasmissione. Solo successivamente è possibile determinare correttamente la corsa della cremagliera e quella del cilindro.
Riferimenti Vega utili
- Vega Cylinders – Cilindri idraulici per stampi — panoramica ufficiale dei cilindri Vega per stampi a iniezione e pressofusione, compresa la categoria Unscrewing.
- Vega V210CS – Cilindri idraulici con dispositivo di svitamento — pagina ufficiale dedicata ai cilindri della serie V210CS progettati per sistemi di svitamento negli stampi a iniezione.
- Vega – Catalogo dei cilindri idraulici — catalogo ufficiale organizzato per applicazione.
- Vega – Cilindri idraulici — area ufficiale dei prodotti Vega.
- Vega – Cilindri idraulici personalizzati — informazioni ufficiali sulle soluzioni personalizzate.
Nota: il CS050 citato nella documentazione tecnica è il cilindro indicato da Vega per quella specifica applicazione. La gamma attuale pubblicata sul sito Vega comprende invece il V210CS come serie dedicata ai sistemi di svitamento.
