Progettare un Sistema Oleodinamico per Operazioni di Flangiatura e Stiratura
Quando si parla di cilindri oleodinamici, l’attenzione si concentra quasi sempre sul dimensionamento del singolo attuatore. In molte applicazioni industriali, però, la vera sfida progettuale non consiste nello scegliere un solo cilindro, ma nel progettare un intero sistema oleodinamico capace di azionare contemporaneamente più cilindri, garantendo forza, sincronizzazione e tempi ciclo estremamente ridotti.
Questo è particolarmente vero negli stampi per la lavorazione della lamiera, dove cilindri oleodinamici, molle a gas, presse e componenti meccanici devono operare come un unico sistema perfettamente coordinato.
Se anche uno solo di questi elementi viene dimensionato in modo non corretto, possono verificarsi:
- formatura incompleta del pezzo;
- usura precoce dello stampo;
- difetti dimensionali;
- aumento del tempo ciclo;
- surriscaldamento dell’impianto oleodinamico;
- riduzione della vita utile dei componenti.
Per questo motivo il progetto di una centralina oleodinamica dovrebbe sempre partire dall’analisi del processo produttivo e non dalla semplice scelta dei cilindri.
Un interessante progetto sviluppato dal Vega Engineering Team rappresenta perfettamente questa filosofia progettuale.
Comprendere il Processo Produttivo
Prima di calcolare le forze oleodinamiche è indispensabile comprendere il funzionamento dello stampo.
Nel caso in esame lo stampo esegue due lavorazioni completamente differenti.
La prima consiste nella flangiatura.
La seconda nella stiratura del particolare.
Pur essendo eseguite all’interno dello stesso stampo, le due operazioni generano condizioni di carico completamente diverse.
L’intero impianto oleodinamico deve quindi essere progettato affinché funzioni correttamente durante entrambe le fasi.
Come descritto nella documentazione tecnica, lo stampo opera infatti attraverso due fasi distinte che coinvolgono in modo diverso la pressa, i cilindri oleodinamici e le molle a gas.
Questo mette subito in evidenza uno dei principi fondamentali della progettazione oleodinamica:
Una centralina oleodinamica deve essere progettata in funzione del processo produttivo e non semplicemente in funzione dei cilindri che deve alimentare.
Prima Fase – La Flangiatura
Durante la prima fase viene realizzata la flangiatura della parte superiore del componente.
Il pezzo viene posizionato sopra un maschio mobile.
Contemporaneamente un premilamiera esterno blocca la lamiera contro un premilamiera interno montato sulla piastra movimentata dai cilindri oleodinamici.
La forza di bloccaggio è generata principalmente da una serie di gas spring (molle a gas ad azoto).
In questa fase i cilindri oleodinamici rimangono completamente estesi e non effettuano alcun movimento.
Essi svolgono invece la funzione di elementi strutturali, opponendosi alla forza esercitata dal premilamiera mentre la pressa realizza la flangiatura.
Questo rappresenta un aspetto molto interessante dal punto di vista progettuale.
Pur essendo attuatori oleodinamici, durante questa fase i cilindri non producono movimento.
Essi diventano parte integrante della struttura portante dello stampo.
Molti progettisti tendono a considerare il cilindro esclusivamente come un organo di movimentazione.
In realtà, durante una parte significativa del ciclo produttivo, esso lavora come un vero elemento strutturale.
Seconda Fase – La Stiratura
Terminata la flangiatura, il processo cambia completamente.
La pressa rimane chiusa.
Il pezzo continua ad essere bloccato.
Entrano però in funzione i cilindri oleodinamici.
Anziché spingere, i cilindri lavorano a trazione, trascinando la piastra mobile e realizzando la stiratura del componente.
Questa fase presenta un’importante limitazione temporale.
Secondo la documentazione tecnica, la pressa può rimanere chiusa per un tempo massimo di circa 10 secondi, oltre il quale il circuito oleodinamico della pressa rischia di surriscaldarsi.
Questa semplice informazione introduce un nuovo vincolo progettuale.
La centralina oleodinamica non deve soltanto sviluppare la forza necessaria.
Deve essere anche in grado di movimentare tutti i cilindri entro il tempo disponibile.
Il progetto della centralina diventa quindi contemporaneamente:
- un problema di forza;
- un problema di portata.
Le Forze che Agiscono Durante la Stiratura
Uno degli aspetti più interessanti di questo progetto è che i cilindri non devono vincere un solo carico.
Essi devono infatti superare due differenti resistenze meccaniche.
La prima è generata dal premilamiera.
La seconda deriva direttamente dalla forza necessaria per stirare la lamiera.
Le due forze si sommano.
Di conseguenza i cilindri devono essere dimensionati considerando il carico complessivo.
La Forza del Premilamiera
All’inizio del ciclo il premilamiera esterno esercita una forza di circa 50 tonnellate, generata dalle molle a gas.
Le molle a gas, tuttavia, non mantengono una forza costante.
Durante la compressione la pressione interna dell’azoto aumenta.
Di conseguenza aumenta anche la forza sviluppata.
Nel caso in esame la forza del premilamiera cresce progressivamente da:
- 50 tonnellate
- fino a circa 77 tonnellate
man mano che le molle vengono compresse.
Questo comportamento è tipico dei gas spring.
A differenza dei cilindri oleodinamici alimentati a pressione costante, le molle a gas sviluppano una forza crescente al diminuire del volume interno disponibile.
Trascurare questo fenomeno durante il dimensionamento può portare ad una sottostima significativa del carico reale.
La Forza Necessaria per la Stiratura
Alla forza esercitata dal premilamiera si aggiunge la forza necessaria per deformare plasticamente la lamiera.
Dalle valutazioni progettuali effettuate risulta che tale forza è pari a circa:
35 tonnellate
di trazione aggiuntiva.
Il carico complessivo che il sistema oleodinamico deve vincere diventa quindi:
- forza del premilamiera compresso: 77 tonnellate;
- forza di stiratura: 35 tonnellate.
Totale:
112 tonnellate
Questa rappresenta la forza minima che l’impianto oleodinamico deve sviluppare durante la fase di stiratura.
Perché Passare da Sei a Sette Cilindri
Inizialmente il progetto prevedeva l’utilizzo di sei cilindri.
Dopo aver completato i calcoli, il Vega Engineering Team decise però di aggiungerne un settimo.
Il motivo è estremamente semplice.
La capacità complessiva del sistema doveva risultare superiore al carico richiesto, mantenendo un adeguato margine di sicurezza.
Ogni cilindro V450CM con alesaggio 100 mm, alimentato a 300 bar, sviluppa infatti una forza di trazione pari a circa:
18.781 kg
Utilizzando sette cilindri si ottiene una forza totale disponibile di circa:
126 tonnellate.
Questo valore supera le 112 tonnellate richieste, garantendo una riserva di capacità utile per compensare le inevitabili variabili presenti durante il funzionamento reale.
Questo porta ad un altro importante principio progettuale:
L’obiettivo dell’ingegnere non è far coincidere perfettamente la forza disponibile con quella teoricamente richiesta, ma garantire un adeguato margine di sicurezza durante tutte le condizioni operative.
La Ripartizione del Carico tra Più Cilindri
Quando diversi cilindri lavorano contemporaneamente, si assume generalmente che il carico venga distribuito in modo uniforme.
La relazione teorica è la seguente.
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Word):
F_tot=n×F_cilindrodove:
- F_tot = forza totale disponibile;
- n = numero dei cilindri;
- F_cilindro = forza sviluppata da ciascun cilindro.
Nella realtà la distribuzione del carico non è mai perfettamente uniforme.
Piccole differenze dovute a:
- tolleranze costruttive;
- perdite di pressione;
- diversa rigidezza della struttura;
- precisione di montaggio;
- deformazioni elastiche;
fanno sì che alcuni cilindri lavorino leggermente più degli altri.
Per questo motivo il progettista introduce sempre un opportuno margine di sicurezza quando più attuatori operano contemporaneamente.
Perché la Pressione da Sola Non Basta
Sapere che i cilindri lavorano a 300 bar rappresenta soltanto una parte del progetto.
La pressione determina infatti la forza sviluppata da ogni cilindro.
Non dice però nulla sulla capacità della centralina di completare il movimento entro il tempo disponibile.
Per progettare correttamente una centralina occorre conoscere anche:
- volume totale dell’olio;
- portata richiesta;
- corsa dei cilindri;
- numero di cilindri movimentati contemporaneamente;
- tempo ciclo;
- cilindrata della pompa;
- potenza del motore elettrico.
Sono proprio questi parametri che permettono di stabilire se la centralina sarà realmente in grado di alimentare contemporaneamente tutti e sette i cilindri durante il limitato intervallo disponibile.
Dimensionamento della Centralina, Portata, Sincronizzazione e Affidabilità del Sistema
Nella prima parte abbiamo analizzato come il Vega Engineering Team abbia studiato il processo produttivo prima ancora di dimensionare l’impianto oleodinamico.
I calcoli hanno dimostrato che la fase di stiratura richiede una forza complessiva di circa 112 tonnellate. Per garantire un adeguato margine di sicurezza, il progetto è stato modificato passando da sei a sette cilindri V450CM con alesaggio da 100 mm, alimentati a 300 bar, capaci di sviluppare complessivamente circa 126 tonnellate di forza a trazione.
Dimostrare che i cilindri sono in grado di sviluppare la forza richiesta rappresenta però soltanto una parte del progetto.
Rimane infatti una domanda fondamentale:
La centralina oleodinamica è in grado di alimentare contemporaneamente tutti e sette i cilindri nel tempo disponibile?
Per rispondere a questa domanda non basta conoscere la pressione.
Occorre analizzare la portata.
La Forza Non Muove un Cilindro
Uno degli errori più comuni nell’oleodinamica consiste nel confondere pressione e portata.
Molti immaginano che sia la pressione a determinare la velocità di un cilindro.
In realtà accade il contrario.
La pressione determina la forza.
La portata determina la velocità.
Questa distinzione è fondamentale.
Un cilindro alimentato ad alta pressione ma con una portata insufficiente può sviluppare una forza elevatissima, muovendosi però molto lentamente.
Al contrario, una portata elevata con una pressione insufficiente consente movimenti rapidi ma non permette al cilindro di vincere il carico applicato.
Una centralina ben progettata deve quindi garantire entrambe le condizioni.
Pressione e Portata Svolgono Funzioni Diverse
Nella progettazione di un impianto oleodinamico gli ingegneri affrontano due problemi distinti.
Il primo consiste nel verificare che la pressione disponibile sia sufficiente a generare la forza richiesta.
Il secondo consiste nel verificare che la pompa riesca a fornire tutto l’olio necessario nel tempo previsto.
Questi due aspetti sono indipendenti.
Una pompa può essere perfettamente in grado di raggiungere i 300 bar, ma risultare comunque troppo piccola perché incapace di alimentare sette cilindri contemporaneamente.
Per questo motivo il dimensionamento della centralina richiede sempre il calcolo sia della pressione sia della portata.
Calcolare la Portata Necessaria
Ogni cilindro richiede una determinata quantità di olio per completare la propria corsa.
Il volume necessario dipende da:
- diametro del pistone;
- diametro dello stelo;
- corsa del cilindro;
- numero di cilindri movimentati contemporaneamente.
La centralina deve essere in grado di fornire l’olio necessario a tutti e sette i cilindri nello stesso intervallo di tempo.
Nel progetto analizzato, la documentazione tecnica indica un tempo di movimentazione dei cilindri pari a circa 5–6 secondi, così da completare la stiratura prima che venga raggiunto il limite massimo di permanenza della pressa in posizione chiusa.
Questo tempo rappresenta uno dei principali vincoli progettuali.
Il Calcolo della Portata
La portata minima richiesta può essere stimata mediante la relazione:
Formula (compatibile con l’Editor Equazioni di Word):
Q=V/tdove:
- Q = portata della pompa;
- V = volume totale di olio richiesto;
- t = tempo disponibile.
Questa semplice formula permette di comprendere immediatamente un aspetto importante.
Aumentando il numero dei cilindri aumenta proporzionalmente anche il volume di olio necessario.
Se il tempo disponibile rimane invariato, la pompa dovrà fornire una portata maggiore.
Nei sistemi con numerosi attuatori, il problema della portata diventa spesso più critico del problema della pressione.
Sette Cilindri Devono Muoversi Contemporaneamente
Nel caso in esame i cilindri non lavorano in modo indipendente.
Essi devono muoversi contemporaneamente.
Questo introduce un’ulteriore difficoltà progettuale.
L’olio deve essere distribuito in modo uniforme affinché tutti i cilindri avanzino con la stessa velocità.
Una distribuzione non equilibrata può provocare:
- stiratura non uniforme della lamiera;
- deformazioni del pezzo;
- incremento delle tensioni nello stampo;
- usura anomala delle guide;
- perdita della ripetibilità dimensionale.
Garantire una corretta distribuzione della portata diventa quindi importante quanto sviluppare la forza necessaria.
La Sincronizzazione dei Cilindri
Ottenere una perfetta sincronizzazione tra più cilindri non è semplice.
Piccole differenze di:
- lunghezza delle tubazioni;
- diametro dei condotti;
- caratteristiche delle valvole;
- attriti interni;
- tolleranze costruttive;
- attrito delle guarnizioni;
possono fare sì che un cilindro inizi il movimento leggermente prima degli altri.
Anche differenze dell’ordine di pochi decimi o centesimi di millimetro possono modificare la distribuzione dei carichi all’interno dello stampo.
Per questo motivo il progettista presta particolare attenzione alla disposizione delle tubazioni, ai collettori idraulici ed alla simmetria dell’intero circuito.
Perché la Centralina Deve Essere Dimensionata Correttamente
I cilindri rappresentano soltanto la parte visibile del sistema.
La centralina deve garantire:
- pressione sufficiente;
- portata adeguata;
- volume d’olio disponibile;
- temperatura di esercizio corretta;
- funzionamento continuo ed affidabile.
Una centralina sottodimensionata può provocare:
- movimenti troppo lenti;
- impossibilità di completare il ciclo nei tempi richiesti;
- aumento della temperatura dell’olio;
- sovraccarico della pompa;
- riduzione della durata dell’intero impianto.
È proprio per questo motivo che il Vega Engineering Team richiese il dimensionamento della centralina sulla base delle reali condizioni operative dello stampo e non semplicemente sulla base della pressione di lavoro dei cilindri.
L’Importanza della Temperatura dell’Olio
L’olio oleodinamico non serve soltanto a trasmettere energia.
Esso svolge contemporaneamente diverse funzioni:
- trasmette la potenza;
- lubrifica i componenti;
- raffredda il sistema;
- protegge le superfici interne dall’usura.
Se la centralina lavora costantemente oltre i propri limiti progettuali, la temperatura dell’olio aumenta.
Con l’aumentare della temperatura:
- diminuisce la viscosità;
- aumentano le perdite interne;
- peggiora il rendimento volumetrico;
- si riduce la durata delle guarnizioni;
- accelera l’ossidazione dell’olio.
Questo spiega perché nella documentazione venga indicato un tempo massimo di permanenza della pressa in posizione chiusa.
Prolungare eccessivamente questa fase aumenterebbe il carico termico sull’intero impianto oleodinamico.
La gestione della temperatura rappresenta quindi un elemento fondamentale della progettazione.
L’Importanza della Struttura Meccanica
I disegni allegati evidenziano un altro aspetto progettuale molto interessante.
I sette cilindri sono disposti in modo simmetrico lungo la piastra di movimentazione. Questa configurazione permette di distribuire uniformemente la forza di trazione, riducendo i momenti flettenti e migliorando la precisione della lavorazione.
La sezione dello stampo mostra inoltre l’interazione tra cilindri oleodinamici, gas spring e organi meccanici durante le due fasi del processo produttivo.
Questo dimostra che la progettazione meccanica e quella oleodinamica non possono essere considerate separatamente.
Devono essere sviluppate come un unico sistema integrato.
L’Ingegneria Significa Ottimizzare l’Intero Sistema
Uno degli insegnamenti più importanti di questo progetto è che le prestazioni della macchina non dipendono da un solo componente.
Il risultato finale nasce dall’interazione tra:
- cilindri oleodinamici;
- centralina;
- gas spring;
- pressa;
- piastra mobile;
- stampo;
- struttura meccanica;
- tubazioni;
- valvole di controllo.
Ottimizzare un solo componente raramente produce il miglior risultato.
L’obiettivo dell’ingegnere è ottimizzare l’intero sistema.
Il Processo Viene Prima dei Componenti
L’aspetto forse più significativo di questo caso riguarda il metodo seguito dal Vega Engineering Team.
Gli ingegneri non hanno iniziato scegliendo una pompa.
Non hanno iniziato scegliendo i cilindri.
Hanno seguito una procedura logica:
- analisi del ciclo produttivo;
- studio delle due fasi di lavorazione;
- valutazione dell’interazione tra gas spring e cilindri;
- calcolo della forza totale richiesta;
- verifica del tempo disponibile;
- scelta del numero di cilindri;
- dimensionamento della centralina oleodinamica.
Questo metodo riduce sensibilmente il rischio di errori progettuali e garantisce un sistema affidabile nel lungo periodo.
Conclusioni
Questo progetto dimostra che il dimensionamento di una centralina oleodinamica è molto più complesso della semplice scelta di una pompa capace di raggiungere una determinata pressione.
L’intero sistema deve soddisfare contemporaneamente requisiti di forza, portata, tempi ciclo e gestione termica.
Analizzando il processo produttivo, calcolando le forze generate dal premilamiera e dalla stiratura, aumentando il numero dei cilindri da sei a sette e verificando il tempo disponibile, il Vega Engineering Team ha sviluppato una soluzione capace di soddisfare sia le esigenze meccaniche sia quelle produttive dello stampo.
I disegni allegati mostrano inoltre come i cilindri siano stati distribuiti in modo simmetrico all’interno della struttura per garantire una corretta ripartizione dei carichi e un funzionamento affidabile durante entrambe le fasi della lavorazione.
Questo caso conferma uno dei principi fondamentali dell’oleodinamica industriale:
Una centralina oleodinamica efficace non nasce dalla scelta di singoli componenti, ma dalla progettazione integrata dell’intero processo produttivo.
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