Perché la guida meccanica è più importante delle dimensioni del cilindro
La scelta di un cilindro oleodinamico autobloccante per uno stampo a iniezione viene spesso considerata una semplice questione di calcolo della forza generata dalla pressione della plastica e di selezione di un cilindro con una capacità di tenuta sufficiente.
Una progettazione professionale dello stampo richiede invece un approccio molto più completo.
Prima di calcolare le forze o scegliere il cilindro oleodinamico, è necessario analizzare come il carico viene trasmesso dal cilindro alla slitta. La configurazione meccanica può infatti determinare l’affidabilità dell’intero sistema durante milioni di cicli di stampaggio.
Un caso reale analizzato dal Reparto Tecnico Vega dimostra molto bene questo principio. Invece di iniziare immediatamente dai calcoli della forza, i tecnici hanno prima esaminato la configurazione meccanica dello stampo e individuato un elemento costruttivo capace di influenzare significativamente l’affidabilità del sistema.
La richiesta del cliente: scegliere un cilindro autobloccante
Il cliente aveva fornito il disegno della slitta insieme alle principali informazioni relative all’applicazione:
- materiale plastico: PC + PBT;
- informazioni sul ritiro del materiale;
- disegno della slitta;
- richiesta di calcolare il corretto cilindro oleodinamico autobloccante della serie CF.
A prima vista sembrava quindi una normale richiesta di dimensionamento.
Dopo aver esaminato il disegno, tuttavia, il Reparto Tecnico Vega ha individuato immediatamente un problema di natura meccanica che doveva essere risolto prima ancora di determinare il cilindro.
Un’asta di collegamento di 315 mm cambia il problema
Nel disegno era presente un elemento particolarmente importante: tra il cilindro oleodinamico e la slitta era stata prevista una barra di collegamento intermedia lunga circa 315 mm.
Quello che potrebbe sembrare un semplice elemento di collegamento modifica in realtà il comportamento meccanico dell’intero sistema.
Il cilindro non deve più essere considerato soltanto come un attuatore che genera una forza assiale.
La presenza di un’asta così lunga introduce infatti la necessità di considerare:
- rigidità strutturale;
- allineamento;
- deformazione elastica;
- trasmissione del carico;
- sistema di guida;
- possibili carichi laterali sul cilindro.
È quindi necessario progettare l’intero collegamento tra cilindro e slitta come un sistema meccanico integrato.
Il cilindro non deve svolgere la funzione di guida
La prima osservazione di Stefano Rogora è particolarmente importante.
Egli segnala che è necessario prevedere un sistema di guida, altrimenti il cilindro potrebbe essere sottoposto a un problema di disallineamento.
Questo principio è fondamentale nella progettazione degli stampi.
Il cilindro oleodinamico deve principalmente:
- generare la forza assiale;
- trasmettere la forza alla slitta;
- mantenere il sistema nella posizione richiesta.
La funzione di guida deve invece essere affidata a elementi meccanici progettati appositamente per mantenere l’allineamento.
Quando una lunga asta di collegamento non è adeguatamente guidata, eventuali forze trasversali possono essere trasmesse al cilindro.
Questo può provocare:
- disallineamento;
- aumento dell’attrito;
- usura prematura delle tenute;
- sollecitazioni indesiderate sullo stelo;
- riduzione della durata del cilindro.
Una barra lunga introduce anche una deformazione elastica
Il secondo punto individuato dal Reparto Tecnico Vega è ancora più interessante.
Stefano osserva che, a causa della compressione dell’asta di collegamento, sarà necessario applicare un precarico aggiuntivo al sistema.
Questo significa che non è sufficiente conoscere la forza sviluppata dal cilindro.
È necessario considerare anche ciò che avviene all’interno della catena meccanica tra cilindro e slitta.
Quando una barra viene sottoposta a compressione, infatti, può deformarsi elasticamente. Anche se la deformazione è relativamente piccola, può diventare importante in un sistema di bloccaggio nel quale il precarico e l’assenza di giochi influenzano direttamente la qualità della tenuta.
Il precarico fa parte del progetto meccanico
Il precarico viene spesso considerato soltanto come una regolazione del cilindro.
In realtà è un elemento fondamentale dell’intero sistema di bloccaggio.
Il Manuale Tecnico Vega spiega l’importanza del precarico per eliminare i giochi e garantire un corretto bloccaggio. Allo stesso tempo, il precarico deve essere regolato correttamente: un valore insufficiente può compromettere la tenuta, mentre un valore eccessivo può introdurre sollecitazioni non necessarie e ridurre la capacità effettivamente disponibile per il bloccaggio.
Quando tra cilindro e slitta viene inserita un’asta lunga, il precarico deve quindi essere valutato considerando l’intera catena meccanica.
Prima si analizza la meccanica, poi si calcola la forza
Uno degli insegnamenti più importanti di questo caso è l’ordine con cui il problema viene affrontato.
Il Reparto Tecnico Vega non ha iniziato direttamente dal calcolo della pressione della plastica.
Prima ha individuato:
- la presenza dell’asta di collegamento da circa 315 mm;
- la necessità di un sistema di guida;
- il rischio di disallineamento;
- la necessità di un precarico aggiuntivo dovuto alla compressione dell’asta.
Solo successivamente sono stati effettuati i calcoli relativi a:
- superficie frontale dei punzoni;
- pressione stimata nella cavità;
- forza totale di spinta;
- dimensionamento del cilindro autobloccante.
Questo approccio è particolarmente importante nella progettazione degli stampi:
Un calcolo corretto non può compensare una configurazione meccanica progettata in modo scorretto.
La progettazione meccanica deve quindi precedere il dimensionamento oleodinamico.
Il principio generale
Questo caso dimostra che la scelta di un cilindro autobloccante non dovrebbe mai essere fatta guardando soltanto la forza nominale disponibile.
Prima di selezionare il cilindro è necessario capire:
come la forza viene generata, come viene trasmessa e come viene guidato il movimento.
Nel caso analizzato, una semplice asta di collegamento lunga 315 mm è stata sufficiente per introdurre nuove problematiche di progettazione che non sarebbero emerse considerando esclusivamente pressione e forza del cilindro.
Dal calcolo della forza alla scelta del CF030
Nella Parte 1 abbiamo visto come, prima ancora di dimensionare il cilindro, il Reparto Tecnico Vega abbia individuato due aspetti fondamentali nel progetto: la presenza di un’asta di collegamento lunga circa 315 mm e la necessità di prevedere un sistema di guida per evitare disallineamenti sul cilindro. È stato inoltre evidenziato che la compressione dell’asta avrebbe richiesto un precarico aggiuntivo.
A questo punto è possibile passare alla seconda fase dell’analisi: il calcolo della forza e la scelta del cilindro.
Il calcolo parte dalla superficie esposta alla plastica
Nel caso analizzato, il Reparto Tecnico Vega ha individuato una superficie frontale dei punzoni a contatto con il materiale plastico pari a:
8,61 cm²
La pressione stimata nella cavità era:
500 bar
Sulla base di questi dati, il Reparto Tecnico Vega ha determinato una forza totale di spinta di 4.305 kgf.
Questo è un esempio molto efficace di come un dimensionamento reale parta dalla geometria dello stampo e dalle condizioni di processo, per arrivare successivamente alla scelta del cilindro.
Perché la superficie proiettata è così importante
La pressione nella cavità non agisce direttamente sul cilindro.
La pressione della plastica agisce sulle superfici del componente e genera una forza risultante che deve essere trasferita attraverso la cinematica dello stampo fino al sistema di bloccaggio.
Per questo motivo, conoscere la superficie esposta alla pressione è fondamentale.
Nel caso Vega, la superficie considerata è 8,61 cm² e la pressione stimata è 500 bar. Il risultato riportato nella documentazione tecnica è una forza totale di 4.305 kgf.
È importante mantenere questo dato come riferimento del caso reale: il documento non fornisce ulteriori dettagli sulla derivazione intermedia del valore di 4.305 kgf, quindi non è opportuno introdurre nel case study ipotesi aggiuntive sul metodo di calcolo utilizzato da Stefano.
La scelta del cilindro: CF030
Dopo avere effettuato la verifica, Stefano Rogora conclude:
“The suitable cylinder is the CF030.”
Il CF030 viene quindi identificato come il cilindro adatto all’applicazione.
Ma il valore di questa conclusione non consiste semplicemente nell’indicare un codice prodotto.
Il vero valore tecnico del caso sta nel percorso seguito per arrivare alla scelta:
- analisi del disegno;
- individuazione dell’asta intermedia;
- verifica della necessità di una guida;
- valutazione del disallineamento;
- considerazione della compressione dell’asta;
- determinazione del precarico aggiuntivo;
- calcolo della forza generata dalla pressione;
- selezione del cilindro.
Questo è un approccio molto più completo rispetto alla semplice domanda:
“Quale cilindro ha abbastanza forza?”
La forza del cilindro non deve essere considerata isolatamente
Il caso dimostra un concetto fondamentale.
Anche se un cilindro dispone della forza necessaria, il sistema può comunque presentare problemi se il collegamento meccanico non è progettato correttamente.
Nel progetto in esame, infatti, la lunga asta intermedia introduce due problematiche specifiche:
1. Allineamento
L’asta deve essere adeguatamente guidata per evitare che il cilindro venga sottoposto a condizioni di disallineamento.
2. Compressione
La compressione dell’asta deve essere considerata nella regolazione del precarico del sistema.
Questi due aspetti non possono essere risolti semplicemente scegliendo un cilindro di dimensioni maggiori.
Il precarico deve tenere conto della catena meccanica
Il Manuale Tecnico Vega dedica particolare attenzione al precarico dei cilindri autobloccanti.
Il principio fondamentale è che il precarico deve essere sufficientemente elevato per garantire il corretto bloccaggio, ma non deve essere aumentato indiscriminatamente.
Nel caso specifico, tuttavia, esiste un elemento aggiuntivo: la barra di collegamento.
Stefano specifica che occorre applicare un precarico aggiuntivo in funzione della compressione dell’asta.
Questo significa che la regolazione del sistema deve considerare non soltanto il cilindro, ma anche la deformazione elastica dell’elemento che trasmette la forza alla slitta.
Perché il sistema di guida è fondamentale
La richiesta di introdurre una guida non è un dettaglio secondario.
Una barra di collegamento lunga circa 315 mm può essere soggetta a condizioni che rendono particolarmente importante mantenere il corretto allineamento tra:
cilindro → asta di collegamento → slitta.
Il cilindro deve quindi lavorare nelle condizioni per cui è stato progettato, mentre il sistema di guida deve mantenere la cinematica corretta del componente mobile.
Questa separazione delle funzioni è particolarmente importante negli stampi ad alta produttività, dove anche piccoli problemi di allineamento possono ripetersi per migliaia o milioni di cicli.
Dal componente al sistema
Questo caso permette di evidenziare una differenza importante tra selezione del prodotto e progettazione della soluzione.
La selezione del prodotto consiste nel trovare un cilindro con determinate caratteristiche.
La progettazione della soluzione consiste invece nel verificare che:
- il cilindro abbia la forza necessaria;
- il collegamento sia sufficientemente rigido;
- il sistema sia correttamente guidato;
- il precarico sia adeguato;
- il movimento avvenga senza disallineamenti.
Nel caso analizzato, il CF030 è la soluzione individuata dal Reparto Tecnico Vega, ma il cilindro rappresenta soltanto una parte dell’intero sistema meccanico.
La lezione ingegneristica del Case 133
Il valore di questo caso non è soltanto il numero finale di 4.305 kgf o il codice CF030.
La vera lezione è il metodo.
Quando un cilindro oleodinamico viene collegato a una slitta attraverso un elemento intermedio relativamente lungo, il progettista deve considerare contemporaneamente:
- forza generata dalla pressione;
- geometria della trasmissione;
- allineamento;
- guida;
- rigidezza;
- compressione dell’asta;
- precarico.
Il cilindro deve essere dimensionato all’interno di questo sistema, non separatamente da esso.
Conclusioni
Il Case 133 dimostra come un apparentemente semplice calcolo per la scelta di un cilindro autobloccante possa richiedere un’analisi meccanica molto più ampia.
Nel caso reale, il Reparto Tecnico Vega ha individuato un’asta di collegamento lunga circa 315 mm e ha richiesto un sistema di guida per evitare disallineamenti. Ha inoltre considerato la compressione dell’asta nella determinazione del precarico aggiuntivo. Solo successivamente ha verificato la forza generata dalla superficie dei punzoni, pari a 8,61 cm², con una pressione stimata di 500 bar, ottenendo una forza totale di 4.305 kgf e identificando il CF030 come cilindro adatto.
La lezione fondamentale è quindi:
Il corretto dimensionamento di un cilindro autobloccante non consiste semplicemente nel calcolare una forza. È necessario progettare correttamente l’intera catena meccanica che collega il cilindro alla slitta, considerando guida, allineamento, rigidezza e precarico.
URL utili al soggetto
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