Calcolo delle forze di spinta e trazione per il corretto dimensionamento del cilindro
La scelta del cilindro idraulico per uno stampo a iniezione non dovrebbe basarsi semplicemente sull’alesaggio, sulla corsa disponibile o sullo spazio presente nello stampo.
Quando un cilindro deve movimentare una slide, un’anima o un altro elemento mobile, è necessario determinare prima la forza effettivamente richiesta dall’applicazione.
Un caso tecnico seguito dal Vega Team mostra molto bene questo approccio. Un Cliente ha sottoposto a Vega i disegni di due configurazioni di stampo chiedendo di verificare e dimensionare i cilindri idraulici necessari per le diverse movimentazioni.
L’analisi ha evidenziato che anche componenti apparentemente simili possono richiedere forze molto differenti e, di conseguenza, cilindri di dimensioni diverse.
Il principio fondamentale è quindi:
Il cilindro idraulico corretto non si sceglie prima del calcolo della forza: si analizza prima l’applicazione, si calcola la forza necessaria e solo successivamente si seleziona il cilindro.
1. La richiesta del Cliente
Il Cliente ha inviato al Vega Team i disegni dello stampo chiedendo supporto nella scelta dei cilindri idraulici.
La valutazione comprendeva due differenti configurazioni.
Per la prima configurazione sono state calcolate le forze di spinta necessarie per tre slide.
Per la seconda configurazione sono state invece analizzate sia la forza di spinta sia la forza di trazione.
Questa distinzione è importante perché una slide può essere sottoposta a condizioni di carico molto diverse a seconda della fase del ciclo dello stampo.
2. Perché non è corretto utilizzare automaticamente lo stesso cilindro
Quando uno stampo contiene più slide, può sembrare conveniente utilizzare lo stesso cilindro per tutte.
Dal punto di vista progettuale, però, questa scelta non è sempre corretta.
La forza richiesta dipende da diversi parametri:
- superficie esposta alla pressione della plastica;
- pressione nella cavità;
- geometria della slide o dell’anima;
- superficie laterale;
- adesione della plastica;
- direzione del movimento.
Nel primo caso analizzato, le forze calcolate erano:
- 720 kgf per la Slide 1;
- 360 kgf per le Slide 2 e 3.
La differenza è quindi pari al 100%.
Anche all’interno dello stesso stampo, il carico può cambiare significativamente.
3. Slide 1: calcolo della forza di spinta
Per la prima slide, il Vega Team ha considerato una superficie frontale di circa:
0,8 cm²
La pressione della plastica nella cavità utilizzata nel calcolo era:
90 MPa, pari a 900 bar.
La forza di spinta risultante era:
720 kgf
Il calcolo segue il principio fondamentale:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = superficie esposta.
Applicando i valori del caso:
900 × 0,8 = 720 kgf
Il calcolo permette quindi di trasformare la geometria del componente e la pressione di stampaggio in una forza che il sistema idraulico deve essere in grado di contrastare.
4. Slide 2 e Slide 3: una forza di 360 kgf
Per le Slide 2 e 3, la superficie frontale considerata era invece:
0,4 cm²
La pressione della plastica rimaneva:
900 bar.
La forza di spinta calcolata era:
360 kgf
Anche in questo caso:
900 × 0,4 = 360 kgf
Il Vega Team ha indicato come possibile soluzione una configurazione CM025CGHG#020, oppure, in alternativa, la configurazione CM040CGHG#025 già considerata dal Cliente.
Il caso dimostra quindi concretamente come una riduzione della superficie esposta alla pressione possa modificare significativamente la forza richiesta.
5. Il confronto tra le prime tre slide
I risultati possono essere riassunti così:
| Slide | Superficie frontale | Pressione plastica | Forza di spinta |
|---|---|---|---|
| Slide 1 | 0,8 cm² | 900 bar | 720 kgf |
| Slide 2–3 | 0,4 cm² | 900 bar | 360 kgf |
Questo confronto è particolarmente utile per il progettista dello stampo.
Non è sufficiente sapere che le tre slide appartengono allo stesso stampo.
È necessario conoscere la superficie effettivamente sottoposta alla pressione della plastica.
6. Una seconda configurazione con carichi differenti
La seconda configurazione analizzata dal Vega Team presentava condizioni più impegnative.
In questo caso è stata calcolata sia la:
forza di spinta
sia la:
forza di trazione.
Questo approccio è particolarmente importante quando il componente deve prima resistere alla pressione durante l’iniezione e successivamente essere estratto dal pezzo stampato.
Le due condizioni possono infatti generare forze completamente diverse.
7. Una forza di spinta di 1.699 kgf
Per questa configurazione, la superficie frontale considerata era di circa:
1,65 cm²
La pressione della plastica utilizzata nel calcolo era:
103 MPa, pari a 1.030 bar.
La forza di spinta risultante era:
1.699 kgf.
Anche in questo caso il rapporto fondamentale è:
F = P × A
quindi:
1.030 × 1,65 ≈ 1.699 kgf
Una superficie relativamente piccola può quindi generare una forza molto elevata quando viene sottoposta a pressioni tipiche dello stampaggio a iniezione.
8. Perché è stata calcolata anche la forza di trazione
La fase successiva del movimento può richiedere una forza completamente differente.
Quando l’anima o la slide deve essere estratta dal pezzo plastico, entrano in gioco altri fattori, tra cui:
- superficie laterale;
- adesione della plastica;
- geometria;
- condizioni di contatto.
Nel caso analizzato, il Vega Team ha quindi eseguito anche il calcolo della forza di trazione.
9. La forza di trazione: 213,3 kgf
La superficie laterale considerata era:
14,22 cm²
Il coefficiente di adesione della plastica utilizzato era:
15 kg/cm².
La forza di trazione calcolata risultava:
213,3 kgf
Il rapporto utilizzato è:
F = superficie laterale × coefficiente di adesione
quindi:
14,22 × 15 = 213,3 kgf
Il risultato è molto inferiore alla forza di spinta di 1.699 kgf.
Questo è un elemento molto importante per il dimensionamento.
10. Spinta e trazione non sono la stessa cosa
Il caso evidenzia chiaramente che la forza necessaria durante l’iniezione può essere molto diversa da quella necessaria durante l’estrazione.
Per la seconda configurazione:
Forza di spinta: 1.699 kgf
Forza di trazione: 213,3 kgf.
Il progettista deve quindi comprendere l’intero ciclo di movimento.
Non basta chiedersi:
“Quanto deve tirare il cilindro?”
Bisogna chiedersi:
“Quali sono i carichi che il cilindro deve sopportare nelle diverse fasi del ciclo?”
11. La selezione del cilindro
Dopo avere eseguito i calcoli, il Vega Team ha individuato per la seconda applicazione una configurazione:
CM040CGHG#025
con pressione minima di esercizio indicata pari a:
140 bar.
Il Vega Team ha inoltre raccomandato al Cliente di effettuare le necessarie verifiche prima dell’implementazione definitiva.
Questo è un passaggio importante.
Il calcolo della forza rappresenta la base del dimensionamento, ma non sostituisce la verifica completa dell’applicazione.
12. Il rapporto tra pressione, superficie e forza
Il principio fondamentale del dimensionamento di un cilindro idraulico è:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = area del pistone.
Per questo motivo, per ottenere una determinata forza è possibile intervenire su due parametri principali:
aumentare la pressione
oppure
aumentare l’area del pistone.
Nella pratica, la scelta deve essere compatibile con l’impianto idraulico e con gli ingombri disponibili nello stampo.
13. Perché una pressione elevata cambia completamente il problema
Il primo caso utilizzava una pressione della plastica di:
900 bar.
Il secondo:
1.030 bar.
Questi valori mostrano quanto rapidamente possa crescere la forza anche quando la superficie interessata è molto piccola.
Per esempio:
0,8 cm² × 900 bar = 720 kgf
mentre:
1,65 cm² × 1.030 bar = 1.699 kgf
La geometria della slide deve quindi essere considerata insieme alla pressione di stampaggio.
14. Il ruolo della superficie frontale
La superficie frontale è uno dei parametri più importanti nel calcolo della forza di spinta.
A parità di pressione:
maggiore è la superficie → maggiore è la forza.
Nel caso analizzato:
- 0,4 cm² → 360 kgf;
- 0,8 cm² → 720 kgf.
La relazione è direttamente proporzionale.
Per questo motivo anche una modifica geometrica apparentemente piccola può avere conseguenze importanti sul dimensionamento del cilindro.
15. Il ruolo della superficie laterale
La superficie laterale diventa invece particolarmente importante nel calcolo della forza necessaria per l’estrazione.
Nel caso analizzato:
14,22 cm² × 15 kg/cm² = 213,3 kgf.
Il calcolo mostra come l’area di contatto tra plastica e componente metallico possa influire sulla forza richiesta durante la trazione.
Per applicazioni più complesse possono inoltre essere importanti altri fattori, come la geometria del pezzo, il sistema di guida e le condizioni effettive di contatto.
16. Perché non conviene sovradimensionare automaticamente
Una possibile reazione a un calcolo di forza è scegliere direttamente un cilindro molto più grande.
Ma un cilindro sovradimensionato può comportare:
- maggiori ingombri;
- maggiore quantità di olio movimentata;
- maggiori costi;
- maggiore spazio necessario nello stampo;
- possibile riduzione dell’ottimizzazione complessiva del sistema.
Il dimensionamento corretto cerca invece un equilibrio tra:
forza richiesta + pressione disponibile + corsa + ingombri + condizioni operative.
17. Il valore del supporto tecnico Vega
Questo caso dimostra il valore dell’analisi applicativa.
Il Cliente non aveva semplicemente bisogno di un prodotto da catalogo.
Aveva bisogno di sapere:
quale cilindro fosse realmente adatto alla propria applicazione.
Il Vega Team ha quindi:
- analizzato i disegni;
- identificato le superfici rilevanti;
- determinato le forze di spinta;
- determinato la forza di trazione dove necessario;
- confrontato i risultati con le configurazioni disponibili;
- indicato una soluzione;
- richiesto le verifiche finali dell’applicazione.
Questo è un esempio concreto di application engineering per stampi a iniezione.
18. Dalla geometria al cilindro
Il processo di dimensionamento può essere riassunto in una sequenza logica:
Disegno dello stampo
↓
Geometria della slide o dell’anima
↓
Superficie esposta alla pressione
↓
Pressione della plastica
↓
Forza di spinta
↓
Superficie di contatto e adesione
↓
Forza di trazione
↓
Pressione idraulica disponibile
↓
Scelta dell’alesaggio
↓
Scelta della corsa e della configurazione
Questa sequenza riduce il rischio di scegliere un cilindro semplicemente sulla base dell’esperienza o delle dimensioni esterne.
19. Collegamento con la gamma Vega attuale
La gamma attuale di Vega comprende diverse famiglie di cilindri specificamente dedicate alla movimentazione di carrelli, punzoni e spine che creano sottosquadri nello stampo a iniezione. La categoria comprende, tra gli altri, V215CR, V250CE, V400CL, V450CM, V450CM-YES e V450CP.
Il V215CR, ad esempio, è un cilindro oleodinamico a tiranti a doppio effetto, conforme alle dimensioni di fissaggio UNI ISO 6020/2, disponibile con alesaggi da 25 a 200 mm e corse da 1 a 1500 mm. Vega indica tra le principali applicazioni proprio la movimentazione di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione.
Questo conferma l’importanza di scegliere la famiglia di cilindri in funzione dell’applicazione specifica.
20. Il principio fondamentale: prima la forza, poi il cilindro
Il caso Cliente può essere riassunto attraverso quattro risultati principali:
Slide 1
0,8 cm² × 900 bar
→ 720 kgf
Slide 2–3
0,4 cm² × 900 bar
→ 360 kgf
Seconda applicazione – spinta
1,65 cm² × 1.030 bar
→ 1.699 kgf
Seconda applicazione – trazione
14,22 cm² × 15 kg/cm²
→ 213,3 kgf.
Questi numeri spiegano perfettamente perché non sia possibile scegliere correttamente un cilindro senza prima comprendere la geometria e le condizioni operative dello stampo.
Conclusione
La scelta del cilindro idraulico per una slide o un’anima di uno stampo a iniezione deve partire dalla forza richiesta dall’applicazione.
Nel caso analizzato, il Cliente ha chiesto al Vega Team di verificare diverse configurazioni dello stampo. L’analisi ha portato a calcolare forze differenti per le diverse slide e a valutare separatamente spinta e trazione.
Per la prima configurazione sono stati calcolati:
- 720 kgf per una superficie frontale di 0,8 cm² a 900 bar;
- 360 kgf per una superficie frontale di 0,4 cm² a 900 bar.
Per la seconda configurazione:
- 1.699 kgf di spinta;
- 213,3 kgf di trazione.
Sulla base dell’analisi, il Vega Team ha individuato le configurazioni di cilindro appropriate e, per la seconda applicazione, ha indicato una configurazione CM040CGHG#025 con pressione minima di esercizio di 140 bar.
Il caso dimostra quindi una regola semplice ma fondamentale:
Non si sceglie prima il cilindro per poi verificare se è sufficiente. Si analizza prima l’applicazione, si calcolano le forze e si sceglie quindi il cilindro corretto.
Questo approccio consente di evitare sia il rischio di sottodimensionamento, sia quello di sovradimensionamento, ottenendo una soluzione più coerente con la geometria dello stampo, la pressione di esercizio e le condizioni reali di movimento.
URL utili e verificati
1. Cilindri idraulici per stampi
Panoramica completa delle famiglie Vega per stampi a iniezione plastica e pressofusione di alluminio. È il link principale che consiglierei di inserire nell’articolo.
2. Movimentazione Carrello e Spina
È il collegamento più pertinente al caso, perché raccoglie i cilindri destinati alla movimentazione di carrelli, punzoni e spine che creano sottosquadri nello stampo a iniezione.
Movimentazione Carrello e Spina
3. V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti
Pagina tecnica della serie V215CR, particolarmente interessante per chi deve dimensionare cilindri per movimentazioni nello stampo.
V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti UNI-ISO 6020/2
4. Cataloghi cilindri idraulici
Pagina di raccolta dei cataloghi Vega, organizzati per applicazione: movimentazione carrello e spina, piastra di estrazione, svitamento, bloccaggio meccanico e pressofusione.
5. Gamma completa dei cilindri idraulici
Pagina generale del catalogo online Vega e del configuratore 3D.
