Un Customer Case sulla corretta dimensionamento dei cilindri per movimentare e mantenere in posizione una slitta
Nella progettazione di uno stampo a iniezione, il dimensionamento del cilindro idraulico che movimenta una slitta non può basarsi soltanto sulla forza necessaria per estrarre il carrello.
Il cilindro deve essere verificato anche nella condizione opposta: quando la pressione di iniezione tende a spingere la slitta nella direzione contraria.
Un Customer Case analizzato dal Vega Team mostra molto bene questo problema.
Il Cliente utilizzava due cilindri CM040 per movimentare una slitta. Durante l’iniezione, però, lo stelo tendeva ad arretrare sotto l’azione della pressione esercitata sulla plastica. La domanda era quindi se fosse necessario utilizzare un cilindro autobloccante oppure se fosse sufficiente mantenere il cilindro standard con una valvola di ritegno.
L’analisi ha evidenziato un punto fondamentale: la forza necessaria per estrarre la slitta e la forza necessaria per impedirne l’arretramento durante l’iniezione sono due problemi differenti.
1. Il problema: il cilindro riesce a tirare, ma la slitta arretra
Il Cliente utilizzava due cilindri CM040 per movimentare il carrello dello stampo.
La fase di estrazione funzionava correttamente: la slitta poteva essere movimentata verso l’esterno attraverso la forza di trazione dei cilindri.
Il problema compariva invece durante l’iniezione.
Quando la plastica entrava nello stampo, la pressione di iniezione generava una forza sulla superficie del carrello e tendeva a spingerlo all’indietro.
Il Cliente aveva quindi bisogno di una soluzione che permettesse di:
- estrarre correttamente il carrello;
- mantenerlo in posizione durante l’iniezione.
Questa distinzione è fondamentale nel dimensionamento di un sistema idraulico per stampi.
2. Il dato più importante: pressione di iniezione di 100 MPa
Nel corso dell’analisi il Cliente ha fornito il dato relativo alla pressione di iniezione:
100 MPa = 1000 bar.
Si tratta di un valore estremamente importante per il dimensionamento.
Il cilindro non deve infatti essere dimensionato soltanto in base alla pressione idraulica presente nel circuito.
Bisogna prima determinare quale forza viene generata dalla pressione della plastica sulla superficie interessata.
Il principio è:
Forza = Pressione × Area
Nel caso analizzato, la superficie frontale complessiva indicata nel calcolo era di circa:
53 cm².
Con una pressione di iniezione di:
1000 bar
il calcolo fornito dal Vega Team porta a una forza frontale complessiva di circa:
53.000 kgf.
Questo valore mostra immediatamente perché non sia sufficiente guardare solamente alla forza nominale del cilindro.
3. La geometria della zeppa cambia completamente il problema
La slitta del Cliente utilizzava una zeppa inclinata.
Inizialmente l’angolo indicato era di 20°, mentre nei calcoli intermedi era stato considerato anche un angolo di 18°.
La geometria della zeppa trasforma la forza generata dalla pressione di iniezione in una forza che agisce direttamente sul cilindro.
Nel calcolo effettuato dal Vega Team, con un angolo di 18° e senza considerare l’attrito, la forza risultante direttamente sul cilindro era di circa:
15.900 kgf.
Questo è il punto centrale del Customer Case.
Una pressione di iniezione molto elevata può trasformarsi, attraverso la geometria dello stampo, in una forza significativa sul cilindro.
4. La forza di spinta non è la stessa forza di trazione
Il Vega Team ha separato chiaramente due verifiche:
Forza di spinta
È la forza che tende a far arretrare la slitta durante l’iniezione.
Forza di trazione
È la forza necessaria per estrarre il carrello e vincere l’adesione della plastica.
Queste due forze dipendono da geometrie e condizioni differenti.
È quindi possibile avere un cilindro che riesce perfettamente a estrarre il carrello, ma che non è sufficiente a mantenerlo fermo durante l’iniezione.
È esattamente la situazione analizzata nel Customer Case.
5. La verifica della forza di trazione
Per calcolare la forza necessaria a estrarre il carrello, il Vega Team ha considerato una superficie laterale complessiva di circa:
315 cm².
È stato quindi considerato un coefficiente di adesione della plastica di:
20 kg/cm².
Il risultato della forza di trazione complessiva era:
6.298 kgf.
Con una zeppa a 18°, la forza utile di trazione, senza considerare l’attrito, veniva calcolata in circa:
1.889 kgf.
Il Vega Team ha inoltre verificato uno scenario con un coefficiente di adesione inferiore, pari a 15 kg/cm².
In quel caso:
Forza di trazione complessiva = 4.725 kgf
e, con 18°:
Forza utile senza attrito = 1.417 kgf.
6. Perché l’attrito rende il calcolo più complesso
I valori precedenti non rappresentano necessariamente il comportamento reale dello stampo.
Il Vega Team specificava infatti che la forza utile sarebbe stata influenzata dal coefficiente reale di attrito.
Questo è importante perché nei sistemi con slitte e piani inclinati intervengono numerosi fattori:
- attrito tra le superfici;
- geometria della zeppa;
- pressione della plastica;
- adesione della plastica;
- condizioni superficiali;
- lubrificazione;
- tolleranze dello stampo.
Per questo motivo, il dimensionamento teorico deve essere accompagnato dalla conoscenza delle reali condizioni di funzionamento.
7. Il problema della pressione di 140 bar
Durante l’ultima prova dello stampo, il Cliente aveva indicato una pressione di lavoro del circuito di circa:
140 bar.
Il Vega Team ha quindi verificato la forza di trazione effettivamente disponibile con i cilindri esistenti.
La stima indicava che, qualora i cilindri non presentassero problemi nella fase di trazione, con una pressione idraulica di 140 bar la forza reale di trazione poteva essere di circa:
1.200 kgf.
Questo dato deve essere confrontato con la forza necessaria per estrarre il carrello.
8. Ma il vero problema era la forza di spinta
La situazione diventava molto diversa durante l’iniezione.
Il calcolo del Vega Team indicava una forza di circa:
18.000 kgf
direttamente sul cilindro considerando la configurazione con angolo di zeppa di 20°.
Il confronto è estremamente significativo:
Forza di trazione disponibile ≈ 1.200 kgf
contro
Forza di spinta richiesta ≈ 18.000 kgf
Non è quindi sufficiente chiedersi:
“Il cilindro riesce a muovere la slitta?”
La domanda corretta diventa:
“Il sistema è in grado di impedire che la pressione di iniezione faccia arretrare la slitta?”
9. Perché un cilindro standard può non essere sufficiente
Un cilindro idraulico standard mantiene la propria posizione grazie alla pressione idraulica e alle condizioni del circuito.
Ma se la forza esterna applicata alla slitta è molto superiore alla capacità del sistema di mantenimento, lo stelo può arretrare.
Nel Customer Case il Cliente aveva infatti osservato proprio questo comportamento: lo stelo arretrava quando la plastica entrava nello stampo.
Questo non significa necessariamente che il cilindro sia difettoso.
Può semplicemente significare che:
la forza esterna supera la capacità del sistema di mantenere la posizione.
10. Valvola di ritegno o cilindro autobloccante?
La domanda del Cliente era molto precisa:
È necessario utilizzare un cilindro autobloccante oppure è possibile utilizzare una valvola di ritegno per impedire il movimento della slitta?
È una domanda fondamentale nella progettazione di sistemi idraulici per stampi.
Una valvola di ritegno può impedire o limitare il flusso di olio dal cilindro verso il circuito, ma la scelta della soluzione deve essere valutata in funzione della forza esterna e dell’effettivo comportamento del sistema.
Quando la forza esterna è molto elevata, il problema non è semplicemente evitare il flusso dell’olio.
È necessario verificare come viene trasferita e sostenuta la forza meccanica.
11. La soluzione 1: mantenere i cilindri e aggiungere un bloccaggio meccanico
Dopo aver ricevuto i dati aggiornati, il Vega Team ha individuato due possibili soluzioni.
La prima consisteva nel:
mantenere i cilindri esistenti e aggiungere un sistema di bloccaggio tramite zeppe sullo stampo.
Questa soluzione separa due funzioni:
cilindro → movimentazione
zeppa/bloccaggio → mantenimento della posizione durante l’iniezione
È un concetto molto interessante perché non obbliga necessariamente il cilindro a sostenere direttamente tutta la forza generata dall’iniezione.
12. La soluzione 2: utilizzare un cilindro più grande
La seconda soluzione proposta dal Vega Team prevedeva la sostituzione dei cilindri esistenti con:
CF056N#160
con una corsa speciale di:
160 mm.
La corsa standard massima indicata nella comunicazione era di 100 mm; per questa applicazione sarebbe stata quindi necessaria una versione speciale da 160 mm.
La proposta prevedeva l’utilizzo dei cilindri alla pressione idraulica minima di lavoro di:
140 bar.
13. Due filosofie progettuali differenti
Le due soluzioni rappresentano due filosofie molto diverse.
Soluzione A — Cilindro + bloccaggio meccanico
Il cilindro movimenta la slitta.
Il sistema meccanico sostiene la forza durante l’iniezione.
Soluzione B — Cilindro più grande
Il cilindro viene dimensionato per fornire una forza maggiore e gestire direttamente la condizione di carico.
La scelta dipende da:
- spazio disponibile;
- costo;
- geometria dello stampo;
- ciclo;
- precisione richiesta;
- necessità di mantenimento;
- pressione di lavoro;
- manutenzione.
14. Il vantaggio del bloccaggio meccanico
Vega oggi dispone di una soluzione specifica per questo tipo di esigenza: la gamma V270CG, progettata per il bloccaggio meccanico.
La pagina ufficiale Vega descrive il V270CG come un cilindro idraulico con stelo autobloccante, destinato alla movimentazione e al bloccaggio di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione, anche quando è necessario sostenere direttamente la pressione di iniezione.
Questo rende il concetto di bloccaggio meccanico particolarmente interessante quando la funzione richiesta non è soltanto muovere, ma anche mantenere rigidamente la posizione.
15. Il bloccaggio meccanico è diverso dal semplice mantenimento idraulico
Nel sistema autobloccante Vega, il mantenimento della posizione non dipende esclusivamente dalla pressione dell’olio.
La pagina tecnica Vega spiega che il sistema utilizza settori flottanti ad alta resistenza che si espandono in una scanalatura interna del corpo e bloccano lo stelo meccanicamente.
Questo è concettualmente diverso da un sistema nel quale il cilindro deve mantenere continuamente una pressione idraulica per contrastare la forza esterna.
In applicazioni dove la pressione di iniezione genera forze elevate, questa differenza può diventare determinante.
16. Il problema della pressione di iniezione deve essere affrontato già in fase di progettazione
Il Vega Team aveva sottolineato che il problema sarebbe stato più facile da risolvere se la richiesta fosse arrivata durante la fase di progettazione dello stampo.
Questo è probabilmente uno degli insegnamenti più importanti del Customer Case.
Il cilindro non dovrebbe essere scelto soltanto dopo aver definito lo stampo.
La scelta dovrebbe essere integrata nella progettazione complessiva della slitta.
17. Quali dati servono per dimensionare correttamente il cilindro?
Per un’applicazione di questo tipo, il Vega Team ha richiesto o utilizzato diversi dati:
- pressione di iniezione;
- superficie interessata;
- geometria della zeppa;
- angolo della zeppa;
- forza di adesione della plastica;
- pressione idraulica disponibile;
- forza di trazione necessaria;
- geometria dello stampo.
Inoltre, Vega ha richiesto informazioni sullo spessore della bava/flash rilevata sui pezzi stampati e fotografie del difetto.
Questo dimostra che il dimensionamento del cilindro deve essere collegato anche al risultato effettivo dello stampaggio.
18. La bava può essere un segnale importante
Quando una slitta arretra anche di una quantità molto piccola durante l’iniezione, può crearsi uno spazio attraverso il quale la plastica può penetrare.
Il risultato può essere la formazione di una bava sul pezzo.
Nel Customer Case, il Vega Team ha infatti chiesto di conoscere lo spessore della bava verificata sui pezzi e di ricevere fotografie.
La bava diventa quindi un possibile indicatore del fatto che la slitta non viene mantenuta nella posizione prevista.
19. Perché l’angolo della zeppa è così importante
Il Cliente utilizzava una zeppa con angolo di 20° e aveva difficoltà a modificarla a 18°.
Il Vega Team ha effettuato calcoli con entrambi i valori nel corso dell’analisi.
Questo mostra quanto anche pochi gradi possano influenzare il rapporto tra:
- forza di iniezione;
- forza sulla slitta;
- forza sul cilindro;
- forza necessaria alla movimentazione.
La geometria dello stampo non è quindi un elemento secondario rispetto al cilindro.
È parte integrante del dimensionamento.
20. Il cilindro deve essere dimensionato sul caso peggiore
Un errore frequente è dimensionare il cilindro sulla condizione più semplice:
“Quanto deve tirare per estrarre il carrello?”
La verifica corretta deve invece considerare almeno due condizioni:
Condizione 1
Estrazione del carrello
Il cilindro deve vincere adesione e attrito.
Condizione 2
Iniezione
La slitta deve rimanere nella posizione prevista nonostante la forza esercitata dalla plastica.
Il cilindro o il sistema di bloccaggio deve quindi essere dimensionato considerando la condizione più gravosa.
21. Non sempre il cilindro più grande è la soluzione migliore
La seconda soluzione proposta dal Vega Team era un cilindro più grande e con corsa speciale.
Ma la prima soluzione era mantenere i cilindri esistenti e aggiungere un sistema di bloccaggio.
Questo dimostra che aumentare il diametro del cilindro non è automaticamente la scelta migliore.
A seconda dell’applicazione può essere più conveniente:
- utilizzare un sistema di bloccaggio;
- modificare la geometria;
- aumentare la dimensione del cilindro;
- modificare la pressione;
- cambiare il sistema di fissaggio.
La scelta deve essere fatta sul sistema completo.
22. La gamma Vega per gli stampi comprende diverse strategie
La gamma ufficiale Vega per gli stampi comprende cilindri destinati a:
- movimentazione di carrelli e spine;
- movimentazione della piastra di estrazione;
- sistemi di svitamento;
- bloccaggio meccanico;
- pressofusione di alluminio.
Questo è particolarmente importante perché le esigenze di un cilindro che deve semplicemente movimentare una slitta sono diverse da quelle di un cilindro che deve anche contribuire al bloccaggio contro la pressione di iniezione.
23. Una procedura corretta per il dimensionamento
Per evitare problemi di questo tipo, il dimensionamento può essere impostato in questo modo:
1. Definire la pressione di iniezione
Non utilizzare solamente la pressione nominale della macchina.
2. Calcolare l’area sulla quale agisce la pressione
La pressione della plastica deve essere trasformata in forza.
3. Analizzare la geometria della slitta
Considerare angoli, piani inclinati e rapporti geometrici.
4. Calcolare la forza sul cilindro
Determinare la componente effettivamente trasmessa allo stelo.
5. Verificare la trazione
Calcolare la forza necessaria per estrarre il carrello.
6. Verificare il mantenimento
Controllare che la slitta non possa arretrare durante l’iniezione.
7. Valutare il bloccaggio meccanico
Se la forza è elevata, verificare se sia più opportuno utilizzare una soluzione autobloccante.
24. La scelta finale deve considerare anche la corsa
Nel caso analizzato, la seconda soluzione prevedeva una corsa speciale di 160 mm, mentre la corsa standard massima indicata per quel cilindro era di 100 mm.
Questo evidenzia un’altra variabile importante.
Non basta che il cilindro abbia la forza necessaria.
Deve anche avere:
- corsa adeguata;
- dimensioni compatibili;
- fissaggio compatibile;
- connessioni accessibili;
- spazio sufficiente nello stampo.
Una soluzione tecnicamente corretta ma fisicamente impossibile da installare non è una soluzione valida.
25. La conclusione tecnica del Customer Case
Il Vega Team ha individuato due possibilità concrete:
Soluzione 1: mantenere i cilindri esistenti e aggiungere un sistema di bloccaggio con zeppe.
Soluzione 2: sostituire i cilindri con CF056N#160, utilizzando una versione speciale con corsa di 160 mm e pressione minima di lavoro di 140 bar.
La scelta finale doveva essere fatta sulla base della geometria effettiva dello stampo e delle informazioni mancanti, tra cui lo spessore della bava e le fotografie dei pezzi.
Conclusione
Questo Customer Case mostra un errore di approccio che può verificarsi facilmente nella progettazione di uno stampo:
dimensionare il cilindro soltanto sulla forza necessaria per movimentare la slitta.
Nel caso analizzato, i cilindri esistenti riuscivano a movimentare il carrello verso l’esterno, ma durante l’iniezione la pressione della plastica tendeva a far arretrare lo stelo.
Con una pressione di iniezione di 100 MPa, una superficie frontale di circa 53 cm² e una geometria della zeppa che trasferiva una parte significativa della forza sul cilindro, il calcolo Vega evidenziava forze molto superiori a quelle necessarie per la semplice estrazione.
La soluzione non era quindi necessariamente un cilindro più grande.
Il Vega Team ha individuato due strade: aggiungere un bloccaggio meccanico mantenendo i cilindri esistenti, oppure passare a un cilindro più grande con corsa speciale.
La lezione progettuale è chiara:
Un cilindro per una slitta di uno stampo deve essere dimensionato sia per la movimentazione sia per la forza generata durante l’iniezione.
E quando la pressione di iniezione può generare una forza molto elevata, bisogna valutare fin dall’inizio se il cilindro debba semplicemente movimentare la slitta oppure se debba anche garantirne il bloccaggio durante l’iniezione.
URL utili e verificati
Ho verificato gli URL sui domini ufficiali vegacylinders.com. Le descrizioni sono in italiano, come l’articolo.
- Cilindri Idraulici per Stampi — Pagina ufficiale Vega che raccoglie le diverse famiglie di cilindri per stampi a iniezione plastica e pressofusione e le suddivide per applicazione, compresa la movimentazione di carrelli e spine e il bloccaggio meccanico.
Cilindri Idraulici per Stampi - Movimentazione Carrello e Spina — Pagina ufficiale Vega dedicata ai cilindri utilizzati per movimentare carrelli, punzoni e spine che creano sottosquadri negli stampi a iniezione plastica. È il collegamento più direttamente pertinente all’applicazione descritta nel Customer Case.
Movimentazione Carrello e Spina - Bloccaggio Meccanico — Pagina ufficiale Vega dedicata ai cilindri con bloccaggio meccanico, progettati per movimentare e bloccare carrelli, punzoni e spine e per sostenere direttamente la pressione di iniezione.
Bloccaggio Meccanico - Auto-Bloccaggio Cilindri Idraulici — Approfondimento ufficiale Vega sul funzionamento del sistema di auto-bloccaggio e sul modo in cui il meccanismo può sostenere forze elevate senza dipendere continuamente dalla pressione idraulica.
Auto-Bloccaggio Cilindri Idraulici - V270CG – Cilindro Idraulico Autobloccante — Pagina ufficiale Vega dedicata alla soluzione autobloccante, particolarmente pertinente quando il cilindro deve contribuire al mantenimento della posizione della slitta durante l’iniezione.
V270CG – Cilindro Idraulico Autobloccante - Cataloghi Cilindri Idraulici — Catalogo ufficiale Vega che organizza le famiglie di cilindri per applicazione e include sia i cilindri per movimentazione carrello e spina sia quelli per bloccaggio meccanico.
Cataloghi Cilindri Idraulici
