Dalla pressione della cavità alla forza necessaria al cilindro

La scelta di un cilindro oleodinamico per uno stampo a iniezione non dovrebbe mai iniziare dal catalogo del cilindro.

Il punto di partenza corretto è la forza generata dal processo di stampaggio e il modo in cui questa forza viene trasferita attraverso la struttura dello stampo.

Il manuale tecnico Vega dedica una sezione specifica alle applicazioni su stampi e distingue chiaramente tra forza di spinta, forza statica di mantenimento, forza di trazione, forza di estrazione e forza generata dalla pressione di iniezione.

Questo approccio è fondamentale perché un cilindro che dispone di forza sufficiente per movimentare una slitta può non essere necessariamente adatto a mantenerla in posizione durante l’iniezione.

1. Il dimensionamento deve partire dal meccanismo dello stampo

Prima di scegliere il cilindro è necessario conoscere:

cosa deve muovere;
quale corsa deve effettuare;
quale forza deve sviluppare;
quali forze esterne agiscono sul componente;
se deve soltanto movimentare il componente oppure anche mantenerlo bloccato;
se esiste un sistema meccanico di bloccaggio;
se sono presenti cunei, slitte o altri elementi di trasmissione della forza;
quale pressione idraulica è realmente disponibile.

Il manuale Vega sottolinea che i calcoli riportati per il dimensionamento diretto sono calcoli di base, perché le situazioni reali possono essere molto differenti e richiedere un’analisi specifica.

Per questo motivo il cilindro non deve essere considerato come un componente isolato.

Il sistema completo è:

pressione della plastica → stampo → meccanismo → cilindro → circuito idraulico

Ogni elemento influenza il dimensionamento finale.

2. La relazione fondamentale: pressione, superficie e forza

Quando la pressione agisce su una superficie, genera una forza.

dove:

F = forza;
p = pressione;
A = superficie sulla quale agisce la pressione.

Nel caso di uno stampo a iniezione, tuttavia, non è sufficiente conoscere la superficie fisica del componente.

È necessario determinare la superficie proiettata nella direzione della forza.

Il manuale Vega specifica infatti che, quando la pressione di iniezione agisce direttamente sullo stelo del cilindro, la forza deve essere calcolata moltiplicando la pressione di iniezione per l’area proiettata nella direzione del movimento.

Questo rappresenta uno dei principi fondamentali del dimensionamento.

3. Superficie reale e superficie proiettata non sono la stessa cosa

Immaginiamo una slitta o un’anima sottoposta alla pressione della plastica.

La superficie totale del componente potrebbe essere molto grande, ma non tutta questa superficie produce necessariamente una forza nella direzione in cui lavora il cilindro.

Bisogna quindi determinare la superficie proiettata.

La domanda corretta non è:

Quanto è grande il componente?

ma:

Quale superficie genera effettivamente una forza nella direzione di movimento o di contrasto del cilindro?

Questo è particolarmente importante quando:

la superficie è inclinata;
il cilindro non è perpendicolare alla superficie;
sono presenti geometrie complesse;
la forza viene trasferita attraverso una slitta;
esistono cunei o altri sistemi meccanici.

4. La pressione da utilizzare deve essere quella realmente agente

Un altro errore frequente consiste nell’utilizzare automaticamente la pressione nominale della macchina come pressione di calcolo del cilindro.

Non sempre questo è corretto.

Nel dimensionamento bisogna stabilire dove viene applicata la pressione e quale pressione effettiva genera il carico sul meccanismo.

Il manuale Vega specifica che, nel calcolo della forza di pressione di iniezione, la pressione deve essere valutata nel punto in cui agisce sullo stelo del cilindro.

Questo significa che, prima di iniziare il calcolo, è necessario verificare il significato dei dati forniti dal costruttore della pressa o dal processo.

Bisogna distinguere, quando necessario, tra:

pressione idraulica della macchina;
pressione di iniezione;
pressione della plastica;
pressione nella cavità;
pressione effettivamente responsabile della forza sul meccanismo.

5. La forza di pressione di iniezione

La forza generata dalla pressione della plastica può essere espressa come:

dove:

Finj = forza generata dalla pressione di iniezione;
pinj = pressione effettiva;
Aproj = area proiettata nella direzione considerata.

Questa è una delle formule più importanti nel dimensionamento di un cilindro utilizzato direttamente per contrastare la pressione di iniezione.

Il manuale Vega definisce infatti la forza di pressione di iniezione come una delle tre principali forze da considerare nelle applicazioni su stampi, insieme alla stripping force e alla ejection force.

6. Un esempio numerico

Consideriamo una superficie proiettata di:

55 cm²

e una pressione di:

90 bar

La forza teorica risultante è dell’ordine di:

4.950 kgf

Se la pressione aumenta a:

350 bar

la forza diventa circa:

19.250 kgf.

Il principio è molto semplice:

a parità di superficie, raddoppiando la pressione raddoppia anche la forza.

Per questo motivo una piccola variazione delle condizioni di processo può modificare significativamente il dimensionamento del cilindro.

I valori dell’esempio sono utili per comprendere il rapporto fisico; nella progettazione reale devono essere utilizzati i dati effettivi dello stampo e della pressa.

7. La forza di pressione non è necessariamente sostenuta direttamente dal cilindro

Questo è un punto particolarmente importante.

In teoria possiamo calcolare facilmente:

pressione × superficie proiettata

Ma nella maggior parte degli stampi la forza di iniezione non viene trasferita direttamente allo stelo del cilindro.

Molto spesso viene utilizzato un meccanismo costituito da:

cilindro;
slitta;
cuneo;
tassello;
guide;
battute;
superfici inclinate.

Il manuale Vega sottolinea che, quando sono presenti questi elementi, il calcolo diventa molto più complesso perché entrano in gioco geometria, attrito e deformazione dei componenti e della struttura di supporto.

Di conseguenza:

La forza generata dalla pressione della cavità non deve essere automaticamente considerata uguale alla forza che agisce sul cilindro.

È necessario analizzare il percorso completo della forza.

8. Tre forze fondamentali nelle applicazioni su stampi

Il manuale Vega distingue tre condizioni principali.

8.1 Stripping force

È la forza di adesione della plastica allo stampo dopo l’iniezione e il raffreddamento.

Dipende principalmente da:

superficie di contatto;
tipo di plastica;
angolo di sformo.

Il manuale precisa che un calcolo esatto può coinvolgere numerosi elementi e che normalmente viene utilizzato un metodo approssimato.

8.2 Injection pressure force

È la forza generata dalla pressione della plastica sulla superficie proiettata.

Quando questa forza viene sostenuta direttamente dal cilindro, il calcolo è relativamente semplice.

Quando invece viene trasferita attraverso un sistema di cunei e slitte, la situazione diventa molto più complessa.

8.3 Ejection force

È la forza necessaria per estrarre il pezzo dallo stampo.

Il valore teorico può sembrare ridotto, ma il sistema reale può essere soggetto a carichi dinamici importanti.

Il motivo è che la piastra portaestrattori può essere molto pesante, la corsa può essere breve e la velocità elevata. Inoltre vengono spesso utilizzati due o quattro cilindri che non si muovono mai in modo perfettamente sincronizzato.

9. Forza di spinta e forza di trazione devono essere calcolate separatamente

Un errore molto comune è dimensionare il cilindro esclusivamente in base alla forza di spinta.

Il manuale Vega dedica infatti sezioni separate a:

Pushing;
Static Holding Force;
Pulling.

Questa distinzione è fondamentale.

Durante una fase del ciclo il cilindro potrebbe dover spingere una slitta.

Durante un’altra fase potrebbe doverla tirare.

Le due forze disponibili non sono uguali.

10. Forza di spinta del cilindro

La forza teorica di spinta dipende dall’area completa del pistone.

dove:

Fpush = forza di spinta;
ph = pressione idraulica;
D = alesaggio del cilindro.

Questa rappresenta la forza teorica.

Nella realtà bisogna considerare anche:

attrito delle guarnizioni;
attrito delle guide;
perdite di pressione;
allineamento;
massa da movimentare;
accelerazione;
eventuali urti a fine corsa.

Il manuale Vega evidenzia infatti che, nelle applicazioni di spinta, la forza richiesta dipende anche da massa, velocità, forma e guida della piastra, e che gli urti possono creare condizioni particolarmente gravose.

11. La forza di trazione è inferiore alla forza di spinta

Quando il cilindro rientra, la superficie efficace del pistone viene ridotta dalla presenza dello stelo.

La relazione teorica è:

dove:

D = diametro del pistone;
d = diametro dello stelo;
ph = pressione idraulica.

Di conseguenza, a parità di pressione:

forza di trazione < forza di spinta

Questo diventa particolarmente importante quando il cilindro deve estrarre:

anime;
spine;
carrelli;
inserti;
componenti sottosquadro.

12. Perché l’estrazione può essere più difficile della spinta

Durante il raffreddamento, la plastica tende a ritirarsi.

Se il componente è stampato intorno a un’anima o a una spina, il materiale può esercitare una pressione sulla superficie del nucleo.

Quando il cilindro deve estrarre il nucleo, deve quindi superare questa resistenza.

Il manuale Vega spiega che la forza di trazione necessaria per rimuovere spine o anime dipende, tra gli altri fattori, da:

angolo del nucleo;
coefficiente di attrito;
superficie di contatto;
tipo di plastica;
angolo di sformo.

Questa è una delle ragioni per cui un cilindro apparentemente sufficientemente dimensionato in spinta può risultare sottodimensionato in trazione.

13. La superficie di contatto della plastica diventa fondamentale

Per la forza di pressione di iniezione interessa soprattutto la superficie proiettata.

Per l’estrazione, invece, diventa importante la superficie di contatto lungo la direzione di movimento.

Quindi abbiamo due situazioni differenti:

Durante il mantenimento in posizione

pressione × superficie proiettata

Durante l’estrazione

adesione + contrazione della plastica + attrito + geometria del nucleo

Il progettista deve quindi utilizzare il parametro geometrico corretto per ciascuna fase del ciclo.

14. Perché il materiale plastico deve essere considerato

La forza di estrazione non è indipendente dal materiale.

Materiali differenti possono presentare:

diverso ritiro;
diversa adesione all’acciaio;
diversa rigidità;
diverso comportamento durante il raffreddamento.

Il manuale Vega indica espressamente il tipo di plastica tra i parametri che devono essere considerati nella stima della stripping force e della forza di estrazione.

Per questo motivo, il dimensionamento dovrebbe utilizzare il materiale effettivamente previsto per la produzione e non soltanto un valore generico.

15. L’angolo di sformo influenza la forza di estrazione

L’angolo di sformo è particolarmente importante.

Un maggiore sformo facilita normalmente la separazione del pezzo dal nucleo.

Un piccolo angolo di sformo può invece aumentare la resistenza all’estrazione.

Vega considera l’angolo di sformo uno dei parametri fondamentali nella stima della forza necessaria per rimuovere il pezzo dal nucleo.

Questo significa che il cilindro non dovrebbe essere dimensionato senza conoscere almeno la geometria essenziale del nucleo.

16. Il cilindro deve essere dimensionato sulla condizione più gravosa

Una corretta progettazione deve individuare il worst-case load.

A seconda dell’applicazione, la condizione più gravosa potrebbe essere:

la pressione di iniezione;
l’estrazione del nucleo;
lo sbloccaggio;
il movimento iniziale;
l’attrito;
il movimento di una piastra pesante;
un’accelerazione elevata;
una condizione di sincronizzazione imperfetta.

Il manuale Vega sottolinea che, nel caso di cilindri autobloccanti, la forza di estrazione può in alcuni casi risultare la condizione più gravosa.

Quindi non è corretto stabilire automaticamente:

“La forza maggiore è quella della pressione di iniezione.”

Dipende dal meccanismo.

17. Il bloccaggio meccanico cambia completamente il problema

Un cilindro convenzionale può essere utilizzato per contrastare la pressione di iniezione mantenendo la pressione idraulica sul pistone.

Ma esiste un’altra soluzione: utilizzare un cilindro meccanicamente autobloccante.

Il V260CF di Vega utilizza un sistema di bloccaggio meccanico che si attiva automaticamente alla fine della corsa. Vega spiega che il sistema permette di ridurre il lavoro richiesto alla pompa e di mantenere la posizione senza una configurazione idraulica specifica aggiuntiva. 

Questo introduce una distinzione fondamentale:

Cilindro convenzionale

pressione idraulica → forza → mantenimento della posizione

Cilindro autobloccante

pressione idraulica → movimento → bloccaggio meccanico → mantenimento del carico

La funzione di movimento e quella di mantenimento possono quindi essere separate.

18. Quando la pressione di iniezione agisce direttamente sul cilindro

Se il cilindro deve sostenere direttamente la forza generata dalla pressione di iniezione, il calcolo è relativamente semplice:

pressione di iniezione × area proiettata

Il manuale Vega precisa però che, in questa configurazione, può essere necessario valutare anche il precarico.

Il precarico può essere necessario quando occorre mantenere le superfici di contatto sotto compressione per evitare una piccola apertura durante l’iniezione.

Questo argomento sarà approfondito nella Parte 2.

19. Quando esiste un cuneo o una slitta

Se il cilindro non agisce direttamente sul componente che deve resistere alla pressione, bisogna analizzare il meccanismo.

Un sistema può comprendere:

cilindro → cuneo → slitta → battuta

In questo caso la forza sul cilindro dipende dalla geometria del cuneo.

Bisogna inoltre considerare:

attrito;
angolo del cuneo;
direzione della forza;
posizione del punto di contatto;
deformazione;
tolleranze.

Il manuale Vega avverte esplicitamente che queste situazioni possono diventare molto complesse quando si aggiungono attrito e deformazioni della struttura di supporto.

20. La rigidità dello stampo fa parte del dimensionamento

Il calcolo della forza non è sufficiente.

Supponiamo che il cilindro sia in grado di generare esattamente la forza richiesta.

Se la piastra dello stampo si deforma sotto il carico, la posizione della slitta può comunque cambiare.

Questo può provocare:

apertura delle superfici;
perdita di contatto;
flash;
usura;
variazioni dimensionali.

Per questo motivo la struttura che sostiene il cilindro deve essere sufficientemente rigida.

Il manuale Vega sottolinea inoltre il rischio di sovraccarico quando più cilindri non sono perfettamente sincronizzati.

21. La sincronizzazione di più cilindri

Quando due o più cilindri lavorano sulla stessa piastra o sullo stesso meccanismo, non si può semplicemente dividere la forza totale per il numero di cilindri.

Per esempio, con due cilindri:

forza totale ÷ 2

è soltanto una prima approssimazione.

La distribuzione reale può essere influenzata da:

tolleranze;
guide;
attrito;
differenze nel circuito;
perdite di pressione;
deformazioni;
posizione dei cilindri.

Vega indica come soluzioni possibili:

flow divider;
guide adeguatamente dimensionate e distanziate;
circuiti idraulici il più possibile identici;
in alcuni casi, circuiti ad anello.

Una sincronizzazione insufficiente può sovraccaricare soprattutto gli steli dei cilindri.

22. La compressibilità dell’olio non deve essere ignorata

Un altro aspetto importante è la compressibilità dell’olio.

In condizioni ideali l’olio viene spesso trattato come incomprimibile.

Nella realtà, però, una variazione di pressione può provocare una piccola variazione di volume e quindi un piccolo movimento dello stelo.

Il manuale Vega fornisce un esempio significativo:

aumento di pressione: 100 bar;
corsa del cilindro: 80 mm;
compressione stimata: circa 0,6%;
arretramento dello stelo: circa 0,5 mm.

In uno stampo a iniezione, mezzo millimetro può essere sufficiente per creare un problema di qualità, in particolare quando le superfici di chiusura devono rimanere perfettamente a contatto.

23. Perché una valvola di ritegno non equivale a un bloccaggio meccanico

Una valvola di ritegno può impedire il flusso dell’olio e mantenere il cilindro in posizione.

Ma se la pressione interna aumenta, la compressibilità del fluido può comunque consentire un piccolo movimento.

Il manuale Vega evidenzia proprio questo fenomeno: con un cilindro normale e una valvola di ritegno, un aumento della pressione interna durante l’iniezione può provocare un arretramento dello stelo.

Un cilindro meccanicamente autobloccante affronta il problema in modo diverso, perché il carico viene trasferito attraverso il sistema meccanico di bloccaggio.

24. La corsa non deve essere scelta soltanto in base al movimento della slitta

La corsa del cilindro deve essere compatibile con:

corsa richiesta dalla slitta;
geometria del meccanismo;
posizione delle battute;
posizione finale del cilindro;
sistema di bloccaggio;
eventuale precarico;
tolleranze.

Nel caso di un cilindro autobloccante, raggiungere la posizione finale può essere una condizione funzionale, non semplicemente una caratteristica dimensionale.

Vega mostra infatti che il sistema di bloccaggio del V260CF è progettato per intervenire nella posizione finale prevista. 

Una verifica tridimensionale dello stampo è quindi particolarmente importante.

25. Un cilindro può essere corretto dal punto di vista della forza ma sbagliato dal punto di vista geometrico

La verifica della forza è soltanto una parte del progetto.

Bisogna controllare anche:

interferenze;
accessibilità;
raccordi idraulici;
sensori;
spazio per il montaggio;
posizione finale dello stelo;
eventuale interferenza con piastre o inserti.

Una recente analisi Vega ha evidenziato proprio come una piccola interferenza geometrica potesse impedire a un cilindro autobloccante di raggiungere la posizione completa necessaria al bloccaggio. 

Questo dimostra che il modello 3D dello stampo può essere importante quanto il calcolo matematico.

26. Il corretto processo di dimensionamento

Un approccio professionale può quindi essere organizzato in questa sequenza:

1. Analizzare il meccanismo

Identificare esattamente cosa deve muovere il cilindro.

2. Determinare la corsa

Calcolare il movimento effettivo richiesto.

3. Determinare la superficie proiettata

Calcolare l’area che genera la forza nella direzione considerata.

4. Determinare la pressione effettiva

Verificare la pressione realmente agente sul meccanismo.

5. Calcolare la forza di pressione

Determinare il carico generato dalla pressione di iniezione.

6. Calcolare la forza di estrazione

Considerare superficie di contatto, materiale, sformo e attrito.

7. Calcolare la forza di spinta

Verificare la capacità del cilindro di movimentare il componente.

8. Calcolare la forza di trazione

Verificare la capacità di rientro e di estrazione.

9. Analizzare il sistema di bloccaggio

Stabilire se il carico deve essere sostenuto idraulicamente o meccanicamente.

10. Verificare il precarico

Quando richiesto, determinare il valore necessario.

11. Verificare la struttura dello stampo

Controllare deformazioni, supporti e punti di fissaggio.

12. Verificare il modello 3D

Controllare che il cilindro possa raggiungere tutte le posizioni necessarie.

27. Il principio fondamentale

Il dimensionamento di un cilindro per uno stampo a iniezione non dovrebbe quindi essere ridotto alla domanda:

“Quale diametro di cilindro mi serve?”

La domanda corretta è:

“Quali forze agiscono sul meccanismo durante l’intero ciclo e quale configurazione idraulica e meccanica è in grado di gestirle in modo affidabile?”

Il manuale Vega distingue esplicitamente tra spinta, mantenimento statico e trazione e avverte che le situazioni reali possono richiedere un’analisi più approfondita rispetto alle formule di base.

Per un cilindro utilizzato su uno stampo bisogna quindi considerare contemporaneamente:

pressione di iniezione

superficie proiettata

forza di estrazione

attrito

geometria del meccanismo

forza di spinta

forza di trazione

rigidità dello stampo

corsa

sincronizzazione

sistema di bloccaggio

Conclusione

Il corretto dimensionamento di un cilindro oleodinamico per uno stampo a iniezione nasce dall’analisi del sistema completo, non dalla semplice consultazione del catalogo.

La pressione della plastica determina una forza sulla superficie proiettata, ma questa forza può essere trasferita direttamente al cilindro oppure attraverso un sistema meccanico composto da slitte, cunei e altri elementi.

Contemporaneamente, durante l’apertura dello stampo, il cilindro può dover superare la forza di adesione e di ritiro della plastica sul nucleo.

Per questo motivo è necessario distinguere almeno tra:

forza di spinta;
forza statica di mantenimento;
forza di trazione;
forza di estrazione;
forza generata dalla pressione di iniezione.

Il manuale tecnico Vega sottolinea inoltre che, quando sono presenti meccanismi complessi, attrito e deformazioni strutturali, il calcolo deve essere effettuato considerando l’intero sistema dello stampo.

La scelta del cilindro deve quindi arrivare dopo il calcolo delle forze e dopo la comprensione della cinematica dello stampo.

Alesaggio, stelo, precarico, bloccaggio e verifica della capacità reale

Nella prima parte abbiamo visto che il dimensionamento di un cilindro per stampi a iniezione deve partire dalle forze che agiscono sul meccanismo: spinta, trazione, pressione di iniezione, estrazione e mantenimento statico.

Una volta determinate queste forze, arriva il secondo passaggio: trasformare il carico richiesto in una corretta scelta del cilindro.

Non basta quindi chiedersi quale alesaggio sia necessario. Bisogna verificare contemporaneamente:

alesaggio;
diametro dello stelo;
pressione di lavoro;
forza di spinta;
forza di trazione;
forza di bloccaggio;
corsa;
velocità;
condizioni dinamiche;
precarico;
sincronizzazione;
stabilità dello stelo;
temperatura;
sistema di sensori;
margine disponibile rispetto al carico massimo.

Il manuale tecnico Vega presenta infatti sezioni specifiche dedicate a calcoli, instabilità dello stelo, pressioni statiche e dinamiche, installazione, allineamento, sincronizzazione e applicazioni speciali per stampi.

1. Il primo parametro: l’alesaggio

L’alesaggio determina l’area del pistone e quindi, a parità di pressione, la forza disponibile.

La relazione teorica della spinta è:

Questo significa che la forza cresce con il quadrato del diametro dell’alesaggio.

Un aumento relativamente piccolo del diametro può quindi produrre un aumento importante della forza.

Per esempio, passando da 50 a 60 mm di alesaggio, l’area non aumenta semplicemente del 20%: aumenta di circa il 44%.

Questo è uno dei motivi per cui la scelta del diametro non deve essere fatta “a occhio”.

2. Ma aumentare l’alesaggio non è sempre la soluzione migliore

Un cilindro più grande significa generalmente:

maggiore forza;
maggiore ingombro;
maggiore volume d’olio;
maggiore portata necessaria per una determinata velocità;
maggiore massa;
potenzialmente maggiore costo.

Per uno stampo compatto, l’ingombro può essere un vincolo importante.

Vega offre infatti diverse famiglie di cilindri per applicazioni differenti: dalla movimentazione di carrelli e spine alla movimentazione delle piastre di estrazione e al bloccaggio meccanico.

La scelta deve quindi cercare il miglior equilibrio tra forza disponibile, dimensioni e funzione richiesta.

3. Alesaggio e pressione devono essere considerati insieme

La forza del cilindro dipende da due variabili principali:

pressione × area del pistone

Di conseguenza, la stessa forza può essere ottenuta con combinazioni differenti di alesaggio e pressione.

Per esempio, una determinata applicazione potrebbe essere risolta utilizzando:

un cilindro più grande a pressione relativamente bassa;
un cilindro più piccolo a pressione più elevata.

Dal punto di vista teorico entrambe le soluzioni possono funzionare.

Dal punto di vista progettuale, però, non sono necessariamente equivalenti.

Bisogna considerare:

pressione massima ammessa;
durata;
tenute;
temperatura;
carichi dinamici;
spazio disponibile;
forza di trazione;
sicurezza del sistema.

4. La forza di trazione introduce un secondo limite

Quando il cilindro deve tirare, l’area disponibile è ridotta dalla presenza dello stelo.

dove d è il diametro dello stelo.

Quindi due cilindri con lo stesso alesaggio ma con diametri di stelo differenti possono avere capacità di trazione differenti.

Questo è particolarmente importante negli stampi dove il cilindro deve:

estrarre un’anima;
ritirare una spina;
aprire una slitta;
superare la contrazione della plastica;
sbloccare un meccanismo.

Il manuale Vega specifica che la forza di trazione deve essere valutata considerando il contatto della plastica, il materiale e l’angolo di sformo.

5. Un grande stelo è vantaggioso… ma riduce la trazione

Aumentare il diametro dello stelo porta vantaggi dal punto di vista strutturale.

Uno stelo più grande offre infatti una maggiore sezione resistente.

Ma contemporaneamente sottrae area alla superficie anulare del pistone.

Il risultato è un compromesso:

stelo maggiore → maggiore resistenza meccanica

ma:

stelo maggiore → minore area utile in trazione

Questo aspetto è particolarmente importante nei cilindri autobloccanti, dove lo stelo deve anche trasferire direttamente importanti carichi meccanici.

6. Il caso dei cilindri autobloccanti

Nei cilindri con bloccaggio meccanico il criterio di scelta cambia.

Il cilindro non deve soltanto produrre una determinata forza idraulica.

Deve anche:

raggiungere la posizione corretta;
attivare il sistema di bloccaggio;
sostenere il carico attraverso il sistema meccanico;
poter essere sbloccato;
rientrare senza superare le capacità del circuito.

Il catalogo Vega del V260CF, utilizzato come riferimento nei manuali tecnici forniti, riporta separatamente forza di bloccaggio statica, forza di spinta e forza di trazione, distinguendo inoltre la condizione senza precarico da quella con precarico massimo.

Questa distinzione è estremamente importante.

7. La forza di spinta non è la forza di bloccaggio

Un errore frequente è osservare la forza di spinta di un cilindro e considerarla automaticamente come capacità di mantenimento.

Nel cilindro autobloccante sono invece presenti condizioni diverse:

Forza di spinta

È la forza generata idraulicamente dal pistone.

Forza di trazione

È la forza disponibile durante il rientro.

Forza di bloccaggio

È la capacità del sistema meccanico di sostenere il carico quando il cilindro è nella posizione di bloccaggio.

Il catalogo V260CF mostra chiaramente questa separazione.

Per questo motivo, quando si utilizza un cilindro autobloccante, bisogna scegliere l’alesaggio sulla base della funzione più gravosa dell’intero ciclo, non soltanto sulla forza di movimentazione.

8. Il precarico cambia la capacità di bloccaggio

Il precarico è uno degli aspetti più interessanti del dimensionamento dei cilindri autobloccanti.

Quando lo stelo viene portato completamente in posizione e compresso contro una battuta, viene generata una forza che mantiene in pressione le superfici di chiusura del meccanismo.

Secondo il manuale Vega, il precarico permette di:

recuperare i giochi;
evitare piccoli movimenti all’indietro;
mantenere le superfici di contatto;
ridurre il rischio di infiltrazione della plastica e quindi di bava.

Ma c’è un aspetto fondamentale:

Il precarico non è una forza gratuita.

La compressione dello stelo genera infatti una forza che viene trasferita anche agli elementi di bloccaggio.

Il manuale specifica quindi che, applicando il precarico, la forza ammissibile complessiva del cilindro autobloccante si riduce.

9. Precarico massimo e forza di bloccaggio

Il catalogo V260CF riporta proprio due condizioni:

forza statica di bloccaggio senza precarico;
forza statica di bloccaggio con precarico massimo.

Questo permette al progettista di verificare quanto la capacità di mantenimento cambi in funzione del precarico applicato.

È quindi sbagliato considerare:

forza di bloccaggio massima = capacità disponibile in ogni configurazione

La condizione reale deve essere verificata sulla configurazione specifica.

10. Il precarico lavora su deformazioni molto piccole

Uno degli aspetti più delicati è la precisione richiesta.

Il manuale Vega spiega che, a causa della rigidità dell’acciaio, i valori di precarico sono associati a deformazioni molto piccole, dell’ordine di pochi centesimi di millimetro.

Questo significa che il precarico non può essere trattato come una normale regolazione grossolana.

Un errore di pochi centesimi può modificare significativamente la condizione meccanica del sistema.

11. Come viene regolato il precarico

Il manuale descrive l’utilizzo di flange specifiche per il precarico.

L’idea è creare una distanza controllata tra cilindro e stampo, in modo da ottenere la compressione desiderata dello stelo.

Vega descrive anche una soluzione nella quale, dopo la prima prova dello stampo, la flangia può essere lavorata per raggiungere il valore di precarico richiesto.

Questo è un aspetto molto pratico dell’ingegnerizzazione del cilindro.

Il precarico non è quindi soltanto un valore teorico riportato in un catalogo: deve essere realizzato fisicamente nello stampo.

12. Perché il precarico può ridurre la bava

Durante l’iniezione, la pressione della plastica tende a spingere il componente mobile contro la direzione di bloccaggio.

Se esiste un piccolo gioco, una piccola deformazione o una compressione del fluido idraulico, il componente può arretrare.

Anche un movimento molto piccolo può creare una fessura sufficiente a permettere alla plastica di penetrare.

Il precarico crea invece una forza iniziale tra le superfici di contatto.

In questo modo, prima ancora che inizi l’iniezione, il sistema si trova già in una condizione di compressione.

Vega descrive proprio questa funzione del precarico come mezzo per recuperare i giochi ed evitare il movimento all’indietro.

13. Attenzione: il precarico non deve essere eccessivo

Poiché il precarico migliora la stabilità, potrebbe sembrare logico applicarne il massimo possibile.

Non è così.

Il precarico eccessivo può:

ridurre la capacità residua di bloccaggio;
aumentare le sollecitazioni sul sistema di bloccaggio;
rendere più difficile lo sblocco;
modificare il comportamento del meccanismo.

Il manuale Vega sottolinea esplicitamente che l’applicazione del precarico riduce la forza ammissibile del sistema autobloccante.

La domanda corretta non è quindi:

“Qual è il precarico massimo?”

ma:

“Qual è il precarico necessario per eliminare il movimento indesiderato mantenendo un’adeguata capacità di bloccaggio?”

14. Cilindro autobloccante e valvola di ritegno non sono equivalenti

Un cilindro normale può essere mantenuto in posizione utilizzando una valvola di ritegno.

Questa soluzione può essere efficace in determinate applicazioni.

Il problema è che l’olio non è perfettamente incomprimibile.

Il manuale Vega indica, come valore indicativo, una compressione dell’olio di circa l’1% ogni 130 bar. Di conseguenza, un aumento di pressione all’interno del cilindro può provocare un piccolo arretramento dello stelo.

Per esempio, secondo l’esempio del manuale, con una variazione di pressione di 130 bar e una corsa di 100 mm, l’arretramento può arrivare a circa 1 mm.

Per alcune applicazioni questo è trascurabile.

Per uno stampo che deve evitare la bava, potrebbe invece essere inaccettabile.

15. Quando una valvola di ritegno può essere sufficiente

Il manuale non presenta la valvola di ritegno come una soluzione sempre sbagliata.

Al contrario, può essere utilizzata quando:

la corsa è breve;
l’aumento di pressione nel cilindro durante l’iniezione è molto ridotto;
il piccolo movimento conseguente alla compressibilità dell’olio non compromette il pezzo.

La scelta deve quindi essere basata sulla tolleranza del processo.

Se anche pochi decimi di millimetro possono generare un difetto, il sistema di mantenimento deve essere progettato di conseguenza.

16. Pressione idraulica e pressione di bloccaggio non sono la stessa cosa

Nel cilindro autobloccante il sistema meccanico può sostenere il carico senza dover mantenere continuamente una pressione idraulica elevata.

Il sito Vega descrive il V270CG come un cilindro compatto autobloccante progettato per movimentare e bloccare con precisione carrelli, punzoni o spine e per applicazioni in cui deve essere sostenuta direttamente la pressione di iniezione.

Questo permette di separare concettualmente:

energia idraulica per il movimento

da:

resistenza meccanica per il mantenimento.

È proprio questa caratteristica che rende i cilindri autobloccanti particolarmente interessanti in molte applicazioni di stampaggio.

17. La scelta del diametro deve quindi essere fatta attraverso una matrice di carico

Per ogni applicazione conviene creare una tabella come questa:

Condizione	Verifica
Avanzamento	Forza di spinta
Rientro	Forza di trazione
Estrazione anima	Forza di estrazione
Iniezione	Forza di pressione
Mantenimento	Forza statica
Bloccaggio	Capacità meccanica
Sbloccaggio	Forza necessaria al rilascio
Precarico	Forza aggiuntiva + capacità residua
Movimento rapido	Pressione dinamica
Fine corsa	Energia e ammortizzo
Più cilindri	Sincronizzazione
Installazione	Allineamento e carichi laterali

Solo dopo questa verifica è possibile scegliere il cilindro.

18. La velocità diventa importante quando aumenta la massa

Un cilindro che muove una piccola slitta lentamente lavora in condizioni molto differenti rispetto a un cilindro che muove una grande piastra ad alta velocità.

Il manuale Vega sottolinea che, nelle piastre di estrazione, la massa può essere elevata mentre la corsa è relativamente breve e la velocità può essere alta. In queste condizioni gli stress dinamici possono diventare importanti.

Bisogna quindi considerare non soltanto:

forza statica

ma anche:

massa + accelerazione + velocità + arresto

19. Gli urti a fine corsa

Un cilindro può essere teoricamente dimensionato per la forza statica e tuttavia essere sottoposto a condizioni molto più gravose durante un arresto brusco.

Il manuale Vega evidenzia infatti gli effetti degli urti provocati dalla massa in movimento della piastra quando il pistone arriva a fine corsa.

Per questo, quando necessario, devono essere valutati:

velocità;
massa movimentata;
corsa;
ammortizzo;
caratteristiche del circuito;
condizioni di arresto.

Il catalogo Vega include infatti sezioni specifiche dedicate all’ammortizzo e alla pressione dinamica massima.

20. L’instabilità dello stelo

Quando uno stelo lavora prevalentemente in compressione, deve essere verificato anche rispetto al rischio di instabilità.

Questo è particolarmente importante quando:

lo stelo è lungo;
il diametro è relativamente piccolo;
il carico è elevato;
la guida esterna non è sufficientemente vicina;
esistono disallineamenti.

Il manuale tecnico Vega include una sezione specifica sul buckling, cioè sull’instabilità dello stelo, tra i criteri di progettazione del cilindro.

Quindi il semplice confronto:

forza richiesta < forza nominale

non è sempre sufficiente.

21. L’allineamento è parte integrante del dimensionamento

Il cilindro dovrebbe lavorare principalmente lungo il proprio asse.

Un carico laterale sullo stelo può provocare:

usura;
maggiore attrito;
deterioramento delle guarnizioni;
deformazione;
danneggiamento dello stelo;
riduzione della vita utile.

Il manuale Vega include infatti tra gli argomenti di installazione alignment / side forces, oltre a fissaggio, centraggio, urti e massa da movimentare.

Il cilindro non dovrebbe quindi essere utilizzato come guida del componente mobile.

La guida deve essere realizzata dallo stampo.

22. La guida del carrello è importante quanto il cilindro

Una slitta correttamente guidata permette al cilindro di lavorare prevalentemente in direzione assiale.

Se invece il cilindro deve contemporaneamente:

spingere;
guidare;
contrastare un carico laterale;

il sistema può diventare rapidamente problematico.

Per questo motivo il progettista dovrebbe separare le funzioni:

guide → assorbono i carichi laterali

cilindro → genera la forza assiale

Questa filosofia è particolarmente importante negli stampi con carrelli pesanti.

23. La sincronizzazione può diventare il vero limite

Quando vengono utilizzati due o quattro cilindri, il problema non è soltanto la forza totale.

Supponiamo di avere una piastra con due cilindri.

In condizioni ideali:

Ftot = F1 + F2

e si potrebbe ipotizzare:

F1 = F2 = Ftot / 2

Nella realtà questa uguaglianza può non verificarsi.

Il manuale Vega spiega che una movimentazione non perfettamente sincronizzata può generare sovraccarichi, soprattutto sugli steli, fino a provocare rotture.

24. Come migliorare la sincronizzazione

Il manuale Vega indica diverse possibilità.

Una soluzione è utilizzare un flow divider, che distribuisce la portata tra i cilindri.

Un’altra soluzione, molto utilizzata negli stampi, consiste nell’avere:

guide adeguatamente dimensionate;
guide il più possibile distanziate;
circuiti idraulici simili;
perdite di pressione il più possibile uniformi.

In alcuni casi può essere utilizzato anche un circuito ad anello.

Non esiste quindi una soluzione universale: la scelta dipende dalla geometria e dalla precisione richiesta.

25. Il circuito idraulico fa parte del dimensionamento

La scelta del cilindro non può essere separata dal circuito.

Bisogna verificare:

portata della pompa;
pressione disponibile;
diametro dei tubi;
lunghezza delle tubazioni;
valvole;
regolatori di flusso;
perdite di carico;
eventuali divisori di flusso;
valvole di ritegno.

Il manuale tecnico Vega tratta infatti separatamente pompe, valvole, tubazioni, filtri e velocità dell’olio nel circuito.

Un cilindro correttamente dimensionato ma alimentato da un circuito insufficiente non può offrire le prestazioni previste.

26. La temperatura deve essere considerata

Gli stampi a iniezione possono lavorare a temperature elevate.

Il calore può influenzare:

olio;
guarnizioni;
sensori;
corpo del cilindro;
caratteristiche del fluido.

Il manuale Vega include specificamente gli effetti delle alte temperature sulle guarnizioni e sui componenti elettronici tra i parametri da valutare.

Anche la scelta dei sensori deve quindi essere compatibile con la temperatura reale dell’applicazione.

27. Sensori e posizione del cilindro

La verifica della posizione può essere fondamentale in uno stampo automatico.

Il V270CG attuale, per esempio, è disponibile con sensori di fine corsa integrati e viene proposto da Vega per applicazioni di bloccaggio meccanico.

Il controllo della posizione permette di verificare che:

il cilindro sia completamente esteso;
il bloccaggio sia stato raggiunto;
il cilindro sia completamente rientrato;
il ciclo possa procedere alla fase successiva.

Questo diventa particolarmente importante nei sistemi autobloccanti, dove la posizione finale non è soltanto una posizione geometrica ma può essere una condizione necessaria per il corretto funzionamento del meccanismo.

28. La corsa completa può essere funzionale al bloccaggio

Nel cilindro autobloccante la corsa non deve essere considerata semplicemente come:

“quanto deve muoversi il carrello?”

Bisogna anche chiedersi:

“Il cilindro raggiunge la posizione necessaria per attivare completamente il bloccaggio?”

La documentazione Vega sul V260CF specifica che il corretto completamento della corsa è importante per il funzionamento del sistema di bloccaggio.

Questo principio rimane valido nella progettazione di sistemi autobloccanti moderni: la corsa deve essere verificata insieme alla geometria del meccanismo e alla posizione di bloccaggio.

29. Il V270CG come riferimento per il bloccaggio meccanico

Nella gamma attuale italiana di Vega, il V270CG è indicato come cilindro compatto autobloccante con bloccaggio meccanico tra stelo e corpo.

La versione standard copre alesaggi da 30 a 84 mm e corse da 30 a 150 mm. Il produttore lo indica specificamente per la movimentazione e il bloccaggio di carrelli, punzoni o spine e per applicazioni in cui deve essere sostenuta direttamente la pressione di iniezione.

La pagina prodotto riporta inoltre una pressione idraulica massima di esercizio di 270 bar e una velocità massima indicata di 0,1 m/s.

Questi valori devono naturalmente essere verificati sulla configurazione specifica e sulle condizioni effettive dell’applicazione.

30. Il V450CM appartiene invece a una logica differente

Quando non è necessario il bloccaggio meccanico, può essere più appropriato utilizzare un cilindro compatto tradizionale.

Il V450CM è descritto da Vega come cilindro compatto a corsa breve per carichi pesanti, con alesaggi standard da 16 a 100 mm e corse da 10 a 200 mm. È destinato, tra le altre applicazioni, alla movimentazione di carrelli, punzoni, spine e piastre di estrazione.

Questo evidenzia ancora una volta un concetto importante:

non esiste un “migliore cilindro” in assoluto.

Esiste il cilindro più adatto alla funzione richiesta.

31. Un criterio pratico per la scelta

Dopo aver calcolato tutte le forze, possiamo procedere con una sequenza molto semplice.

Se il problema principale è la movimentazione:

valutare la forza di spinta e di trazione.

Se il problema principale è l’estrazione:

valutare soprattutto la forza di trazione e la stripping force.

Se il problema principale è il mantenimento durante l’iniezione:

calcolare la forza di pressione e verificare il sistema di mantenimento.

Se è richiesta una posizione meccanicamente bloccata:

valutare un cilindro autobloccante.

Se il problema principale è una grande piastra:

considerare massa, dinamica e sincronizzazione.

Se il problema è la bava:

valutare anche precarico, deformazione e piccoli movimenti.

32. Una verifica finale molto importante: il margine

Supponiamo che il calcolo indichi una forza richiesta di:

80 kN

e che il cilindro sia teoricamente capace di:

82 kN

Dal punto di vista matematico:

82 > 80

Dal punto di vista ingegneristico, però, la differenza potrebbe essere troppo piccola.

Bisogna considerare:

variazioni di pressione;
attrito;
tolleranze;
temperatura;
usura;
deformazioni;
picchi dinamici;
distribuzione non uniforme del carico.

Il manuale Vega sottolinea che le situazioni reali possono essere molto più complesse dei calcoli teorici di base.

Per questo la selezione dovrebbe sempre prevedere un margine tecnico adeguato, stabilito in funzione dell’applicazione e non come percentuale universale applicata automaticamente.

33. Checklist finale per il progettista dello stampo

Prima di approvare un cilindro oleodinamico, è utile verificare:

Geometria

Forze

Struttura

Circuito

Processo

Bloccaggio

Conclusione della Parte 2

Il corretto dimensionamento di un cilindro per stampi a iniezione non consiste nel trovare il cilindro con la maggiore forza possibile.

Consiste nel trovare la configurazione più equilibrata tra forza, geometria, dinamica e funzione.

L’alesaggio determina la forza idraulica, ma il diametro dello stelo determina la capacità di trazione e contribuisce alla resistenza meccanica.

La corsa deve essere compatibile con la cinematica dello stampo e, nei cilindri autobloccanti, con la posizione necessaria al bloccaggio.

Il precarico può eliminare giochi e piccoli movimenti che favoriscono la formazione di bave, ma contemporaneamente riduce la capacità di bloccaggio disponibile e deve quindi essere dimensionato con attenzione.

La sincronizzazione diventa fondamentale quando vengono utilizzati più cilindri, mentre massa, velocità e urti devono essere considerati nelle applicazioni dinamiche.

Infine, il cilindro deve essere considerato come parte di un sistema composto da stampo, meccanismo, circuito idraulico e controllo.

È questo approccio che permette di passare da un semplice calcolo della forza a un vero dimensionamento ingegneristico del cilindro oleodinamico per lo stampo a iniezione.

URL utili e verificati – versione italiana

Ho verificato direttamente i seguenti URL ufficiali in lingua italiana di Vega:

Cilindri Idraulici per Stampi – Vega Cylinders — panoramica della gamma e accesso alle categorie di applicazione.
Cilindri Idraulici per Stampi – Movimentazione Carrello, Punzoni e Spine — utile per collegare l’articolo alle applicazioni di movimentazione di carrelli e anime.
Cilindri Idraulici per Stampi – Movimentazione Piastra di Estrazione — collegamento pertinente per la parte relativa a piastre, sincronizzazione e dinamica.
V270CG – Cilindro Idraulico Autobloccante — pagina ufficiale italiana del cilindro compatto autobloccante.
V270CG – Configurazione prodotto — pagina ufficiale con alesaggi, corse, sensori e configurazioni disponibili.
Bloccaggio Meccanico – Vega Cylinders — categoria italiana dedicata ai cilindri con bloccaggio meccanico.
Auto-Bloccaggio – Cilindri Idraulici a Bloccaggio Meccanico — pagina tecnica sul principio di autobloccaggio e sul precarico.
V450CM – Cilindro Idraulico Compatto per Carichi Pesanti — utile per il confronto tra cilindri convenzionali e soluzioni autobloccanti.
Precarico e scelta della corsa del cilindro per tasselli di stampo — articolo tecnico Vega dedicato a precarico e corsa.
Forza di spinta nella scelta del cilindro per tasselli di stampo — approfondimento Vega sulla scelta dell’alesaggio e sulla forza di spinta.