Perché la direzione della forza è fondamentale
La scelta di un cilindro oleodinamico per uno stampo a iniezione può sembrare relativamente semplice: si determina la forza generata dal processo di stampaggio, la si confronta con la forza disponibile del cilindro e si seleziona un modello adeguato.
Nella progettazione reale, però, c’è una domanda che deve essere posta prima di tutto:
Il cilindro lavorerà in spinta o in trazione?
Questa distinzione è fondamentale soprattutto con i cilindri compatti, perché la forza disponibile in estensione e quella disponibile in retrazione non sono uguali.
Un caso reale analizzato dal Reparto Tecnico Vega rappresenta molto bene questo principio. Il cliente stava valutando cilindri compatti a corsa breve per due diversi stampi a iniezione. Le due applicazioni erano simili, ma i cilindri lavoravano in direzioni opposte: in trazione nel primo stampo e in spinta nel secondo.
Il caso dimostra quindi perché la scelta di un cilindro oleodinamico debba essere basata sulla direzione effettiva della forza e sulle reali condizioni di funzionamento, e non semplicemente sull’alesaggio del cilindro.
Una richiesta per cilindri compatti a corsa breve
La richiesta del cliente riguardava cilindri compatti a corsa breve destinati a due stampi a iniezione.
Il Reparto Tecnico Vega ha analizzato i disegni forniti dal cliente e ha determinato le forze direttamente trasmesse ai cilindri.
Nel primo caso, relativo a uno stampo per schienale, la superficie interessata era:
110 cm²
mentre la pressione di soffiaggio indicata era:
8 bar
Da questi dati risultava una forza di:
880 kgf direttamente agente sul cilindro.
Nel secondo stampo per schienale la geometria era leggermente diversa.
La superficie considerata era:
106 cm²
con la stessa pressione di soffiaggio:
8 bar
La forza risultante era quindi:
848 kgf.
La differenza tra 880 e 848 kgf potrebbe sembrare relativamente piccola.
Ma la vera questione è in quale direzione deve essere applicata la forza dal cilindro.
Lo stesso cilindro può avere una forza di spinta diversa da quella di trazione
Per entrambe le applicazioni, Vega ha valutato la configurazione:
CE063CORGM050 + MSU3 + DFA20X250
con un totale di quattro cilindri.
Alla pressione oleodinamica di 60 bar, ogni cilindro disponeva di:
- 1.870 kgf in spinta
- 1.500 kgf in trazione.
La differenza è fondamentale.
Un cilindro oleodinamico non produce necessariamente la stessa forza nelle due direzioni.
Durante la spinta, la pressione agisce sull’intera superficie utile del pistone.
Durante la trazione, invece, una parte dell’area del pistone è occupata dallo stelo. L’area idraulica effettiva è quindi inferiore e, a parità di pressione, anche la forza disponibile diminuisce.
Di conseguenza:
forza di spinta ≠ forza di trazione
Il Manuale Tecnico Vega considera separatamente spinta e trazione
Questo principio è esplicitamente presente nel Manuale Tecnico Vega, che dedica sezioni distinte al dimensionamento dei cilindri in:
- spinta;
- mantenimento statico;
- trazione.
Il manuale include infatti procedure specifiche per il calcolo della forza di spinta e della forza di trazione.
Questo è particolarmente importante negli stampi a iniezione.
La forza generata dalla pressione del processo non è semplicemente una caratteristica del cilindro.
Nasce dall’interazione tra:
superficie proiettata × pressione del processo
e viene poi trasmessa attraverso la cinematica dello stampo fino all’attuatore oleodinamico.
Primo stampo: il cilindro lavora in trazione
Nel primo stampo per schienale, Vega ha determinato che il cilindro avrebbe lavorato in trazione.
La forza richiesta era:
880 kgf
mentre la forza disponibile in trazione a 60 bar era:
1.500 kgf.
Il confronto corretto è quindi:
880 kgf richiesti < 1.500 kgf disponibili
Il cilindro risulta quindi adeguato alla condizione indicata nel caso.
È importante notare cosa non bisogna fare.
Non sarebbe corretto confrontare gli 880 kgf richiesti con i 1.870 kgf di spinta, perché il cilindro non sta lavorando in spinta.
Il dato corretto da utilizzare è quello relativo alla trazione.
Secondo stampo: il cilindro lavora in spinta
Nel secondo stampo la situazione è opposta.
La forza richiesta è:
848 kgf
ma il cilindro lavora in spinta.
La forza disponibile a 60 bar è quindi:
1.870 kgf.
Il confronto diventa:
848 kgf richiesti < 1.870 kgf disponibili
Anche in questo caso la configurazione risulta adeguata alle condizioni indicate dal Reparto Tecnico Vega.
Perché la direzione della forza deve essere definita prima di scegliere il cilindro
Questo caso mette in evidenza un errore che può verificarsi durante la selezione di un cilindro.
Un progettista potrebbe vedere un determinato valore di forza sul catalogo e pensare che tale valore sia disponibile indistintamente in entrambe le direzioni.
Non è così.
La forza di trazione è inferiore perché lo stelo riduce l’area effettivamente sottoposta alla pressione.
Per questo motivo, durante il dimensionamento, bisogna prima stabilire:
il cilindro spinge o tira?
Solo successivamente si deve utilizzare il valore di forza corrispondente.
Il Manuale Tecnico Vega distingue infatti esplicitamente i calcoli di pushing e pulling.
Pressione di soffiaggio e pressione oleodinamica sono due cose diverse
Un altro aspetto particolarmente importante del Case 135 è la distinzione tra le due pressioni coinvolte.
Nel processo di stampaggio veniva considerata una pressione di soffiaggio di:
8 bar
mentre il cilindro veniva verificato a:
60 bar di pressione oleodinamica.
Sono due pressioni completamente diverse e svolgono funzioni diverse.
Pressione di soffiaggio
È la pressione del processo che agisce sulla superficie considerata e genera la forza che il cilindro deve contrastare o sviluppare.
Pressione oleodinamica
È la pressione disponibile nel circuito idraulico e determina la forza che il cilindro può generare.
Confondere queste due grandezze porterebbe a un dimensionamento completamente errato.
Il calcolo parte dalla superficie
Il Manuale Tecnico Vega descrive il principio generale secondo cui, in una situazione di utilizzo diretto, la forza derivante dalla pressione dipende dalla superficie sulla quale la pressione agisce.
Nel primo stampo:
110 cm² × 8 bar → circa 880 kgf
Nel secondo:
106 cm² × 8 bar → circa 848 kgf.
Questi sono i valori riportati nel caso Vega.
È importante non introdurre nel case study fattori o coefficienti aggiuntivi che non risultano documentati nella verifica originale.
In un articolo tecnico è infatti fondamentale distinguere tra:
- dati realmente forniti dal progetto;
- risultati del calcolo Vega;
- eventuali ipotesi aggiuntive del progettista.
Un cilindro compatto non significa necessariamente un cilindro sottodimensionato
Il fatto che un cilindro sia compatto non significa che debba lavorare necessariamente vicino al suo limite.
Nel caso analizzato, le forze disponibili risultavano sensibilmente superiori alle forze richieste.
Primo stampo
1.500 kgf disponibili in trazione
contro
880 kgf richiesti
Secondo stampo
1.870 kgf disponibili in spinta
contro
848 kgf richiesti.
Questo rappresenta un margine teorico importante rispetto ai valori di forza riportati nel caso.
Naturalmente, il confronto non costituisce da solo una verifica completa di sicurezza.
In una progettazione reale devono essere considerate anche, quando pertinenti:
- attrito;
- carichi dinamici;
- tolleranze;
- allineamento;
- deformazioni;
- eventuali urti;
- caratteristiche della cinematica dello stampo.
Anche la geometria dello stampo rimane fondamentale
Il Manuale Tecnico Vega distingue chiaramente tra un’applicazione diretta e una situazione nella quale il cilindro deve muovere elementi meccanici aggiuntivi.
Quando sono presenti:
- slitte;
- piani inclinati;
- cunei;
- guide;
- altri meccanismi,
la forza effettivamente richiesta può diventare più complessa a causa di attrito e deformazioni degli elementi meccanici.
Il Case 135 è invece relativamente lineare perché la documentazione indica direttamente la forza totale agente sul cilindro.
Questa distinzione è importante: non tutti i cilindri installati negli stampi possono essere dimensionati semplicemente con una moltiplicazione superficie × pressione.
Il principio fondamentale del Case 135
Il caso analizzato da Vega può essere riassunto in quattro passaggi:
1. Determinare la superficie interessata
110 cm² nel primo stampo e 106 cm² nel secondo.
2. Determinare la pressione del processo
8 bar.
3. Determinare la forza richiesta
880 kgf e 848 kgf.
4. Confrontarla con la forza disponibile nella direzione corretta
- trazione: 1.500 kgf;
- spinta: 1.870 kgf.
Questo è il punto centrale dell’intero case study.
Conclusione
La scelta di un cilindro oleodinamico compatto a corsa breve per uno stampo a iniezione non dovrebbe mai basarsi soltanto sull’alesaggio o sulla forza massima indicata nel catalogo.
Il Case 135 analizzato dal Reparto Tecnico Vega dimostra quanto sia importante conoscere la direzione reale della forza.
Nel primo stampo, una superficie di 110 cm² sottoposta a una pressione di soffiaggio di 8 bar generava una forza di 880 kgf. Poiché il cilindro lavorava in trazione, il valore da confrontare era 1.500 kgf, cioè la forza disponibile in trazione a 60 bar.
Nel secondo stampo, la superficie era di 106 cm², con una forza risultante di 848 kgf. In questo caso il cilindro lavorava in spinta e disponeva di 1.870 kgf a 60 bar.
Vega ha quindi verificato che la configurazione CE063CORGM050 + MSU3 + DFA20X250 fosse correttamente dimensionata per entrambe le applicazioni, a condizione che la pressione di soffiaggio rimanesse pari a 8 bar.
La lezione ingegneristica è semplice:
Quando si sceglie un cilindro oleodinamico per uno stampo, non bisogna chiedersi soltanto quanta forza può generare il cilindro. Bisogna chiedersi quanta forza può generare nella direzione in cui dovrà effettivamente lavorare.
Margine di forza, pressione di esercizio e criteri pratici di progettazione
Nella Parte 1 abbiamo visto un principio fondamentale del Case 135: la scelta del cilindro non può basarsi soltanto sulla forza massima riportata nel catalogo.
È necessario sapere in quale direzione lavorerà il cilindro.
Nel primo stampo il cilindro lavora in trazione, con 880 kgf richiesti e 1.500 kgf disponibili a 60 bar. Nel secondo lavora in spinta, con 848 kgf richiesti e 1.870 kgf disponibili.
Il Manuale Tecnico Vega tratta infatti separatamente le condizioni di spinta, mantenimento statico e trazione.
Confrontare forza richiesta e forza disponibile
Il confronto del Case 135 può essere riassunto così:
| Applicazione | Forza richiesta | Direzione | Forza disponibile a 60 bar |
|---|---|---|---|
| Stampo schienale 1 | 880 kgf | Trazione | 1.500 kgf |
| Stampo schienale 2 | 848 kgf | Spinta | 1.870 kgf |
Nel primo caso il margine teorico è:
1.500 − 880 = 620 kgf
Nel secondo:
1.870 − 848 = 1.022 kgf
Questi valori rappresentano la differenza tra forza disponibile e forza calcolata, ma non devono essere interpretati automaticamente come un coefficiente di sicurezza.
In una progettazione reale possono intervenire ulteriori fattori, come attrito, carichi dinamici, deformazioni, tolleranze e caratteristiche della cinematica dello stampo.
La pressione oleodinamica è una variabile di progetto
Una volta determinata la forza necessaria, il progettista deve considerare anche la pressione idraulica disponibile.
A parità di superficie del pistone, aumentando la pressione aumenta la forza generata dal cilindro.
Viceversa, per ottenere una determinata forza a una pressione inferiore, può essere necessario utilizzare un pistone di maggiore diametro.
Il Manuale Tecnico Vega riconduce questo principio alla legge di Pascal: la pressione applicata al fluido viene trasmessa attraverso il fluido e genera una forza proporzionale all’area sulla quale agisce.
Per questo motivo, il dimensionamento deve sempre considerare insieme:
area del pistone + pressione idraulica + direzione di movimento.
Pressione del processo e pressione idraulica non sono la stessa cosa
Il Case 135 offre un esempio molto chiaro.
La pressione di soffiaggio considerata nello stampo era:
8 bar
mentre la pressione idraulica utilizzata per verificare il cilindro era:
60 bar.
Le due pressioni hanno funzioni completamente differenti.
La pressione di soffiaggio genera la forza che agisce sulla superficie interessata dello stampo.
La pressione oleodinamica genera invece la forza del cilindro.
Confondere queste due grandezze è uno degli errori che possono portare a un dimensionamento errato.
Cosa succede se aumenta la pressione di soffiaggio?
La conclusione del Case 135 è esplicitamente legata alla condizione di 8 bar di pressione di soffiaggio.
Questo è un dettaglio tecnico importante.
Se la superficie rimane invariata ma aumenta la pressione del processo, aumenta proporzionalmente anche la forza richiesta.
Prendendo come esempio il primo stampo, con una superficie di 110 cm²:
- a 8 bar → circa 880 kgf
- a 10 bar → circa 1.100 kgf
- a 12 bar → circa 1.320 kgf
La forza disponibile in trazione del cilindro, nella condizione originale, rimane invece 1.500 kgf a 60 bar.
Quindi, aumentando la pressione del processo, il margine disponibile si riduce.
Questo dimostra perché il valore della pressione di processo deve essere definito con attenzione quando si dimensiona il cilindro.
Un cilindro compatto non significa un cilindro sottodimensionato
Negli stampi a iniezione lo spazio disponibile è spesso limitato.
Un cilindro più grande potrebbe certamente offrire una forza superiore, ma potrebbe creare problemi di:
- ingombro;
- interferenza con i canali di raffreddamento;
- accessibilità;
- peso;
- disposizione degli altri componenti dello stampo.
Per questo motivo, la soluzione migliore non è necessariamente il cilindro più grande possibile.
È preferibile trovare il cilindro più compatto che soddisfi correttamente i requisiti dell’applicazione.
La gamma Vega comprende infatti cilindri specificamente sviluppati per gli stampi, inclusi modelli compatti a corsa breve.
Il V250CE, ad esempio, è una serie di cilindri compatti a corsa breve progettati per movimentare carrelli, punzoni e spine che generano sottosquadri nello stampo.
Per applicazioni più gravose, il V450CM combina dimensioni compatte e capacità di lavorare ad alta pressione, con alesaggi da 16 a 100 mm e corse da 10 a 200 mm.
La corsa breve semplifica, ma non elimina la progettazione
Nel Case 135 la configurazione utilizzata è una CE063CORGM050, quindi con corsa di 50 mm.
Una corsa breve può semplificare alcuni aspetti della progettazione.
Il materiale tecnico Vega evidenzia infatti che nelle corse brevi, generalmente inferiori a circa 100 mm, alcuni problemi tipici delle corse lunghe diventano meno significativi, come la deformazione da carico di punta dello stelo.
Questo non significa però che un cilindro a corsa breve possa essere dimensionato senza considerare il resto dello stampo.
Bisogna comunque verificare:
- forza;
- direzione del carico;
- pressione;
- allineamento;
- velocità;
- fine corsa;
- collegamento meccanico.
L’allineamento è parte del dimensionamento
Il cilindro non dovrebbe essere utilizzato per compensare un errore di progettazione della guida.
Se la slitta o il componente mobile non è correttamente guidato, possono comparire carichi laterali sullo stelo.
Il materiale tecnico Vega evidenzia infatti come disallineamento e danneggiamento dello stelo possano contribuire a problemi del cilindro.
Questo principio è particolarmente importante negli stampi compatti, dove il cilindro, la slitta e le guide sono spesso installati in spazi molto ridotti.
Il progettista deve quindi considerare l’intera catena:
cilindro → collegamento → guida → componente mobile dello stampo
e non il cilindro come elemento indipendente.
Il collegamento meccanico è importante quanto il cilindro
Un cilindro può essere dimensionato correttamente dal punto di vista della forza e tuttavia presentare problemi se il collegamento con la parte mobile dello stampo non è adeguato.
È quindi necessario controllare:
- concentricità;
- allineamento;
- rigidità;
- fissaggio;
- eventuali carichi laterali;
- libertà di movimento.
Questo è particolarmente importante quando il cilindro deve azionare una slitta o un tassello che ha una propria cinematica.
Il Manuale Tecnico Vega evidenzia infatti che, quando sono presenti meccanismi come cunei, slitte o altri elementi intermedi, attrito e deformazioni possono modificare significativamente la forza effettivamente necessaria.
Anche i sensori fanno parte della configurazione
La configurazione del Case 135 comprendeva:
CE063CORGM050 + MSU3 + DFA20X250.
Quindi la scelta non riguardava semplicemente il cilindro.
Era necessario considerare anche il sistema di rilevamento della posizione.
I sensori possono essere importanti quando il PLC della macchina deve sapere se il cilindro ha raggiunto la posizione richiesta prima di consentire la fase successiva del ciclo.
La documentazione Vega comprende infatti sistemi di sensori magnetici per il rilevamento della posizione del pistone. Il catalogo dei cilindri per stampi include inoltre configurazioni specifiche per la movimentazione di carrelli, punzoni e spine.
Il dimensionamento deve essere legato alle condizioni reali
Un buon dimensionamento dovrebbe quindi documentare chiaramente le condizioni alle quali il cilindro è stato selezionato.
Nel Case 135 erano disponibili:
- superficie dello stampo;
- pressione di soffiaggio;
- forza richiesta;
- direzione di funzionamento;
- pressione idraulica;
- forza disponibile;
- modello del cilindro;
- sensori e accessori.
Questa documentazione è molto più utile di una semplice indicazione del codice del cilindro sul disegno dello stampo.
Se in futuro cambiasse la pressione di processo, sarebbe immediatamente possibile verificare se il cilindro rimane adeguatamente dimensionato.
Una checklist pratica per il progettista dello stampo
Prima di approvare un cilindro compatto a corsa breve, è opportuno verificare almeno:
1. Quale componente deve essere movimentato?
Tassello, carrello, spina, piastra di estrazione o altro componente.
2. Qual è la forza richiesta?
La forza deve essere determinata dalla geometria effettiva e dalla pressione del processo.
3. Il cilindro lavora in spinta o in trazione?
Questo determina quale valore della forza del cilindro utilizzare.
4. Qual è la pressione idraulica disponibile?
La verifica deve essere effettuata alla pressione realmente disponibile nel circuito.
5. Sono presenti attriti o meccanismi intermedi?
Slitte, cunei e altri meccanismi possono modificare la forza richiesta.
6. Il cilindro è correttamente allineato?
Il cilindro non deve essere utilizzato come elemento di guida.
7. È necessario rilevare la posizione?
In questo caso il sistema di sensori deve essere definito già durante la scelta del cilindro.
8. Le condizioni di processo sono stabili?
Nel Case 135 la verifica Vega è valida con la pressione di soffiaggio indicata di 8 bar.
Conclusione
Il Case 135 è un esempio relativamente semplice, ma contiene un principio di progettazione molto importante.
La scelta di un cilindro oleodinamico per uno stampo non è una semplice consultazione del catalogo.
Si parte dalla geometria dello stampo e dalla forza generata dal processo. Si determina quindi la direzione della forza, si verifica la pressione idraulica disponibile e si sceglie un cilindro che fornisca la forza necessaria rispettando allo stesso tempo gli ingombri e le condizioni meccaniche dell’applicazione.
Nel caso Vega, la configurazione CE063CORGM050 + MSU3 + DFA20X250 è stata verificata per due applicazioni differenti: 880 kgf richiesti contro 1.500 kgf disponibili in trazione, e 848 kgf richiesti contro 1.870 kgf disponibili in spinta, a 60 bar.
La lezione fondamentale è:
Il cilindro corretto non è semplicemente quello che genera abbastanza forza. È quello che genera abbastanza forza nella direzione corretta, alla pressione corretta e all’interno della configurazione meccanica reale dello stampo.
URL utili
Per la versione italiana inserirei soprattutto questi link, tutti pertinenti al contenuto dell’articolo:
- Scegliere il cilindro giusto per il tassello dello stampo: forza di spinta — è probabilmente il link interno più importante, perché tratta direttamente il calcolo della forza a partire dalla superficie proiettata.
- Scegliere il cilindro giusto per il tassello dello stampo: corsa — perfetto per collegare il Case 135 al tema dei cilindri a corsa breve.
- Un approccio più sicuro alla pressione dell’olio nei cilindri oleodinamici compatti — molto utile per approfondire pressione, spinta/trazione, fissaggio e carichi sul cilindro.
- V250CE – Cilindri idraulici compatti a corsa breve — utile come esempio di prodotto compatto destinato a carrelli, punzoni e spine negli stampi.
