Analisi delle forze, della geometria del pezzo e della pressione di esercizio
La scelta di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione non dovrebbe basarsi solamente sulle dimensioni disponibili nello stampo o sulla corsa richiesta.
Quando un cilindro deve movimentare un carrello, un punzone o una spina che crea un sottosquadro, è necessario verificare quale forza il cilindro deve effettivamente sviluppare durante le diverse fasi del movimento.
Un caso seguito dal Vega Team nel 2015 mostra molto bene questo approccio.
Il Cliente aveva fornito i disegni dello stampo e del componente plastico e aveva richiesto al Vega Team di effettuare i calcoli necessari per individuare il cilindro più adatto. La richiesta era urgente, perché il Cliente avrebbe potuto confermare l’ordine a breve.
Il lavoro del Vega Team non si è quindi limitato a proporre un cilindro sulla base del diametro o della corsa.
Sono state analizzate:
- superficie frontale;
- superficie laterale;
- pressione della plastica;
- angolo di inclinazione;
- angolo di sformo;
- coefficiente di attrito;
- adesione della plastica;
- forza di spinta;
- forza di trazione;
- pressione minima di esercizio.
Il risultato è stato l’individuazione di configurazioni di cilindro differenti per le diverse movimentazioni dello stampo.
1. La richiesta del Cliente
Il Cliente aveva fornito al Vega Team i disegni relativi alle parti dello stampo e richiesto di calcolare e scegliere il cilindro idraulico appropriato.
La richiesta comprendeva anche la verifica della possibilità di inserire i cilindri nella spedizione più vicina qualora l’ordine fosse stato confermato rapidamente.
Questo dettaglio è interessante perché rappresenta una situazione molto comune nella costruzione degli stampi:
la scelta del cilindro deve essere tecnicamente corretta, ma deve anche arrivare in tempo per rispettare il programma di costruzione dello stampo.
Il Vega Team ha quindi iniziato dall’analisi dei disegni ricevuti.
2. Perché il disegno del pezzo plastico è importante
Per determinare correttamente la forza necessaria non è sempre sufficiente avere solamente il disegno dello stampo.
Nel caso analizzato, il Vega Team ha chiesto anche il disegno 3D del pezzo plastico associato alla geometria dello stampo.
La richiesta del modello 3D non era un dettaglio secondario.
La geometria del componente determina infatti diversi parametri utilizzati nel calcolo della forza, come:
- superficie interessata;
- angolo di sformo;
- inclinazione del nucleo;
- superficie laterale;
- possibile adesione della plastica.
Il disegno del pezzo permette quindi di comprendere meglio le forze che agiscono sul sistema durante l’estrazione o la movimentazione.
3. Il primo caso: calcolo della forza di spinta
Per una delle configurazioni analizzate, il Vega Team ha eseguito un calcolo della forza di spinta.
La superficie frontale considerata era di circa:
12 cm²
La pressione della plastica nella cavità era stimata in:
500 bar
L’inclinazione del nucleo era:
44°
Considerando un coefficiente di attrito di 0,1, la forza totale di spinta risultava di circa:
3.000 kgf
Con un coefficiente di attrito di 0,2, il valore calcolato risultava invece di circa:
2.400 kgf.
Questi numeri mostrano immediatamente perché la scelta del cilindro non può essere effettuata solamente sulla base della dimensione del componente.
La forza richiesta dipende dalla combinazione di geometria, pressione e attrito.
4. Perché il coefficiente di attrito è così importante
Nel calcolo precedente, il Vega Team ha considerato due differenti valori del coefficiente di attrito:
- 0,1
- 0,2
Il risultato cambia significativamente.
Con coefficiente 0,1:
3.000 kgf
Con coefficiente 0,2:
2.400 kgf.
Questo dimostra che la forza necessaria non è necessariamente un valore fisso.
Le condizioni di contatto e di scorrimento possono modificare la forza richiesta dal cilindro.
Per un progettista di stampi, questo significa che la scelta del cilindro dovrebbe considerare anche le condizioni di attrito previste nell’applicazione.
5. La forza di trazione è un problema diverso
Il Vega Team ha poi effettuato un secondo calcolo relativo alla forza di trazione.
In questo caso è stata considerata una superficie laterale di circa:
54,88 cm²
Il draft angle, cioè l’angolo di sformo, era:
1,5°
Il coefficiente di adesione della plastica utilizzato nel calcolo era:
20 kg/cm².
Il risultato della forza totale di trazione era:
1.097 kgf
con la precisazione che questo valore avrebbe potuto aumentare fino a circa:
2.000 kgf
in funzione del coefficiente di attrito.
6. Spinta e trazione non devono essere confuse
Questo caso evidenzia una distinzione fondamentale.
La forza necessaria per spingere un elemento e quella necessaria per tirarlo possono essere molto differenti.
Nel progetto analizzato il Vega Team ha quindi considerato separatamente:
forza di spinta
e
forza di trazione.
Questo approccio è particolarmente importante quando il cilindro deve movimentare un carrello o un nucleo all’interno dello stampo.
La direzione del movimento e la geometria del pezzo possono modificare significativamente il carico richiesto.
7. La scelta del cilindro sulla base della pressione
Dopo aver determinato le forze necessarie, il Vega Team ha individuato una configurazione di cilindro adatta.
Per il primo caso analizzato, la soluzione indicata era un cilindro della famiglia CR, con alesaggio e corsa definiti in funzione dell’applicazione, a una pressione minima di esercizio di:
160 bar.
Come alternativa veniva indicata una configurazione CR di diametro maggiore, utilizzabile a una pressione minima di esercizio di:
100 bar.
Questo è un principio molto importante:
la stessa forza può essere ottenuta combinando diversamente area del pistone e pressione di esercizio.
8. La relazione tra pressione, area e forza
La relazione fondamentale di un cilindro idraulico può essere espressa semplificando:
F = P × A
dove:
- F = forza;
- P = pressione;
- A = area effettiva del pistone.
Aumentando l’area del pistone, è possibile ottenere una determinata forza anche con una pressione inferiore.
Viceversa, un cilindro con un’area più piccola può richiedere una pressione maggiore per sviluppare la stessa forza.
È esattamente il principio che emerge dal confronto tra le due configurazioni indicate dal Vega Team nel caso Cliente.
9. Una seconda applicazione: quattro slide
Il materiale analizzato contiene anche un’altra situazione progettuale relativa al disegno di un secondo componente dello stampo.
In questo caso il Vega Team ha precisato di aver calcolato solamente la forza di trazione, perché dal disegno sembrava che fossero presenti sistemi di bloccaggio delle slide quando lo stampo era chiuso.
Il Vega Team ha chiesto al Cliente di confermare questa interpretazione.
Questa parte del caso è particolarmente interessante perché dimostra che il calcolo della forza non può essere separato dal funzionamento meccanico dello stampo.
Se una slide è già bloccata meccanicamente durante una determinata fase del ciclo, le condizioni di carico sul cilindro possono essere completamente diverse.
10. Slide 1–2: calcolo della forza di trazione
Per le prime due slide, il Vega Team ha considerato:
superficie laterale: circa 70 cm²
angolo di sformo: 2°
coefficiente di adesione della plastica: 20 kg/cm²
Il risultato del calcolo della forza totale di trazione era:
1.400 kgf.
Sulla base di questo risultato è stata individuata una configurazione di cilindro della famiglia CR adatta all’applicazione.
11. Slide 3–4: una forza ancora maggiore
Per le slide 3 e 4 la situazione era diversa.
La superficie laterale era di circa:
54 cm² per ciascun nucleo
per una superficie laterale totale di:
108 cm².
L’angolo di sformo era:
1°
e il coefficiente di adesione della plastica utilizzato era:
25 kg/cm².
Il risultato della forza totale di trazione era:
2.700 kgf.
Il Vega Team ha quindi selezionato una configurazione CR più grande rispetto a quella utilizzata per le slide 1–2.
12. Perché quattro slide possono richiedere cilindri diversi
A prima vista potrebbe sembrare logico utilizzare lo stesso cilindro per tutte le slide di uno stampo.
Il caso dimostra invece perché questa scelta non è sempre corretta.
Le diverse slide presentavano:
- superfici differenti;
- angoli di sformo differenti;
- coefficienti di adesione differenti;
- forze richieste differenti.
Il risultato era quindi:
Slide 1–2 → circa 1.400 kgf
Slide 3–4 → circa 2.700 kgf.
La selezione del cilindro deve quindi essere effettuata sulla base del carico reale di ciascuna applicazione.
13. Il ruolo dell’angolo di sformo
L’angolo di sformo è un parametro particolarmente importante nello stampaggio a iniezione.
Un componente deve generalmente essere progettato in modo da poter essere estratto dallo stampo senza danneggiare la superficie del pezzo.
Nel caso analizzato, sono stati utilizzati angoli differenti:
- 1,5°
- 2°
- 1°.
L’angolo influenza la geometria di contatto e quindi le condizioni necessarie per movimentare il nucleo o la slide.
Per questo motivo il calcolo della forza deve essere effettuato sulla geometria effettiva dello stampo.
14. Il ruolo dell’adesione della plastica
Un altro parametro utilizzato nel caso è il coefficiente di adesione della plastica.
Per una delle applicazioni è stato utilizzato:
20 kg/cm²
mentre per le slide 3–4 è stato utilizzato:
25 kg/cm².
Questi valori vengono utilizzati dal Vega Team come parte del modello di calcolo per stimare la forza necessaria alla trazione.
È importante quindi comprendere che la forza richiesta al cilindro non dipende solamente dalla dimensione del cilindro o dalla massa della slide.
Dipende anche dall’interazione tra il materiale plastico e le superfici dello stampo.
15. Perché Vega ha richiesto ulteriori informazioni
Un elemento particolarmente significativo del caso è che il Vega Team non ha cercato di completare il dimensionamento basandosi su informazioni insufficienti.
Per il primo disegno, dopo aver effettuato i calcoli preliminari, è stato richiesto anche il modello 3D del pezzo plastico.
Questo comportamento è importante dal punto di vista dell’ingegneria applicativa.
Quando mancano informazioni necessarie, è preferibile chiedere dati aggiuntivi piuttosto che scegliere un cilindro sulla base di ipotesi non verificate.
16. Il dimensionamento non è una semplice scelta da catalogo
Il caso Cliente mostra una differenza importante tra:
scegliere un cilindro dal catalogo
e
dimensionare un cilindro per una specifica applicazione.
Nel primo caso si potrebbe scegliere un prodotto sulla base di:
- alesaggio;
- corsa;
- pressione;
- dimensioni.
Nel secondo caso bisogna partire dal problema meccanico e arrivare al cilindro.
La sequenza corretta è:
geometria dello stampo → forze → pressione disponibile → alesaggio → corsa → configurazione del cilindro.
17. La corsa deve essere definita separatamente dalla forza
Nella comunicazione successiva, il Cliente ha aggiornato il disegno indicando una corsa di 110 mm e ha chiesto al Vega Team di completare il calcolo e fornire il codice.
Questo mostra un altro aspetto fondamentale del dimensionamento.
La forza richiesta e la corsa sono due parametri differenti.
Un cilindro deve infatti soddisfare contemporaneamente:
- forza necessaria;
- corsa necessaria;
- pressione disponibile;
- ingombri;
- tipo di fissaggio;
- condizioni di lavoro.
Un cilindro che sviluppa la forza corretta ma non ha la corsa necessaria non è una soluzione corretta.
18. La scelta deve considerare anche la pressione disponibile
Nel caso analizzato, una delle configurazioni richiedeva una pressione minima di esercizio di 160 bar, mentre un’alternativa con maggiore alesaggio poteva lavorare a una pressione minima di 100 bar.
Questo dimostra come il dimensionamento possa essere adattato alle caratteristiche dell’impianto idraulico.
Se l’impianto dispone di una pressione elevata, può essere possibile utilizzare un cilindro di dimensioni inferiori.
Se invece la pressione disponibile è più bassa, può essere necessario aumentare l’area del pistone.
19. Un cilindro più grande non è automaticamente la soluzione migliore
Potrebbe sembrare intuitivo scegliere sempre il cilindro più grande.
Ma un cilindro sovradimensionato può comportare:
- maggiore ingombro;
- maggiore volume di olio necessario;
- maggiore massa;
- maggiore costo;
- possibili problemi di installazione.
L’obiettivo del dimensionamento non è quindi trovare il cilindro più grande possibile.
L’obiettivo è trovare:
il cilindro più adatto alle forze, alla corsa, alla pressione e agli spazi disponibili.
Questo è esattamente il tipo di analisi svolta dal Vega Team nel caso Cliente.
20. Il collegamento con la gamma Vega attuale
La gamma attuale Vega comprende diverse famiglie di cilindri specificamente destinate alla movimentazione di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione. La categoria ufficiale comprende, tra gli altri, V215CR, V250CE, V400CL, V450CM e V450CP.
Tra queste famiglie, il V215CR è un cilindro oleodinamico a tiranti conforme alle dimensioni di fissaggio UNI ISO 6020/2 Compact, disponibile con alesaggi da 25 a 200 mm e corse da 1 a 1500 mm. La stessa pagina indica la movimentazione di carrelli, punzoni e spine come una delle principali applicazioni.
Questo rende la famiglia CR particolarmente interessante come riferimento attuale rispetto al tipo di applicazione analizzato nel caso storico.
21. Il metodo Vega: dal disegno al cilindro
Il caso può essere sintetizzato in una procedura di progettazione molto semplice.
Fase 1 — Analisi del disegno
Identificare:
- superficie;
- geometria;
- angoli;
- direzione del movimento.
Fase 2 — Determinazione delle forze
Calcolare:
- forza di spinta;
- forza di trazione;
- eventuali carichi aggiuntivi.
Fase 3 — Definizione delle condizioni di esercizio
Verificare:
- pressione disponibile;
- corsa;
- frequenza di funzionamento;
- spazio disponibile.
Fase 4 — Scelta del cilindro
Individuare:
- alesaggio;
- corsa;
- configurazione;
- fissaggio.
Fase 5 — Verifica finale
Controllare che il cilindro selezionato soddisfi contemporaneamente tutte le condizioni dell’applicazione.
22. Quando il disegno non basta
Uno degli insegnamenti più importanti del caso è che il disegno del cilindro non è sufficiente per dimensionare correttamente il cilindro.
Il Vega Team ha infatti chiesto il modello 3D del pezzo plastico prima di completare la valutazione.
Per un corretto dimensionamento possono essere necessari:
- disegno del pezzo;
- modello 3D;
- disegno dello stampo;
- direzione del movimento;
- pressione di stampaggio;
- materiale;
- condizioni di attrito;
- sistema di bloccaggio;
- corsa richiesta.
Più completa è l’informazione iniziale, più affidabile può essere la selezione del cilindro.
23. Il valore dell’ingegneria applicativa
Questo caso Cliente dimostra che il valore di un produttore di cilindri non consiste solamente nella disponibilità di un catalogo.
Il Cliente aveva bisogno di una risposta a una domanda concreta:
quale cilindro può movimentare correttamente questo sistema?
Il Vega Team ha risposto partendo dalla geometria e dai carichi.
Sono stati eseguiti i calcoli, sono state richieste informazioni aggiuntive quando necessarie e sono state individuate configurazioni differenti per le diverse applicazioni.
Questo è un esempio concreto di engineering support applicato alla progettazione dello stampo.
Conclusione
La scelta di un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione dovrebbe partire dalla forza necessaria, non semplicemente dal prodotto disponibile a catalogo.
Nel caso analizzato, il Cliente ha chiesto al Vega Team di dimensionare cilindri per diverse movimentazioni dello stampo. Il lavoro ha richiesto l’analisi dei disegni, delle superfici, degli angoli, dell’adesione della plastica e delle condizioni di carico.
Per una delle applicazioni sono stati calcolati circa 3.000 kgf di forza di spinta con un coefficiente di attrito di 0,1 e circa 2.400 kgf con un coefficiente di 0,2. La forza di trazione calcolata era di circa 1.097 kgf, con possibilità di arrivare a circa 2.000 kgf in funzione del coefficiente di attrito.
Per un’altra configurazione, le slide 1–2 richiedevano circa 1.400 kgf, mentre le slide 3–4 arrivavano a circa 2.700 kgf, portando alla selezione di cilindri differenti.
Il caso dimostra quindi che:
un buon dimensionamento parte dal carico e arriva al cilindro, non il contrario.
La geometria del pezzo, l’angolo di sformo, l’adesione della plastica, l’attrito, la pressione disponibile e la corsa sono tutti elementi che devono essere considerati insieme.
Per questo motivo Vega offre oggi diverse famiglie di cilindri dedicate alla movimentazione di carrelli, punzoni e spine negli stampi a iniezione, oltre a un configuratore e a soluzioni personalizzabili.
URL utili e verificati
- Cilindri idraulici per stampi — panoramica delle famiglie Vega per stampi a iniezione e pressofusione, con suddivisione per applicazione.
Cilindri idraulici per stampi - Movimentazione Carrello e Spina — pagina particolarmente utile per questo articolo, perché raccoglie i cilindri destinati alla movimentazione di carrelli, punzoni e spine che creano sottosquadri nello stampo.
Movimentazione Carrello e Spina - V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti UNI ISO 6020/2 — particolarmente pertinente perché la documentazione del caso utilizza la famiglia CR per le soluzioni dimensionate dal Vega Team. La pagina attuale descrive il V215CR e le sue applicazioni nella movimentazione di carrelli, punzoni e spine.
V215CR – Cilindri oleodinamici a tiranti - Cilindri idraulici — catalogo generale con accesso alle diverse famiglie e al configuratore 3D.
Cilindri idraulici Vega - Cataloghi cilindri idraulici — pagina utile per approfondire le diverse famiglie di cilindri e le relative applicazioni.
Cataloghi cilindri idraulici - Accessori per cilindri idraulici — utile per collegare il case study alle soluzioni complementari per l’installazione e il funzionamento dei cilindri.
Accessori cilindri idraulici
