Come l’Angolo di Sformo Determina la Vera Forza Necessaria per l’Estrazione del Tassello
Quando si dimensiona un cilindro idraulico per uno stampo a iniezione, molti progettisti eseguono un calcolo apparentemente corretto: determinano la forza del cilindro in funzione della pressione idraulica e del diametro del pistone.
In numerosi casi questo approccio è sufficiente.
In molti altri, invece, rappresenta solo una parte del problema.
Esiste infatti una forza spesso trascurata che può diventare superiore alla forza necessaria per movimentare la slitta stessa:
la forza di adesione tra il pezzo stampato e il tassello dello stampo.
È proprio questa forza che il cilindro deve vincere per poter iniziare il movimento di estrazione.
Se viene sottostimata, il risultato può essere sorprendente.
Il cilindro può essere correttamente dimensionato dal punto di vista idraulico e perfettamente funzionante, ma non riuscire comunque ad arretrare la slitta durante l’apertura dello stampo.
Un interessante caso reale affrontato dal Reparto Tecnico Vega evidenzia perfettamente questo aspetto.
Durante lo sviluppo di uno stampo bi-materiale, un tecnico commerciale chiese quale coefficiente dovesse essere utilizzato per calcolare la forza necessaria al rientro di un cilindro idraulico.
La risposta del Reparto Tecnico Vega fu immediata: il coefficiente di adesione non è costante, ma varia sensibilmente in funzione dell’angolo di sformo e del materiale lavorato.
Questa semplice osservazione cambia completamente il modo corretto di dimensionare un cilindro idraulico.
Perché la Forza di Estrazione Viene Spesso Sottovalutata
Quando il materiale plastico viene iniettato nello stampo, aderisce inevitabilmente alle superfici metalliche del tassello.
Durante il raffreddamento il materiale si ritira.
Questo ritiro genera una pressione sulla superficie del tassello che aumenta l’attrito e rende più difficile l’estrazione.
Prima ancora di muovere la slitta, il cilindro deve quindi vincere:
- l’adesione del materiale;
- l’attrito tra il pezzo e il tassello;
- l’attrito delle guide;
- gli attriti meccanici del sistema.
Molti progettisti considerano solamente:
- il peso della slitta;
- la pressione disponibile;
- un fattore di sicurezza.
In realtà questi valori rappresentano spesso soltanto una parte della forza realmente necessaria.
L’Importanza dell’Angolo di Sformo
L’angolo di sformo viene normalmente introdotto per facilitare l’estrazione del pezzo.
Dal punto di vista oleodinamico svolge però una funzione ancora più importante.
Aumentando l’angolo di sformo diminuisce infatti la pressione di contatto tra il pezzo stampato e il tassello.
Di conseguenza diminuisce anche la forza che il cilindro deve sviluppare per iniziare il movimento.
Anche un incremento apparentemente modesto dell’angolo di sformo può ridurre sensibilmente il carico sul cilindro.
Per questo motivo il progettista dello stampo e il progettista del sistema oleodinamico dovrebbero sempre collaborare nelle prime fasi dello sviluppo.
I Coefficienti Utilizzati dal Reparto Tecnico Vega
Nel caso reale il Reparto Tecnico Vega fornì una tabella pratica utilizzata per il dimensionamento dei cilindri.
Materiali Plastici
| Angolo di sformo | Coefficiente di adesione |
|---|---|
| 0° | 30 kg/cm² |
| 1° | 25 kg/cm² |
| 2° | 20 kg/cm² |
| 3° | 15 kg/cm² |
Alluminio
| Angolo di sformo | Coefficiente di adesione |
|---|---|
| 0° | 80 kg/cm² |
| 1° | 50 kg/cm² |
| 2° | 40 kg/cm² |
| 3° | 30 kg/cm² |
Questi dati dimostrano chiaramente come la forza di adesione diminuisca rapidamente all’aumentare dell’angolo di sformo.
Perché l’Alluminio Richiede Forze Molto Maggiori
Uno degli aspetti più interessanti della tabella riguarda il confronto tra plastica e alluminio.
A parità di angolo di sformo, l’alluminio presenta coefficienti di adesione decisamente superiori.
Con uno sformo pari a 0°, il coefficiente dell’alluminio è quasi tre volte quello utilizzato per i materiali plastici.
Questo spiega perché i cilindri impiegati negli stampi per pressofusione richiedano spesso dimensionamenti molto più conservativi rispetto agli stampi per materie plastiche.
Applicare gli stessi criteri di calcolo ad entrambe le applicazioni può portare ad un sottodimensionamento del cilindro.
L’Errore di Utilizzare un Coefficiente Unico
Per semplificare il calcolo, alcuni progettisti utilizzano un unico coefficiente di adesione indipendentemente dall’applicazione.
Si tratta di un’approssimazione che può generare errori molto significativi.
La forza reale dipende infatti da numerosi fattori:
- angolo di sformo;
- materiale stampato;
- rugosità del tassello;
- ritiro del materiale;
- temperatura dello stampo;
- lubrificazione;
- geometria del pezzo.
Ignorare questi parametri significa rischiare di scegliere un cilindro non adeguato alle reali condizioni di lavoro.
Uno Stampo con Cinematica Particolare
Il caso analizzato presentava anche un’altra caratteristica interessante.
Il cilindro non movimentava direttamente il tassello.
Muoveva invece una prima slitta che, attraverso una cinematica particolare, azionava una seconda slitta disposta a 90°.
Durante la chiusura dello stampo, la forza di chiusura della pressa generava inoltre una pressione meccanica sulla slitta che poteva trasmettersi direttamente al cilindro autobloccante.
Il cliente temeva che proprio questa particolare configurazione avesse provocato un sovraccarico del cilindro durante le prime prove dello stampo.
Questo esempio dimostra come il dimensionamento di un cilindro non possa essere separato dalla cinematica dello stampo.
La geometria del meccanismo influenza direttamente le forze che il cilindro dovrà sopportare.
Il carico principale è spesso rappresentato dalla forza di adesione tra il pezzo stampato e il tassello dello stampo.
Se questa forza viene sottostimata, anche un cilindro apparentemente ben dimensionato può non riuscire ad estrarre il tassello.
La domanda diventa quindi:
Come si calcola realmente la forza necessaria per l’estrazione di un tassello?
La risposta richiede un approccio molto più completo rispetto al semplice calcolo della forza del cilindro.
Primo Passo: Calcolare la Superficie di Contatto
La forza di adesione è direttamente proporzionale alla superficie di contatto tra il pezzo stampato e il tassello.
Per un tassello cilindrico la superficie può essere calcolata come:
Superficie = π × Diametro × Lunghezza di contatto
Per tasselli prismatici o slitte, invece, si considera la superficie effettivamente a contatto con il materiale plastico.
È importante ricordare che non è il volume del pezzo a determinare la forza di estrazione, ma la superficie aderente.
Due componenti dello stesso peso possono richiedere forze di estrazione completamente differenti.
Secondo Passo: Scegliere il Coefficiente Corretto
Una volta nota la superficie di contatto, è necessario scegliere il coefficiente di adesione appropriato.
Il Reparto Tecnico Vega evidenzia come tale coefficiente vari sensibilmente in funzione di:
- materiale;
- angolo di sformo.
Questo significa che eliminare anche un solo grado di sformo può aumentare in modo considerevole la forza necessaria al rientro del cilindro.
Molti problemi che si manifestano durante il collaudo dello stampo derivano proprio da questa sottovalutazione.
Terzo Passo: Calcolare la Forza di Adesione
La forza teorica di adesione può essere stimata con una relazione molto semplice:
Forza di adesione = Superficie di contatto × Coefficiente di adesione
Questa rappresenta la forza minima necessaria per iniziare il distacco del pezzo dal tassello.
È importante sottolineare che questo valore non rappresenta ancora la forza totale richiesta al cilindro.
Quarto Passo: Sommare Tutti gli Attriti
Durante il movimento reale il cilindro deve vincere anche numerose altre resistenze meccaniche.
Tra le principali troviamo:
- attrito delle guide;
- attrito delle slitte;
- attrito dei cunei;
- attrito degli spinotti inclinati;
- resistenza delle molle di richiamo;
- inerzia delle masse in movimento;
- contaminazione;
- lubrificazione insufficiente.
Ognuna di queste componenti contribuisce ad aumentare la forza necessaria.
Ignorarle significa ottenere un dimensionamento troppo ottimistico.
La Cinematica dello Stampo Può Moltiplicare le Forze
Il caso reale analizzato dal Reparto Tecnico Vega presenta una caratteristica particolarmente interessante.
Il cilindro non movimentava direttamente il tassello.
Muoveva invece una prima slitta che azionava una seconda slitta disposta perpendicolarmente.
Durante la chiusura dello stampo, la forza di chiusura della pressa produceva inoltre un carico meccanico sulla slitta che poteva trasferirsi direttamente al cilindro autobloccante.
Questa configurazione dimostra un principio fondamentale.
Le forze che agiscono sul cilindro non dipendono soltanto dalla pressione idraulica.
Dipendono anche dalla cinematica dello stampo.
Un sistema di leve, cunei o rinvii meccanici può infatti moltiplicare il carico agente sul cilindro oppure modificarne completamente la direzione.
Per questo motivo il dimensionamento deve sempre considerare l’intero cinematismo e non il solo cilindro.
L’Importanza del Fattore di Sicurezza
Le formule teoriche rappresentano solo il punto di partenza.
Durante la produzione intervengono infatti numerose variabili:
- variazioni del materiale plastico;
- temperatura dello stampo;
- velocità di stampaggio;
- usura delle guide;
- variazioni della lubrificazione;
- differenze tra i lotti di materiale;
- deformazioni elastiche dello stampo.
Per questo motivo un buon progettista introduce sempre un adeguato fattore di sicurezza.
Un cilindro che lavora costantemente vicino al proprio limite teorico avrà inevitabilmente una vita utile inferiore rispetto ad uno correttamente dimensionato.
Gli Errori Più Comuni
L’esperienza maturata nell’assistenza tecnica mostra che molti problemi nascono già durante la progettazione.
Tra gli errori più frequenti troviamo:
- calcolare esclusivamente la forza idraulica;
- trascurare l’adesione del materiale;
- sottovalutare l’effetto dell’angolo di sformo;
- ignorare la cinematica dello stampo;
- non considerare gli attriti delle guide;
- utilizzare coefficienti generici indipendentemente dal materiale.
Questi errori portano spesso alla scelta di cilindri apparentemente corretti ma incapaci di garantire un funzionamento affidabile durante la produzione.
Lezioni Apprese
Questo caso tecnico insegna alcuni principi fondamentali:
- la forza di estrazione dipende principalmente dall’adesione tra pezzo e tassello;
- l’angolo di sformo influenza direttamente il dimensionamento del cilindro;
- il materiale lavorato modifica sensibilmente il coefficiente di adesione;
- la cinematica dello stampo può aumentare in modo significativo il carico sul cilindro;
- il corretto dimensionamento richiede l’analisi dell’intero sistema meccanico.
Conclusioni
Dimensionare correttamente un cilindro idraulico significa comprendere tutte le forze che intervengono durante il ciclo di stampaggio.
La pressione idraulica rappresenta soltanto una parte dell’equazione.
Il Reparto Tecnico Vega evidenzia come il coefficiente di adesione vari in funzione dell’angolo di sformo e del materiale, dimostrando che questi parametri devono essere considerati fin dalle prime fasi della progettazione.
Il caso dello stampo bi-materiale mostra inoltre come cinematismi complessi possano introdurre carichi aggiuntivi sul cilindro autobloccante, rendendo indispensabile un’analisi completa dell’intero sistema prima della scelta del cilindro.
Solo valutando contemporaneamente adesione, attriti, geometria dello stampo, cinematica e fattore di sicurezza è possibile progettare un sistema affidabile, capace di garantire milioni di cicli senza problemi.
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