I cilindri oleodinamici utilizzati negli stampi per stampaggio a iniezione vengono normalmente progettati con ampi margini di sicurezza.
Gli ingegneri dimensionano accuratamente alesaggio, diametro dello stelo, pressione di esercizio e sistema di fissaggio affinché il cilindro possa lavorare in modo affidabile per milioni di cicli produttivi.
Eppure, nonostante un corretto dimensionamento, alcuni cilindri iniziano improvvisamente a perdere olio oppure presentano addirittura delle cricche nel corpo.
La conclusione più immediata è quasi sempre la stessa:
“Il cilindro si è rotto.”
Molto spesso, però, questa conclusione è sbagliata.
Un cilindro oleodinamico è frequentemente la vittima, non la causa, di un problema molto più complesso presente nell’intero circuito idraulico.
Un caso reale analizzato dal Reparto Tecnico Vega rappresenta perfettamente questa situazione.
Un cliente segnalò una perdita d’olio proveniente da un cilindro e, successivamente, venne individuata una cricca nel corpo del cilindro stesso.
A prima vista l’applicazione non sembrava particolarmente gravosa.
Le masse movimentate erano relativamente contenute e non vi erano indicazioni evidenti di un sovraccarico meccanico.
Invece di attribuire immediatamente la responsabilità al cilindro, il Reparto Tecnico Vega decise di analizzare l’intero circuito oleodinamico.
L’ipotesi formulata fu completamente diversa.
La causa più probabile non era la normale pressione di esercizio.
Il vero responsabile poteva essere un picco di pressione, noto anche come colpo d’ariete idraulico, generato in un’altra parte dell’impianto e propagato fino al cilindro.
Questa distinzione è fondamentale.
Sostituire semplicemente il cilindro senza eliminare il fenomeno che genera il picco di pressione significa quasi sempre spostare il problema sul cilindro successivo.
Quando la Pressione di Esercizio Non Racconta Tutta la Storia
La maggior parte dei sistemi oleodinamici viene progettata considerando la pressione nominale di esercizio.
Se un cilindro lavora normalmente a 100 bar, è naturale pensare che tutti i componenti del circuito siano sottoposti più o meno alla stessa pressione.
Nella realtà, però, un circuito oleodinamico è un sistema dinamico.
Ogni volta che il flusso dell’olio viene accelerato, rallentato oppure arrestato bruscamente, all’interno delle tubazioni si generano onde di pressione che si propagano ad altissima velocità.
Questi fenomeni transitori possono durare soltanto pochi millisecondi.
Proprio per la loro brevissima durata risultano praticamente invisibili ai normali manometri installati sulle macchine.
Ciò non significa però che siano innocui.
Al contrario, questi impulsi possono raggiungere valori di pressione molto superiori alla pressione nominale prevista dal progetto.
Ripetendosi migliaia o milioni di volte durante la vita dello stampo, tali impulsi sottopongono il materiale a continui cicli di fatica.
Nel tempo iniziano così a svilupparsi microfratture invisibili che, ciclo dopo ciclo, crescono lentamente fino a trasformarsi in perdite d’olio o vere e proprie cricche del corpo cilindro.
Un’Indagine Precedente Aveva Già Individuato il Problema
L’ipotesi del Reparto Tecnico Vega non nasceva da semplici supposizioni.
Era basata su un precedente intervento effettuato presso un altro cliente che aveva manifestato un problema molto simile.
In quell’occasione il circuito idraulico venne monitorato mediante una specifica strumentazione di acquisizione ad alta velocità.
I risultati furono sorprendenti.
Sebbene la pressione nominale di esercizio dei cilindri fosse pari a 100 bar, durante la fase di iniezione il sistema generava picchi di pressione che raggiungevano circa 180 bar.
L’aspetto ancora più interessante riguardava la durata del fenomeno.
Il picco rimaneva presente soltanto per circa 100 millisecondi, dopodiché la pressione ritornava ai valori normali di esercizio.
Dal punto di vista dell’operatore sembrava che tutto funzionasse perfettamente.
Dal punto di vista del cilindro, invece, ogni ciclo produttivo rappresentava un sovraccarico ripetuto.
Perché i Normali Manometri Non Rilevano Mai Questi Fenomeni
Uno degli aspetti più insidiosi dei picchi di pressione è che, nella maggior parte dei casi, non vengono mai osservati durante le normali attività di manutenzione.
I manometri tradizionali sono progettati per misurare la pressione media del circuito.
Non possiedono la velocità necessaria per registrare variazioni che durano soltanto pochi centesimi di secondo.
Di conseguenza il tecnico misura una pressione apparentemente corretta e conclude che il circuito stia lavorando regolarmente.
Nel frattempo, però, il cilindro può essere sottoposto ogni giorno a centinaia di migliaia di impulsi di pressione che il manometro non ha mai registrato.
Per individuare questi fenomeni sono necessari trasduttori elettronici ad alta frequenza e sistemi di acquisizione dati capaci di campionare il segnale nell’ordine dei millisecondi.
Senza questo tipo di strumentazione è estremamente difficile identificare la vera origine del problema.
La Rottura per Fatica Inizia Molto Prima della Comparsa della Cricca
L’errore più comune consiste nel considerare la comparsa della cricca come l’inizio del guasto.
In realtà è esattamente il contrario.
La cricca rappresenta l’ultima fase di un processo iniziato molto tempo prima.
Ogni picco di pressione applica al corpo del cilindro uno sforzo estremamente intenso ma di brevissima durata.
Preso singolarmente, ciascun impulso potrebbe non essere sufficiente a provocare una rottura immediata.
La continua ripetizione di questi impulsi genera però il fenomeno della fatica del materiale.
Le prime microfratture tendono a svilupparsi nei punti dove le tensioni risultano naturalmente più elevate, ad esempio:
- in corrispondenza degli orifizi dell’olio;
- vicino alle filettature;
- negli spigoli interni;
- nelle variazioni di spessore del corpo cilindro;
- nelle zone interessate da concentrazioni di tensione.
Con il passare del tempo queste microfratture crescono lentamente fino a diventare visibili.
Quando compare la perdita d’olio o la cricca esterna, il danno interno è già presente da moltissimi cicli di lavoro.
Perché il Cilindro Non Era il Vero Responsabile
L’aspetto più interessante di questo caso è che la massa movimentata non appariva particolarmente elevata.
Secondo i normali criteri di progettazione, il cilindro avrebbe dovuto lavorare senza alcuna difficoltà.
Questo portò il Reparto Tecnico Vega a sospettare che il cilindro fosse perfettamente dimensionato e che il problema fosse invece generato dal comportamento dinamico dell’intero circuito idraulico.
Fu proprio questo cambio di prospettiva a modificare completamente l’indagine tecnica.
Invece di concentrarsi esclusivamente sul componente danneggiato, l’attenzione venne spostata sul modo in cui le onde di pressione si propagavano nel circuito durante la fase di iniezione dello stampo.
Come i Picchi di Pressione si Propagano in Tutto il Circuito Oleodinamico
L’indagine tecnica mise in evidenza un altro aspetto estremamente importante.
Il picco di pressione non veniva generato dal cilindro oleodinamico.
La sua origine era un’altra parte dell’impianto.
La macchina utilizzava un’unica pompa idraulica e una servo-valvola comune per alimentare diverse funzioni dello stampo.
Durante la fase di iniezione, il brusco incremento della pressione generava un’onda che si propagava istantaneamente in tutto il circuito idraulico.
Anche se il cilindro aveva il solo compito di posizionare un tassello o una slitta e non stava effettuando alcun movimento durante l’iniezione, rimaneva comunque collegato allo stesso circuito.
Di conseguenza, ogni impulso di pressione raggiungeva direttamente il corpo del cilindro.
Questo spiega perché un cilindro può rompersi anche quando il suo funzionamento appare perfettamente regolare.
La vera origine del sovraccarico potrebbe trovarsi in una parte completamente diversa della macchina.
Perché il Colpo d’Ariete È Più Pericoloso di una Pressione Elevata Costante
Molti progettisti ritengono che il principale nemico di un cilindro oleodinamico sia una pressione di esercizio troppo elevata.
In realtà, nella maggior parte delle applicazioni dinamiche, è molto più pericolosa una pressione che varia improvvisamente.
Un cilindro progettato correttamente può lavorare per milioni di cicli con una pressione costante anche vicina al limite nominale.
I picchi di pressione, invece, producono continui cicli di carico e scarico che accelerano enormemente la fatica del materiale.
Il fenomeno è simile a quello di un filo metallico.
Se viene piegato una sola volta, normalmente non succede nulla.
Se però viene piegato avanti e indietro migliaia di volte, prima o poi si spezza.
Lo stesso principio vale per il corpo di un cilindro oleodinamico.
Non è soltanto il valore massimo della pressione a determinare la durata del componente.
Sono altrettanto importanti:
- la velocità con cui la pressione aumenta;
- la frequenza con cui il fenomeno si ripete;
- il numero totale di cicli;
- la durata del picco;
- la presenza di concentrazioni di tensione.
Per questo motivo due cilindri che lavorano entrambi a 100 bar possono avere durate completamente diverse.
Perché Sostituire il Cilindro Non Risolve il Problema
Quando viene individuata una cricca nel corpo cilindro, la soluzione più immediata consiste nella sostituzione del componente.
Dal punto di vista operativo è comprensibile.
Dal punto di vista ingegneristico, però, spesso è soltanto un rimedio temporaneo.
Se il circuito continua a generare gli stessi picchi di pressione, anche il nuovo cilindro sarà sottoposto agli stessi sovraccarichi.
All’inizio tutto sembrerà funzionare perfettamente.
Successivamente inizieranno nuovamente a formarsi microfratture.
Infine comparirà una nuova perdita oppure una nuova cricca.
Il guasto si ripeterà perché non è mai stata eliminata la causa che lo genera.
Per questo motivo, quando un cilindro si rompe ripetutamente, un ingegnere esperto non si limita a sostituire il componente.
La prima domanda che si pone è molto diversa:
Quale fenomeno sta generando il sovraccarico?
La Soluzione Individuata dal Reparto Tecnico Vega
Nel precedente caso analizzato, il Reparto Tecnico Vega non modificò il progetto del cilindro.
La soluzione fu molto più efficace.
Il cilindro venne isolato dal resto del circuito idraulico durante la fase di iniezione mediante l’installazione di una valvola di ritegno.
Contemporaneamente fu modificato il ciclo macchina eliminando il mantenimento della pressione non appena il cilindro aveva raggiunto la propria posizione finale.
In questo modo il picco di pressione generato durante l’iniezione non poteva più propagarsi fino al cilindro.
Il componente continuava a svolgere esattamente la stessa funzione, ma senza essere sottoposto ai sovraccarichi dinamici che ne provocavano la rottura.
Questo caso dimostra un principio fondamentale dell’ingegneria oleodinamica.
La soluzione migliore non consiste sempre nel costruire un componente più robusto.
Molto spesso è sufficiente impedire che il carico anomalo raggiunga il componente stesso.
Come Individuare i Picchi di Pressione Prima che Provochino un Guasto
Poiché questi fenomeni risultano praticamente invisibili durante le normali verifiche di manutenzione, è importante riconoscere alcuni segnali che possono indicarne la presenza.
Tra i più comuni troviamo:
- perdite d’olio senza una causa apparente;
- rotture ripetute dello stesso cilindro;
- cricche localizzate nel corpo;
- guasti alle guarnizioni inspiegabili;
- cedimenti che si verificano sempre nella stessa fase del ciclo di stampaggio.
Quando si osservano sintomi di questo tipo, è consigliabile installare temporaneamente trasduttori di pressione ad alta frequenza collegati a un sistema di acquisizione dati.
L’analisi del grafico della pressione durante un intero ciclo di stampaggio permette spesso di individuare impulsi che nessun manometro tradizionale sarebbe in grado di registrare.
In molti casi il cilindro non rappresenta il componente difettoso.
È semplicemente il primo elemento del circuito che manifesta un problema presente nell’intero sistema idraulico.
Come Prevenire i Guasti Durante la Progettazione dello Stampo
La prevenzione rappresenta sempre la soluzione migliore.
Durante la progettazione di un impianto oleodinamico destinato agli stampi a iniezione è opportuno valutare attentamente:
- la configurazione completa del circuito;
- il dimensionamento della pompa;
- il tipo di servo-valvola utilizzata;
- la strategia di mantenimento della pressione;
- l’impiego di valvole di ritegno pilotate;
- le masse movimentate;
- l’inerzia degli organi mobili;
- le rampe di accelerazione e decelerazione;
- la sincronizzazione tra fase di iniezione e movimenti dei tasselli.
Le moderne valvole proporzionali e una corretta programmazione del PLC consentono inoltre di ridurre sensibilmente le variazioni improvvise di pressione.
Un circuito idraulico affidabile non dipende quindi soltanto dal corretto dimensionamento del cilindro.
È il risultato della perfetta integrazione di tutti i componenti dell’impianto.
Conclusioni
Questo caso reale dimostra come una cricca nel corpo di un cilindro oleodinamico non sia necessariamente la conseguenza di un cilindro sottodimensionato o difettoso.
Molto spesso il cilindro rappresenta semplicemente il primo componente che rende visibile un’anomalia presente nell’intero circuito idraulico.
L’indagine svolta dal Reparto Tecnico Vega evidenziò che, durante la fase di iniezione, il circuito poteva generare picchi di pressione quasi doppi rispetto alla normale pressione di esercizio.
Sebbene questi impulsi durassero soltanto pochi millisecondi e risultassero invisibili durante le normali verifiche, erano sufficienti a produrre nel tempo un danneggiamento per fatica del materiale fino alla comparsa della cricca.
La soluzione non consistette nel sostituire il cilindro con uno più robusto.
Fu invece eliminata la causa del sovraccarico isolando il cilindro dal circuito durante la fase di iniezione e modificando opportunamente il ciclo macchina.
Questa esperienza conferma uno dei principi più importanti dell’ingegneria oleodinamica:
Quando un cilindro si rompe, la domanda più importante non è “Quale componente si è guastato?”, ma “Quale fenomeno ha generato il sovraccarico che lo ha danneggiato?”.
Solo individuando la vera causa del problema è possibile ottenere un sistema affidabile e duraturo.
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