Quando il problema non è la tenuta, ma la progettazione del cilindro e dello stampo
Il danneggiamento prematuro delle tenute di un cilindro oleodinamico è uno dei problemi più fastidiosi che possono verificarsi all’interno di uno stampo a iniezione.
A prima vista, una tenuta può sembrare un componente semplice. In realtà, deve lavorare in condizioni che combinano pressione, temperatura, finitura superficiale, geometria della sede, movimento e un numero estremamente elevato di cicli.
Quando compare una perdita, la prima reazione è spesso quella di attribuire il problema alla tenuta.
Ma è davvero la tenuta il problema?
Un caso tecnico analizzato da Vega dimostra perché la risposta è spesso molto più complessa.
In questa applicazione, il cliente utilizzava una coppia di cilindri oleodinamici autobloccanti di propria produzione, installati direttamente in un inserto dello stampo per effettuare il disimpegno di un sottosquadro. Le tenute mostravano una durata estremamente variabile: alcune duravano appena un’ora, altre circa due settimane, mentre un altro campione risultava ancora operativo dopo circa un mese.
Lo stampo lavorava a circa 150 bar, con una corsa del pistone di appena 2,7 mm, e il progetto prevedeva una produzione di circa 1 milione di cicli all’anno.
Questa combinazione rende il caso particolarmente interessante per comprendere come progettare correttamente il sistema di tenuta di un cilindro oleodinamico destinato agli stampi a iniezione.
Un’applicazione reale in uno stampo a iniezione
Il cliente utilizzava due cilindri oleodinamici realizzati internamente e installati direttamente nell’inserto dello stampo.
La loro funzione era quella di consentire il disimpegno di un sottosquadro durante il ciclo di stampaggio.
L’applicazione presentava diverse condizioni particolarmente impegnative:
- pressione oleodinamica di circa 150 bar;
- corsa del pistone di soli 2,7 mm;
- circa 1 milione di cicli all’anno;
- temperatura massima dello stampo dichiarata dal cliente: circa 80°C;
- ripetuti problemi di perdita e cedimento prematuro delle tenute.
Il cliente chiese quindi a Vega di valutare la possibilità di sostituire i cilindri esistenti, eventualmente utilizzando un cilindro o un pistone speciale Vega con tecnologia di tenuta Vega.
Il caso dimostra molto bene perché la progettazione del cilindro non può essere separata dalla progettazione dello stampo.
Un milione di cicli cambia completamente il problema
Un cilindro che funziona correttamente per alcune migliaia di cicli non è necessariamente adatto a uno stampo destinato a lavorare per anni.
Con circa un milione di cicli all’anno, anche un problema apparentemente piccolo nella tenuta può trasformarsi in un problema importante di produzione.
Una tenuta che sopravvive, per esempio, a una fase iniziale di test può sembrare perfettamente affidabile. Ma se il suo tasso di usura è troppo elevato, il problema può emergere dopo centinaia di migliaia di cicli.
Per questo motivo, la durata della tenuta deve essere valutata considerando contemporaneamente:
- pressione;
- temperatura;
- velocità;
- finitura superficiale;
- geometria della sede;
- frequenza dei cicli.
Il Injection Mold Design Handbook sottolinea proprio questa visione multidisciplinare della progettazione dello stampo, che coinvolge meccanica, termodinamica, materiali, trasferimento di calore e analisi delle sollecitazioni.
Il primo problema: mancavano le dimensioni della sede della tenuta
Dopo aver analizzato le informazioni e i campioni forniti dal cliente, Stefano Rogora individuò immediatamente una criticità importante.
La tolleranza tra l’asta del pistone e la relativa sede sembrava corretta, ma nella documentazione disponibile non erano riportate le dimensioni effettive delle gole delle tenute.
Questo è un punto fondamentale.
Una tenuta non lavora indipendentemente dalla propria sede.
Il suo comportamento dipende dal rapporto tra:
- geometria della tenuta;
- dimensioni della gola;
- giochi;
- superfici di contatto;
- pressione;
- temperatura;
- materiale della tenuta.
Di conseguenza, sostituire semplicemente una tenuta danneggiata con una nuova dello stesso tipo non significa necessariamente aver risolto il problema.
Se la geometria della gola non è corretta, anche la nuova tenuta potrebbe danneggiarsi nuovamente.
La rugosità superficiale può ridurre drasticamente la durata della tenuta
Il secondo problema individuato da Vega riguardava la rugosità superficiale.
Stefano osservò che il valore indicato nella documentazione del cliente sembrava troppo elevato o forse non corretto. Considerò possibile che il valore reale fosse intorno a Ra 1,2, ma in ogni caso lo giudicò superiore al valore massimo di 0,8 raccomandato dal produttore della tenuta.
È un dettaglio tecnico estremamente importante.
La superficie sulla quale scorre una tenuta fa parte integrante del sistema di tenuta.
Se la superficie è troppo ruvida, le sue microscopiche asperità possono aumentare l’usura meccanica del labbro della tenuta.
Il risultato può essere:
- maggiore abrasione;
- perdita;
- diminuzione della capacità di tenuta;
- riduzione della durata utile.
Per questo motivo, la scelta della tenuta e la qualità della superficie devono essere considerate insieme.
Una tenuta migliore non può compensare sempre una superficie non corretta
Questo caso evidenzia anche una differenza fondamentale tra sostituire un componente e correggere il problema di progettazione.
Se la superficie di scorrimento non rispetta la rugosità raccomandata, montare una tenuta di qualità superiore potrebbe migliorare temporaneamente la situazione, ma non necessariamente risolvere la causa del problema.
La corretta procedura ingegneristica richiede di verificare:
- materiale della tenuta;
- geometria della tenuta;
- dimensioni della gola;
- finitura superficiale dell’asta o del pistone;
- pressione di esercizio;
- temperatura di esercizio.
Solo dopo avere verificato questi parametri è possibile valutare correttamente il sistema di tenuta.
La temperatura dichiarata dello stampo potrebbe non essere quella della tenuta
Il terzo elemento individuato dal Reparto Tecnico Vega è forse il più interessante.
Il cliente aveva indicato una temperatura massima dello stampo di circa 80°C.
Stefano mise però in dubbio che questo valore rappresentasse effettivamente la temperatura raggiunta dalle tenute.
L’estremità dell’asta del cilindro era direttamente esposta al materiale plastico e Vega ritenne quindi possibile che la temperatura nella zona delle tenute potesse superare i 90°C.
Questa distinzione è fondamentale:
La temperatura dello stampo non coincide necessariamente con la temperatura della tenuta.
La temperatura dichiarata per lo stampo non indica automaticamente la temperatura raggiunta da una piccola zona di tenuta posizionata vicino alla plastica calda.
Il trasferimento di calore attraverso l’acciaio, il contatto con la plastica, la frequenza del ciclo e le condizioni di raffreddamento possono creare una temperatura locale significativamente diversa.
La temperatura può determinare la scelta del materiale della tenuta
L’analisi portò Vega a mettere in discussione l’utilizzo di una normale tenuta in poliuretano nelle condizioni operative reali.
Stefano osservò che il poliuretano standard era limitato a circa 90°C di temperatura massima di esercizio nelle condizioni considerate.
Vega propose quindi una speciale tenuta in poliuretano ad alta temperatura, 96 Shore A, specificata per una temperatura massima di esercizio di circa 130°C, con possibilità di raggiungere picchi di circa 145°C.
Questo passaggio è particolarmente significativo.
Non si tratta semplicemente di scegliere una tenuta “migliore”.
Si tratta di scegliere un materiale compatibile con la reale combinazione di:
pressione + temperatura + movimento + geometria + condizioni superficiali.
Una tenuta che funziona correttamente in un normale cilindro oleodinamico può comportarsi in maniera completamente diversa quando viene installata all’interno di uno stampo a iniezione.
Cilindro e stampo devono essere progettati come un unico sistema
Questo caso si collega direttamente alla filosofia generale descritta nei manuali di progettazione degli stampi.
L’Injection Mold Design Handbook considera la progettazione dello stampo come l’applicazione coordinata di diverse discipline ingegneristiche e sottolinea l’importanza di comprendere l’interazione tra i diversi componenti dello stampo.
Anche il Tooling Manual considera separatamente ma in modo coordinato sistemi come:
- core pull;
- slides;
- reverse ejection;
- cilindri oleodinamici;
- sistemi di bloccaggio;
- controllo della corsa.
Il manuale, ad esempio, specifica che gli hydraulic slides e cores devono essere bloccati meccanicamente nella posizione di stampaggio, evidenziando ancora una volta che il cilindro oleodinamico non deve essere considerato come un elemento isolato dal sistema meccanico dello stampo.
Anche il catalogo del cilindro conferma l’importanza della temperatura
La documentazione tecnica Vega relativa al V260CF distingue le temperature massime di esercizio in funzione della configurazione del cilindro: la tabella indica 80°C con sensori e 160°C senza sensori.
Questi valori non devono essere automaticamente applicati al cilindro speciale analizzato nel caso del cliente.
Dimostrano però un principio importante:
La temperatura è un parametro di progetto del cilindro e del sistema di tenuta, non un semplice dettaglio dell’applicazione.
La temperatura massima dipende dalla configurazione del cilindro e, soprattutto, dal sistema di tenuta utilizzato.
La vera domanda non è “perché perde la tenuta?”
Quando una tenuta di un cilindro oleodinamico perde rapidamente, la domanda corretta non dovrebbe essere semplicemente:
“Quale tenuta dobbiamo montare?”
La domanda dovrebbe essere:
“Quali condizioni stanno causando il danneggiamento della tenuta?”
Nel caso analizzato da Vega, le possibili cause non erano riconducibili semplicemente al materiale della tenuta.
Era necessario analizzare contemporaneamente:
- geometria della gola;
- rugosità superficiale;
- temperatura reale;
- pressione;
- ciclo di lavoro;
- materiale della tenuta;
- configurazione del cilindro;
- integrazione del cilindro nello stampo.
Ed è proprio questo approccio che permette di trasformare un problema di perdite ripetute in un problema di ingegneria del sistema.
Materiale della tenuta, geometria della gola e condizioni superficiali
Nella Parte 1 abbiamo visto perché una perdita o una rottura prematura della tenuta non dovrebbe essere attribuita automaticamente alla tenuta stessa.
Nel caso analizzato dal Reparto Tecnico Vega, il problema coinvolgeva contemporaneamente pressione, temperatura, geometria della sede, rugosità superficiale e un numero estremamente elevato di cicli. Il cilindro lavorava a circa 150 bar, con una corsa di soli 2,7 mm, in un’applicazione prevista per circa 1 milione di cicli all’anno.
La domanda corretta, quindi, non è semplicemente:
“Quale tenuta dobbiamo montare?”
La domanda è:
“Quale sistema di tenuta è adatto alle reali condizioni meccaniche e termiche dell’applicazione?”
1. Il materiale della tenuta deve essere scelto in funzione della temperatura reale
Uno dei primi risultati dell’analisi Vega riguardava il materiale della tenuta.
Il cliente indicava una temperatura massima dello stampo di circa 80°C. Tuttavia, poiché l’estremità dell’asta del cilindro era direttamente esposta al materiale plastico, il Reparto Tecnico ritenne possibile che la temperatura nella zona della tenuta potesse superare i 90°C.
Questa distinzione è fondamentale.
La temperatura nominale dello stampo non è necessariamente la temperatura alla quale lavora la tenuta.
Nella zona del cilindro possono infatti influire:
- conduzione termica attraverso l’acciaio;
- contatto con la plastica calda;
- frequenza del ciclo;
- capacità di raffreddamento dello stampo;
- posizione della tenuta rispetto alla zona calda.
Per questo motivo, la selezione del materiale deve essere basata sulla temperatura effettiva della zona di tenuta, quando questa è diversa dalla temperatura nominale dello stampo.
2. Perché Vega ha proposto un poliuretano ad alta temperatura
Il Reparto Tecnico Vega mise quindi in discussione l’utilizzo di un normale poliuretano.
La proposta fu una speciale tenuta in poliuretano ad alta temperatura, 96 Shore A, con una temperatura massima di esercizio indicata intorno a 130°C e una capacità di sopportare picchi fino a circa 145°C.
Il punto importante non è semplicemente che il nuovo materiale abbia una temperatura massima superiore.
Il vero principio progettuale è questo:
il materiale della tenuta deve essere compatibile con l’intera combinazione di pressione, temperatura, movimento e condizioni geometriche.
Una tenuta perfettamente adatta a un normale cilindro industriale può quindi non essere la soluzione ideale quando lo stesso tipo di tenuta viene utilizzato all’interno di uno stampo a iniezione.
3. La geometria della gola è parte integrante del sistema di tenuta
Un altro problema individuato da Vega riguardava le gole delle tenute.
La tolleranza tra l’asta del pistone e la relativa sede sembrava corretta, ma nella documentazione disponibile mancavano le dimensioni effettive delle gole.
Questo è un punto spesso sottovalutato.
La tenuta non può essere progettata separatamente dalla propria sede.
La geometria della gola determina infatti come il materiale elastomerico viene:
- posizionato;
- compresso;
- sostenuto;
- deformato dalla pressione;
- mantenuto nella posizione corretta durante il movimento.
Per questo motivo, quando si verifica una rottura prematura, è necessario controllare sia la tenuta sia la sua sede.
4. Pressione e gioco di estrusione devono essere valutati insieme
Quando una tenuta viene sottoposta a pressione, il materiale elastomerico tende a deformarsi.
Se esiste un gioco eccessivo tra le superfici di accoppiamento, una parte della tenuta può essere spinta all’interno di questo spazio.
Questo fenomeno viene normalmente indicato come estrusione della tenuta.
Il problema diventa particolarmente importante quando si combinano:
- pressione elevata;
- temperatura elevata;
- materiale elastomerico relativamente morbido;
- gioco eccessivo;
- elevato numero di cicli.
Per questo motivo non è sufficiente conoscere soltanto la pressione massima del cilindro.
Bisogna conoscere anche la geometria effettiva della sede e i giochi disponibili.
5. La rugosità dell’asta può determinare la durata della tenuta
Nel caso Vega, Stefano Rogora evidenziò anche un problema relativo alla rugosità superficiale.
Il valore indicato nella documentazione sembrava essere intorno a Ra 1,2, mentre il valore massimo raccomandato dal produttore della tenuta era Ra 0,8.
Una differenza apparentemente piccola può diventare molto importante quando una tenuta deve compiere milioni di movimenti.
La superficie dell’asta deve garantire un compromesso corretto tra:
- attrito;
- lubrificazione;
- usura;
- capacità di tenuta;
- durata.
Una superficie eccessivamente ruvida può accelerare l’usura del labbro della tenuta.
E in uno stampo che lavora circa un milione di cicli all’anno, anche un piccolo aumento del tasso di usura può trasformarsi rapidamente in un problema di produzione.
6. Una corsa di soli 2,7 mm non significa necessariamente una condizione facile
La corsa del pistone nel caso analizzato era di appena 2,7 mm.
A prima vista potrebbe sembrare un’applicazione poco impegnativa.
Ma la corsa non deve essere valutata separatamente dal numero di cicli.
Se il cilindro esegue continuamente una corsa molto breve, la tenuta lavora ripetutamente nella stessa zona della superficie.
Con circa 1 milione di cicli all’anno, la quantità complessiva di movimento e di contatti ripetuti diventa enorme.
Perciò:
La durata di una tenuta non dipende semplicemente dalla lunghezza della corsa.
Bisogna considerare anche frequenza, velocità, pressione, temperatura e condizioni superficiali.
7. Anche la velocità del pistone influenza la tenuta
Il Manuale Tecnico Vega specifica che la velocità massima ammissibile del pistone dipende dal tipo di tenute installate.
Come riferimento pratico, il manuale indica circa 0,5 m/s per molti cilindri, con una velocità che deve essere significativamente ridotta in prossimità delle estremità della corsa. Con cilindri dotati di cushioning è possibile raggiungere velocità superiori, nell’ordine di 0,7–0,8 m/s, in funzione della configurazione.
Il manuale richiama inoltre il problema dello stick-slip alle velocità molto basse, quando l’asta può muoversi nella zona di transizione tra attrito statico e dinamico.
Questo è importante perché la tenuta non deve essere valutata solamente in condizioni statiche.
Deve essere compatibile anche con la dinamica del movimento.
8. Anche la temperatura massima del cilindro dipende dalla configurazione
Il Manuale Tecnico Vega distingue chiaramente le temperature ammissibili in funzione della configurazione del cilindro.
Per i cilindri Vega vengono indicati, in generale:
- circa 140°C come temperatura operativa normale;
- fino a 80°C per cilindri con sensori;
- circa 100°C per alcune configurazioni con corpo in alluminio senza sensori;
- fino a 160°C per alcune configurazioni standard senza sensori o con sensori ad alta temperatura.
Il manuale precisa inoltre che temperature superiori possono essere possibili con configurazioni speciali.
Questo conferma un concetto fondamentale:
Non esiste una temperatura massima universale per tutti i cilindri oleodinamici.
La temperatura deve essere verificata in funzione della configurazione specifica, delle tenute e degli eventuali sensori.
9. Non bisogna sostituire la tenuta prima di controllare l’asta
Se una tenuta perde, la sostituzione è certamente una delle prime operazioni di manutenzione.
Ma non dovrebbe essere l’unica.
Prima di installare una nuova tenuta è opportuno verificare anche:
- condizioni dell’asta;
- eventuali graffi;
- rugosità;
- concentricità;
- allineamento;
- giochi;
- geometria della gola.
Una nuova tenuta installata su una superficie non corretta può semplicemente ripetere lo stesso ciclo di danneggiamento.
Questo è uno dei motivi per cui un problema apparentemente “di tenuta” può continuare a ripresentarsi anche dopo numerose sostituzioni.
10. L’allineamento è fondamentale
La tenuta è progettata per lavorare in una determinata geometria.
Se l’asta non è perfettamente allineata, il sistema di tenuta può essere sottoposto a carichi non uniformi.
Questo può aumentare:
- attrito;
- usura;
- deformazione locale;
- rischio di perdita.
In uno stampo a iniezione questo aspetto è particolarmente importante perché il cilindro è spesso integrato in sistemi molto compatti, nei quali slitte, tasselli, guide e cilindri lavorano contemporaneamente.
Il cilindro deve quindi essere installato in modo da non trasformare eventuali carichi laterali in sollecitazioni anomale sulla tenuta.
11. Quando è necessario un cilindro speciale?
Nel caso analizzato, il cliente era disponibile a sostituire il sistema esistente con un cilindro o pistone speciale Vega, utilizzando la tecnologia di tenuta Vega.
Questa possibilità diventa particolarmente interessante quando l’applicazione presenta condizioni non facilmente compatibili con un prodotto standard:
- spazio di installazione limitato;
- corsa molto particolare;
- temperatura elevata;
- numero di cicli estremamente alto;
- condizioni di tenuta specifiche;
- necessità di materiali speciali;
- geometrie non standard.
Tuttavia, Vega sottolineò anche che non era possibile valutare immediatamente un cilindro speciale completo perché mancava il disegno costruttivo del cilindro esistente.
Anche questo è un importante principio ingegneristico:
senza dati geometrici affidabili, non è possibile progettare correttamente una soluzione sostitutiva.
12. Quali dati servono per progettare correttamente il sistema di tenuta?
Prima di selezionare una tenuta per un cilindro installato in uno stampo a iniezione, è opportuno raccogliere almeno:
Dati oleodinamici
- pressione nominale;
- pressione massima;
- eventuali picchi di pressione;
- tipo di olio;
- portata;
- velocità del cilindro.
Dati meccanici
- alesaggio;
- diametro dell’asta;
- corsa;
- giochi;
- allineamento;
- eventuali carichi laterali.
Dati della tenuta
- tipologia;
- materiale;
- durezza;
- dimensioni;
- geometria della gola;
- giochi di estrusione.
Dati termici
- temperatura dello stampo;
- temperatura nella zona della tenuta;
- temperatura massima;
- variazioni termiche;
- condizioni di raffreddamento.
Dati produttivi
- tempo ciclo;
- cicli/ora;
- cicli/anno;
- vita prevista dello stampo.
Più questi dati sono accurati, meno la scelta della tenuta dipenderà da tentativi successivi.
La lezione del caso Vega
Il punto più importante di questo caso è che una tenuta raramente si danneggia completamente da sola.
Nel caso analizzato sono emersi diversi elementi che potevano contribuire alla riduzione della durata:
- dimensioni delle gole non disponibili nella documentazione;
- rugosità superficiale potenzialmente superiore a quella raccomandata;
- temperatura reale della zona di tenuta potenzialmente superiore alla temperatura dichiarata dello stampo;
- possibile incompatibilità del materiale standard con la reale temperatura di esercizio;
- numero estremamente elevato di cicli annuali.
La proposta di utilizzare un poliuretano ad alta temperatura rappresentava quindi una parte della soluzione, ma l’analisi dimostra che materiale, geometria, superficie e condizioni operative devono essere verificati insieme.
Conclusione
La progettazione delle tenute per cilindri oleodinamici installati negli stampi a iniezione richiede un approccio molto più approfondito della semplice scelta di una tenuta con il diametro corretto.
Il caso Vega dimostra che temperatura, rugosità, geometria della gola, pressione, velocità, allineamento e numero di cicli possono determinare la durata reale del sistema di tenuta.
Il Manuale Tecnico Vega conferma inoltre che velocità del pistone e temperatura massima sono parametri strettamente legati alla configurazione del cilindro e al tipo di tenute utilizzate.
La lezione fondamentale è quindi:
La durata di una tenuta non dipende soltanto dal materiale della tenuta. Dipende dall’interazione tra tenuta, cilindro, geometria della sede, superficie di scorrimento, pressione, temperatura e condizioni dinamiche del ciclo.
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