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Quando gli ingegneri specificano viti a ricircolo di sfere per macchine per lo stampaggio a iniezione completamente elettriche, l’attenzione si concentra principalmente sul diametro della vite, sul passo e sul tipo di madrevite. Tuttavia, la configurazione dei cuscinetti di supporto agli estremi della vite è altrettanto critica: essa determina la rigidezza assiale, la velocità critica, il comportamento legato alla dilatazione termica e, in ultima analisi, le prestazioni di posizionamento della macchina.
Una configurazione di cuscinetti scelta in modo inadeguato provoca vibrazioni ad alte velocità, sollecitazioni termiche eccessive e guasti prematuri. Questa guida illustra dettagliatamente le quattro configurazioni standard di supporto e spiega quale scegliere per ciascun asse di una macchina per lo stampaggio a iniezione.
Perché i cuscinetti di supporto sono fondamentali
Le viti a ricircolo di sfere sono alberi lunghi e sottili sottoposti a carico assiale. Senza un adeguato supporto alle estremità, presentano due problemi fondamentali:
1. Deformazione assiale sotto carico
Quando la vite spinge o tira un carico, l’albero stesso si comprime o si allunga elasticamente. Ciò riduce direttamente la precisione di posizionamento. I cuscinetti di supporto devono opporsi a questo movimento assiale con la massima rigidità.
2. Vibrazione laterale (whirling) ad alta velocità
All’aumentare del numero di giri al minuto (RPM) della vite, le forze centrifughe provocano una deformazione verso l’esterno dell’albero — fenomeno noto come "whirling della vite" o "ball screw whirling". Alla velocità critica, le vibrazioni diventano così intense da danneggiare il dado, i cuscinetti e lo stesso albero della vite. Il tipo di cuscinetto di supporto e la distanza tra i supporti determinano direttamente la velocità critica.
Nell’impianto di stampaggio ad iniezione, entrambi i problemi sono rilevanti:
- Assi di chiusura : Carico assiale elevato → la rigidità è fondamentale
- Assi di iniezione : Alta velocità + carico moderato → contano sia la rigidità sia la velocità critica
- Assi di espulsione : Velocità media, carico basso → soluzioni standard economiche funzionano bene
Le quattro configurazioni standard di supporto
1. Fisso-libero (mensola)
Descrizione: Un’estremità è supportata da un insieme di cuscinetti fissi (a contatto angolare o assiali); l’altra estremità non ha alcun supporto.
Rigidità: Minimo — la vite agisce come una trave a mensola
Velocità critica: Minima — circa il 15% rispetto alla configurazione con entrambe le estremità fisse
Dilatazione termica: L’estremità libera consente l’espansione senza vincoli
Costo: Punto più basso
Dove viene utilizzato:
- Applicazioni con corsa molto breve
- Assi verticali in cui la vite è sospesa verso il basso
- Applicazioni a carico leggero e bassa velocità
Applicazione per lo stampaggio a iniezione:
Raramente utilizzata sugli assi principali. Talvolta presente su piccoli assi ausiliari, ad esempio il contatto dell’ugello su micro-pressofusori. Non raccomandata per alcun asse primario.
2. Supportata-Supportata (semplicemente supportata)
Descrizione: Entrambe le estremità sono dotate di cuscinetti radiali (cuscinetti a sfere a scanalatura profonda) che fissano radialmente la vite, ma ne consentono il galleggiamento assiale.
Rigidità: Basso — nessun vincolo assiale
Velocità critica: Moderato — entrambe le estremità supportate radialmente
Dilatazione termica: Entrambe le estremità possono galleggiare assialmente, quindi la dilatazione termica è completamente libera
Costo: Bassi
Dove viene utilizzato:
- Assi di trasporto e convogliatori
- Posizionamento a bassa precisione
- Applicazioni in cui la dilatazione termica è la preoccupazione principale
Applicazione per lo stampaggio a iniezione:
Non adatto per assi di precisione. L'assenza totale di rigidità assiale rende impossibile un posizionamento accurato.
3. Fisso–Sostenuto (il più comune)
Descrizione: Un estremo presenta un insieme di cuscinetti fissi (cuscinetti a contatto obliquo, montati in configurazione duplex o triplex) che resiste sia ai carichi radiali sia a quelli assiali. L'estremo opposto presenta un cuscinetto di supporto radiale semplice che consente il galleggiamento assiale.
Rigidità: Alta — l'estremo fisso fornisce il posizionamento assiale
Velocità critica: Alta — entrambi gli estremi sono sostenuti radialmente
Dilatazione termica: L'estremo libero assorbe l'espansione verso il lato sostenuto
Costo: Moderato
Dove viene utilizzato:
- La maggior parte delle applicazioni di posizionamento per uso generale
- Assi a velocità media–alta
- Applicazioni con significativa variazione di temperatura
Applicazione per lo stampaggio a iniezione:
Questa è la configurazione standard per la maggior parte degli assi di iniezione. L’estremità fissa è montata sul lato del motore/azionamento; l’estremità supportata è libera di muoversi per compensare la dilatazione termica. Ciò bilancia rigidità, capacità di velocità e gestione termica.
4. Fisso-Fisso (entrambe le estremità rigide)
Descrizione: Entrambe le estremità presentano gruppi di cuscinetti fissi (cuscinetti a contatto angolare pre-caricati l’uno contro l’altro), vincolando completamente l’albero filettato assialmente su entrambi i lati.
Rigidità: Massima — il vincolo assiale su entrambe le estremità raddoppia la rigidezza effettiva
Velocità critica: Massima — fino a 4× superiore rispetto alla configurazione fisso-libero
Dilatazione termica: Completamente vincolato → la dilatazione termica genera tensione di compressione
Costo: Massima — più cuscinetti, assemblaggio più complesso, richiede regolazione del precarico
Dove viene utilizzato:
- Macchine utensili ad altissima precisione
- Assi ad alta velocità e alta accelerazione
- Applicazioni che richiedono massima rigidità
Applicazione per lo stampaggio a iniezione:
Utilizzato su assi di serraggio ad alta precisione di grandi macchine completamente elettriche in cui la massima rigidità è essenziale. Il compromesso è che la dilatazione termica risulta vincolata, generando forze interne di compressione. Ciò richiede o viti raffreddate, o un controllo termico molto accurato, o un calcolo attento del precarico dei cuscinetti per evitare sovraccarichi.
Selezione della configurazione in base all'asse di stampaggio a iniezione
Asse di chiusura
Consigliato: supporto fisso-libero (standard) o supporto fisso-fisso (alta precisione)
L'asse di serraggio sopporta il carico assiale più elevato e richiede massima rigidità per prevenire fuoriuscite di materiale (flash) nello stampo e disallineamenti della linea di separazione.
-
Macchine standard → supporto fisso-libero: Rigidità sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di serraggio. La dilatazione termica derivante da elevate frequenze di ciclo viene assorbita all'estremità libera. Questa è la configurazione più comune per macchine fino a circa 350 tonnellate.
-
Macchine grandi / ad alta precisione → Fisso-Fisso: Per macchine superiori a 500 tonnellate o per la produzione di componenti ultra-precisi, la configurazione fisso-fisso garantisce la massima rigidità assiale. La vite è completamente vincolata a entrambe le estremità, eliminando qualsiasi gioco assiale. Questa configurazione richiede quasi sempre una vite raffreddata per gestire la dilatazione termica, poiché l’espansione non può essere compensata da un’estremità mobile.
Asse di iniezione
Consigliato: Fisso-Supportato
L’asse di iniezione richiede sia elevata velocità (per un’iniezione rapida) sia buona accuratezza di posizionamento (per garantire coerenza del peso della singola dose).
- Estremità fissa sul lato motore / di azionamento
- Estremità supportata sul lato dello stantuffo di iniezione
- La dilatazione termica si espande verso la parte anteriore del cilindro, il che è accettabile perché la posizione finale di iniezione è controllata dall’encoder servo all’estremità fissa
Il supporto fisso offre un’eccellente velocità critica per le corsie di iniezione rapide, consentendo al contempo di assorbire l’espansione termica all’estremità non azionata. Questo è lo standard universale per gli assi di iniezione su tutte le dimensioni di macchina.
Asse di espulsione
Consigliato: Fisso-Supportato
Gli assi di eiezione operano a velocità e carichi moderati. Il supporto fisso offre rigidezza e capacità di velocità più che sufficienti.
- Estremità fissa sul lato di azionamento
- Estremità supportata sul lato della piastra dell’eiettore
- L’allungamento termico è minimo grazie al ciclo di lavoro ridotto
Alcune macchine più piccole utilizzano il supporto supportato-supportato per motivi di costo sugli assi di eiezione, ma questa soluzione non è raccomandata per applicazioni di eiezione di precisione.
Traslazione dell’unità di iniezione
Consigliato: supportato-supportato o fisso-supportato
Il contatto con la punta della cannula / la traslazione dell’unità di iniezione presenta i requisiti di precisione più bassi tra tutti gli assi. Il supporto supportato-supportato è adeguato ed economicamente vantaggioso. Le macchine di fascia alta utilizzano il supporto fisso-supportato per una leggermente migliore ripetibilità del contatto con la punta della cannula.
Tipi di cuscinetti utilizzati in ciascuna configurazione
Cuscinetti fissi
L’estremità fissa deve resistere sia ai carichi radiali sia a quelli assiali in entrambe le direzioni. La soluzione standard è cuscinetti a sfere a contatto angolare doppi montati faccia a faccia (DF) o dorso a dorso (DB).
- Montaggio DF (faccia a faccia) : Adatto per tollerare disallineamenti, rigidità al momento inferiore
- Montaggio DB (dorso a dorso) : Rigidità al momento più elevata, ideale per funzionamento ad alta velocità
- Configurazioni triple (due + uno) : Utilizzati per carichi assiali molto elevati, comuni sugli assi di serraggio di grandi dimensioni
I cuscinetti a contatto angolare sono generalmente pre-caricati in fabbrica per eliminare il gioco interno e massimizzare la rigidità. Le classi di pre-carico più comuni sono leggero, medio e pesante — scelte in base ai requisiti di carico dell'applicazione.
Cuscinetti per estremità supportata
L'estremità supportata richiede solo un posizionamento radiale; è necessario consentire un movimento assiale flottante. Roller a sfera per cuscinetti a profilo profondo sono la scelta standard. Gestiscono bene i carichi radiali e permettono all'albero filettato di scorrere assialmente attraverso l'anello interno del cuscinetto durante l'espansione termica.
Alcuni cuscinetti per estremità supportata utilizzano una struttura a rulli cilindrici per una maggiore capacità di carico radiale, ma i cuscinetti a sfere a scanalatura profonda sono di gran lunga i più diffusi nelle macchine per lo stampaggio a iniezione.
Velocità critica: Perché la configurazione è fondamentale
La velocità critica è il numero di giri al minuto (RPM) a cui l'albero filettato inizia a risonare lateralmente (fenomeno di whirl). Funzionare alla velocità critica o in prossimità di essa provoca vibrazioni intense, rumore e usura accelerata.
La formula per la velocità critica dipende fortemente dalla configurazione di supporto:
tabella
| Configurazione | Fattore di velocità critica | Rispetto a fisso-libero |
|---|---|---|
| Fisso-Libero | 1.0× | Linea di Base |
| Supportato-supportato | 3.7× | 3,7× più elevato |
| Fisso-Supportato | 4.5× | 4,5× più elevato |
| Fisso-Fisso | 6.0× | 6,0× più elevato |
Per una vite di diametro 40 mm e lunghezza 1.500 mm:
- Fisso-libero → ~800 giri/min (troppo lento per l’iniezione)
- Fisso-supportato → ~3.600 giri/min (adatto alla maggior parte degli assi di iniezione)
- Fisso-fisso → ~4.800 giri/min (macchine confezionatrici ad alta velocità)
Questo è il motivo per cui la configurazione fisso-supportato rappresenta la configurazione minima accettabile per gli assi di iniezione: qualsiasi configurazione inferiore non riesce semplicemente a raggiungere le velocità richieste senza vibrazioni pericolose.
Espansione termica e progettazione dei cuscinetti
L’espansione termica è un fattore fondamentale nella scelta della configurazione dei cuscinetti.
Comportamento termico fisso-supportato:
La vite si espande verso l’estremità supportata, dotata di un cuscinetto flottante. Non viene generato alcun ulteriore sforzo. Questa configurazione è termicamente stabile e tollerante.
Comportamento termico fisso-fisso:
Entrambe le estremità sono vincolate, quindi l’espansione termica genera una forza assiale di compressione sulla vite. Tale forza si somma al precarico dei cuscinetti e può:
- Sovraccaricare i cuscinetti, riducendone la durata
- Far leggermente incurvare la vite, compromettendone la precisione
- Aumentare l'attrito e la generazione di calore
Soluzioni per i problemi termici con entrambe le estremità fisse:
- Viti raffreddate — albero cavo con refrigerante circolante per mantenere una temperatura costante
- Calcolo preciso del precarico — impostare un precarico iniziale dei cuscinetti sufficientemente basso affinché l'espansione termica non superi i limiti di sicurezza
- Un'estremità semifissa — soluzione intermedia in cui un'estremità presenta un gioco assiale limitato grazie a cuscinetti caricati da molla
Consigli pratici per l'installazione
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L'allineamento è fondamentale Un allineamento impreciso tra l'asse della vite e i fori dei cuscinetti causa inceppamento, attrito eccessivo e guasti prematuri dei cuscinetti. Utilizzare strumenti di allineamento di precisione durante l'installazione.
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Il precarico dei cuscinetti deve essere corretto I cuscinetti con precarico insufficiente presentano gioco interno → gioco e rigidità ridotta. I cuscinetti con precarico eccessivo surriscaldano e si usurano rapidamente. Rispettare sempre le specifiche di coppia indicate dal produttore.
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I dadi di bloccaggio devono essere fissati correttamente Il dado di bloccaggio sull’albero che regola il precarico del cuscinetto deve essere bloccato con una vite di bloccaggio o una piastra di bloccaggio. Le vibrazioni generate dal funzionamento della macchina possono allentare i dadi di bloccaggio non adeguatamente fissati, causando una perdita catastrofica del precarico.
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Sigillare correttamente contro la contaminazione Negli stabilimenti per lo stampaggio a iniezione sono presenti polvere di plastica, nebbia oleosa e acqua di raffreddamento. Le guarnizioni dei cuscinetti devono essere idonee all’ambiente operativo. Valutare l’aggiunta di sigilli labirintici esterni o coperture per una protezione aggiuntiva.
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Lubrificare correttamente I cuscinetti di supporto richiedono una lubrificazione adeguata: né troppa (l’agitazione genera calore) né troppo poca (il contatto metallico causa usura). Seguire la quantità di grasso e l’intervallo di rilubrificazione raccomandati dal produttore.
Conclusione
La configurazione dei cuscinetti di supporto per il sistema a vite a ricircolo di sfere è una decisione ingegneristica fondamentale che influisce sulla rigidità, sulla capacità di velocità, sul comportamento termico e sulla durata di ogni asse di una macchina ad iniezione completamente elettrica.
Riferimento rapido per l'iniezione:
- Asse di chiusura : Fisso-supportato (standard) oppure fisso-fisso (alta precisione / elevata tonnellata)
- Asse di iniezione : Fisso-supportato (standard universale)
- Asse di espulsione : Fisso-supportato
- Contatto ugello : Supportato-supportato (economico) oppure fisso-supportato (precisione)
Comprendere i compromessi tra rigidità, velocità critica, gestione termica e costo consente ai costruttori di macchine e ai team di manutenzione di effettuare la scelta corretta per ogni applicazione. E per gli operatori di presse a iniezione che riscontrano problemi di vibrazione o di precisione, verificare lo stato e la configurazione dei cuscinetti di supporto dovrebbe essere uno dei primi passaggi diagnostici.
