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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Werkzeugs für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials, insbesondere eines Lochdorns zum Lochen eines Massivblocks zu einem Hohlblock, wobei das Werkzeug mit einem Kühl- und/oder Schmiermittel beaufschlagt wird, um es zu kühlen und/oder zu schmieren, und wobei das Kühl- und/oder Schmiermittel mit einer Temperatur von unter 0 °C auf eine heiße Oberfläche des Werkzeugs aufgebracht wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen des Werkzeugs gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 6.
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Ein Werkzeug der genannten Art kann ein Lochdorn sein, der sich am axialen Ende einer Dornstange befindet. Im hohlen Inneren des Lochdorns kann ein Kühlrohr zur Eingabe eines Kühlmediums in den Hohlraum angeordnet sein. Ein Lochdorn dient zum Lochen eines massiven Blocks in einem Schrägwalzwerk, um einen Hohlblock herzustellen. Der Lochdorn befindet sich am Ende einer Dornstange, dessen Aufgabe es ist, den Lochdorn im Schrägwalzwerk zu positionieren.
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Die Dornstange im nachfolgenden Walzprozess hat keinen Lochdorn am Stangenende. Hier dient die Lochstange als Werkzeug, um die Luppe herzustellen. Die Dornstange selbst wird dafür meistens zuvor gekühlt und mit einem Schmierstoff versehen. Insoweit ist auch die Dornstange an dieser Stelle als Werkzeug für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials zu verstehen.
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Ein Werkzeug der in Rede stehenden Art kann auch ein Schmiede- oder Walzwerkzeug sein.
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Generell ist das vorliegende Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung dazu dienlich, ein Werkzeug zu kühlen bzw. zu schmieren, mit dem eine Umformung von metallischem Material erfolgt. Die Werkzeugbereiche, die mit dem umzuformenden Material in Kontakt sind, werden dabei geschmiert bzw. gekühlt.
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Nahtlose Rohre werden häufig im sog. Kontiwalzverfahren (kontinuierliches Rohrwalzverfahren) hergestellt. Als Ausgangsmaterial dient zumeist gewalzter Rundstahl, vorwiegend als Rundstrangguss, der in einem Drehherdofen auf Walztemperatur von ca. 1.280 °C gebracht wird. Nach einer Presswasserentzunderung erfolgt das Lochen des Massivblocks auf einem Lochwalzwerk zu einem Hohlblock. Als Lochwalzwerk wird dabei zumeist ein Schrägwalzwerk eingesetzt. Dabei sind die Walzen zwecks Erreichens einer hinreichenden Durchsatzleistung um einen Winkel zwischen 10° und 12° zur Walzgutachse geneigt. Der im Lochwalzwerk gefertigte Hohlblock wird dann in gleicher Wärme in einem Kontiwalzwerk über eine Dornstange zu einer Luppe ausgewalzt. Dabei wird bis zu einer vierfachen Streckung erreicht, d. h. es kommt zu einer Querschnittsabnahme bis zu 75 %. Hierfür werden die eingangs genannten Werkzeuge eingesetzt.
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Vor dem Beginn des Walzvorgangs im Kontiwalzwerk wird die Dornstange in den Hohlblock eingeschoben bzw. eingefädelt. Nach dem Erreichen einer bestimmten Position werden dann Hohlblock samt Dornstange in das Kontiwalzwerk eingestoßen. Das Walzgut wird von den Walzen erfasst und durch die von Gerüst zu Gerüst kleiner werdenden Walzkaliber auf dem Lochdorn ausgewalzt.
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Ein im Schrägwalzwerk auftretendes Problem besteht darin, dass der Lochdorn einer erheblichen thermischen Belastung unterliegt. Dies wirkt sich negativ auf die Standzeit des Lochdorns aus. Bei hohen Temperaturen des Lochdorns werden nämlich die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften des Lochdorns nachteilig beeinflusst.
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Es ist daher beispielsweise aus der
GB 1 256 945 bekannt geworden, im Lochdorn ein Kühlrohr anzuordnen, mit dem ein Kühlmedium ins Innere des Lochdorns geleitet werden kann. Ähnliche bzw. andere Lösungen zeigen die
DE 31 36 381 A1 , die
US 6 073 331 , die
AT 391 641 B , die
DE 959 452 C und die
AT 282 300 .
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2005 001 806 A1 bekannt. Hier wird ein Verfahren zum Kaltwalzen eines metallischen Walzguts beschrieben, bei dem entstehende Umformwärme durch Zufuhr eines Industriegases abgeleitet wird, das eine geringere Temperatur als das Walzgut aufweist. Dabei kommt insbesondere gekühltes Kohlendioxidgas, Luft oder ein Inertgas zum Einsatz. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines kalten Gasstroms werden in der
DE 10 2005 013 140 A1 sowie in der
US 1 952 281 A beschrieben. Konkret für die Kühlung einer Dornstange beim Lochen oder Strecken von Hohlblöcken beschreibt die
DE 40 04 155 A1 eine Lösung, wobei hier vorgesehen ist, dass ein Medium während des Betriebs ständig umlaufend durch den Dornstangenkopf geleitet, jedoch zeitweilig auch aus Auslassbohrungen der Dornstange bzw. des Dornstangenkopfes nach außen abgespritzt wird. Bei der Lösung gemäß der
DE 10 2012 224 418 A1 weist ein Werkzeug zum Warmumformen in seinem Inneren Kanäle auf, durch die zwecks Kühlung ein gekühltes Medium geleitet wird.
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Bei den vorbekannten Lösungen hat es sich herausgestellt, dass die Kühlung immer noch nicht zufriedenstellend ist. Zwar kann durch Einleitung von Wasser der Lochdorn gekühlt werden. Allerdings bilden sich ohne weitergehende Maßnahmen mitunter keine guten Kontaktverhältnisse zwischen dem Kühlmittel und der Werkzeuginnenfläche (d. h. der Innenbohrung der Dornstange) aus. Vielmehr kann sich schnell an der heißen Innenoberfläche des Werkzeugs ein Dampffilm ausbilden (sog. Leidenfrost-Effekt), der die abführbare Wärmemenge reduziert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zugehörige Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem bzw. mit der es möglich ist, eine verbesserte Kühlung des Werkzeugs zu erreichen und damit die Standzeit des Werkzeugs zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel aus aus Wasser oder aus Schmierstoff hergestellten Eispartikeln besteht oder diese aufweist.
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Das Kühl- und/oder Schmiermittel kann dabei mit einem Luftstrahl auf die Oberfläche geblasen werden. Zum Fördern des Kühl- und/oder Schmiermittels kann dabei Luft eingesetzt werden, die eine Düse mit einer Temperatur zwischen minus 40 °C bis minus 10 °C, vorzugsweise zwischen minus 30 °C bis minus 20 °C, verlässt.
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Das Kühl- und/oder Schmiermittel kann auf eine äußere Oberfläche des Werkzeugs aufgebracht werden; alternativ oder additiv kann aber auch vorgesehen sein, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel auf eine innere Oberfläche des Werkzeugs aufgebracht wird, wobei die innere Oberfläche durch einen innenliegenden hohlzylindrischen Bereich gebildet wird.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Kühlen eines Werkzeugs für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials, insbesondere eines Lochdorns zum Lochen eines Massivblocks zu einem Hohlblock, hat Mittel zum Beaufschlagen des Werkzeugs mit einem Kühl- und/oder Schmiermittel, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Vorrichtung eine Einrichtung umfasst, mit der ein Luftstrom abgekühlt werden kann, um über den Luftstrom das Kühl- und/oder Schmiermittel auf eine Temperatur unterhalb von 0 °C abkühlen und auf eine heiße Oberfläche des Werkzeugs aufbringen zu können, wobei die Einrichtung ein Wirbelrohr ist oder ein solches umfasst.
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Die Vorrichtung kann weiterhin eine Ausbringeinheit, insbesondere eine Düse, umfassen, mit der abgekühltes Kühl- und/oder Schmiermittel auf eine äußere Oberfläche des Werkzeugs geleitet werden kann. Die Vorrichtung kann auch eine Ausbringeinheit, insbesondere eine Düse, umfassen, mit der abgekühltes Kühl- und/oder Schmiermittel auf eine innere Oberfläche des Werkzeugs geleitet werden kann, wobei die innere Oberfläche durch einen innenliegenden hohlzylindrischen Bereich gebildet wird.
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Die Aufbringung einer Eisschicht auf die heiße Werkzeugoberfläche wird also zur effizienten Kühlung des Werkzeugs genutzt. Dabei kann nicht nur Wasser, sondern alternativ oder additiv auch Schmierstoff entsprechend gekühlt bzw. im Eiszustand auf das Werkzeug aufgebracht werden.
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Die Erzeugung von Eiskristallen - sowohl aus dem Wasser als auch aus dem Schmierstoff - erfolgt bevorzugt durch feines Vernebeln des Wassers bzw. des Schmierstoffs in einem kalten Luftstrom. Für die Erzeugung des besagten kalten Luftstroms wird bevorzugt ein als solches bekanntes Wirbelrohr eingesetzt. Ein solches Wirbelrohr - auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr - ist eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
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Die mit der vorgeschlagenen Lösung erzielbare Reduzierung der Arbeitstemperaturen des Lochdorns samt Stopfen trägt zur Beibehaltung des Ausgangszustands des Lochdorns bei, was die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften anbelangt. Demgemäß kann die Haltbarkeit bzw. Standzeit des Werkzeugs erhöht werden. Die Herstellung von Nahtlosrohren kann damit wirtschaftlicher erfolgen.
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Dem entsprechend wird eine Temperaturerhöhung in den Werkzeugen verhindert.
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Die Erfindung kommt bevorzugt beim Lochen in einem Schrägwalzwerk bei der Herstellung eines nahtlosen Rohres zum Einsatz.
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Eine weitere bevorzugte Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung ist das Schmieden und Walzen metallischen Materials.
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So hat sich das vorgeschlagene Konzept beispielsweise sehr zum Schmieren und Kühlen von Werkzeughälften beim Gesenkschmieden bewährt. Beim Gesenkschmieden wird in der Regel zwischen zwei Umformhüben das Werkzeug mittels Kühl- und Schmiermittel besprüht. Auch beim konventionellen Freiformschmieden ist die vorgeschlagene Lösung sehr vorteilhaft, da oftmals die Schmiedesättel mittels Druckluft von Zunder befreit werden. So kann dann die vorgeschlagene Vorrichtung nach dem Zunderentfernen Kühl- und Schmierstoff ausbringen.
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Entsprechendes gilt für Walzprozesse, insbesondere für Ringwalzprozesse.
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Das Aufbringen von Wasser und/oder Schmierstoff in gefrorener Form hat zwei wesentliche Vorteile:
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Zum einen wird der Leidenfrosteffekt verhindert, unabhängig davon, wie heiß die Oberfläche des Werkzeugs ist.
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Weiter ist sehr vorteilhaft, dass bereits beim Schmelzen des Eises dem Werkzeug wesentlich mehr Energie entzogen werden kann, als dies bei flüssigen Kühl- bzw. Schmierstoffen der Fall ist (s. hierzu die Ausführungen unten).
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Weiter wird aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Eis (s. hierzu die Ausführungen unten) vorteilhaft die Wärme aus dem Werkzeug viel besser und schneller abgeführt.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
- 1 zeigt ein Werkzeug in Form eines Lochdorns, das mit einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlmedium gekühlt wird, und
- 2 zeigt ein Werkzeug, das mit einem Kühl-Schmier-Medium beaufschlagt wird.
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In den Figuren ist mit der Bezugsziffer 1 ein Werkzeug bezeichnet, bei dem es sich insbesondere um einen Lochdorn handelt. Insbesondere bei dem Werkzeug nach 2 kann es sich allerdings auch um ein beliebig anderes Werkzeug handeln, das für die umformende Bearbeitung von metallischem Material eingesetzt wird. Auf die bevorzugte Anwendung bei Schmiedewerkzeugen wurde oben bereits hingewiesen.
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In 1 ist der Lochdorn 1 zu sehen, der sich am Ende einer (nicht dargestellten) Dornstange befindet. Der Lochdorn wird in der eingangs genannten Weise eingesetzt, um in einem Schrägwalzwerk aus einem massiven Block einen Hohlblock zu walzen.
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Die Dornstange hat einen Hohlraum, in dem sich ein Kühlrohr befindet, das im Hohlraum des Lochdorns mit einer Düse 5 endet.
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Der Lochdorn 1 hat eine äußere Oberfläche 3 und eine innere Oberfläche 6.
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Um eine hinreichende Standzeit des Werkzeugs 1 zu erreichen, ist eine Kühlung und/oder Schmierung nötig. Demgemäß ist vorgesehen, dass ein Kühl- und/oder Schmiermittel 2 auf die äußere Oberfläche 3 und/oder innere Oberfläche 6 des Werkzeugs 1 aufgebracht wird (auf die innere Oberfläche 6 natürlich zumeist nur ein Kühlmittel). Hierzu sei folgendes angemerkt:
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Das Werkzeug zur Massivumformung unterliegt hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Während des Umformvorgangs wird eine große Menge Wärmeenergie in das Werkzeug eingetragen, welches, sofern die Wärmeenergie nicht wieder abgezogen wird, schon nach kurzer Zeit zum Versagen des Werkzeugs führen kann.
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Demgemäß wird in der Praxis das heiße Werkzeug 1 mit einem Kühlmittel 2 in Form von Wasser gekühlt, bevor das Werkzeug 1 - falls nötig - mit einem zumeist wasserlöslichen Schmierstoff beschichtet wird. Die Effizienz der Kühlung wie auch die Schichtstärke des Schmierstoff-Films nimmt dabei mit steigender Oberflächentemperatur des Werkzeugs 1 aufgrund des bereits oben genannten Leidenfrosteffekts ab. Daher ist es nötig, die kinetische Energie der einzelnen Wassertröpfchen der Werkzeugtemperatur anzupassen. Je höher die Werkzeugtemperatur ist, desto größer ist der Aufwand, um die Kühlung innerhalb einer vorgegebenen Taktzeit zu bewältigen.
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Bislang bekannt sind zwei Methoden zum Versprühen der Kühlflüssigkeit. Bei der sog. „Airless“-Variante wird die Flüssigkeit unter Hochdruck (15 bis 120 bar) auf die zu kühlende Oberfläche aufgebracht. Beim luftunterstützten Sprühen wird die Flüssigkeit mittels Luft zerstäubt. Bei beiden Kühlmethoden kommt der Leidenfrosteffekt zum Tragen. Die Werkzeugkühlung arbeitet daher mit einem erheblichen Überschuss an Kühlflüssigkeit.
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Wie beim Kühlen wird auch beim Aufbringen von Schmierstoff auf die Werkzeugoberfläche zwischen „Airless“-Systemen und luftunterstützten Systemen unterschieden. Im Gegensatz zum Kühlen ist es hier jedoch gewünscht, die Einsatzmenge aus Kosten- bzw. Umweltschutzgründen möglichst niedrig zu halten. Das Problem des Leidenfrosteffekts wird dadurch beim Schmieren noch verstärkt.
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Als Leidenfrosteffekt bezeichnet man das Phänomen, dass Wassertröpfchen, je näher diese der heißen Oberfläche entgegen kommen, anfangen, langsam zu verdampfen. Reicht die Bewegungsenergie der Tröpfchen nicht aus, „schwebt“ das Tröpfchen auf einem Dampfpolster, ohne die Oberfläche selbst zu berühren. Dadurch gleitet dieses von der Oberfläche ab, ohne die maximale Kühlwirkung durch vollständige Verdampfung zu erzielen. Dieser Effekt tritt nur bei Berührung von Flüssigkeiten, d. h. im vorliegenden Falle von Kühl- und/oder Schmiermittel, mit heißen Oberflächen, d. h. im vorliegenden Falle dem Werkzeug, auf. Abhängig von der physikalischen Eigenart des flüssigen Stoffes setzt der Leidenfrosteffekt erst bei unterschiedlichen Temperaturen ein.
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Die vorliegende Erfindung nutzt den Umstand, dass Feststoffe nicht dem Leidenfrosteffekt unterliegen.
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Um Wärme aus einem Werkzeug abzuführen, wird in der Regel Wasser verwendet. Wie viel Wärme pro Zeiteinheit abgeführt werden kann, hängt daher von zwei wesentlichen Größen ab, nämlich von der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Kühlmediums.
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Die Wärmekapazität benennt die nötige Wärmeenergie, die nötig ist, um die Temperatur von 1 kg Wasser um 1 K zu erhöhen bzw. abzukühlen. Solange das Wasser in flüssiger Form vorliegt, d. h. zwischen 0 °C und 100 °C, beträgt dieser Wert 4,187 kJ/(kg x K). Um Wasser z. B. um 50 K zu erwärmen, werden 50 K x 4,187 kJ/(kg x K) = 209,35 kJ pro kg Wasser benötigt, und zwar unabhängig davon, ob das Wasser zuvor 20 °C oder 40 °C warm gewesen ist.
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Die Besonderheit liegt jedoch bei den Grenzwerten im Phasenübergangsbereich. Soll 0 °C kaltes Wasser in 0 °C kaltes Eis umgewandelt werden, sind 333,5 kJ/kg nötig und umgekehrt. Demgemäß gilt, um Eis zu schmelzen, benötigt man genauso viel Energie wie benötigt wird, um 10 °C kaltes Wasser auf 91 °C zu erwärmen. Zur Verdampfung von 100 °C heißem Wasser sind sogar 2.257 kJ/kg nötig.
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Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit, Wärmeenergie innerhalb eines Stoffes zu transportieren. Je höher der Wert ist, desto mehr Wärmeenergie kann innerhalb einer Zeiteinheit transportiert werden. Im Gegensatz zu Metallen hat Wasser in flüssiger Form eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet, dass eine heiße Werkzeugoberfläche die Wärme schneller abgibt, als es das Kühlmittel aufnehmen kann. Die Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Wasser liegt bei ca. 0,60 W/(m x K). Anzumerken ist, dass das Eis eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2,33 W/(m x K) besitzt. Die Wärmeenergie wird ca. 3,9-fach schneller transportiert als dies bei Wasser in flüssiger Form der Fall ist.
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Von diesen Umständen macht die vorliegende Erfindung Gebrauch.
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Es ist nämlich vorgesehen, dass Wasser und/oder Schmierstoff in gefrorener Form auf die Werkzeugoberfläche - das gilt sowohl für die äußere Oberfläche 3 als auch für die innere Oberfläche 6 des Werkzeugs 1 - aufgebracht wird.
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Da das Eis von seiner Geometrie her der Werkzeugform nicht angepasst werden kann, wird das Wasser in Form kleiner Eiskristalle auf das Werkzeug 1 und namentlich auf die Oberflächen 3 und/oder 6 aufgesprüht. Dies ist in sehr einfacher Weise möglich, indem das Wasser - wie bei luftunterstützten Sprühsystemen - mit Luft feinst vernebelt wird. Im Gegensatz zu bisherigen Sprühsystemen sollte dabei die Luft eine Temperatur zwischen - 30 °C und - 20 °C besitzen, damit das Wasser schnell gefriert (Prinzip der „Schneekanone“). Dies wird erfindungsgemäß durch Nutzung einer Einrichtung zum Abkühlen eines Luftstroms 7 in Form eines Wirbelrohres umgesetzt. Bei Wirbelrohren wird die zugeführte Druckluft in einen sehr kalten und einen entsprechend heißen Luftstrom aufgeteilt. Weitere Energiezufuhr oder sonstige Verbrauchsmittel sind nicht nötig. Mittels eines Wirbelrohres kann Luft bis zu - 40 °C hergestellt werden.
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In den Figuren ist illustriert, wie im Wirbelrohr 7 kalte Luft erzeugt und über eine Düse 5 ausgebracht und auf das Werkzeug 1 geleitet wird. Im Luftstrahl 4 befinden sich Eispartikel aus Kühlmedium (Wasser) oder Schmiermittel.
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Handelsübliche Wirbelrohre haben eine Kühlleistung von bis zu 3 kW. Die Erzeugung kalter Luft erfolgt hier auf rein physikalischem Weg über die Wirbelgesetze.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug (Lochdorn)
- 2
- Kühl- und/oder Schmiermittel
- 3
- äußere Oberfläche des Werkzeugs
- 4
- Luftstrahl
- 5
- Düse
- 6
- innere Oberfläche des Werkzeugs
- 7
- Einrichtung zum Abkühlen eines Luftstroms (Wirbelrohr)
