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Die Erfindung betrifft einen Kühlvorsatz zum lösbaren Befestigen an einer Arbeitsmaschine, die einen Schaft aufweist, in dem ein stabförmiges Werkstück rotierend oder hämmernd geführt ist und an einem freien Ende aus dem Schaft austritt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung bestehend aus der Arbeitsmaschine in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Kühlvorsatz sowie aus einem Verfahren zum Betreiben der besagten Vorrichtung. Arbeitsmaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Nadelpräger, die zum Zwecke einer vereinfachten Nachverfolgbarkeit ausgebildet sind, eine Datenmatrix bzw. einen Code in ein Werkstück, insbesondere ein geschmiedetes Werkstück nach dem Schmiedevorgang einzuprägen. Arbeitsmaschinen im Sinne der Erfindung können aber auch Bohrmaschinen oder Akkuschrauber sein, die ein typischerweise wechselbares Werkzeug, beispielsweise einen Schraubendreher, einen Meißel oder einen Prägestempel antreiben. Je nach Werkzeug kann die Arbeitsmaschine in einem rotierenden oder hämmernden Arbeitsmodus betrieben werden. Meißel oder Prägestempel werden typischerweise hämmernd betrieben, während Schraubendreher typischerweise rotierend betrieben werden.
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Gattungsgemäße Kühlvorsätze für Arbeitsmaschinen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 03 094 A1 . Der dort offenbarte Kühlvorsatz dient insbesondere zum Kühlen einer Handwerkzeugmaschine und insbesondere zum Kühlen von aus einem Schaft der Handwerkzeugmaschine austretenden Stahlnadeln, die zum Prägen oder zum Abtragen von Oberflächen von Werkstücken verwendet werden. Der dort offenbarte Kühlvorsatz weist sämtliche Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf. Konkret weist der dort offenbarte Kühlvorsatz ein äußeres Gehäuse auf, in dem durchgehende Schlitze zum Austritt bzw. Eintritt eines Kühlmediums angeordnet sind. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus weniger stark wärmeleitendem Material gebildet, insbesondere aus Kunststoff. Der Kühlvorsatz weist neben dem äußeren Gehäuse auch ein inneres Gehäuse auf, das einen Arbeitsbereich der Arbeitsmaschine umgibt. In diesem Arbeitsbereich der Arbeitsmaschine sind Schlagübertragungselemente, Döpper untergebracht, die im Schlagbetrieb der Arbeitsmaschine Reibwärme erzeugen, welche zur Erwärmung der Arbeitsmaschine beitragen. Das innere Gehäuse ist aus einem relativ gut wärmeleitenden Material hergestellt, das eine ausreichende Abfuhr der Reibwärme aus dem besagten Arbeitsbereich der Arbeitsmaschine gewährleistet.
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Der aus der deutschen Offenlegungsschrift bekannte Kühlvorsatz ist lediglich ausgebildet, das Kühlmedium entweder von dem arbeitsmaschinennahen Ende zu dem freien Ende des Gehäuses und dort zu dem zu kühlenden Werkzeug zu leiten oder in umgekehrter Richtung. Dies hat den Nachteil, dass die Kühlungswirkung nicht besonders hoch ist. Außerdem tritt das Kühlmedium, wenn es zu dem zu kühlenden Werkzeug geleitet wird, in der Nähe des zu bearbeitenden Werkstücks aus dem Kühlvorsatz aus und kühlt das Werkstück ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bekannten Kühlvorsatz für eine Arbeitsmaschine, eine bekannte Vorrichtung bestehend aus der Arbeitsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Kühlvorsatz, ein bekanntes Verfahren zum Betreiben der besagten Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen des Kühlvorsatzes dahingehend weiterzubilden, dass die Kühlung der Arbeitsmaschine und des von ihr angetriebenen Werkzeugs verbessert bzw. effektiviert, gleichzeitig aber eine Kühlung des zu bearbeitenden Werkstücks möglichst verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird für den erfindungsgemäßen Kühlvorsatz durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter in Längsrichtung des Gehäuses verlaufender Kühlkanal innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist zum Leiten des Kühlmediums von dem freien Ende des Gehäuseschaftes zu mindestens einer Auslassöffnung, die ebenfalls an dem arbeitsmaschinennahen Ende des Gehäuses ausgebildet ist, und dass an dem freien Ende des Gehäuseschaftes mindestens eine Verbindungsbohrung zwischen den beiden Kühlkanälen vorgesehen ist zum Umleiten des Kühlmediums aus dem ersten in den zweiten Kühlkanal.
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Der Begriff „... am freien Ende" meint „im Bereich des freien Endes“.
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Durch die beanspruchte doppelte Kanalführung und die Verbindungsbohrung zwischen den beiden Kanälen, von denen einer als Hinlaufleitung für das Kühlmedium zu dem zu kühlenden Werkzeug und der andere als Rücklaufleitung für das Kühlmedium verwendet wird, kann vorteilhafterweise die Strömung des Kühlmediums in der Rücklaufleitung durch die Strömung des Kühlmediums in der Hinlaufleitung beeinflusst, vorteilhafterweise verwirbelt werden, wodurch deren Kühlwirkung auf das Werkzeug, d. h. insbesondere eine Prägernadel verbessert wird. Dadurch wird dann auch der Verschleiß des Werkzeugs reduziert und dessen Einsatz- bzw. Lebensdauer erhöht.
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Das Werkzeug, beispielsweise die Nadel eines Nadelprägers, kann sich bei der Bearbeitung von noch warmen geschmiedeten Werkstücken auf einige 100°C erwärmen. Weil das Werkzeug deshalb einer besonders starken Kühlung bedarf, ist es vorteilhaft, wenn das vorzugsweise verwirbelte Kühlmedium mit der verbesserten Kühlwirkung durch die erfindungsgemäß beanspruchte doppelte Kanalführung und Umlenkung zuerst auf das zu kühlende Werkzeug und erst nachfolgend auf die zu kühlende Arbeitsmaschine geleitet wird. Durch den zweiten bzw. (Rücklauf-)Kanal wird das Kühlmedium vorteilhafterweise auch an dem Bereich der Arbeitsmaschine vorbeigeleitet, wo der sich erwärmende Antrieb der Arbeitsmaschine sitzt, der auf diese Weise gekühlt wird.
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Die beanspruchte Umlenkung hat neben der besagten Verwirbelung den wesentlichen Vorteil, dass das Kühlmedium im Bereich des zu kühlenden Werkzeugs - zumindest abgesehen von kleinen Leckageverlusten - nicht aus dem Kühlvorsatz austritt und dort das bearbeitete Werkstück unerwünschter Weise abkühlt, sondern eben in die Rücklaufleitung umgeleitet wird. Die Rücklaufleitung, d. h. der zweite Kühlkanal endet an mindestens einer Auslassöffnung, die erfindungsgemäß an dem arbeitsmaschinennahen Ende des Gehäuses, also gegenüberliegend zu dem freien Ende und damit weit beabstandet von dem zu bearbeitenden und eventuell heißen Werkstück, ausgebildet ist. Insofern wird durch die dortige Ausbildung der Auslassöffnungen ein unerwünschtes Abkühlen des Werkstücks wirkungsvoll verhindert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die besagte vorteilhafte Verwirbelung des Kühlmediums erfindungsgemäß - neben der besagten Umlenkung - vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass die mindestens eine Verbindungsbohrung vorzugsweise in Form von mehreren ringförmig angeordneten Düsenöffnungen ausgebildet ist, die nicht etwa auf die zentrale Längsachse des Kühlvorsatzes, sondern jeweils tangential auf den Rand einer Bohrung in dem Gehäuse des Kühlvorsatzes gerichtet sind, durch die das Werkzeug nach außerhalb des Kühlvorsatzes austritt. Dies bewirkt eine kreisförmige, strudelartige Strömung des Kühlmediums, wodurch dessen Kühlwirkung verbessert wird. Nach Aufnahme der Wärme von dem Werkzeug strömt das so erwärmte Kühlmedium innerhalb des zweiten Kühlkanals zu der Auslassöffnung.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine Mehrzahl von Auslassöffnungen über den Umfang des Gehäuses verteilt angeordnet, um für die Auslassöffnung einen möglichst großen Querschnitt zu realisieren. Der große Querschnitt ist insbesondere in Verbindung mit einer konischen Ausgestaltung von mindestens einer der Auslassöffnungen vorteilhaft, um das erwärmte Kühlmedium durch den ersten und den zweiten Kühlkanal hindurch anzusaugen und nach außerhalb des Kühlvorsatzes abzutransportieren. Ein Gebläse zum Einleiten des Kühlmediums durch die Einlassöffnungen in die Kühlkanäle oder zum Ansaugen des Kühlmediums durch die Einlassöffnung in die Kühlkanäle ist bei dieser konischen Ausgestaltung der Auslassöffnungen vorteilhafterweise entbehrlich. Das durch den zweiten Kühlkanal fließende Kühlmedium bewirkt vorteilhafterweise zum einen eine Temperaturisolierung der Arbeitsmaschine, also beispielsweise des Nadelprägers vor der Strahlungswärme des eventuell noch heißen Werkstücks, insbesondere Schmiedeteils, und zum anderen bewirkt diese innere Strömung des Kühlmediums auch einen Schutz des Kühlvorsatzes selber vor der besagten Strahlungswärme.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gehäuseschaftes dergestalt, dass sein freies Ende konisch auf die Längsachse des Gehäuses zuläuft bietet den Vorteil, dass auch das Kühlmedium in diesem Bereich von dem radial weiter außenliegenden Kühlkanal durch die mindestens eine Verbindungsbohrung auf die Längsachse des Gehäuses und damit auch auf das aus dem Schaft der Arbeitsmaschine austretende zu kühlende Werkzeug gerichtet wird. Dieser Wirkung des konischen Endes des Gehäuseschaftes steht nicht entgegen, dass das Kühlmedium - bei entsprechender Ausrichtung der Verbindungsbohrungen tangential auf das zu kühlende Werkzeug gerichtet ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst, welche eine Kombination der Arbeitsmaschine und des erfindungsgemäßen Kühlvorsatzes betrifft. Die Vorteile dieser Vorrichtung sind grundsätzlich dieselben, wie sie oben mit Bezug auf den beanspruchten Kühlvorsatz beschrieben wurden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist der erfindungsgemäße Kühlvorsatz einen Hohlraum auf zur Aufnahme von zumindest einem Teil der Arbeitsmaschine. Dieser Hohlraum ist an dem freien Ende des Gehäuses durch eine Bohrung gebildet, deren Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt des dort austretenden Werkzeugs entspricht. Mit dieser Formulierung ist gemeint, dass die Bohrung nur insoweit größer als der Querschnitt des Werkzeugs ist, als dass das Werkzeug reibungsfrei durch die Bohrung hindurchbewegt werden kann, aber nicht unnötig größer ist. Erfindungsgemäß soll nur ein möglichst geringer Spalt zwischen dem Werkzeug und dem Gehäuse des Kühlvorsatzes verbleiben, um sicherzustellen, dass nur möglichst wenig Kühlmedium durch diesen Spalt aus dem Gehäuse austreten kann, siehe oben: Leckageverluste. Der Austritt des Kühlmediums durch den Spalt wird auch durch die oben beschriebene kreisförmige strudelartige Strömung des Kühlmediums und den Sog, der durch die konischen großen Austrittsöffnungen im oberen Bereich des Kühlvorsatzes erzeugt wird, sichergestellt. So wird erfindungsgemäß auf vielfältige Weise dafür Sorge getragen, dass die Temperatur des von dem Werkzeug bearbeiteten Werkstücks, beispielsweise eines noch warmen Schmiedeteils, nicht in unerwünschter Weise reduziert wird, sondern dass stattdessen das Werkzeug sowie die das Werkzeug antreibende Arbeitsmaschine in ausreichendem Maße gekühlt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird schließlich durch das Verfahren gemäß Anspruch 14 zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das Verfahren gemäß Anspruch 17 zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kühlvorsatzes gelöst. Der erfindungsgemäße Kühlvorsatz wird wegen seiner komplexen Geometrie besonders vorteilhaft im 3D-Druckverfahren hergestellt. Geometrisch ist der Kühlvorsatz entsprechend den additiven Verfahrens-/Fertigungsrestriktionen optimiert aufgebaut, so dass das er quasi direkt aus dem Drucker verwendet werden kann. Das bedeutet, dass keine Stützstrukturen benötigt werden, welche später aufwendig entfernt werden müssen, und es wird lediglich als mechanische Nachbearbeitung eine Gewindebohrung für den Luftanschluss erforderlich sein. Ansonsten entsprechen die Vorteile der Verfahren den zuvor mit Bezug auf den beanspruchten Kühlvorsatz und die beanspruchte Vorrichtung genannten Vorteilen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlvorsatzes, der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Erfindung sind 4 Figuren beigefügt, wobei
- 1 den erfindungsgemäßen Kühlvorsatz in einer perspektivischen Außenansicht;
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Längsschnitt;
- 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung an ihrem freien Ende in einer vergrößerten Ansicht von 2; und
- 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Querschnitt
zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Kühlvorsatz 100 in einer perspektivischen Außenansicht. Der Kühlvorsatz weist ein Gehäuse 110 mit einem Schaft 112 auf. Das Gehäuse mit dem Gehäuseschaft ist mit einem Hohlraum 160 ausgebildet zur lösbaren Aufnahme einer Arbeitsmaschine 200, typischerweise ebenfalls mit einem Schaft 210; siehe 2. Der Gehäuseschaft 112 ist an seinem freien Ende vorzugsweise konisch auf die Längsachse L des Kühlvorsatzes zulaufend ausgebildet. An seinem arbeitsmaschinennahen Ende 116, das dem freien Ende 114 beabstandet gegenüberliegt, weist das Gehäuse 110 des Kühlvorsatzes 100 eine Einlassöffnung 122 und vorzugsweise eine Mehrzahl von Auslassöffnungen 126 für ein Kühlmedium auf zum Kühlen der gegebenenfalls aufgenommenen Arbeitsmaschine 200 und eines aus dem Schaft 210 der Arbeitsmaschine und dem Gehäuseschaft 112 austretenden stabförmigen Werkzeugs 300; siehe 2.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 400, die den erfindungsgemäßen Kühlvorsatz 100 zeigt, wenn dieser auf die Arbeitsmaschine 200 aufgesetzt ist. Anders ausgedrückt: die Vorrichtung 400 meint die Arbeitsmaschine 200, wenn diese in dem Hohlraum 160 des Kühlvorsatzes 100 aufgenommen ist. Dann ist auch der Schaft 210 der Arbeitsmaschine 200 von dem Schaft 112 des Gehäuses 110 aufgenommen und das von der Arbeitsmaschine 200 angetriebene Werkzeug 300 tritt an dem freien Ende 114 des Gehäuseschaftes 112 aus einer dortigen Bohrung 162 aus. Das Werkzeug 300 wird von der Arbeitsmaschine 200 drehangetrieben oder entlang der Längsachse L des Gehäuses 110, die mit der Längsachse des Schaftes 210 der Arbeitsmaschine zusammenfällt, hämmernd auf- und abbewegt.
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In dem in 2 gezeigten Längsschnitt durch die Vorrichtung 400 ist zu erkennen, dass hier beispielhaft in der Außenwandung des Gehäuses 110 des Kühlvorsatzes ein erster sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckender Kühlkanal 120 ausgebildet ist zum Leiten eines Kühlmittels von der Einlassöffnung 122 an dem arbeitsmaschinennahen Ende 116 zu dem freien Ende 114 des Gehäuseschaftes zum dortigen Kühlen des stabförmigen Werkzeugs 300. Innerhalb des freien Endes des Gehäuseschaftes 112 ist mindestens eine Verbindungsbohrung 150 angeordnet, die vorzugsweise in Form einer Mehrzahl von ringförmig angeordneten Düsenöffnungen ausgebildet ist, um dort das ankommende Kühlmedium nach dem Auftreffen auf das zu kühlende Werkzeug 300 in einen zweiten Kühlkanal 130 umzuleiten. Die Düsenöffnungen sind vorzugsweise nicht zentrisch auf die Längsachse L des Gehäuses bzw. des Werkzeugs 300, sondern tangential an den Rand der Bohrung 162 bzw. tangential an das Werkzeug 300, beispielsweise die Nadel eines Nadelprägers gerichtet. Die tangentiale Richtung der Düsenöffnungen und damit des Kühlmittelstroms bewirkt eine Verwirbelung und damit vorteilhafterweise eine verbesserte Kühlwirkung des Kühlmittelstroms. Der zweite Kühlkanal 130 führt das Kühlmedium von dem freien Ende 114 zurück zu dem arbeitsmaschinennahen Ende 116 des Gehäuses 110, damit es dort aus den Auslassöffnungen 126 austreten kann. Die Auslassöffnungen 126 sind vorzugsweise konisch ausgebildet, um das Kühlmedium durch die Einlassöffnung 122 und den ersten Kühlkanal 120 in den zweiten Kühlkanal 130 anzusaugen.
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Wie in 2 zu erkennen ist, sind der erste Kühlkanal 120 und der zweite Kühlkanal 130 vorzugsweise jeweils als Ringkanal ausgebildet und sie verlaufen vorzugsweise koaxial zueinander. Während der erste Kühlkanal 120 vollständig innerhalb der Wandung des Gehäuses 110 ausgebildet ist, ist der zweite Kühlkanal 130 nur zum Teil durch eine radial von der Längsachse L des Gehäuses 110 entfernte Wandung als Teil des Gehäuses 110 begrenzt. Zu einem anderen, radial weiter innen liegenden Teil ist der zweite Kühlkanal des Kühlvorsatzes zu der Längsachse L des Gehäuses hin offen, d. h. nicht durch das Gehäuse 110 selber begrenzt. Stattdessen wird die Begrenzung des zweiten Kühlkanals dort durch die äußere Oberfläche der Arbeitsmaschine 200 und insbesondere deren Schaft 210 selber gebildet. D. h., während das Kühlmedium in dem zweiten Kühlkanal 130 zu den Auslassöffnungen 126 strömt, strömt es automatisch an der Arbeitsmaschine 200 und deren Schaft 210 entlang und kühlt diese Teile auf diese Weise.
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3 zeigt das freie Ende des Gehäuseschaftes 114 gemäß 2 in vergrößerter Darstellung. Es ist das Werkzeug 300 zu erkennen, wie dieses aus dem freien Ende 114 des Gehäuseschaftes austritt, um das Werkstück 500 zu bearbeiten.
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Die 3 und 4 lassen erkennen, dass die Bohrung 162 einen Querschnitt hat, der im Wesentlichen dem Querschnitt des dort hindurchtretenden Werkzeugs 300 entspricht. Der Spalt zwischen dem Werkzeug 300 und dem Rand der Bohrung 162 soll erfindungsgemäß so klein wie möglich gestaltet sein, damit ein Austritt des Kühlmediums durch diesen Spalt möglichst verhindert wird. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß insbesondere eine unerwünschte Abkühlung des zu bearbeitenden Werkstücks 500 verhindert.
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4 zeigt die Einleitung des Kühlmediums durch die Einlassöffnung 122 in den als Ringkanal ausgebildeten ersten Kühlkanal 120. In der Mitte von 4 ist zu erkennen, dass die ringförmig angeordneten Verbindungsbohrungen bzw. Düsenöffnungen 150 in dem freien Ende 114 des Schaftes 112 des Gehäuses 110 nicht genau radial auf die Längsachse L des Gehäuses, sondern tangential an den Rand der Bohrung 162 bzw. den Rand des Werkstücks 300 ausgerichtet sind, um dort die gewünschte Verwirbelung des Kühlmediums zu erreichen. Insofern zeigt die 4 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Kühlvorsatz nicht nur in einer Ebene im Bereich des arbeitsmaschinennahen Endes 116 des Gehäuses auf Höhe der Einlassöffnung 122, sondern auch in einer Ebene in dem freien Ende 114 des Gehäuseschaftes 112.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kühlvorsatz
- 110
- Gehäuse
- 112
- Gehäuseschaft
- 114
- freies Ende des Gehäuseschaftes
- 116
- arbeitsmaschinennahes Ende des Kühlvorsatzes
- 120
- erster Kühlkanal
- 122
- Einlassöffnung
- 126
- Auslassöffnungen
- 130
- zweiter Kühlkanal
- 150
- Verbindungsbohrung
- 160
- Hohlraum
- 162
- Rand der Bohrung
- 200
- Arbeitsmaschine
- 210
- Schaft der Arbeitsmaschine
- 300
- stabförmiges Werkzeug
- 400
- Vorrichtung
- 500
- Werkstück
- L
- Längsachse des Gehäuses
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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