WO2017186433A1 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines werkzeugs - Google Patents

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WO2017186433A1
WO2017186433A1 PCT/EP2017/057201 EP2017057201W WO2017186433A1 WO 2017186433 A1 WO2017186433 A1 WO 2017186433A1 EP 2017057201 W EP2017057201 W EP 2017057201W WO 2017186433 A1 WO2017186433 A1 WO 2017186433A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a tool for the forming machining of a metallic material, in particular a piercer for punching a solid block to a hollow block, wherein the tool is subjected to a cooling and / or lubricant to cool it and / or to lubricate. Furthermore, the invention relates to a device for cooling the tool.
  • a tool of the type mentioned may be a piercing pin, which is located at the axial end of a mandrel.
  • a cooling tube for inputting a cooling medium can be arranged in the cavity.
  • a piercer is used to punch a massive block in a cross rolling mill to make a hollow block. The piercer is located at the end of a mandrel whose task is to position the piercer in the cross rolling mill.
  • the mandrel in the subsequent rolling process has no piercer on
  • the hole bar serves as a tool to make the doll.
  • the mandrel itself is usually cooled before and provided with a lubricant.
  • the mandrel is to be understood at this point as a tool for the forming processing of a metallic material.
  • a tool of the type in question can also be a forge or
  • the present method or the corresponding device is useful for cooling or lubricating a tool with which a deformation of metallic material takes place.
  • the tool areas, which are in contact with the material to be formed, are thereby lubricated or cooled.
  • the starting material is usually rolled Round steel, mainly as round casting, in a rotary hearth furnace on
  • Rolling temperature of about 1,280 ° C is brought. After a descaling of the press water, the solid block is punched on a piercing mill to form a hollow block. As a piercing mill this is usually a cross rolling mill used. The rollers are to achieve a sufficient
  • the mandrel bar Before starting the rolling process in the continuous rolling mill, the mandrel bar is inserted or threaded into the hollow block. After reaching a certain position then hollow block together with mandrel rod are pushed into the continuous rolling mill. The rolling stock is picked up by the rolls and rolled on the piercer by the rolling caliber, which becomes smaller from stand to stand.
  • a problem occurring in the cross rolling mill is that the piercer is subject to considerable thermal stress. This has a negative effect on the service life of the piercer. At high temperatures of the piercer, namely the mechanical and microstructural properties of the piercer are adversely affected.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above and an associated device with which or with which it is possible to achieve improved cooling of the tool and thus to increase the service life of the tool.
  • the solution of this problem by the invention is characterized in that the coolant and / or lubricant is applied at a temperature of below 0 ° C on a hot surface of the tool.
  • the coolant and / or lubricant preferably consists of ice particles or it has such particles.
  • the coolant and / or lubricant can be blown onto the surface with an air jet.
  • air jet it is possible to use air leaving a nozzle with a temperature between minus 40 ° C. and minus 10 ° C., preferably between minus 30 ° C. and minus 20 ° C.
  • the coolant and / or lubricant may be applied to an outer surface of the tool; Alternatively or additionally, however, it may also be provided that the coolant and / or lubricant is applied to an inner surface of the tool, wherein the inner surface by an inner surface
  • the proposed device for cooling a tool for the forming machining of a metallic material in particular a piercer for punching a solid block to a hollow block, has means for applying the
  • the device comprises a device with which an air flow can be cooled in order to cool the coolant and / or lubricant to a temperature below 0 ° C and apply it to a hot surface of the tool via the air flow can.
  • Said device is preferably a vortex tube or includes such.
  • the device may further comprise a dispensing unit, in particular a nozzle, with the cooled coolant and / or lubricant on an outer surface
  • the device may also include a dispensing unit, in particular a nozzle, with which cooled coolant and / or lubricant can be directed onto an inner surface of the tool, the inner surface being formed by an inner hollow cylindrical area.
  • a dispensing unit in particular a nozzle
  • cooled coolant and / or lubricant can be directed onto an inner surface of the tool, the inner surface being formed by an inner hollow cylindrical area.
  • Lubricant - is preferably carried out by finely atomizing the water or the lubricant in a cold air stream.
  • a vortex tube known as such is preferably used for the generation of said cold air flow.
  • Such a vortex tube - also known as Ranque-Hilsch vortex tube - is one
  • the invention is preferably used when punching in a cross rolling mill in the production of a seamless tube.
  • Another preferred application of the proposed method or apparatus is the forging and rolling of metallic material.
  • the proposed concept has proven very useful for lubricating and cooling mold halves during die forging.
  • Drop forging is usually sprayed between two forming strokes the tool by means of coolant and lubricant. Even with the conventional
  • the proposed solution is very advantageous because often the forged saddles are freed of scale by means of compressed air. Thus, then the proposed device after removal of scale to deploy coolant and lubricant.
  • Fig. 1 shows a tool in the form of a piercer, which is cooled by a cooling device with a cooling medium
  • Fig. 2 shows a tool which is acted upon by a cooling-lubricating medium.
  • the reference numeral 1 denotes a tool, which is in particular a piercer. However, in particular in the case of the tool according to FIG. 2, it can also be an arbitrarily different tool which is used for the forming machining of metallic material. The preferred application in forging tools has already been mentioned above.
  • the piercer 1 can be seen, which is located at the end of a (not shown) mandrel.
  • the piercer is used in the aforementioned manner to roll a hollow block in a cross rolling mill from a solid block.
  • the mandrel has a cavity in which a cooling tube is located in the
  • the piercer 1 has an outer surface 3 and an inner surface 6.
  • a cooling and / or lubrication is necessary. Accordingly, it is provided that a coolant and / or lubricant 2 is applied to the outer surface 3 and / or inner surface 6 of the tool 1 (on the inner surface 6, of course, usually only a coolant).
  • a coolant and / or lubricant 2 is applied to the outer surface 3 and / or inner surface 6 of the tool 1 (on the inner surface 6, of course, usually only a coolant).
  • the tool for massive forming is subject to high mechanical and thermal loads. During the forming process, a large amount of heat energy is entered into the tool, which, if the heat energy is not withdrawn again, can lead to failure of the tool after a short time.
  • the hot tool 1 is cooled with a coolant 2 in the form of water, before the tool 1 - if necessary - is coated with a mostly water-soluble lubricant.
  • a coolant 2 in the form of water
  • Tool temperature is, the greater the effort to cope with the cooling within a given cycle time.
  • Tool surface is differentiated between "airless” systems and air assisted systems, but unlike cooling, it is desirable to have the
  • the problem of the Leidenfrost effect is thereby exacerbated when smearing.
  • the Leidenfrost effect is the phenomenon that water droplets begin to evaporate the closer they approach the hot surface. If the kinetic energy of the droplets is insufficient, the droplet "floats" up a steam pad without touching the surface itself. As a result, this slides off the surface, without the maximum cooling effect through complete
  • the heat capacity designates the necessary heat energy, which is necessary to the
  • the ice has a thermal conductivity of about 2.33 W / (m ⁇ K).
  • the heat energy is transported about 3.9 times faster than is the case with water in liquid form.
  • the present invention makes use of these circumstances. Namely, it is provided that water and / or lubricant in frozen form on the tool surface - which applies to both the outer surface 3 and the inner surface 6 of the tool 1 - is applied.
  • Vortex tube implemented. In vortex tubes, the supplied compressed air is divided into a very cold and a correspondingly hot air flow. Further energy supply or other consumables are not necessary. By means of a vortex tube air can be produced up to - 40 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Werkzeugs (1) für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials, insbesondere eines Lochdorns zum Lochen eines Massivblocks zu einem Hohlblock, wobei das Werkzeug (1) mit einem Kühl- und/oder Schmiermittel (2) beaufschlagt wird, um es zu kühlen und/oder zu schmieren. Um die Kühlung bzw. Schmierung des Werkzeugs zu verbessern, sieht die Erfindung vor, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel mit einer Temperatur von unter 0 °C auf eine heiße Oberfläche (3, 6) des Werkzeugs (2) aufgebracht wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen des Werkzeugs.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Werkzeugs
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. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen des Werkzeugs. 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.
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.
Ein Werkzeug der in Rede stehenden Art kann auch ein Schmiede- oder
Walzwerkzeug sein.
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.
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 Presswasser- entzunderung 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.
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.
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.
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.
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. 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. Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel mit einer Temperatur von unter 0 °C auf eine heiße Oberfläche des Werkzeugs aufgebracht wird.
Das Kühl- und/oder Schmiermittel besteht dabei bevorzugt aus Eispartikeln bzw. es weist solche Partikel auf.
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.
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.
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. Besagte Einrichtung ist bevorzugt ein Wirbelrohr bzw. sie umfasst ein solches.
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. 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. 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.
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. Dem entsprechend wird eine Temperaturerhöhung in den Werkzeugen verhindert.
Die Erfindung kommt bevorzugt beim Lochen in einem Schrägwalzwerk bei der Herstellung eines nahtlosen Rohres zum Einsatz.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung ist das Schmieden und Walzen metallischen Materials. 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.
Entsprechendes gilt für Walzprozesse, insbesondere für Ringwalzprozesse.
Das Aufbringen von Wasser und/oder Schmierstoff in gefrorener Form hat zwei wesentliche Vorteile:
Zum einen wird der Leidenfrosteffekt verhindert, unabhängig davon, wie heiß die Oberfläche des Werkzeugs ist.
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). Weiter wird aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Eis (s. hierzu die Ausführungen unten) vorteilhaft die Wärme aus dem Werkzeug viel besser und schneller abgeführt. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Werkzeug in Form eines Lochdorns, das mit einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlmedium gekühlt wird, und Fig. 2 zeigt ein Werkzeug, das mit einem Kühl-Schmier-Medium beaufschlagt wird.
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 Figur 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.
In Figur 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.
Die Dornstange hat einen Hohlraum, in dem sich ein Kühlrohr befindet, das im
Hohlraum des Lochdorns mit einer Düse 5 endet. Der Lochdorn 1 hat eine äußere Oberfläche 3 und eine innere Oberfläche 6.
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: 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.
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.
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.
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. 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.
Die vorliegende Erfindung nutzt den Umstand, dass Feststoffe nicht dem
Leidenfrosteffekt unterliegen.
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.
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.
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. 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.
Von diesen Umständen macht die vorliegende Erfindung Gebrauch. 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.
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.
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 auf Kühlmedium (Wasser) oder Schmiermittel.
Handelsübliche Wirbelrohre haben eine Kühlleistung von bis zu 3 kW. Die Erzeugung kalter Luft erfolgt hier auf rein physikalischem Weg über die Wirbelgesetze. Bezugszeichenliste
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)

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zum Kühlen eines Werkzeugs (1 ) für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials, insbesondere eines Lochdorns zum Lochen eines Massivblocks zu einem Hohlblock, wobei das Werkzeug (1 ) mit einem Kühl- und/oder Schmiermittel (2) beaufschlagt wird, um es zu kühlen und/oder zu schmieren, dadurch gekennzeichnet, das Kühl- und/oder Schmiermittel mit einer Temperatur von unter 0 °C auf eine heiße Oberfläche (3, 6) des Werkzeugs (2) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel (2) aus Eispartikeln besteht oder diese aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel (2) mit einem Luftstrahl (4) auf die Oberfläche (3, 6) geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fördern des Kühl- und/oder Schmiermittels (2) Luft eingesetzt wird, die eine Düse (5) mit einer Temperatur zwischen - 40 °C bis - 10 °C, vorzugsweise zwischen - 30 °( bis - 20 °C, verlässt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel (2) auf eine äußere Oberfläche (3) des Werkzeugs (1 ) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel (2) auf eine innere Oberfläche (6) des
Werkzeugs (2) aufgebracht wird, wobei die innere Oberfläche (6) durch einen innenliegenden hohlzylindrischen Bereich gebildet wird.
Vorrichtung zum Kühlen eines Werkzeugs (1 ) für die umformende Bearbeitung eines metallischen Materials, insbesondere eines Lochdorns zum Lochen eines Massivblocks zu einem Hohlblock, wobei Mittel zum Beaufschlagen des
Werkzeugs (1 ) mit einem Kühl- und/oder Schmiermittel (2) vorhanden sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung (7) umfasst, mit der ein Luftstrom abgekühlt werden kann, um über den Luftstrom das Kühl- und/oder Schmiermittel (2) auf eine Temperatur unterhalb von 0 °C abkühlen und auf eine heiße Oberfläche (3, 6) des Werkzeugs (1 ) aufbringen zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) ein Wirbelrohr ist oder ein solches umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ausbringeinheit, insbesondere eine Düse (5), umfasst, mit der abgekühltes Kühl- und/oder Schmiermittel (2) auf eine äußere Oberfläche (3) des Werkzeugs (1 ) geleitet werden kann.
10. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ausbringeinheit, insbesondere eine Düse (5), umfasst, mit der abgekühltes Kühl- und/oder Schmiermittel (2) auf eine innere Oberfläche (6) des Werkzeugs (1 ) geleitet werden kann, wobei die innere Oberfläche (6) durch einen innenliegenden hohlzylindrischen Bereich gebildet wird.
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