本发明涉及的是一种主轴刀柄，具体涉及的是一种用于电弧放电爆炸蚀除铣削的旋转内冲液刀柄装置，属于电弧放电铣削、高速铣削以及两者复合加工的技术领域。
背景技术：
电弧放电为稳态等离子体放电现象，利用高能量密度的等离子体能量场，通过热蚀除的方式去除材料，实现在放电加工领域的应用。为了避免在放电电极和被加工工件表面形成驻留的电弧，持续烧蚀工件，有必要采取相应的技术手段，使电弧在一个脉冲区间中不断被切断，可控地把握电弧放电加工的烧蚀程度。这种切断放电电弧的现象被称作“断弧”。利用工具电极和工件间的相对运动使极间电弧沿运动切线方向拉长以至于切断的方法被称作“机械运动断弧”；利用工具电极和工件间的高速工作液流体力场使极间电弧沿受力方向发生偏移，等离子体柱长度增加，极间阻抗增大至放电过程无法维持而中断的断弧方法被称作“流体动力断弧”。断弧控制是电弧放电加工方法控制的核心。在同一个电弧放电加工过程中结合机械运动断弧和流体动力断弧两种机制有利于进一步提高电弧放电加工的效率。
基于流体动力断弧机制的电弧放电加工效率的重要影响因素是极间冲液压强及流速，极间高速高压冲液有利于提高断弧的实际效果，且高速流体能迅速带走被加工工件表面的蚀除颗粒，产生爆炸效果并快速冷却工件表面。这种利用高速高压流体进行断弧的电弧放电加工方法也被称作电弧放电爆炸蚀除铣削加工方法。
电弧放电加工适用于难加工材料粗加工阶段的高效去除，假如能在加工中心或机床上集成电弧放电加工方法，利用快速换刀功能来切换后续精加工流程，就能在同一台设备上一次装夹就完成电弧放电粗/半精加工及高速铣削等精加工的整套加工工艺流程，减少装夹次数和后处理流程，大大提高了难加工材料的加工效率，节约了设备成本。
利用现有的加工中心和机床的通用刀柄结构，设计一款能实现机床快速换刀，且结合电弧放电加工的机械运动断弧及流体动力断弧机制，实现极间高速高压冲液功能的旋转内冲液刀柄，将有利于集合两种电弧放电断弧机制的优势，把电弧放电加工复合到通用加工中心和机床上，保证电弧放电加工的高效进行，从而大大提高其应用范围。
对现有技术的检索发现，中国专利文献号cn102091839中公开的一种基于流体动力断弧机制的集束电极高速放电加工方法，主要涉及一种多孔集束形式的放电电极以及水基溶液循环流体回路内冲液系统的设计方法。该发明方法仅适用于专用的放电加工设备，加工不同零件时要设计不同的集束电极，很难在具有标准刀库的加工中心中进行复合型加工。
进一步检索发现，在中国专利文献号cn87106421a中公开一种用放电磨削和机械磨削组合在一起加工金属材料的方法和设备，利用工具磨轮与加工工件间的电弧放电及相对机械运动断弧实现放电磨削加工。该发明方法和设备仅适用于轧辊、磨辊等外圆类零件的放电加工和某些零件表面的放电磨削开槽，属于专用型加工设备，不能满足加工中心的复合型加工。
中国专利文献cn103586551中公开的一种用于高速电弧放电加工的侧铣电极夹持装置，涉及一种安装在机床主轴上的具有夹持和旋转侧铣电极并实现侧铣电极侧边定向冲液功能的装置。该装置在机床主轴上的安装方式比较复杂，没有配套标准换刀结构实现侧铣电极装置快速切换，并不能在通用机床设备中实现电弧放电铣削和高速铣削的复合加工。
上述三种用于电弧放电加工的方法和装置尽管都能提高电弧放电加工效率，但都难以在一台加工设备中复合电弧放电铣削和高速铣削两种加工方法。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的不足，设计并实现一种用于电弧放电爆炸蚀除铣削加工的旋转内冲液刀柄装置。本装置要解决的技术问题在于：实现主轴刀柄装置的大流量高速内冲液，从而实现电弧放电加工的流体动力断弧机制，并利用高速冲液及时带走被加工表面的蚀除颗粒，产生爆炸蚀除的加工效果，提高电弧放电的加工效率。
本装置进一步要解决的问题是，主轴刀柄装置上实现电弧放电加工的机械运动断弧和流体动力断弧机制的结合，以进一步提高电弧放电加工的效率。
本装置更进一步要解决的问题是，实现用于电弧放电加工的主轴刀柄装置与机床主轴的快速换刀，从而实现电弧放电的粗/半精加工与高速铣削等精加工方法在同一台设备上的复合，大幅提高其应用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种用于电弧放电爆炸蚀除铣削的旋转内冲液刀柄装置，该装置包括一个设计有能与机床主轴快速对接的标准锥形的刀柄轴结构、一个冲液箱体结构及一个电极夹持结构；
所述刀柄轴结构作为轴类结构贯穿整个刀柄装置，所述刀柄轴结构的上部标准锥形结构与所述机床主轴连接，所述刀柄轴结构的中部穿过在所述冲液箱体结构，所述刀柄轴结构的下部连接所述电极夹持结构；
所述刀柄轴结构内有一连通的空腔，在所述刀柄轴结构的外圆周面以及下端面上分别设有与所述空腔连通的出口；
所述冲液箱体结构具有一供所述刀柄轴结构穿过的内腔，在所述冲液箱体结构的上端面周边插设有冲液管；
所述冲液管的上部与固定在机床主轴的定位块连接，所述冲液管的下部安插于所述冲液箱体结构内部，且沿径向开设有一侧孔，所述冲液管中空部分通过该侧孔和所述冲液箱体结构的内流道连通所述冲液箱体结构的内腔；
所述电极夹持结构内部是中空的，其上部开口与所述刀柄轴结构下部的下端面的所述出口连通。
具体地，所述刀柄轴结构包括标准刀柄轴和拉钉，所述标准刀柄轴的下端面沿轴线方向开有第一盲孔，所述标准刀柄轴的径向开有可连通所述第一盲孔的刀柄侧孔，且所述第一盲孔和所述刀柄侧孔相通。
具体地，所述刀柄侧孔设置有四个，四个所述刀柄侧孔沿所述标准刀柄轴的径向呈“十字”分布。
具体地，所述冲液箱体结构包括箱体、冲液块、冲液管；所述冲液块安装在所述箱体的侧面，所述冲液块的上端面周边开有一通向内部的第二盲孔，所述冲液管插设于该第二盲孔中，所述冲液管的端部的外壁上开设有冲液管侧孔。
具体地，所述冲液箱体结构的内腔指的是所述箱体内部的腔体结构，所述冲液箱体结构上开设有可将所述腔体结构连通到所述箱体的外表面的箱体侧孔；所述腔体结构沿轴线方向的中部设置有一环形槽，该环形槽与所述标准刀柄轴的外圆周面形成一个沿轴向延伸的圆环式的液腔，所述箱体侧孔由所述液腔的内壁贯通至所述冲液箱体结构的外表面。
具体地，所述冲液箱体结构的内部设置有供液体流动的内流道，所述内流道包括所述液腔、可导入液体至所述液腔的所述箱体侧孔、开设在所述冲液块上且可将所述第二盲孔与和所述箱体侧孔联通的导液孔、以及与所述导液孔对应设置的所述冲液管侧孔。
具体地，所述箱体侧孔的轴线与所述冲液块的导液孔的轴线以及所述冲液管侧孔的轴线重合设置。
具体地，所述箱体侧孔的轴线与所述箱体的中心轴线相错设置。
具体地，所述电极下端圆环面上开有数个圆形通孔，连通所述电极上下端面。
本发明的有益效果在于：设计了一种简单有效的通用系列标准加工中心刀柄，实现通用加工中心利用快速换刀功能从电弧放电铣削转换到高速铣削加工，从而使难加工材料一次装夹就能完成电弧放电粗/半精加工到高速铣削精加工的整套工艺流程，显著提高了加工效率和节约了装置设计成本。该旋转内冲液刀柄置于通用加工中心的标准刀库，换刀后由主轴带动高速旋转，有效实现电弧放电的机械运动断弧机制，也使电极的放电损耗更加均匀，提高其使用效率。刀柄内冲液结构与加工中心主轴箱的定位块快速配合，保障了高速冲液条件下流体动力断弧机制的实际效果，同时快速排出电弧爆炸热熔蚀除颗粒，确保电弧放电加工的持续进行。
附图说明
图1是本发明提出的标准旋转内冲液刀柄的外观示意图。
图2是图1装置的轴向半剖视图。
图3是图1装置沿图2中a方向的半剖视图。
图4是本发明装置所使用的第一种电极横截面示意图。
图5是本发明装置所使用的第二种电极横截面示意图。
图6是本发明装置工作时的流体动力与机械运动复合断弧原理示意图。
图7是图6中b处的局部放大图。
其中，图1至图7的附图标记说明如下：
110.拉钉；120.标准刀柄轴；121.刀柄侧孔；122.第一盲孔；130.定位环；131.紧定螺钉；140.轴肩挡圈；210.箱体；211.第一轴承；212.第二轴承；213.第一油封；214.第二油封；215.箱体侧孔；216.液腔；220.冲液块；221.导液孔；222.第二螺钉；223.第二盲孔；230.冲液管；231.冲液管侧孔；232.第一螺钉；240.端盖；250.轴用挡圈；260.内流道；310.标准系列夹头；320.电极；321.第一种电极截面；322.第二种电极截面；330.夹头螺母；410.定位块；420.加工工件；430.主轴箱；440.机床主轴；450.冲液流体；451.极间冲液流场；460.放电电弧；461.断弧；462.热熔蚀坑；463.蚀除颗粒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，以下的实施例将有助于进一步理解本发明，但并不构成对本发明的具体限定。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，所做出的任何修改、等同替换、变型和改进，均应属于本发明的包含范围。
请结合图1、图2及图5，图示用于电弧放电爆炸蚀除铣削的旋转内冲液刀柄装置安装于加工中心或机床主轴上，该装置包括刀柄轴结构、内冲液箱体结构和电极夹持结构。
请参阅图2的半剖视图，所述刀柄轴结构包括拉钉110和标准刀柄轴120，所述拉钉110安装在所述标准刀柄轴120的上端面螺纹孔中，所述标准刀柄轴120通过拉钉110和刀柄锥形结构安装在通用机床主轴孔中，所述标准刀柄轴120中部连接箱体210，下端连接标准系列夹头310。所述标准刀柄轴120的轴圆周面上径向开设有刀柄侧孔121，下端面沿轴线方向开有第一盲孔122，所述刀柄侧孔121和第一盲孔122连通，且形成在轴内部的一个腔体。
具体地，所述标准刀柄轴120的刀柄侧孔121开有4个，在径向截面上呈“十”字分布。具体地，标准刀柄轴120上部夹持部分的规格采用bt40标准型号。优选地，本发明装置标准刀柄轴120上端用于夹持的结构的设计还可以采用sk、capto、bbt、hsk等通用规格型号。
请参阅图2和图3和图6，所述内冲液箱体结构主要用于在所述电极320和所述加工工件420之间供给高速高压冲液，形成极间冲液流场451，实现流体动力断弧机制。所述内冲液箱体结构包括冲液块220、冲液管230和箱体210。所述冲液管230内部中空，插设于所述冲液块220上端面周边所开的第二盲孔223中，所述冲液管230的下端面与所述第二盲孔223底面是接触的。所述冲液管230的端部的外壁上开设有冲液管侧孔231。所述冲液块220的外周面开有一螺纹沉孔，沿该沉孔方向，在所述冲液管230的外周面上有一连通其中空部分的螺纹孔；所述冲液块220和冲液管230通过安装在两者螺纹孔上的第一螺钉232定位；冲液块220安装在所述箱体210的侧面，通过第二螺钉222连接。所述冲液箱体结构的内腔指的是所述箱体内部的腔体结构，所述箱体210外表面开有连通内腔的箱体侧孔215，所述箱体侧孔215的轴线与所述冲液块220的导液孔221、所述冲液管230的冲液管侧孔231轴线是重合且不指向所述箱体210内腔的中心的。所述箱体侧孔215可将所述腔体结构连通到所述箱体210的外表面；所述腔体结构沿轴线方向的中部设置有一环形槽，该环形槽与所述标准刀柄轴的外圆周面形成一个沿轴向延伸的圆环式的液腔，所述箱体侧孔215由所述液腔的内壁贯通至所述冲液箱体结构的外表面。
所述冲液箱体结构的内部设置有供液体流动的内流道260，所述内流道260包括所述液腔、可导入液体至所述液腔的所述箱体侧孔215、开设在所述冲液块220上且可将所述第二盲孔223与和所述箱体侧孔215联通的导液孔221、以及与所述导液孔221对应设置的所述冲液管侧孔231。所述箱体210内腔中部有一环形槽，与所述标准刀柄轴120轴圆周面在该环形槽的轴向区域大致形成一个圆环式的液腔216，作为高速冲液的中转缓冲结构，确保所述标准刀柄轴120的侧孔能稳定进液。
请参阅图2的半剖视图，所述内冲液结构还包括用于安装固定的通用件和标准件。所述箱体210内腔两端安装有第一轴承211和第二轴承212，通过壁肩轴向定位；所述液腔216上下两个内壁挡环端面装有第一油封213和第二油封214，隔绝了所述液腔216与所述箱体210其他空间的液体交换。所述标准刀柄轴120自上而下依次安装定位环130、轴肩挡圈140、带轴承和油封的箱体210、端盖240及轴用挡圈250；具体地，所述定位环130上端面与所述标准刀柄轴120上部锥形结构的下端面接触，沿径向通过紧定螺钉131与开在所述定位环径向位置的螺纹孔、所述标准刀柄轴120上部锥形结构下端的径向开槽顶紧，固定所述定位环130与所述标准刀柄轴120的相对位置；所述轴肩挡圈上端面接触所述定位环130，下端面接触安装在所述箱体210的第一轴承211的内圈；所述端盖240上部向外延伸的凸缘沿所述标准刀柄轴120的轴向方向抵顶于安装在所述箱体210的第二轴承212的内圈上；所述轴用挡圈250卡入所述标准刀柄轴120的一径向开槽中，沿轴线方向的上部接触所述端盖240的下部，把所述端盖240、安装好轴承和油封的所述箱体210以及所述轴肩挡圈140沿所述标准刀柄轴120的轴向方向轴向固定。
请参阅图2、图4和图5，所述电极夹持结构包括标准系列夹头310、夹头螺母330和电极320本身。标准系列夹头310安装在标准刀柄轴120下端锥孔中，其内孔安装电极320，通过夹头螺母330与标准刀柄轴120下端的螺纹配合以及标准系列夹头310与夹头螺母330形成的楔形机构自锁，夹紧所述电极320。具体地，所述电极320的横截面为一圆环结构，称为第一种电极截面321结构；优选地，所述电极320的横截面为一圆环及在圆环面上带有数个轴向小通孔的第二种电极截面322结构。
所述电极320的横截面结构不应局限于图4和图5所述的两种结构。研究表明，通过采用多孔电极能显著地改善极间冲液流场，使放电状态一直维持在较好的水平，并使加工效率提升3倍以上。其他实现电极端面多孔冲液的横截面结构也应纳入本发明的保护范围内。
所述用于电弧放电爆炸蚀除铣削的旋转内冲液刀柄的工作过程如下。
请参阅图5的流体动力与机械运动复合断弧原理示意图和图6的局部放大图，所述标准刀柄轴120上部夹持机构安装在机床主轴上，机床主轴内部拉紧所述拉钉110，带动所述标准刀柄轴120和拉钉110旋转；冲液流体450从固定于主轴箱430的定位块410流道流进所述内冲液箱体结构的流道，其流动路径是冲液从所述冲液管230中空部分流进，经过所述内流道260，从标准刀柄轴120的刀柄侧孔121流进第一盲孔122，最后从电极320中空部分流出极间放电区域；放电电弧460通过热熔蚀除的方法去除加工工件420的材料，所述电极320随所述标准刀柄轴120旋转，高速高压的冲液流体450在极间流动形成极间冲液流场451。两者结合了机械运动断弧和流体动力断弧原理，一方面，所述电极420和所述加工工件420各自的放电点由于电极的旋转运动而产生相对位移，使所述放电电弧460拉长至不可维持变成断弧461；另一方面，在所述极间冲液流场451产生的流场力的作用下，所述放电电弧460被拉断成断弧461。两种断弧机制的结合及时切断了放电电弧460，爆炸产生蚀除颗粒463，由冲液迅速带走，有效控制电弧放电蚀除过程，达到了电弧放电爆炸蚀除铣削的加工效果。
本发明不仅局限应用于电弧放电加工领域，还可用于电火花、电化学和激光加工等使用等离子体放电原理加工的技术领域。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进讲本发明的构思和技术方案直接用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。