□ 馬青芬

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1 加工背景

伽馬刀是立體定向放射治療設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng),是醫(yī)學(xué)史上的一次革命性突破。伽馬刀分頭部伽馬刀和體部伽馬刀,頭部伽馬刀主要用于對(duì)頭部腫瘤的治療。伽馬刀的工作原理類(lèi)似于放大鏡的聚焦原理,將顱腔內(nèi)病變組織選擇性地確定為靶點(diǎn),采用伽馬射線(xiàn)進(jìn)行一次性大劑量聚焦照射,摧毀病灶,從而達(dá)到治療腫瘤的目的。焦點(diǎn)以外的正常組織只受到分散、均勻的微量照射,可以得到很好的保護(hù)。

頭部伽馬刀的主要零部件是射源體和準(zhǔn)直體。射源體上有30個(gè)螺旋排列的三維立體定向孔,用于放置放射源,通過(guò)預(yù)準(zhǔn)直器限制射線(xiàn)束的方向。準(zhǔn)直體上有4組120個(gè)三維立體定向孔,各孔經(jīng)度、緯度、深度均不同,孔內(nèi)裝有中間準(zhǔn)直器和末端準(zhǔn)直器。治療時(shí),射源體和準(zhǔn)直體可實(shí)現(xiàn)360°同步旋轉(zhuǎn),根據(jù)靶點(diǎn)大小選擇不同的束徑。放射線(xiàn)經(jīng)預(yù)準(zhǔn)直器、中間準(zhǔn)直器和末端準(zhǔn)直器，形成若干射線(xiàn)束錐面,每個(gè)錐面互不重疊,但都聚焦在球心,形成公共焦點(diǎn)。焦點(diǎn)越小,焦點(diǎn)處對(duì)病變組織的殺傷力就越強(qiáng),對(duì)焦點(diǎn)外健康組織的傷害也就越小。由以上分析可見(jiàn),影響伽馬刀治療效果的關(guān)鍵在于準(zhǔn)直體和射源體上三維立體定向孔聚焦的精度。

2 加工要求

準(zhǔn)直體和射源體都為半球體形狀,筆者主要介紹加工復(fù)雜、精度要求較高的準(zhǔn)直體上三維立體定向孔的加工方法。準(zhǔn)直體上有120個(gè)三維立體定向孔,每個(gè)孔的位置和深度均不相同,但各孔的軸心線(xiàn)延伸均聚焦在一個(gè)理想基準(zhǔn)點(diǎn)C上,公差為Sφ0.3 mm。Sφ0.3 mm要求所有孔軸心線(xiàn)焦點(diǎn)在0.3 mm的球面以?xún)?nèi)?？椎募庸な枪ぜ庸さ年P(guān)鍵點(diǎn),這種三維立體定向孔在五軸數(shù)控機(jī)床上加工比較方便,但筆者公司沒(méi)有五軸加工設(shè)備,只能借助于工裝來(lái)完成。準(zhǔn)直體結(jié)構(gòu)如圖1所示，孔加工尺寸要求如圖2所示。

3 加工方案

任何三維空間的定位都可以通過(guò)兩個(gè)相互垂直的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這一原理,可以使工件圍繞相互垂直的兩條軸線(xiàn),通過(guò)兩條軸線(xiàn)的不同旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)任何空間角度的定位[1]。筆者公司有精度及穩(wěn)定性較高的瑞士迪克西DIXI臥式坐標(biāo)鏜床,鏜床上有一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(B軸),只需再設(shè)計(jì)一個(gè)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)垂直的A軸即可。

4 工裝設(shè)計(jì)

加工方案確定后,按照孔的精度要求設(shè)計(jì)加工工裝。設(shè)計(jì)總體要求除有可以回轉(zhuǎn)的軸外,還必須保證機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心軸線(xiàn)B軸、工裝回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A軸及機(jī)床主軸軸線(xiàn)C軸相交于工件理想基準(zhǔn)點(diǎn),且重復(fù)裝夾、找正后精度穩(wěn)定性好，可見(jiàn)對(duì)各零件的形位公差及厚度尺寸要求很高。工裝主要由底板部分、分度盤(pán)、芯軸、壓盤(pán)、菱形銷(xiāo)、壓塊、定位錐銷(xiāo)、定位鍵等零部件組成，其裝配如圖3所示。

(1) 底板部分。底板部分是工裝的關(guān)鍵部件,用于支撐、定位芯軸和工件,保證三維立體定向孔的位置精度。通過(guò)定位錐銷(xiāo)與機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心孔定位連接,保證工件緯度方向的定位精度。通過(guò)定位鍵與機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中槽的定位連接,保證工件經(jīng)度方向的定位精度。底板部分由底板、軸套和壓環(huán)組成。底板采用45號(hào)鋼，是底板部分的主要零件,與軸套、壓環(huán)先裝配后加工。軸套采用H62黃銅，與底板兩側(cè)面的接觸半圓孔配作加工,且要求過(guò)盈配合公差為0.01～0.02 mm，然后用側(cè)面三個(gè)沉頭M8螺釘與底板固定裝在一起,再配加工M6-6H 30°斜孔,用螺釘緊固。壓環(huán)采用45號(hào)鋼,通過(guò)兩個(gè)M10螺釘固定在底板兩頂端。軸套和壓環(huán)全部安裝后,精加工兩端φ75H7孔。

底板部分的關(guān)鍵尺寸及精度要求如下:① 底板兩端φ75H7孔要求同軸度小于0.01 mm,且相對(duì)于定位錐銷(xiāo)的孔軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)度小于0.015 mm;② 底面的平面度小于0.015 mm,且平行于φ75H7孔軸線(xiàn),公差為0.015 mm;③ 定位錐銷(xiāo)孔φ60H7軸線(xiàn)垂直于φ75H7孔軸線(xiàn)及底板底面,公差為0.015 mm;④ 底面定位鍵槽與φ75H7孔軸線(xiàn)平行,公差為0.01 mm,且相對(duì)于定位錐銷(xiāo)孔軸線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)度小于0.01 mm;⑤ 安裝分度盤(pán)的內(nèi)側(cè)面垂直于φ75H7孔軸線(xiàn),且與定位錐銷(xiāo)孔φ60H7軸線(xiàn)的距離控制為335±0.02 mm。

(2) 芯軸采用40Cr鋼,整體調(diào)質(zhì)。芯軸為旋轉(zhuǎn)軸,用于帶動(dòng)工件、分度盤(pán)、壓盤(pán)旋轉(zhuǎn)。芯軸與工件、分度盤(pán)、壓板、壓塊、軸套接觸的外圓和側(cè)面均進(jìn)行高頻淬火,洛氏硬度(HRC)為48,且要求相對(duì)軸線(xiàn)的全跳動(dòng)小于0.005 mm。芯軸與分度盤(pán)和壓板連接的內(nèi)孔φ100 mm要求配磨,保證間隙配合公差在0.01～0.02 mm之間。芯軸與分度盤(pán)和工件連接的法蘭邊兩側(cè)面相對(duì)軸線(xiàn)的跳動(dòng)小于0.02 mm,法蘭邊厚度保證為20±0.01 mm。

(3) 分度盤(pán)采用40Cr鋼,粗加工后調(diào)質(zhì)處理，用于加工孔時(shí)經(jīng)度位置的定位,必須保證在圓周360°上均布的24-φ20H7定位孔相對(duì)圓心的位置度小于0.015 mm。分度盤(pán)側(cè)面通過(guò)八個(gè)M10螺釘與芯軸固定，保證兩側(cè)面平行度且與孔軸線(xiàn)的垂直度小于0.01 mm,厚度尺寸控制為30±0.01 mm,內(nèi)孔圓柱度小于0.01 mm。

(4) 壓盤(pán)采用40Cr鋼,整體調(diào)質(zhì)，通過(guò)12個(gè)M10螺釘固定在零件φ596g6外圓上，用于工件的固定。壓盤(pán)與工件及芯軸外圓接觸的兩內(nèi)孔同軸度小于0.015 mm,圓柱度小于0.014 mm。壓盤(pán)與工件外側(cè)連接的側(cè)面與孔軸線(xiàn)垂直,公差小于0.02 mm。

(5) 定位錐銷(xiāo)采用40Cr鋼,進(jìn)行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48，用于工裝與加工機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心軸的定位,保證工件理想基準(zhǔn)點(diǎn)C在加工機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的中心軸上，外圓相對(duì)于軸線(xiàn)的全跳動(dòng)小于0.01mm。

(6) 壓塊采用45號(hào)鋼,發(fā)藍(lán)處理。壓塊壓在分度盤(pán)側(cè)面,通過(guò)兩個(gè)螺釘固定在底盤(pán)兩側(cè)面,用于芯軸、分度盤(pán)及工件軸向的緊固,防止加工中零件產(chǎn)生軸向移動(dòng)。

(7) 菱形銷(xiāo)采用40Cr鋼,進(jìn)行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48。菱形銷(xiāo)連接底板和分度盤(pán),用于分度盤(pán)及工件經(jīng)度的定位。

(8) 定位鍵采用40Cr鋼,進(jìn)行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48，用于工裝與加工機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心梯形槽的定位,保證工裝旋轉(zhuǎn)軸與加工機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心在一個(gè)平面內(nèi)平行。

5 加工過(guò)程

將壓盤(pán)安裝在工件的大端,以φ596g6外圓及端面定位,用螺釘從壓盤(pán)端緊固。將工件安裝到芯軸上,工件小端側(cè)面、工件內(nèi)孔、壓盤(pán)內(nèi)孔與芯軸定位連接,用螺釘從芯軸法蘭側(cè)面緊固。將分度盤(pán)安裝在芯軸法蘭另一側(cè)面,用螺釘從分度盤(pán)端緊固。

在機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中槽內(nèi)放入定位鍵,起吊裝有工件的工裝。調(diào)整位置,將定位錐銷(xiāo)放入機(jī)床工作臺(tái)中心孔內(nèi)。底板上的定位槽對(duì)準(zhǔn)定位鍵放入。芯軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)90°,校正芯軸兩端軸的側(cè)母線(xiàn)和上母線(xiàn),保證工件軸線(xiàn)與機(jī)床主軸軸線(xiàn)同軸。將菱形銷(xiāo)安裝于底板與分度盤(pán)的一個(gè)孔內(nèi)。安裝兩邊壓塊,將分度盤(pán)緊固在底板上。固定芯軸及工件軸向位置,安裝芯軸兩端壓環(huán)。

由于每個(gè)孔的位置及深度均不同,為防止加工操作時(shí)分度或進(jìn)給深度出現(xiàn)誤差,應(yīng)按照每個(gè)孔對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)緯度、芯軸經(jīng)度及主軸進(jìn)給深度進(jìn)行加工。加工時(shí)先用φ20 mm鉆頭鉆孔,再進(jìn)行銑孔,最后用成形一體刀精鏜,保證φ22 mm和φ28 mm孔的直徑及深度。每個(gè)孔加工結(jié)束后，均需調(diào)整工作臺(tái)緯度,并調(diào)整主軸進(jìn)給深度。每組孔加工結(jié)束,調(diào)整芯軸經(jīng)度。調(diào)整經(jīng)度時(shí),先松開(kāi)芯軸兩端壓環(huán),拆下兩側(cè)壓塊,拔下菱形銷(xiāo),旋轉(zhuǎn)芯軸，然后插入定位銷(xiāo),安裝兩側(cè)壓塊和芯軸兩端壓環(huán)。按以上方法加工，直至完成全部120個(gè)孔的加工。

6 結(jié)束語(yǔ)