伽馬刀準直體三維立體定向孔的加工方法

□ 馬青芬

南通航智裝備科技有限公司 江蘇南通 226006

1 加工背景

伽馬刀是立體定向放射治療設備的簡稱,是醫學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頭部腫瘤的治療。伽馬刀的工作原理類似于放大鏡的聚焦原理,將顱腔內病變組織選擇性地確定為靶點,采用伽馬射線進行一次性大劑量聚焦照射,摧毀病灶,從而達到治療腫瘤的目的。焦點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。

頭部伽馬刀的主要零部件是射源體和準直體。射源體上有30個螺旋排列的三維立體定向孔,用于放置放射源,通過預準直器限制射線束的方向。準直體上有4組120個三維立體定向孔,各孔經度、緯度、深度均不同,孔內裝有中間準直器和末端準直器。治療時,射源體和準直體可實現360°同步旋轉,根據靶點大小選擇不同的束徑。放射線經預準直器、中間準直器和末端準直器，形成若干射線束錐面,每個錐面互不重疊,但都聚焦在球心,形成公共焦點。焦點越小,焦點處對病變組織的殺傷力就越強,對焦點外健康組織的傷害也就越小。由以上分析可見,影響伽馬刀治療效果的關鍵在于準直體和射源體上三維立體定向孔聚焦的精度。

2 加工要求

準直體和射源體都為半球體形狀,筆者主要介紹加工復雜、精度要求較高的準直體上三維立體定向孔的加工方法。準直體上有120個三維立體定向孔,每個孔的位置和深度均不相同,但各孔的軸心線延伸均聚焦在一個理想基準點C上,公差為Sφ0.3 mm。Sφ0.3 mm要求所有孔軸心線焦點在0.3 mm的球面以內。孔的加工是工件加工的關鍵點,這種三維立體定向孔在五軸數控機床上加工比較方便,但筆者公司沒有五軸加工設備,只能借助于工裝來完成。準直體結構如圖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兩個相互垂直的軸線旋轉來實現。根據這一原理,可以使工件圍繞相互垂直的兩條軸線,通過兩條軸線的不同旋轉,實現任何空間角度的定位[1]。筆者公司有精度及穩定性較高的瑞士迪克西DIXI臥式坐標鏜床,鏜床上有一個可以旋轉的回轉工作臺(B軸),只需再設計一個與回轉工作臺垂直的A軸即可。

4 工裝設計

加工方案確定后,按照孔的精度要求設計加工工裝。設計總體要求除有可以回轉的軸外,還必須保證機床工作臺回轉中心軸線B軸、工裝回轉軸線A軸及機床主軸軸線C軸相交于工件理想基準點,且重復裝夾、找正后精度穩定性好，可見對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、芯軸、壓盤、菱形銷、壓塊、定位錐銷、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。通過定位錐銷與機床旋轉工作臺中心孔定位連接,保證工件緯度方向的定位精度。通過定位鍵與機床旋轉工作臺中槽的定位連接,保證工件經度方向的定位精度。底板部分由底板、軸套和壓環組成。底板采用45號鋼，是底板部分的主要零件,與軸套、壓環先裝配后加工。軸套采用H62黃銅，與底板兩側面的接觸半圓孔配作加工,且要求過盈配合公差為0.01～0.02 mm，然后用側面三個沉頭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。壓環采用45號鋼,通過兩個M10螺釘固定在底板兩頂端。軸套和壓環全部安裝后,精加工兩端φ75H7孔。

底板部分的關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,且相對于定位錐銷的孔軸線對稱度小于0.015 mm;② 底面的平面度小于0.015 mm,且平行于φ75H7孔軸線,公差為0.015 mm;③ 定位錐銷孔φ60H7軸線垂直于φ75H7孔軸線及底板底面,公差為0.015 mm;④ 底面定位鍵槽與φ75H7孔軸線平行,公差為0.01 mm,且相對于定位錐銷孔軸線的對稱度小于0.01 mm;⑤ 安裝分度盤的內側面垂直于φ75H7孔軸線,且與定位錐銷孔φ60H7軸線的距離控制為335±0.02 mm。

(2) 芯軸采用40Cr鋼,整體調質。芯軸為旋轉軸,用于帶動工件、分度盤、壓盤旋轉。芯軸與工件、分度盤、壓板、壓塊、軸套接觸的外圓和側面均進行高頻淬火,洛氏硬度(HRC)為48,且要求相對軸線的全跳動小于0.005 mm。芯軸與分度盤和壓板連接的內孔φ100 mm要求配磨,保證間隙配合公差在0.01～0.02 mm之間。芯軸與分度盤和工件連接的法蘭邊兩側面相對軸線的跳動小于0.02 mm,法蘭邊厚度保證為20±0.01 mm。

(3) 分度盤采用40Cr鋼,粗加工后調質處理，用于加工孔時經度位置的定位,必須保證在圓周360°上均布的24-φ20H7定位孔相對圓心的位置度小于0.015 mm。分度盤側面通過八個M10螺釘與芯軸固定，保證兩側面平行度且與孔軸線的垂直度小于0.01 mm,厚度尺寸控制為30±0.01 mm,內孔圓柱度小于0.01 mm。

(4) 壓盤采用40Cr鋼,整體調質，通過12個M10螺釘固定在零件φ596g6外圓上，用于工件的固定。壓盤與工件及芯軸外圓接觸的兩內孔同軸度小于0.015 mm,圓柱度小于0.014 mm。壓盤與工件外側連接的側面與孔軸線垂直,公差小于0.02 mm。

(5) 定位錐銷采用40Cr鋼,進行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48，用于工裝與加工機床旋轉工作臺中心軸的定位,保證工件理想基準點C在加工機床旋轉工作臺的中心軸上，外圓相對于軸線的全跳動小于0.01mm。

(6) 壓塊采用45號鋼,發藍處理。壓塊壓在分度盤側面,通過兩個螺釘固定在底盤兩側面,用于芯軸、分度盤及工件軸向的緊固,防止加工中零件產生軸向移動。

(7) 菱形銷采用40Cr鋼,進行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48。菱形銷連接底板和分度盤,用于分度盤及工件經度的定位。

(8) 定位鍵采用40Cr鋼,進行熱處理，洛氏硬度(HRC)為48，用于工裝與加工機床旋轉工作臺中心梯形槽的定位,保證工裝旋轉軸與加工機床旋轉工作臺中心在一個平面內平行。

5 加工過程

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

在機床旋轉工作臺中槽內放入定位鍵,起吊裝有工件的工裝。調整位置,將定位錐銷放入機床工作臺中心孔內。底板上的定位槽對準定位鍵放入。芯軸帶動工件旋轉90°,校正芯軸兩端軸的側母線和上母線,保證工件軸線與機床主軸軸線同軸。將菱形銷安裝于底板與分度盤的一個孔內。安裝兩邊壓塊,將分度盤緊固在底板上。固定芯軸及工件軸向位置,安裝芯軸兩端壓環。

由于每個孔的位置及深度均不同,為防止加工操作時分度或進給深度出現誤差,應按照每個孔對應的工作臺緯度、芯軸經度及主軸進給深度進行加工。加工時先用φ20 mm鉆頭鉆孔,再進行銑孔,最后用成形一體刀精鏜,保證φ22 mm和φ28 mm孔的直徑及深度。每個孔加工結束后，均需調整工作臺緯度,并調整主軸進給深度。每組孔加工結束,調整芯軸經度。調整經度時,先松開芯軸兩端壓環,拆下兩側壓塊,拔下菱形銷,旋轉芯軸，然后插入定位銷,安裝兩側壓塊和芯軸兩端壓環。按以上方法加工，直至完成全部120個孔的加工。

6 結束語