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(shè)備的簡稱,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(nèi)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(yù)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(jīng)度、緯度、深度均不同,孔內(nèi)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(xiàn)360°同步旋轉(zhuǎn),根據(jù)靶點大小選擇不同的束徑。放射線經(jīng)預(yù)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(guān)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(fù)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(nèi)?？椎募庸な枪ぜ庸さ年P(guān)鍵點,這種三維立體定向孔在五軸數(shù)控機床上加工比較方便,但筆者公司沒有五軸加工設(shè)備,只能借助于工裝來完成。準直體結(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兩個相互垂直的軸線旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。根據(jù)這一原理,可以使工件圍繞相互垂直的兩條軸線,通過兩條軸線的不同旋轉(zhuǎn),實現(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臥式坐標鏜床,鏜床上有一個可以旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺(B軸),只需再設(shè)計一個與回轉(zhuǎn)工作臺垂直的A軸即可。

4 工裝設(shè)計

加工方案確定后,按照孔的精度要求設(shè)計加工工裝。設(shè)計總體要求除有可以回轉(zhuǎn)的軸外,還必須保證機床工作臺回轉(zhuǎn)中心軸線B軸、工裝回轉(zhuǎn)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(fù)裝夾、找正后精度穩(wěn)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(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。通過定位錐銷與機床旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工作臺中槽的定位連接,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,且要求過盈配合公差為0.01～0.02 mm，然后用側(cè)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(huán)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(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(nèi)側(cè)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(diào)質(zhì)。芯軸為旋轉(zhuǎn)軸,用于帶動工件、分度盤、壓盤旋轉(zhuǎn)。芯軸與工件、分度盤、壓板、壓塊、軸套接觸的外圓和側(cè)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(nèi)孔φ100 mm要求配磨,保證間隙配合公差在0.01～0.02 mm之間。芯軸與分度盤和工件連接的法蘭邊兩側(cè)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(diào)質(zhì)處理，用于加工孔時經(jīng)度位置的定位,必須保證在圓周360°上均布的24-φ20H7定位孔相對圓心的位置度小于0.015 mm。分度盤側(cè)面通過八個M10螺釘與芯軸固定，保證兩側(cè)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(nèi)孔圓柱度小于0.01 mm。

(4) 壓盤采用40Cr鋼,整體調(diào)質(zhì)，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(nèi)孔同軸度小于0.015 mm,圓柱度小于0.014 mm。壓盤與工件外側(cè)連接的側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)藍處理。壓塊壓在分度盤側(cè)面,通過兩個螺釘固定在底盤兩側(cè)面,用于芯軸、分度盤及工件軸向的緊固,防止加工中零件產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)工作臺中心梯形槽的定位,保證工裝旋轉(zhuǎn)軸與加工機床旋轉(zhuǎn)工作臺中心在一個平面內(nèi)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(cè)面、工件內(nèi)孔、壓盤內(nèi)孔與芯軸定位連接,用螺釘從芯軸法蘭側(cè)面緊固。將分度盤安裝在芯軸法蘭另一側(cè)面,用螺釘從分度盤端緊固。

在機床旋轉(zhuǎn)工作臺中槽內(nèi)放入定位鍵,起吊裝有工件的工裝。調(diào)整位置,將定位錐銷放入機床工作臺中心孔內(nèi)。底板上的定位槽對準定位鍵放入。芯軸帶動工件旋轉(zhuǎn)90°,校正芯軸兩端軸的側(cè)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(nèi)。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(huán)。

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(xiàn)誤差,應(yīng)按照每個孔對應(yīng)的工作臺緯度、芯軸經(jīng)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(jié)束后，均需調(diào)整工作臺緯度,并調(diào)整主軸進給深度。每組孔加工結(jié)束,調(diào)整芯軸經(jīng)度。調(diào)整經(jīng)度時,先松開芯軸兩端壓環(huán),拆下兩側(cè)壓塊,拔下菱形銷,旋轉(zhuǎn)芯軸，然后插入定位銷,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個孔的加工。

6 結(jié)束語