伽马刀准直体三维立体定向孔的加工方法

□ 马青芬

南通航智装备科技有限公司 江苏南通 226006

1 加工背景

伽马刀是立体定向放射治疗设备的简称,是医学史上的一次革命性突破。伽马刀分头部伽马刀和体部伽马刀,头部伽马刀主要用于对头部肿瘤的治疗。伽马刀的工作原理类似于放大镜的聚焦原理,将颅腔内病变组织选择性地确定为靶点,采用伽马射线进行一次性大剂量聚焦照射,摧毁病灶,从而达到治疗肿瘤的目的。焦点以外的正常组织只受到分散、均匀的微量照射,可以得到很好的保护。

头部伽马刀的主要零部件是射源体和准直体。射源体上有30个螺旋排列的三维立体定向孔,用于放置放射源,通过预准直器限制射线束的方向。准直体上有4组120个三维立体定向孔,各孔经度、纬度、深度均不同,孔内装有中间准直器和末端准直器。治疗时,射源体和准直体可实现360°同步旋转,根据靶点大小选择不同的束径。放射线经预准直器、中间准直器和末端准直器，形成若干射线束锥面,每个锥面互不重叠,但都聚焦在球心,形成公共焦点。焦点越小,焦点处对病变组织的杀伤力就越强,对焦点外健康组织的伤害也就越小。由以上分析可见,影响伽马刀治疗效果的关键在于准直体和射源体上三维立体定向孔聚焦的精度。

2 加工要求

准直体和射源体都为半球体形状,笔者主要介绍加工复杂、精度要求较高的准直体上三维立体定向孔的加工方法。准直体上有120个三维立体定向孔,每个孔的位置和深度均不相同,但各孔的轴心线延伸均聚焦在一个理想基准点C上,公差为Sφ0.3 mm。Sφ0.3 mm要求所有孔轴心线焦点在0.3 mm的球面以内。孔的加工是工件加工的关键点,这种三维立体定向孔在五轴数控机床上加工比较方便,但笔者公司没有五轴加工设备,只能借助于工装来完成。准直体结构如图1所示，孔加工尺寸要求如图2所示。

3 加工方案

任何三维空间的定位都可以通过两个相互垂直的轴线旋转来实现。根据这一原理,可以使工件围绕相互垂直的两条轴线,通过两条轴线的不同旋转,实现任何空间角度的定位[1]。笔者公司有精度及稳定性较高的瑞士迪克西DIXI卧式坐标镗床,镗床上有一个可以旋转的回转工作台(B轴),只需再设计一个与回转工作台垂直的A轴即可。

4 工装设计

加工方案确定后,按照孔的精度要求设计加工工装。设计总体要求除有可以回转的轴外,还必须保证机床工作台回转中心轴线B轴、工装回转轴线A轴及机床主轴轴线C轴相交于工件理想基准点,且重复装夹、找正后精度稳定性好，可见对各零件的形位公差及厚度尺寸要求很高。工装主要由底板部分、分度盘、芯轴、压盘、菱形销、压块、定位锥销、定位键等零部件组成，其装配如图3所示。

(1) 底板部分。底板部分是工装的关键部件,用于支撑、定位芯轴和工件,保证三维立体定向孔的位置精度。通过定位锥销与机床旋转工作台中心孔定位连接,保证工件纬度方向的定位精度。通过定位键与机床旋转工作台中槽的定位连接,保证工件经度方向的定位精度。底板部分由底板、轴套和压环组成。底板采用45号钢，是底板部分的主要零件,与轴套、压环先装配后加工。轴套采用H62黄铜，与底板两侧面的接触半圆孔配作加工,且要求过盈配合公差为0.01～0.02 mm，然后用侧面三个沉头M8螺钉与底板固定装在一起,再配加工M6-6H 30°斜孔,用螺钉紧固。压环采用45号钢,通过两个M10螺钉固定在底板两顶端。轴套和压环全部安装后,精加工两端φ75H7孔。

底板部分的关键尺寸及精度要求如下:① 底板两端φ75H7孔要求同轴度小于0.01 mm,且相对于定位锥销的孔轴线对称度小于0.015 mm;② 底面的平面度小于0.015 mm,且平行于φ75H7孔轴线,公差为0.015 mm;③ 定位锥销孔φ60H7轴线垂直于φ75H7孔轴线及底板底面,公差为0.015 mm;④ 底面定位键槽与φ75H7孔轴线平行,公差为0.01 mm,且相对于定位锥销孔轴线的对称度小于0.01 mm;⑤ 安装分度盘的内侧面垂直于φ75H7孔轴线,且与定位锥销孔φ60H7轴线的距离控制为335±0.02 mm。

(2) 芯轴采用40Cr钢,整体调质。芯轴为旋转轴,用于带动工件、分度盘、压盘旋转。芯轴与工件、分度盘、压板、压块、轴套接触的外圆和侧面均进行高频淬火,洛氏硬度(HRC)为48,且要求相对轴线的全跳动小于0.005 mm。芯轴与分度盘和压板连接的内孔φ100 mm要求配磨,保证间隙配合公差在0.01～0.02 mm之间。芯轴与分度盘和工件连接的法兰边两侧面相对轴线的跳动小于0.02 mm,法兰边厚度保证为20±0.01 mm。

(3) 分度盘采用40Cr钢,粗加工后调质处理，用于加工孔时经度位置的定位,必须保证在圆周360°上均布的24-φ20H7定位孔相对圆心的位置度小于0.015 mm。分度盘侧面通过八个M10螺钉与芯轴固定，保证两侧面平行度且与孔轴线的垂直度小于0.01 mm,厚度尺寸控制为30±0.01 mm,内孔圆柱度小于0.01 mm。

(4) 压盘采用40Cr钢,整体调质，通过12个M10螺钉固定在零件φ596g6外圆上，用于工件的固定。压盘与工件及芯轴外圆接触的两内孔同轴度小于0.015 mm,圆柱度小于0.014 mm。压盘与工件外侧连接的侧面与孔轴线垂直,公差小于0.02 mm。

(5) 定位锥销采用40Cr钢,进行热处理，洛氏硬度(HRC)为48，用于工装与加工机床旋转工作台中心轴的定位,保证工件理想基准点C在加工机床旋转工作台的中心轴上，外圆相对于轴线的全跳动小于0.01mm。

(6) 压块采用45号钢,发蓝处理。压块压在分度盘侧面,通过两个螺钉固定在底盘两侧面,用于芯轴、分度盘及工件轴向的紧固,防止加工中零件产生轴向移动。

(7) 菱形销采用40Cr钢,进行热处理，洛氏硬度(HRC)为48。菱形销连接底板和分度盘,用于分度盘及工件经度的定位。

(8) 定位键采用40Cr钢,进行热处理，洛氏硬度(HRC)为48，用于工装与加工机床旋转工作台中心梯形槽的定位,保证工装旋转轴与加工机床旋转工作台中心在一个平面内平行。

5 加工过程

将压盘安装在工件的大端,以φ596g6外圆及端面定位,用螺钉从压盘端紧固。将工件安装到芯轴上,工件小端侧面、工件内孔、压盘内孔与芯轴定位连接,用螺钉从芯轴法兰侧面紧固。将分度盘安装在芯轴法兰另一侧面,用螺钉从分度盘端紧固。

在机床旋转工作台中槽内放入定位键,起吊装有工件的工装。调整位置,将定位锥销放入机床工作台中心孔内。底板上的定位槽对准定位键放入。芯轴带动工件旋转90°,校正芯轴两端轴的侧母线和上母线,保证工件轴线与机床主轴轴线同轴。将菱形销安装于底板与分度盘的一个孔内。安装两边压块,将分度盘紧固在底板上。固定芯轴及工件轴向位置,安装芯轴两端压环。

由于每个孔的位置及深度均不同,为防止加工操作时分度或进给深度出现误差,应按照每个孔对应的工作台纬度、芯轴经度及主轴进给深度进行加工。加工时先用φ20 mm钻头钻孔,再进行铣孔,最后用成形一体刀精镗,保证φ22 mm和φ28 mm孔的直径及深度。每个孔加工结束后，均需调整工作台纬度,并调整主轴进给深度。每组孔加工结束,调整芯轴经度。调整经度时,先松开芯轴两端压环,拆下两侧压块,拔下菱形销,旋转芯轴，然后插入定位销,安装两侧压块和芯轴两端压环。按以上方法加工，直至完成全部120个孔的加工。

6 结束语