質(zhì)子治療裝置是由質(zhì)子加速器、能量選擇系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)架及治療頭等組成，如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)機(jī)架（Gantry）是質(zhì)子治療裝置關(guān)鍵部件之一，其具有結(jié)構(gòu)大、精度高的特點(diǎn)，主要功能是帶動(dòng)由多塊磁鐵及其他加速器件圍繞回轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同角度下對(duì)病灶的照射，要求機(jī)構(gòu)功能定位準(zhǔn)確、性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)和安全。
圖1 質(zhì)子治療儀裝配圖
目前，旋轉(zhuǎn)機(jī)架主要的傳動(dòng)方式有摩擦傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)，從機(jī)械理論的角度上講，齒輪傳動(dòng)的精度最高，運(yùn)行平穩(wěn)，承載能力高，可實(shí)現(xiàn)精確控制。要實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)方式，齒圈的導(dǎo)軌就成為旋轉(zhuǎn)機(jī)架中非常關(guān)鍵的部件之一，主要用于傳動(dòng)和規(guī)范運(yùn)動(dòng)軌跡，直接影響傳動(dòng)精度與平穩(wěn)性，而導(dǎo)軌的加工質(zhì)量直接影響治療頭的治療精度，不僅要求導(dǎo)軌面粗糙度值低，而且耐磨，即要求導(dǎo)軌表面有較高的硬度。該質(zhì)子治療儀齒圈材質(zhì)為42CrMoA，齒圈要求精度高，初期考慮導(dǎo)軌表面熱處理方式主要有兩種方案，一種為表面感應(yīng)淬火，另一種為表面激光淬火，對(duì)比精度、應(yīng)力以及環(huán)境外觀等因素，激光淬火可以滿足有效硬化層深及表面硬度要求，同時(shí)具有應(yīng)力小、齒圈變形小、無(wú)需回火、外觀色澤好的特點(diǎn)。本文介紹使用激光淬火技術(shù)來(lái)提高質(zhì)子儀導(dǎo)軌面的硬度。
一、齒圈制造加工工序
質(zhì)子治療儀齒圈制造加工工序：鍛造→鍛后熱處理→粗車→UT→調(diào)質(zhì)→粗車→UT→半精車→滾齒→精車1→銑鉆→導(dǎo)軌激光淬火→精車2→磨齒→成品。齒圈直徑6500mm，調(diào)質(zhì)硬度為300~340HBW，調(diào)質(zhì)后滾齒加工，根據(jù)基體材質(zhì)淬透性及控制截面計(jì)算出開(kāi)齒后硬度降不大于30HBW，保證齒根部位硬度不低于280HBW，基體組織為回火索氏體及少量貝氏體；激光淬火采用CO2激光器，通過(guò)功率監(jiān)控裝置控制輸出功率，圖樣要求齒圈導(dǎo)軌表面硬度55~58HRC，有效硬化層不小于1.0mm，高于55HRC區(qū)間不小于0.5mm，激光淬火區(qū)域圓度≤0.10mm，表面不可有融化、裂紋等缺陷。
二、導(dǎo)軌激光淬火
設(shè)計(jì)專用的支撐胎具，將胎具放置在工作臺(tái)上，并使得胎具承載齒圈。支撐胎具，即6m大型整體工裝，主要用于增強(qiáng)齒圈本身的剛性，便于裝夾和找正；找正齒圈基準(zhǔn)在0.020mm以內(nèi)，然后計(jì)算和調(diào)整機(jī)床輸入?yún)?shù)，以便加工時(shí)齒圈的線速度滿足激光淬火的要求，如圖2所示。
圖2 質(zhì)子治療儀齒圈裝夾
激光淬火設(shè)備放置區(qū)域。激光淬火設(shè)備放在滾齒機(jī)預(yù)定的位置，要求該位置有一定的承重能力，具體取決于設(shè)備的自重。大型CO2激光設(shè)備一般2~3t，若采用機(jī)械臂模式，對(duì)于設(shè)備的承重能力要求更低。激光淬火部位事先涂抹一定厚度的SiO2吸光材料，以減少導(dǎo)軌表面的激光反射來(lái)保證激光系數(shù)率。調(diào)整設(shè)備激光頭的位置，使得激光能按要求打到預(yù)定的位置，如圖3所示。通過(guò)調(diào)整激光功率、光斑尺寸、掃描速度等參數(shù)，結(jié)合齒圈的材質(zhì)及基體硬度組織性能，通過(guò)固態(tài)相變?cè)俳Y(jié)晶，改變表面組織結(jié)構(gòu)自冷淬火以實(shí)現(xiàn)一定深度的高表面硬度特征。
圖3 質(zhì)子治療儀齒圈表面激光淬火
大型滾齒機(jī)內(nèi)輸入合適的參數(shù)，借助大型滾齒機(jī)的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，胎具帶動(dòng)齒圈按照預(yù)定的線速度旋轉(zhuǎn)。
三、激光淬火效果
采用高功率激光束照射導(dǎo)軌面，以極快速度加熱導(dǎo)軌表面并自冷淬火，采用同熔煉號(hào)、同調(diào)質(zhì)、同控制截面的熱處理試樣進(jìn)行激光淬火效果驗(yàn)證（圖4為淬火后的表面），沿掃描帶剖開(kāi)，采用沃博特顯微維氏硬度計(jì)檢測(cè)顯微硬度，表面硬度達(dá)到57HRC，層深達(dá)到1.4mm，表面激光淬火區(qū)域的奧氏體晶粒度平均組織為30μm（對(duì)應(yīng)平均晶粒度7級(jí)），如圖5、圖6所示。齒圈采用同試樣激光淬火工藝，激光淬火后齒圈導(dǎo)軌表面硬度達(dá)到56~57HRC，表面無(wú)氧化脫貧，無(wú)裂紋、凹坑等外觀缺陷，各項(xiàng)性能可以滿足要求。
圖4 激光淬火的表面
圖5 激光淬火硬度梯度及層深
四、結(jié)語(yǔ)
（1）大型數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍內(nèi)的可調(diào)性，且轉(zhuǎn)速恒定，為激光淬火過(guò)程的穩(wěn)定提供了保障。（2）超大型質(zhì)子治療儀精密齒圈以及相關(guān)齒圈，直徑較大，加工過(guò)程中很難尋找到合適的回火設(shè)備，而且熱處理變形無(wú)法預(yù)期，采用激光淬火方案，不需要大型設(shè)備回火，產(chǎn)品變形小，質(zhì)量可靠。
作者：陳思潔，顧曉明
單位：常州天山重工機(jī)械有限公司
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