質子治療裝置是由質子加速器、能量選擇系統、旋轉機架及治療頭等組成，如圖1所示。其中，旋轉機架（Gantry）是質子治療裝置關鍵部件之一，其具有結構大、精度高的特點，主要功能是帶動由多塊磁鐵及其他加速器件圍繞回轉軸線旋轉，實現不同角度下對病灶的照射，要求機構功能定位準確、性能可靠、運行平穩和安全。
圖1 質子治療儀裝配圖
目前，旋轉機架主要的傳動方式有摩擦傳動、鏈傳動、齒輪傳動，從機械理論的角度上講，齒輪傳動的精度最高，運行平穩，承載能力高，可實現精確控制。要實現齒輪傳動方式，齒圈的導軌就成為旋轉機架中非常關鍵的部件之一，主要用于傳動和規范運動軌跡，直接影響傳動精度與平穩性，而導軌的加工質量直接影響治療頭的治療精度，不僅要求導軌面粗糙度值低，而且耐磨，即要求導軌表面有較高的硬度。該質子治療儀齒圈材質為42CrMoA，齒圈要求精度高，初期考慮導軌表面熱處理方式主要有兩種方案，一種為表面感應淬火，另一種為表面激光淬火，對比精度、應力以及環境外觀等因素，激光淬火可以滿足有效硬化層深及表面硬度要求，同時具有應力小、齒圈變形小、無需回火、外觀色澤好的特點。本文介紹使用激光淬火技術來提高質子儀導軌面的硬度。
一、齒圈制造加工工序
質子治療儀齒圈制造加工工序：鍛造→鍛后熱處理→粗車→UT→調質→粗車→UT→半精車→滾齒→精車1→銑鉆→導軌激光淬火→精車2→磨齒→成品。齒圈直徑6500mm，調質硬度為300~340HBW，調質后滾齒加工，根據基體材質淬透性及控制截面計算出開齒后硬度降不大于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，通過功率監控裝置控制輸出功率，圖樣要求齒圈導軌表面硬度55~58HRC，有效硬化層不小于1.0mm，高于55HRC區間不小于0.5mm，激光淬火區域圓度≤0.10mm，表面不可有融化、裂紋等缺陷。
二、導軌激光淬火
設計專用的支撐胎具，將胎具放置在工作臺上，并使得胎具承載齒圈。支撐胎具，即6m大型整體工裝，主要用于增強齒圈本身的剛性，便于裝夾和找正；找正齒圈基準在0.020mm以內，然后計算和調整機床輸入參數，以便加工時齒圈的線速度滿足激光淬火的要求，如圖2所示。
圖2 質子治療儀齒圈裝夾
激光淬火設備放置區域。激光淬火設備放在滾齒機預定的位置，要求該位置有一定的承重能力，具體取決于設備的自重。大型CO2激光設備一般2~3t，若采用機械臂模式，對于設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，以減少導軌表面的激光反射來保證激光系數率。調整設備激光頭的位置，使得激光能按要求打到預定的位置，如圖3所示。通過調整激光功率、光斑尺寸、掃描速度等參數，結合齒圈的材質及基體硬度組織性能，通過固態相變再結晶，改變表面組織結構自冷淬火以實現一定深度的高表面硬度特征。
圖3 質子治療儀齒圈表面激光淬火
大型滾齒機內輸入合適的參數，借助大型滾齒機的工作臺旋轉，胎具帶動齒圈按照預定的線速度旋轉。
三、激光淬火效果
采用高功率激光束照射導軌面，以極快速度加熱導軌表面并自冷淬火，采用同熔煉號、同調質、同控制截面的熱處理試樣進行激光淬火效果驗證（圖4為淬火后的表面），沿掃描帶剖開，采用沃博特顯微維氏硬度計檢測顯微硬度，表面硬度達到57HRC，層深達到1.4mm，表面激光淬火區域的奧氏體晶粒度平均組織為30μm（對應平均晶粒度7級），如圖5、圖6所示。齒圈采用同試樣激光淬火工藝，激光淬火后齒圈導軌表面硬度達到56~57HRC，表面無氧化脫貧，無裂紋、凹坑等外觀缺陷，各項性能可以滿足要求。
圖4 激光淬火的表面
圖5 激光淬火硬度梯度及層深
四、結語
（1）大型數控機床轉速能夠實現大范圍內的可調性，且轉速恒定，為激光淬火過程的穩定提供了保障。（2）超大型質子治療儀精密齒圈以及相關齒圈，直徑較大，加工過程中很難尋找到合適的回火設備，而且熱處理變形無法預期，采用激光淬火方案，不需要大型設備回火，產品變形小，質量可靠。
作者：陳思潔，顧曉明
單位：常州天山重工機械有限公司
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