无氧化脱贫， 无裂纹、凹坑，激光淬火大型精密齿圈上的应用

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作者：陈思洁，顾晓明

单位：常州天山重工机械有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

质子治疗装置是由质子加速器、能量选择系统、旋转机架及治疗头等组成，如图1所示。其中，旋转机架（Gantry）是质子治疗装置关键部件之一，其具有结构大、精度高的特点，主要功能是带动由多块磁铁及其他加速器件围绕回转轴线旋转，实现不同角度下对病灶的照射，要求机构功能定位准确、性能可靠、运行平稳和安全。

图1  质子治疗仪装配图

目前，旋转机架主要的传动方式有摩擦传动、链传动、齿轮传动，从机械理论的角度上讲，齿轮传动的精度最高，运行平稳，承载能力高，可实现精确控制。要实现齿轮传动方式，齿圈的导轨就成为旋转机架中非常关键的部件之一，主要用于传动和规范运动轨迹，直接影响传动精度与平稳性，而导轨的加工质量直接影响治疗头的治疗精度，不仅要求导轨面粗糙度值低，而且耐磨，即要求导轨表面有较高的硬度。

该质子治疗仪齿圈材质为42CrMoA，齿圈要求精度高，初期考虑导轨表面热处理方式主要有两种方案，一种为表面感应淬火，另一种为表面激光淬火，对比精度、应力以及环境外观等因素，激光淬火可以满足有效硬化层深及表面硬度要求，同时具有应力小、齿圈变形小、无需回火、外观色泽好的特点。本文介绍使用激光淬火技术来提高质子仪导轨面的硬度。

一、齿圈制造加工工序

质子治疗仪齿圈制造加工工序：锻造→锻后热处理→粗车→UT→调质→粗车→UT→半精车→滚齿→精车1→铣钻→导轨激光淬火→精车2→磨齿→成品。

齿圈直径6500mm，调质硬度为300~340HBW，调质后滚齿加工，根据基体材质淬透性及控制截面计算出开齿后硬度降不大于30HBW，保证齿根部位硬度不低于280HBW，基体组织为回火索氏体及少量贝氏体；激光淬火采用CO2激光器，通过功率监控装置控制输出功率，图样要求齿圈导轨表面硬度55~58HRC，有效硬化层不小于1.0mm，高于55HRC区间不小于0.5mm，激光淬火区域圆度≤0.10mm，表面不可有融化、裂纹等缺陷。

二、导轨激光淬火

（1）激光淬火前的准备

设计专用的支撑胎具，将胎具放置在工作台上，并使得胎具承载齿圈。支撑胎具，即6m大型整体工装，主要用于增强齿圈本身的刚性，便于装夹和找正；找正齿圈基准在0.020mm以内，然后计算和调整机床输入参数，以便加工时齿圈的线速度满足激光淬火的要求，如图2所示。

图2  质子治疗仪齿圈装夹

激光淬火设备放置区域。激光淬火设备放在滚齿机预定的位置，要求该位置有一定的承重能力，具体取决于设备的自重。大型CO2激光设备一般2~3t，若采用机械臂模式，对于设备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，以减少导轨表面的激光反射来保证激光系数率。

（2）激光淬火过程

调整设备激光头的位置，使得激光能按要求打到预定的位置，如图3所示。通过调整激光功率、光斑尺寸、扫描速度等参数，结合齿圈的材质及基体硬度组织性能，通过固态相变再结晶，改变表面组织结构自冷淬火以实现一定深度的高表面硬度特征。

图3  质子治疗仪齿圈表面激光淬火

大型滚齿机内输入合适的参数，借助大型滚齿机的工作台旋转，胎具带动齿圈按照预定的线速度旋转。

三、激光淬火效果

采用高功率激光束照射导轨面，以极快速度加热导轨表面并自冷淬火，采用同熔炼号、同调质、同控制截面的热处理试样进行激光淬火效果验证（图4为淬火后的表面），沿扫描带剖开，采用沃博特显微维氏硬度计检测显微硬度，表面硬度达到57HRC，层深达到1.4mm，表面激光淬火区域的奥氏体晶粒度平均组织为30μm（对应平均晶粒度7级），如图5、图6所示。齿圈采用同试样激光淬火工艺，激光淬火后齿圈导轨表面硬度达到56~57HRC，表面无氧化脱贫，无裂纹、凹坑等外观缺陷，各项性能可以满足要求。

图4  激光淬火的表面

图5  激光淬火硬度梯度及层深

四、结语

（1）大型数控机床转速能够实现大范围内的可调性，且转速恒定，为激光淬火过程的稳定提供了保障。

（2）超大型质子治疗仪精密齿圈以及相关齿圈，直径较大，加工过程中很难寻找到合适的回火设备，而且热处理变形无法预期，采用激光淬火方案，不需要大型设备回火，产品变形小，质量可靠。