Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9260| Назва: | «Конструкторсько-технологічне забезпечення виготовлення деталі «Прокладка блоку циліндрів»» |
| Автори: | Мацепа, Сергій Михайлович Губерний, Руслан Олегович |
| Ключові слова: | Конструкторсько-технологічне забезпечення виготовлення деталі |
| Дата публікації: | 2023 |
| Короткий огляд (реферат): | В ході виконання кваліфікаційної роботи, завданням якої було підготувати Конструкторсько-технологічне забезпечення виготовлення деталі «Прокладка блоку циліндрів». Виконавець: здобувач групи ПМ-91 Губерний Руслан Олегович Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович Тематика кваліфікаційної роботи відповідає напряму підготовки, відповідно до спеціальності. Робота відповідає сучасному рівню розвитку технологій і науки. Суттю роботи було розроблення технологічних процесів і визначення параметрів обробки новітнім методом обробки. Також розроблення технологічної оснастки – пристосування для позиціювання та закріплення деталі в зоні обробки. Робота складається з 4 розділів, 62 сторінок пояснювальної записки, 6-ти плакатів графічного матеріалу, 32-ох літературних джерел. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9260 |
| Розташовується у зібраннях: | 131 Прикладна механіка (Комп`ютерне конструювання обладнання та розробка технологій машинобудування) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Губерний.pdf Restricted Access | 1.68 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи бакалавра
на тему: «Конструкторсько-технологічне забезпечення виготовлення деталі
«Прокладка блоку циліндрів»»
Виконав: здобувач 4 курсу, групи ПМ-91
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Комп’ютерне конструювання
обладнання та розробка технологій
машинобудування»
Губерний Руслан Олегович
Керівник: ст.викладач Мацепа С.М.
Рецензент: Якушев І. В., провідний інженер
ДП «СЕМПАЛ» м.Черкаси
Засвідчую, що у кваліфікаційній роботі
немає запозичень з праць інших
авторів без відповідних посилань.
Здобувач: __________________
підпис
Черкаси 2023 р.
Анотація
В ході виконання кваліфікаційної роботи, завданням якої було підготувати
Конструкторсько-технологічне забезпечення виготовлення деталі «Прокладка
блоку циліндрів».
Виконавець: здобувач групи ПМ-91 Губерний Руслан Олегович
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович
Тематика кваліфікаційної роботи відповідає напряму підготовки, відповідно
до спеціальності. Робота відповідає сучасному рівню розвитку технологій і науки.
Суттю роботи було розроблення технологічних процесів і визначення
параметрів обробки новітнім методом обробки. Також розроблення технологічної
оснастки – пристосування для позиціювання та закріплення деталі в зоні обробки.
Робота складається з 4 розділів, 62 сторінок пояснювальної записки, 6-ти
плакатів графічного матеріалу, 32-ох літературних джерел.
Abstract
In the course of the qualification work, the task of which was to prepare the design
and technological support for the manufacture of the " Gasket of the cylinder block"
part.
Performer: winner of the group PM-91 Guberniy Ruslan Olegovych
Leader: senior teacher Matsep Serhiy Mykhailovych
The topic of the qualification work corresponds to the direction of training,
according to the specialty. The work corresponds to the modern level of technology and
science development.
The essence of the work was the development of technological processes and
determination of processing parameters using the latest processing method. Also, the
development of technological equipment - a device for positioning and securing the part
in the processing area.
The work consists of 4 chapters, 62 pages of explanatory note, 6 posters of graphic
material, 32 literary sources.
ЗМІСТ
Вступ ................................................................................................................................. 8
Розділ 1. Оглядова частина ...................................................................................... 11
1.1 Опис конструкції деталі...................................................................................... 11
1.2. Обґрунтування вибору матеріалу та його основні фізико-хімічні властивості
..................................................................................................................................... 12
1.3. Технологічні операції обробки деталі традиційними та високоефективними
методами обробки. .................................................................................................... 15
1.3.1 Традиційні методи обробки: ....................................................................... 15
1.3.2 Новітні методи обробки............................................................................... 17
Розділ 2. Технологічна частина ............................................................................... 20
2.1 Лазерна технологія .............................................................................................. 20
2.2 Класифікація лазерів ........................................................................................... 21
2.2.1 Оптоволоконні лазери ...................................................................................... 22
2.3 Одержання контуру та отворів .......................................................................... 23
2.3.1 Вплив енергетичних характеристик ............................................................... 24
2.3.2 Вплив тимчасових характеристик .................................................................. 25
2.3.3 Вплив умов фокусування ................................................................................ 26
2.4 Розрахунок системи фокусування лазерного випромінювання ..................... 28
Розділ 3. Конструкторська частина ............................................................................. 31
3.1 Вибір схеми базування та установлювальних елементів .................................... 31
3.2 Обладнання для виготовлення деталі ................................................................... 33
Розділ 4. Охорона праці ................................................................................................ 39
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок ................................................................... 39
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні
лазерів та лазерних установок ..................................................................................... 40
Інфрачервоне випромінювання ................................................................................ 44
Ультрафіолетове випромінювання .......................................................................... 44
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання ........................................................... 45
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі ............................................................. 52
4.5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи .. 56
Висновок ........................................................................................................................ 59
Література ...................................................................................................................... 60
Вступ
Лазерна технологія поряд з інформаційними та нанотехнологіями впевнено
висунулася в число найбільш перспективних високих технологій - технологій 21
століття. На своєму початковому етапі розвитку в 70-ті , 80-ті роки цей напрямок
науки і техніки цілком обґрунтовано пов'язувалося лише з технологією
зварювання, різання і загартування металів і сплавів. Лазерний відпал
напівпровідників, отримання нових сплавів, покриттів, аморфізація, напилення
тонких плівок, модифікація властивостей поверхні, лазерно- плазмова технологія,
стереолітографія, лазерна хімія і т.д. ще двадцять років тому були невідомі. Зараз
кожен з цих процесів є самостійну, динамічну область дослідницької діяльності,
яка переступила зі стадії первинних лабораторних експериментів у стадію нової,
лазерної промислової технології.
Загальний ринок лазерного обладнання в світі досяг до 2008 р 200 млрд
доларів США. Причому ринок тільки лазерних установок дорівнює 28.8 млрд
доларів. Річний приріст обсягу продажів склав в 2008 р. 59 %[32].
Основні напрямки досліджень пов'язані з розробкою і створенням потужних
автоматизованих лазерних технологічних комплексів - АЛТК - для вирішення
широкого кола промислових завдань. Розробляються фізичні та технічні
принципи створення лазерів потужністю до 20 кВт, проводяться дослідження
взаємодії випромінювання з різними матеріалами , створюються і
відпрацьовуються технологічні процеси виготовлення деталей різної складності.
Із створенням потужних безперервних та імпульсно-періодичних газових і
твердотільних лазерів виник цілий ряд питань, пов'язаних з більш широким
використанням цих лазерів в різних областях виробництва, включаючи і
традиційні методи термічного впливу, спрямовані на зміну геометрії деталей
(зварювання, різання) та їх фізико-хімічного стану (термозміцнення, легування і
т.д.). Висока інтенсивність лазерних джерел сприяє селективного розвитку
фізико-хімічних процесів в поверхневому шарі матеріалів [28].
Разом з тим , фізичні процеси, що відбуваються при впливі коротких і
ультракоротких лазерних імпульсів з металами і напівпровідниковими
8
матеріалами , що визначають можливості таких швидко розвиваються областей
лазерної технології , як лазерний відпал напівпровідників , лазерне легування,
гетерування, напилення тонких епітаксійних плівок, а також досягнення в галузі
лазерної хімії , поки недостатньо повно відображені в монографіях і навчальних
посібниках. Водночас , більше двох третин лазерів, що використовуються в
розвинених країнах для обробки матеріалів, в 2008 р. застосовувалися в
мікроелектроніці, виробництві друкованих плат та електротехніці. Електронна
промисловість залишається найбільш великим споживачем лазерних
технологічних установок до теперішнього часу і надає стимулюючу дію на
розвиток і вдосконалення виробництва лазерного технологічного обладнання.
Застосування лазерів в електроніці дозволило довести рівень автоматизації
процесів до 85%, забезпечивши виконання практично всіх основних і допоміжних
операцій . Серед таких процесів слід виділити відпал напівпровідників після
іонної імплантації, легування, осадження і травлення тонких плівок, отримання
окисних ізолюючих шарів, гетерування та очистку напівпровідникових пластин,
формування струмопровідних шарів і омічних контактів. Крім того, використання
лазерного випромінювання дозволяє модифікувати властивості
напівпровідникових приладів, створювати структури монокристалічного кремнію
на діелектричних підкладках.
Забезпечуючи локальність і швидкість обробки, лазерна технологія
призводить до прискорення перерахованих технологічних процесів, зниження
кількості критичних операцій і, в кінцевому підсумку, до підвищення якості
продукції порівняно з традиційними способами.
Використання коротких і потужних імпульсів лазерного випромінювання для
модифікації властивостей металевих матеріалів надзвичайно перспективно
внаслідок реалізації аномально високих швидкостей нагріву і охолодження
поверхні матеріалу, що поглинув випромінювання. Це визначає широкі
можливості в створенні нових, унікальних за фізико-хімічними властивостями,
структурних і фазових станів в металах і сплавах, які є цікавими об'єктами
досліджень і практичних застосувань. Цими питаннями займається лазерно-
9
плазмова технологія і технологія одержання металевого скла[14].
У нову сучасну область взаємодії випромінювання з речовиною вилилася
лазерна хімія, що використовує унікальну можливість резонансного збудження
атомів і молекул за рахунок високої монохроматичності лазерного
випромінювання. Тут найбільший інтерес представляють такі найважливіші
процеси, як лазерне поділ ізотопів, лазерний синтез матеріалів із заданими
властивостями та отримання особливо чистих речовин.
10
Розділ 1. Оглядова частина
1.1 Опис конструкції деталі
Деталь являє собою пластину складної геометричної форми, яка повинна бути
виготовлена з листового матеріалу товщиною 1 мм. До даної деталі, згідно з
кресленням потрібно витримати технічні вимоги, такі як точно витримані кути,
геометричні розміри, та скруглення, та невказані діаметри, розміри яких вказані в
технічних вимогах. На цій деталі є отвори, різних діаметрів, присутні радіуси, які
обумовлюють контури деталі, прямі переходи заданої довжини, які ускладнюють
виготовлення деталі традиційними методами. Дана деталь виготовляється за
допомогою лазерного вирізання.
Умови експлуатації Деталі:
Під час експлуатації деталь типу «Прокладка блоку циліндрів» знаходиться у
середовищі, пов’язаному з нафтопродуктами при вібрації 0,02мм*50Гц і
температурі нагрівання не більше 130˚С. Оскільки призначення конструкції –
бути в якості ущільнювача, то матеріал з якого він виготовляється повинен бути
порівняно м’яким і витримувати певні навантаження.
Рис. 1.1 – 3D модель загального вигляду деталі типу «Прокладка блоку циліндрів»
11
1.2. Обґрунтування вибору матеріалу та його основні фізико-хімічні
властивості
Для виготовлення деталі типу «Прокладка блоку циліндрів» можливо
застосувати наступні матеріали:
1. Алюміній (АМг2);
2. Нержавіючі сталі (12Х18Н9Т);
3. Титан (ВТ1-0).
Одним з можливих матеріалів для виготовлення деталі типу «елемент
компресора» є сталь 12Х18Н9Т, основні механічні характеристики якої наведені в
таблиці 1 [3].
Таблиця1. 1. Характеристики сталі 12Х18Н9Т
Тимчасовий Відносне Віднос-
Границя Ударна
Марка Твердіст опір видовжен не
текучості в’язкість
сталі ьНВ розриву, σВ, -ня, звужен-
σТ, мПа кДж/м2
мПа δВ,% ня ψ,%
12Х18Н9Т 170 216 510 35 40 250
Основні характеристики нержавіючої сталі
Корозійностійка, жаростійка і жароміцна сталь 12Х18Н9Т може бути
використана для виготовлення:
- деталей, стійких до хімічної та електрохімічної, міжкристалічної корозії, а також
корозії під напругою;
-слабо-або ненавантажених елементів, стійких до хімічно активних газовим
середах і працюють при температурах 550-800 ° С;
-навантажених деталей, що експлуатуються протягом 5000-10000 годин при
температурі до 600 ° С.
При високих температурах ця сталь нестійка до сірковмісних середовищ,
12
рекомендується до застосування у випадках, коли неможливе використання
безнікелевих марок. Область застосування сталі 12Х18Н9Т: зі сталі цієї марки
виготовляють зварену апаратуру, плоскі сортові деталі, труби та трубчасті деталі,
елементи пічної апаратури та оснащення, електроди[3].
З огляду на умови в яких буде працювати дана деталь, можна зробити
висновок, що деталь з сталі 12Х18Н9Т не зможе працювати у вищесказаних
умовах експлуатації, так як дуже жорстка та володіє високою твердістю.
Наступний матеріал пропоную обрати ВТ1-0.
Цей метал володіє досить великою легкістю, високою щільністю, чудовою
стійкістю до корозії з незначною зміною коефіцієнта теплового розширення.
Сплав може бути використаний:
Можна застосувати до дисків вимірювальних приладів, що працюють в
середовищі контакту з солоною водою, бензином або олією, титан забезпечить
кращу стійкість. Досліджується можливість застосування титану для
виготовлення труб теплообмінників, які повинні володіти корозійну стійкість в
морській воді, що омиває труби зовні, і одночасно протистояти впливу
вихлопного конденсату, що протікає всередині них. Розглядається можливість
виготовлення з титану антен і вузлів радіолокаційних установок, від яких
потрібна стійкість до впливу димових газів і морської води. Титан може бути
використаний і для виробництва таких деталей, як клапани, пропелери, деталі
турбін і т. д.
У каталітичному виробництві і для виготовлення нафтопроводів бажано
застосовувати титан ВТ1-0, який зберігає механічні властивості при високій
температурі і володіє хорошою корозійної стійкістю.
У електропромисловості титан можна застосувати для бронювання кабелів
завдяки гарній питомої міцності, високому електричному опору і немагнітним
властивостям.
У різних галузях промисловості починають застосовувати кріпильні деталі тієї
чи іншої форми, виготовлені з титану ВТ1-0, ВТ6.
В таблиці 2 представлені основні механічні характеристики ВТ1-0 [3].
13
Таблиця 1.2.Характеристики ВТ1-0
Тимчасовий Відносне Віднос-
Границя Ударна
Марка Твердіст опір видовжен не
текучості в’язкість
сталі ьНВ розриву, σВ, -ня, звужен-
σТ, мПа кДж/м2
мПа δВ,% ня ψ,%
ВТ1-0 131-163 300-420 510 400-450 60 -
Так як умови експлуатації моєї деталі не такі високі, пропоную використати
більш дешевший матеріал, а саме – сплав алюмінію АМг2
Сплав АМГ2 - відносяться до системи Al - Mg - Mn - Si. Він має високу
корозійну стійкість, добре зварюється точкової, роликового, газовим
зварюванням. Сплав добре деформується в холодному і гарячому станах. Інтервал
гарячої деформації знаходиться в межах 340-430 ° C, охолодження після гарячої
деформації на повітрі. Термічною обробкою сплав не зміцнюється: профілі з
нього поставляються в гарячепресованих або відпалених станах.
В таблиці 1.3 представлені основні механічні характеристики сталі АМг2[3].
Таблиця 1.3 - Характеристика АМг2
Тимчасов- Віднос-
Границя Відносне Ударна
Марка Твердість, ий опір не
текучості видовження,δВ в’язкість
сталі НВ розриву, звужен-
σТ, мПа ,% , кДж/м2
σВ, мПа ня ψ,%
АМг2 45 100 190 23 60 0,25
Завдяки цим властивостям його застосовують для виготовлення деталей,
вироблених формуванням, глибокою витяжкою і деталей розрахованих для
роботи під невеликим навантаженням, в тому числі в незначному агресивному
корозійному середовищі. Також з нього виробляють тверді шини в
електротехніці.
14
Порівнюючи АМг2, 12Х18Н9Т, ВТ1-0 ми можемо сказати, що ВТ1-0 коштує
більше, ніж АМг2 та 12Х18Н9Т, але АМг2 задовольняє наші технічні вимоги, і
може бути використаний, як матеріал для виготовлення деталі «Прокладка блоку
циліндрів», а ще – має порівняно низьку вартість, в порівнянні з титаном та
нержавіючою сталлю. Тому рекомендую обрати в якості матеріалу Алюмінієвий
сплав марки АМГ2, тому що це дозволяє забезпечити технічні характеристики
задані на кресленні. Деталь виготовлена з даного матеріалу забезпечить найбільш
якісну експлуатацію та робочий ресурс.
1.3. Технологічні операції обробки деталі традиційними та
високоефективними методами обробки.
1.3.1 Традиційні методи обробки:
Технологія листовий холодної штамповки
а) сутність технології холодного штампування
Холодне штампування об'єднує велику кількість різноманітних операцій, які
діляться на два основні класи: розділові, в яких одна частина заготовки
відділяється від іншої, і формозмінні, при яких отримують вироби складної форми
за рахунок переміщення елементарних обсягів матеріалу вихідної заготовки без її
руйнування.
Застосовують також складальні операції , при яких окремі деталі під тиском
штампа з'єднуються в складальні одиниці.
До основних розділовим операцій належать відрізка , вирубка і пробивка, до
основних формозмінних операцій - згинання, витяжка, обтиск, буртування,
формовка.
Технологія холодного штампування визначається штампом, його
конструкцією. За кожен робочий хід преса виходить готова деталь або заготовка.
Розробка технологічного процесу листової холодного штампування ведеться в
наступному порядку:
1) встановлюється структура процесу, тобто характер, кількість і
послідовність операцій;
2) виконуються необхідні розрахунки щодо встановлення розмірів заготовки,
операційних розмірів напівфабрикатів, зусиль штампування і т. п.;
15
3) процес оформляється у відповідній технологічній документації.
Крім основних операцій ( названих вище) листовий холодного штампування
існують і допоміжні операції: очищення, правка і змащення листів, відпал і
травлення деталей, гартування, нанесення захисних покриттів.
б) розділові операції
Розділові операції характеризуються повним або частковим відділенням однієї
частини матеріалу від іншої , яке може відбуватися як по замкнутому , так і
незамкнутому контуру. Прикладом відділення матеріалу по незамкнутому
контуру (відрізки або розрізання ) є першим заготівельна операція - різання , якій
піддається матеріал для отримання смуг або листів заданого розміру і яка
зазвичай проводиться на гільйотинних або роликових ножицях або іншими
способами.
При проектуванні технологічного процесу штампування потрібно враховувати
найбільш раціональний розкрій матеріалу. Слід прагнути до збільшення
коефіцієнту використання матеріалу.
Рис. 1.2 – схеми вирубних штампів: а – простої дії; б – послідовної дії; в –
складної дії
16
1.3.2 Новітні методи обробки.
При використанні технології плазмової обробки можливі два варіанти освіти
плазмової дуги (струменя):
- Дуга прямої дії (між катодом плазмотрона і деталлю). Дана схема ефективна
при обробці струмопровідних матеріалів і є основною у верстатах плазмового
різання.
- Дуга побічної дії (між катодом плазмотрона і його соплом). Дана схема
використовується значно рідше при технології плазмового різання.
Режими у верстатах плазмового різання.
До режимам плазмового різання, які надають остаточний вплив на
продуктивність, якість і можливості технологічного процесу в цілому,
відносяться:
- Швидкість різання
- Струм різання
- Тип плазмоутворюючого і захисного газу
- Витрата плазмоутворюючого і захисного газу
- Дистанція різання
Верстат плазмового різання має систему управління яка розроблена таким
чином, що всі ці параметри визначаються автоматично, а оператору досить лише
ввести в ЧПУ верстата тільки вид матеріалу і його товщину.
Рис. 1.3 – Схема плазмової різки
17
Параметри, на які впливає склад і витрата плазмоутворюючого газів:
- Якість різу (зона термічного впливу , величина оксидного шару, ширина різу,
відхилення від перпендикулярності та ін);
- Щільність енергії плазми;
- Ентальпія плазми - здатність передавати теплову енергію оброблюваному
матеріалу ;
- Взаємодія (хімічна ) з розрізаним металом ;
- Вплив на здатність до ефективного видуванню матеріалу із зони різання;
плазмоутворюючі гази: кисень, повітря, азот, аргон та ін.
Захисний газ виконує наступні функції:
- Фокусування плазмової дуги;
- Видування розплавленого матеріалу із зони різання;
- Захист зони різання від окислення.
Найбільш часто вживані захисні гази: азот , повітря.
Застосовувані гази і їхні витрати роблять значний вплив на економічну
складову процесу
Технологічне вікно застосування технології плазмового різання
Обробка струмопровідних матеріалів (сталі , кольорові метали )
Можливість виготовлення столу для різання практично будь-яких розмірів
Можливість 3D обробки
Різка фасок ( кут до 45 °)
Товщини розрізуваних матеріалів
- Низьковуглецевий сталь 0,5-80 мм ( пробивка з листа - 50 мм)
- Нержавіюча сталь 1-160 мм ( пробивка з аркуша - 75 мм )
- Алюміній 1,5-160 мм ( пробивка з аркуша - 75 мм )
- Можливість вирізки отворів з діаметром рівним 1-1,5 товщини листа
- Точність обробки до ± 0,5 мм
Таблиця 1.4 Порівняння кисневої, плазмової та лазерної різки.
Параметр Плазмова різка Лазерна різка
Якість різки Відмінний кут зрізу. Відмінний кут зрізу.
Мала зона нагріву. Мала зона нагріву.
Практично без утворення Практично без утворення окалини.
18
окалини. Відмінна або гарна якість різання
Відмінна або гарна якість різання дрібних елементів, вузький розріз.
дрібних елементів.
Продуктивність Дуже велика швидкість різання Дуже велика швидкість різання
при будь-якій товщині. тонких матеріалів (менше 6 мм),
Дуже короткий час повільна різання більш товстих
пропалювання. матеріалів.
Підвищення продуктивності за Тривалий час пропалювання
рахунок швидкого відключення товстих матеріалів.
різака.
Експлуатаційні Тривалий термін служби Високі питомі витрати внаслідок
витрати витратних деталей, хороша підвищеного енергоспоживання,
продуктивність споживання газу, високих витрат
і відмінна якість різання на обслуговування і відносно
забезпечують найменші питомі низькою
витрати порівняно з іншими швидкості різання товстих
технологіями матеріалів
Обслуговування Середні вимоги до технічного Складні завдання технічного
обслуговування - обслуговування обслуговування можуть бути
багатьох виконані тільки кваліфікованими
компонентів може проводитися фахівцями
власними бригадами технічного
обслуговування
.
19
Розділ 2. Технологічна частина
2.1 Лазерна технологія
Схеми використання лазерів в технологічними процесами зазвичай є досить
прості. Лазерне випромінювання фокусується у визначений ділянку оброблюваної
деталі. Частину його ще з допомогою спеціального дзеркала, поставленого по
дорозі променя, може виділяється на вимірювальну апаратуру контролю
параметрів випромінювання у процесі опрацювання. Дзеркало напівпрозоре, тому
більшість випромінювання проходить до системи фокусування. Фокусуюча
система стискує лазерне випромінювання в пляма малих розмірів, часом одиниці
мікрометрів, а більшості — частки міліметрів. Малий розмір плями і значна
потужність випромінювання дозволяють отримати досить високу щільність
потоку. Рекордні величини цього енергетичного параметра досягнуто під час
використання лазерного випромінювання в дослідах з намаганнями здійснити
термоядерну реакцію синтезу: величина щільності потоку (концентрації
потужності) може становити 1016 >Вт/см2 і від. Щоб осягнути, наскільки великою
є наведена величина, відзначимо, що фокусування сонячного випромінювання
Демшевського не дозволяє отримати щільність потоку вище 5*103Вт/см2. Але із
допомогою такого потоку променистої енергії можна плавити практично будь-які
метали[31,28].
20
Рис. 2.1 – Приклад виробів, виготовлених методом лазерного
вирізання(пластик, метал, дерево)
2.2 Класифікація лазерів
На теперішній час прийнято слідуючу класифікацію лазерів та
випромінювань[12,30]:
• твердотільні;
• напівпровідникові;
• рідинні;
• газові на атомних переходах;
• газові на іонних переходах;
• молекулярні;
• фотодисоціаційні;
• електроіонізаційні;
• газодинамічні;
• хімічні;
• плазменні;
• ексимерні;
• лазери на вільних електронах;
• рентгенівські лазери;
• гамма-лазери;
• лазери з перебудовою довжини хвилі генерації;
21
• комбінаційні лазери;
• випромінювання оптичного діапазону (3 1012 - 3 1020) Гц;
• інфрачервоні хвилі: 100мкм - 7600 А0;
• видиме світло: (7600- 3900)А0;
• ультрафіолетові хвилі: (3900-10)А0;
• рентгенівське випромінювання: (10 - 0,01)А0;
• гамма випромінювання:0,01А0 і менше;
2.2.1 Оптоволоконні лазери
Волоконний лазер - лазер, активне середовище і, можливо, резонатор якого
є елементами оптичного волокна. При повністю волоконної реалізації такої лазер
називається цільнохвильовим, при комбінованому використанні волоконних і
інших елементів в конструкції лазера він називається волоконно-дискретним або
гібридним [1]. Волоконні лазери застосовуються в промисловості для різання
металів і маркування продукції, зварюванні і мікрообробки металів, лініях
волоконно-оптичного зв'язку [2]. Їх основними перевагами є високий оптичний
якість випромінювання, невеликі габарити і можливість вбудовування в волоконні
лінії [3].
Існує велика різноманітність конструкцій волоконних лазерів, обумовлене
специфікою їх застосування. Для їх виготовлення широко застосовуються як
резонатори типу Фабрі - Перо, так і кільцеві резонатори. [4] [5] Спеціальними
методиками можна створити одно полярзаційні лазери, лазери надкоротких
імпульсів і інші. [6] [7] У всіх волоконних лазерах застосовуються спеціальні типи
оптичних волокон, в які вбудовані один або кілька хвилеводів для здійснення
оптичного накачування [8].
Існують різні конструкції накачування оптичних хвилеводів, з яких
найбільш вживаними є чисто волоконні конструкції. Одним з варіантів є
розміщення активного волокна всередині декількох оболонок, з яких зовнішня є
захисною (так зване волокно з подвійним покриттям).
22
Рис. 2.2 – Схема накачування лазера, заснованого на волокні з подвійним
покриттям.
2.3 Одержання контуру та отворів
Технологічний процес одержання отворів з допомогою лазерного променя
виник як на потреба у ефективних методах виготовлення мікроотворів докладно з
надтвердих і тугоплавких матеріалів[26,22]. У промисловості лазерні
технологічних установок широко застосовуються переважно щоб одержати
чорнових отворів, наприклад, у рубінових вартових каменях та на заготівлі
діамантових волок, соціальній та різних деталях приладів та машин низки галузей
промисловості, у тому випадку, коли пред'являються жорсткі вимоги до точності
обробки.
Розплав, утворений при вплив випромінювання, певною мірою негативно
впливає формування отвори. Це з тим, що зниження удільної потужності процесі
обробки, зазвичай, має місце у кінцевій частині процесу, що може спричинити
заплавку отвори під час руху рідкої фази. Тому треба приймати спеціальні заходи,
щоб освіту розплаву не перешкоджало отриманню отвори або спотворювало його
форму. З іншого боку, викид рідкої фази на поверхню деталі утворює вінце
застиглого металу знижує якість обробки.
На параметри отворів істотно впливають енергетичні характеристики
імпульсу, тимчасові параметри випромінювання, і навіть умови фокусування
випромінювання. Зупинимося на ролі кожного чинника.
Для більш точної обробки деталі за допомогою лазерної обробки
використовують систему автоматизованого проектування. Для цього відкладаємо
від основного контуру еквідістанту (у теорії САПР еквідістантой прийнято
23
називати лінію, рівновіддалених від оброблюваного контуру деталі на відстань,
рівну радіусу ріжучого інструменту. У металообробці, наприклад, еквідистанта
може описувати траєкторію руху центру фрези щодо контуру оброблюваної
поверхні, а в системах автоматичного розкрою тканини - припуск на шов.)
Рис. 2.3 – модель обробки заготовки лазерним променем
2.3.1 Вплив енергетичних характеристик
Багато технологічні лазерні установки мають одну незмінну тривалість
імпульсу чи його обмежений набір. У разі щоб одержати заданих розмірів отвори
підбирають енергію імпульсу. Тоді залежність глибини і діаметра отвори від
енергії імпульсу випромінювання - одну з основних характеристик, визначальних
можливості отримання отворів з допомогою лазера. Змінити енергію лазерного
імпульсу можна кількома методами: зміною електричної енергії накачування
імпульсних ламп (найпоширеніший спосіб); застосуванням
світлофільтрів;диафрагмированием променя.
24
Рис. 2.4 – Ілюстрація якості поверхні після лазерної обробки
При однакових значеннях енергії в імпульсі діаметри отворів, отриманих,
наприклад, в сталевих пластинах, будуть різними залежно від методу отримання
енергії імпульсу — діафрагмуванням чи зміною енергії накачування. При енергії
імпульсу лазерного випромінювання на кілька джоулів діаметри отворів можуть
бути різні в 2—2,5 разу[17]. Це пов'язано з тим, що зниження діаметра отвори при
діафрагмуванні променя пов'язані з зменшенням його розходження , а за зміни
енергії з допомогою збільшення (чи зменшення) енергії накачування імпульсних
ламп змінюється як розходження променя, а й тривалість імпульсу
випромінювання. Якщо діаметр отвори залежить від діафрагмування лазерного
променя, то глибина отвори — дуже слабко.
2.3.2 Вплив тимчасових характеристик
Спеціально проведені досліди показали істотну залежність розмірів отвори
від тривалості імпульсу при постійної його енергії. Збільшення тривалості
імпульсу призводить до зростання глибини отвори, одночасно зменшуючи його
діаметр[9,11]. Це тим, що передвиборне збільшення тривалості імпульсу знижує
питому потужність випромінювання (нагадаємо, що енергія імпульсу вважається
постійної), а звідси — зменшення екрануючих впливу продуктів руйнації. Проте
щільність потоку випромінювання повинна бути нижче деякою величини, після
досягнення якої отвір «затікає» розплавом чи взагалі утворюється. Вплив форми
імпульсу на параметри отвори розглянемо нижче.
25
2.3.3 Вплив умов фокусування
Більше докладно цей вплив на параметри отвори величини фокусного
відстані оптичної системи та усунення фокальної площині щодо поверхні деталі.
Зі збільшенням фокусного відстані лінзи питома потужність випромінювання
знижується (за інших незмінних характеристиках енергії, тривалості імпульсу,
становища фокальної площині щодо поверхні деталі), отже, зменшується
ставлення діаметра отвори на вході до діаметру плями нагріву. Діаметри вхідних
отворів при фокусуванню променя на поверхню мішені перевищують зазвичай, у
кілька разів діаметри плям нагріву лежить на поверхні. Це тим, що з формуванні
отвори стінки його розмиваються внаслідок викиду рідкої фази,утворюючи ними.
Найбільша глибина отвори характеризується фокусуванню лазерного
випромінювання на деяке відстань глиб матеріалу від поверхні деталі.
Застосування лінз із меншим фокусним відстанню дає змогу отримувати глибші
отвори із меншим діаметром.
Чинники, що впливають точність і відтворюваність результатів.
Області практичного застосування лазерної розмірної обробки обмежені
переважно отриманням отворів не вище класу точності. Проте, лазерна технологія
отримання отворів впроваджена у кількох підприємствах, де з її допомогою
отримують чорнові отвори (проблем впровадження цих процесів ми зупинимося
пізніше).
Щодо невисокі точність і якості лазерної розмірної обробки її одно
імпульсному варіанті обумовлені більший обсяг розплаву продукти руйнації та
його малокерованим перерозподілом на своєму шляху по стінок отвори
наприкінці дії імпульсу випромінювання лазера і по закінченні його дії, доки
станеться затвердіння.
Для тендітних матеріалів зростання тривалості імпульсу спричиняє
зростання зони термічних напруг і до утворення тріщин. У той самий час
зменшення тривалості дії імпульсу значно зменшує можливість появи тріщин для
таких матеріалів, як феррити; тривалість імпульсу, коли він тріщин не з'являється,
як свідчать досвідчені дані, вбирається у 0,1 мс. З іншого боку, коротким
імпульсом випромінювання неможливо отримати глибоке отвір.
26
На точність і відтворюваність параметрів отворів впливає низка чинників,
які може бути розбитий на 3 основні групи.
Чинники першої групи, які мають найбільший вплив на відтворюваність ж
розмірів та форм отворів, пов'язані з нестабільністю таких параметрів
випромінювання, як енергія, тривалість імпульсу, кута розходження, просторова і
тимчасова структура випромінювання.
Чинники другої групи обумовлене різними неточностями установки деталей
та його переміщення у зоні впливу випромінювання. Наприклад, розбіжність
нормальний до деталі з оптичної віссю котра фокусує системи при переміщенні
деталі в отриманні серії отворів спричинити діаметр і форму отвори внаслідок
розфокусовки.
Чинники третьої групи пов'язані з неоднорідністю структури речовини,
властивостей і стан оброблюваної поверхні деталей, що також впливає
відтворюваність успіхів у партії однотипних виробів.
27
2.4 Розрахунок системи фокусування лазерного випромінювання
Для фокусування лазерного випромінювання застосовуємо плоско- випуклу
лінзу. Фокусну відстань вибираємо з технологічності та приймаємо рівним 200мм,
що виготовлена з KCl.
Рисунок 2.9 Фокусування лазерного випромінювання
В нашому випадку пляма має форму кола з діаметром d0, що залежить від
фокусної відстані лінзи F, від положення поверхні обробки відносно головної
площини лінзи L, значення кутової розбіжності випромінювання Δ, модового
складу випромінювання. Використовуючи формули геометричної оптики нам
необхідно знайти розмір ΔF (величину расфокусування), для отримання плями на
деталі необхідного діаметра[32,33].
Діаметр перетяжки пучка в резонаторі:
4 γ 2 Lp ∙ (R1 − Lp) ∙ (R2 − Lp) ∙ (R1 + R2 − Lp)
D = √( ) ∙ 2 = 6.69 ∙ 10−3(м)
π (R1 + R2 − Lp)
28
де:Lp –довжина резонатора, Lp=16;
R1=R2=30 м
Положення діаметра плями фокусування зміщено на відстань Δ:
4 ∙ (200 ∙ 10−3)2
∆= = 0,0055(м) = 5,5(мм)
42 + 3,62
Діаметр фокусної плями:
�� ∙ ��
���� = = 2.6 ∙ 10−4(м) = 0,26(мм)
√��2 + ��20 ��
З врахуванням впливу довжини хвилі випромінювання та діаметра
пучка,падаючого на лінзу,діаметр фокальної плями буду:
4∙��∙��
���� = = 0.06(мм)
��∙��0
Але так як лазер «LTC-75» працює у багатомодовому режимі,тому для
визначення діаметра фокальної плями необхідно застосовувати коефіцієнт,що
враховує порядок поперечних мод:
�� = √2�� + 1
де S=m або n- кількість мулевих положень в напрямку X і Y.
По паспорту лазер «…..» має m=2,т.к.ТЕМ20
Тоді b=2.24
Однак при фокусуванні пучків, що мають великий діаметр,оцінку розмірів
плями фокусування доцільно проводити з врахуванням сферичної аберації лінзи:
��1 ∙ ��
3
0 4 ∙ �� ∙ ��
�� 2
�� = + ∙ �� = 0,84(мм)
��2 �� ∙ ��0
де k1=23,5*10-2 для плоско випуклих лінз виконаних з KCl з коефіцієнтом
заломлення n=1.46.
Для пошуку потрібного діаметра плями фокусування використовуємо
формулу:
F − L 3/2
di = [( ) ∙ 2 ∙ Pл ∙ L] ∙ b
3 ∙ Рл ∙ L
Р
де Рл =
2
29
Р-параметр рівний 2.81 для випукло-плоских лінз з хромистого
калія(n=1.455)
Маємо наступне:
d1(L=205)=0.9мм
d2(L=215)=2.87мм
d3(L=220)=4.28мм
d4(L=218)=3.9мм
d5(L=219)=4.07мм
Тобто, щоб отримати діаметр плями на поверхні заготовки, що буде рівною
2 мм, необхідно деталь розташувати на відстані 219мм від лінзи,яка має фокусну
відстань 200мм.
30
Розділ 3. Конструкторська частина
3.1 Вибір схеми базування та установлювальних елементів
Так як розміри робочого столу лазерного комплексу 2500*1250 мм, обераємо
розміри розкрою 2497,19*1248,36 мм. Розміщених в розкрой деталей – 40шт., маса
листа 8, 44 кг.
Рис. 3.1. - Розкрій листа (40 деталей)
Розміри однієї деталі 404,50*171,5 мм, довжина різання 3689,09 мм. Для того
щоб отримати дану деталь лазеру необхідно зробити 41 прожига, на що лазер
потратить 2хв.18с.
Рис. 3.2. - Схема напрямку різання та прожиг
При проектуванні установчих елементів пристосувань для лазерного
31
вирізання, звичайно використовують загальні для верстатних пристосувань
засади. Особливістю проектування установчих елементів для лазерної обробки є
зниження вимог до жорсткості та довжини контактної поверхні, що обумовлено
меншими силами затиску заготовки. При використанні активних робочих
середовищ установчі елементи пристосувань повинні мати високу корозійну
стійкість. Це забезпечується за рахунок використання корозійностійких сталей чи
не металічних матеріалів[29].
Рис. 3.3. Схема базування заготовки на розкрой
32
Схема затискного пристрою і самого оснащення визначається згідно виду
обробки та параметрів робочої зони обробки. Затискний пристрій забезпечує
примусовий контакт оброблюваної заготовки з установочними елементами
застосування, запобігаючи її зсуву і вібрації при обробці[10].
Так як лазерна обробка – це безконтактний метод обробки деталей, а маса
листа майже 10 кг, дана заготовка не потребує додаткового закріплення.
Рис. 3.4 Розміщення листа металу в робочій зоні лазерного комплексу
3.2 Обладнання для виготовлення деталі
Верстат лазерного різання LTC75 призначений для різання металевих листів
по двох координатах. Система забезпечує високопродуктивний і якісний
контурний розкрій листового металу без утворення скрапу на кромці різу. В
установці лазерного різання металу серії LTC75 використовується оригінальна
конструкція викочування столу дозволяє здійснювати простий доступ до
33
оброблюваної деталі без зменшення продуктивності[22,17,13].
Рисунок 3.5 Установка для лазерного різання металу серії LTC75
Прецизійний лінійний привід
У лазерному верстаті серії LTC75 використовується прецизійний лінійний
привід портального механізму , що в сукупності з високоточними напрямними
дозволяє отримувати найвищу точність і динаміку обробки , а також гарантує
стабільність цих характеристик протягом усього терміну служби лазерного
комплексу .
34
Рисунок 3.6 Управління робочим органом через подачу прямого приводу
Прямий привід це найбільш високотехнологічне рішення , яке дозволяє
повною мірою реалізувати можливості лазерного джерела .
Верстати на таких приводах добре відпрацьовані і знаходять своє
застосування в цілому ряді високотехнологічних галузей[21,31]. Точність
верстатів з такими приводами становить порядку 30-50 мкм. При цьому можливе
підвищення точності за рахунок застосування систем зворотного зв'язку , які
забезпечують безперервний контроль положення вала двигуна і точне
позиціонування з досить високою роздільною здатністю. Вартість таких приводів
і , відповідно, верстатів порівняно невисока.
Однак при вирішенні завдань , пов'язаних з високою продуктивністю і
підвищеної ( порядку 1-5 мкм) точністю обробки , виникає цілий ряд проблем ,
обумовлених пристроєм приводів. Використання різних компенсаторів далеко не
завжди дозволяє піти від цих проблем. Серед недоліків виділяються:
нестабільність точностних параметрів , обумовлена наявністю в передачі люфтів(
успішно компенсується системами зворотного зв'язку) ; знижені швидкісні і
динамічні характеристики (за рахунок механічної редукції при перетворенні
одного виду руху в інший) , схильність до механічного зносу елементів ( знос
підшипників , ременів , ходових гвинтів ,злам і стирання поверхні зубів , через що
передача починає прослизати , втрачається ефективність руху , ступінь безпеки
роботи).
35
Волоконне лазерне джерело
В установках лазерного різання серії LTC75 використовується іттербієвий
волоконний лазерний джерело. Даний тип лазерних джерел гарантує неймовірно
мале споживання енергії , завдяки високій ефективності активного елемента і
низьким вартостям експлуатації та обслуговування , обумовленим простотою
конструкції джерела . Лазерний промінь відрізняється високою якістю і високою
щільністю енергії. На відміну від джерел CO2 , волоконний джерело не вимагає
оптичного шляху , так як промінь надходить від джерела в зону різання через
оптоволоконне з'єднання. Так само джерело не вимагає наявності лазерного газу.
Переваги :
• Швидкість різання на 60-100 % швидше , ніж у СО2- лазера
• На 70 % менше енергоспоживання
• Не потрібно лазерних газів
• У конструкції відсутні рухомі частини ( турбіна і т.д.)
• Практично не вимагає обслуговування
• Можливість обробляти кольорові метали
• Найвища надійність
Програмне забезпечення
Програмне забезпечення верстата для лазерного різання дозволяє
здійснювати завантаження , обробку та виконання файлів завдань , а також
здійснювати завантаження і обробку файлів завдань у форматах поширених CAD
систем або G- кодах. Управляючі креслення - завдання можуть бути імпортовані у
вигляді HPGL - сумісних файлів ( plt ) або файлів. Dxf з будь-яких графічних
редакторів (CAD -системи , AutoCAD , Corel - Draw , Компас та ін )Інтерпольовані
траєкторії головки обчислюються в неробочий час для зменшення будь-яких
можливі зіткнень , які можуть відбутися при русі ріжучої головки уздовж
траєкторії різання . Система управління верстата лазерного різання дозволяє
відновити процес роботи з моменту непередбаченої зупинки процесу обробки . У
системі передбачена можливість імпортувати та експортувати креслення у
36
форматах DXF і DWG . Тип системи програмування , стандартні GM -коди.
система самодіагностики Програмне забезпечення дозволяє виробляти
самодіагностику системи в процесі роботи , виявляти несправності і попереджати
їх появу.
Система спостереження за поверхнею
Верстат лазерного різання LTC75 оснащений системою стеження за
поверхнею , що дозволяє завжди отримувати найвищу якість обробки незалежно
від викривленості поверхні металу. В системі стеження використовується
безконтактний ємнісний датчик положення , з широкою частотою пропускання ,
що дозволяє реагувати на найдрібніші зміни поверхні оброблюваної деталі.
Відстеження починається автоматично перед циклом різання . Таким чином ,
досягається висока точність позиціонування .
Система охолодження
Автономна система охолодження високої стабільності із замкнутим
контуром , підтримуюча температуру лазерного джерела та електронних
компонентів в необхідних експлуатаційних межах з відхиленням ± 1 ° С.-
Установка лазерного різання металу LTC75 - це максимально надійне технічне
рішення, призначене для безперервної тризмінної роботи .
Таблиця Основні технічні характеристики верстата для лазерного різання
серії AFL
Джерело лазера
Тип лазера Іттербієвий волоконний
Передача променя Оптоволокно
Ширина плями сфокусованого 0,07-0,15мм
випромінення
ККД лазерного джерела, не менше 30%
Система переміщення
Кінематична схема Портальна, лист нерухомий
Розміри поля обробки 2500*1250 мм
37
Тип привода координат X,Y Лінійний привод
Тип привода координати Z Сервопривід
Точність позиціонування по ±0,01 мм
координатах (Х, Y)
Максимальна швидкість 100 м/хв
переміщення
Загальні характеристики системи
Система підтримання фокуса Безконтактна
Тип охолодження Автономне
Напруга живлення ~380±18%; 50Гц; 3-фази
Потужність споживання лазерної 500 Вт
установки, не більше
Масса установки 3000кг
Переваги
• контурна точність резанья може досягати ± 0.005мм
• найвища якість різу
• висока продуктивність
• ефективне програмне забезпечення
• висока стабільність і надійність системи
• економічність в експлуатації
38
Розділ 4. Охорона праці
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок
Вплив лазерного випромінювання (ЛВ) на обслуговуючий персонал у
залежності від виду установки: установки закриті і відкриті. Технологічні ЛУ в
більшості випадків закритого типу; унікальні і дослідницькі – в основному
відкриті, можуть бути закриті.
Умови експлуатації: стаціонарні і пересувні, у виробничих приміщеннях,
лабораторіях, клініках і польових умовах.
Спосіб відводу тепла: із природним і примусовим охолодженням, повітряним
чи рідинним (вода чи рідина, що містить як правило токсичні речовини).
Призначення: унікальні, дослідницькі, спеціальні, технологічні, медичні.
Потужність випромінювання: надпотужні, потужні, середньої потужності,
малої потужності.
У відповідності із СНіП 2392-81 і ГОСТ 12.1.040-83 ЛР і ЛУ за ступенем
небезпеки випромінювання підрозділяються на чотири класи.
До лазерів I класу відносяться ЛР, вихідне випромінювання яких не становить
небезпеки для очей і шкіри. При експлуатації ЛР і ЛУ даного класу не потрібно
дозиметричного контролю ЛВ у робочій зоні і медичного обслуговування навіть
при максимальній тривалості опромінення протягом усього робочого дня (8 год.
чи 3∙104 с). Однак ЛР даного класу, випромінювання яких знаходиться у
видимому діапазоні спектра, можуть призвести до зорового дискомфорту, у
зв’язку, з чим бажане вживання заходів, що зменшують засвітку очей.
До лазерів II класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні очей прямим чи дзеркально відбитим
випромінюванням.
До лазерів III класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні очей прямим, дзеркально відбитим, а також
дифузійно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від дифузійно
39
відбиваючої поверхні і при опроміненні шкіри прямим і, дзеркально відбитим
випромінюванням.
До лазерів IV класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні шкіри дифузійно відбитим
випромінюванням на відстані 10 см від дифузійно відбиваючої поверхні.
Клас небезпеки ЛР і ЛУ встановлюється підприємством-виробником
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при
використанні лазерів та лазерних установок
При експлуатації ЛУ персонал може піддаватися впливу комплексу
небезпечних і шкідливих факторів, кількість і інтенсивність яких залежать від
просторово-енергетичних характеристик ЛВ, лазерних технологій (ЛТ), умов
експлуатації і конструктивних особливостей ЛР. Характерно, що практично
кожному типу ЛР і ЛУ, кожному технологічному процесу відповідає певний
комплекс небезпечних і шкідливих виробничих факторів. Деякі ЛТ вимагають
подачі в робочу зону технологічного середовища (наприклад, при зварюванні
подають інертні гази) чи введення додаткової енергії (механічної,
електромагнітної і т.д.). Прикладами комбінованих методів можуть служити
газолазерне різання, лазерно-електрична обробка отворів і т. д. Тому необхідно в
кожнім конкретному випадку розглядати окремо особливості роботи кожного
типу ЛР і ЛУ стосовно до умов їхньої експлуатації.
Небезпечні і шкідливі виробничі фактори розділяють на основні і супутні. До
основних небезпечних і шкідливих факторів відносяться власне монохроматичне,
когерентне ЛВ і паразитне випромінювання (відбите і розсіяне), а до супутніх –
фактори, що виникають у робочій зоні (на лазерних ділянках) при експлуатації ЛР
і інших установок.
Розглянемо механізм утворення супутніх небезпечних і шкідливих факторів.
Монохроматичність, когерентність і мала розбіжність лазерного променя
40
дозволяють сфокусувати його на надзвичайно малій площі, що прагне до точки,
діаметр якої відповідає порядку довжини хвилі, що дає можливість одержати на
поверхні оброблюваного матеріалу енергію при густинах потужності до 1017
Вт/см2. Однак час існування зазначеної потужності у фокусі імпульсного
лазерного променя мізерно малий: 10-3 – 10-9 с. Проте в подібних умовах дія
даного променя на різні матеріали приводить до їхнього руйнування і випару
(метали випаровуються при щільності потужності випромінювання порядку 1010
Вт/см2). Пари, що утворилися, розширюються зі швидкістю, порівнянною зі
швидкістю звуку (v=103 м/с), що приводить до механічного ефекту – тілу
надається імпульс віддачі.
При проходженні через середовище ЛВ з діелектричною ε і магнітною μ
проникністю утвориться інтенсивне електричне поле, напруженість якого (В/м)
для плоскої хвилі визначається за формулою
E = 2W .
При фокусуванні ЛВ у газі в режимі модульованої добротності виникає так
званий лавинний пробій: у фокусі лінзи утвориться згусток високоіонізованної
високотемпературної плазми, що є джерелом м’якого рентгенівського
випромінювання з довжиною хвилі порядку 1,0 нм.
При нагріванні речовини ЛР до температури 107 - 108 К можливе збудження
ядерних реакцій. При нагріванні дейтрієвої плазми утвориться нейтронне і
жорстке рентгенівське випромінювання.
Турбулентність атмосфери викликає блукання променя, його розсіювання і
сцинтиляцію. При проходженні променя через ділянки з різною температурою, за
рахунок зміни показника заломлення, він відхиляється від початкового напрямку.
При великому діаметрі променя різні його ділянки потрапляють у різні
турбулентні області і промінь починає розділятися і розходитися. Блукання і
розбіжність променя зменшуються при збільшенні його діаметра або при великих
відстанях від джерела, де, в основному, спостерігається ефект сцинтиляції, тобто
перерозподіл енергії усередині променя. Було виявлено, що на відстані 1 км від
41
джерела рівень опромінення перевищував рівень на осі променя поблизу джерела
в 4-5 разів, в інших ділянках перетину рівні опромінення були нижче. Таким
чином, небезпека ЛВ, імовірно, найбільша в таких «гарячих» точках.
З наведеного вище можна зробити висновок, що при використанні ЛР у
залежності від класу їхньої небезпеки, застосовуваної технології й умов
експлуатації можуть існувати групи фізичних, хімічних і психофізіологічних
небезпечних і шкідливих виробничих факторів.
Висока напруга є на зарядних пристроях, що живлять батарею конденсаторів
великої ємності. Після розряду конденсаторів на лампи (спалахи) вони можуть
зберігати залишкову напругу високого потенціалу, є напруга також у ланцюгах
управління. Напруги дотиків і струми, що протікають через тіло людини при
нормальному (неаварійному) і аварійному режимах роботи лазерних установок,
не повинні перевищувати допустимих значень, зазначених у ГОСТ 12.1.038 – 82.
У результаті радіолізу повітря утворюються озон, оксиди азоту й інших газів,
що викликають загазованість повітря робочої зони. Розряди імпульсних ламп
накачування супроводжуються утворенням озону, концентрація якого швидко
зменшується по припиненню розряду ламп у зв’язку з його розпадом. Озон і
оксиди азоту утворяться також у результаті іонізації повітря іонізуючими
випромінюваннями утвореними при експлуатації високовольтних джерел
живлення ЛР. У результаті випару матеріалу мішені при зварюванні, паянні,
свердлінні й інших технологічних процесах утворяться оксид вуглецю, шкідливі
газові домішки і пари летучих органічних сполук, використовуваних у
технологічних процесах (нітробензол, нітротолуол, чотирьох-хлористий вуглець і
т.д.). У результаті термоокислювального розкладання матеріалу мішені і реакції в
ЛР утворюється ціаністий водень. Гранично припустимі концентрації (ГДК)
зазначених газів і парів наведені в ГОСТ 12.1.005 – 88.
Оксиди елементів, що входять до складу матеріалу, що руйнується чи
випаровується під впливом лазерного випромінювання (оксиди свинцю, олова,
вісмуту, алюмінію і т.д.), виділяються в повітря і створюють аерозоль
дезинтеграцї і конденсації, вміст якого в повітрі робочої зони не повинен
42
перевищувати встановлених ГДК згідно ГОСТ 12.1.005 – 76.
Змінюється іонний склад повітря. Як правило, збільшується вміст негативних
іонів у безпосередній близькості (20-40 см) від імпульсних ламп. Джерелом
іонізації повітря є сфокусоване ЛВ, ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання.
Припустимий вміст легких іонів у повітрі виробничих і суспільних приміщень з
кондиціонуванням повітря наведений в табл. 4.1.
Таблиця 4.1 Нормативні величини іонізації повітря виробничих і суспільних
приміщень
Число іонів в 1 см3
Рівень + - П
п п
Мінімально необхідний 400 600 – 0,2
Оптимальний 1000-3000 3000-5000 Від – 0,67 до 0
Максимально допустимий 50 000 50 000 Від – 0,05 до + 0,05
Зауваження: У таблиці прийняті наступні позначення: п + – легкі позитивні
іони; п - – легкі негативні іони; П – показник полярності
П = (п + - п -)/( п + + п -)
- 1< П < + 1, при рівності позитивних і негативних іонів П = 0.
Джерелом іонізуючих випромінювань можуть бути: джерела живлення
(вакуумні випрямні кенотрони і тиратрони, генераторні лампи); активне
середовище (радіонукліди: тритій, радіоактивні матеріали й ін.); пристрої
накачування ЛР (пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних
реакцій і рентгенівським випромінюванням); досліджуване середовище (при
взаємодії потужного ЛВ з досліджуваним середовищем може виникати
рентгенівське випромінювання, а також нейтрони, якщо середовище, являє собою
термоядерне паливо: дейтерій, суміш тритію з дейтерієм); комбіновані установки
(на яких використовується незалежно один від одного ЛВ й іонізуюче
випромінювання від стороннього джерела) і випромінювання рентгенівських і
гамма-ЛР.
Під час роботи імпульсних ламп і газорозрядних трубок генеруються
ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, а при роботі імпульсних ламп
43
накачування — випромінювання видимого діапазону високої інтенсивності.
Найбільш небезпечними є випадки самовільного розряду розекранованих ламп,
тому що при цьому персонал не встигає вжити заходів обережності. Джерелами
інфрачервоного випромінювання є самі ЛУ, нагріті матеріали і т. д. Припустима
густина потоку інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань не повинні
перевершувати допустимі значення наведені у табл. 4.2.
Таблиця 4.2 Допустимі густини потоку інфрачервоного та ультрафіолетового
випромінювання
Довжина хвилі, нм Допустима густина потоку енергії, Вт/м2
Інфрачервоне випромінювання
760 – 1500 100
1500 – 3000 120
3000 – 4500 150
4500 – 10 000 120
Ультрафіолетове випромінювання
400 – 320 10
320 – 280 0,05
280 - 200 0,001
Зауваження: 1. Допустима інтегральна густина потоку інфрачервоного
випромінювання не повинна перевищувати 70 Вт/м2 при користуванні
повсякденним одягом і 140 Вт/м2 при наявності спеціальних засобів захисту. 2.
При ультрафіолетовому випромінюванні обов’язковий захист органів зору та
шкіри.
При роботі імпульсних ЛР виникають звукові, ультразвукові та інфразвукові
коливання високої інтенсивності, а при роботі механічних затворів і ротаційних
насосів – шум.
Шкідливим фактором є також електромагнітне випромінювання (поле),
використовуване для накачування.
У рідинних ЛР використовуються, як правило, агресивні і токсичні рідини
(наприклад, оксихлорид фосфату), що вимагає застосування спеціальних
запобіжних заходів при виконанні операції заливання, заміни і зливу, а також
44
заходів для виключення можливості виходу рідини назовні через несправність чи
ушкодження систем трубопроводів.
Якщо для охолодження ЛР використовується рідина, що містить токсичні
речовини, повітря приміщення може забруднюватися газами чи парами, що
виділяються з недостатньо щільних з’єднань у системі судин і трубопроводів.
Використання для охолодження рідкого азоту чи гелію може призвести до
утворення рідкого кисню, що збільшує ймовірність виникнення
вибухонебезпечних ситуацій.
Усі перераховані небезпечні і шкідливі фактори розподіляють за походженням
на дві основні групи. До першої групи відносяться фактори, виникнення яких
зв’язане з власною роботою ЛР, до другої групи – фактори, походження яких є
результатом взаємодії ЛВ з оброблюваними матеріалами чи з різними
елементами, необхідними для виконання маніпуляцій з лазерним променем, табл.
4.3:
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання
Механізм біологічної дії ЛВ на оператора складний і різноманітний і залежить
від енергетичної експозиції в імпульсі чи енергетичної освітленості, довжини
хвилі, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, тривалості впливу,
площі ділянки, що опромінюється, від біологічних і фізико-хімічних
особливостей опромінюваних тканин і органів.
Під впливом ЛВ в організмі виникають первинні біологічні ефекти, тобто
органічні зміни в опромінюваних тканинах, і вторинні ефекти – неспецифічні
зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення.
Лазерне випромінювання здійснює на людину наступні впливи:
- термічне (теплове) – при фокусуванні ЛВ виділяється значна кількість тепла
в невеликому об'ємі зa короткий проміжок часу;
- енергетичне – великий градієнт електричного поля, обумовлено високою
щільністю потужності; може викликати поляризацію молекул, електрострикцію,
резонансні й інші ефекти;
45
- утворення у межах клітини мікрохвильового електромагнітного поля;
- фотохімічне;
- механічне проявляється у виникненні коливань типу ультразвукових в
опромінюваному організмі;
- розщеплення білків;
- генетичний розпад молекул РНК та ДНК кислот і поступове відмирання
клітин зі зміненим генетичним кодом;
- гуморальна функція, зв’язана з отруєнням трупною отрутою (вплив
продуктів розкладання).
Найбільш вивченим у даний час є термічний вплив лазерних випромінювань.
Установлено вибірне поглинання лазерної енергії клітинами, що містять певну
речовину. В основі біологічної дії будь-якого випромінювання лежить ступінь
поглинання енергії біологічними структурами, що визначається величиною кванта
(E = h ). Таке випромінювання добре поглинається в організмі пігментними
утвореннями, цитохромами клітин, молекулами гемоглобіну й ін.
Ще більша кількість біологічних елементів тканин організму людини і тварин
поглинають інфрачервоне випромінювання. При цьому інфрачервоне
випромінювання ближньої області поглинається тими ж біологічними
структурами, що і випромінювання видимого спектра. Інфрачервоне
випромінювання дальньої області взаємодіє, головним чином, із тканинами, що
містять воду.
Таблиця 4.3 Класифікація небезпечних і шкідливих факторів ЛР і ЛУ за їх
походженням
Небезпечні і шкідливі фактори Джерела (причини) виникнення
Перша група
Пряме лазерне випромінювання Лазер
Випромінювання імпульсних ламп
Імпульсні світлові спалахи
накачування
Випромінювання імпульсних ламп
Ультрафіолетове й інфрачервоне
накачування; кварцові газорозрядні трубки і
випромінювання
кювети
46
Іонізація повітря при розрядці імпульсних
Озон і оксиди азоту
ламп накачування
Робота допоміжних елементів лазерної
Шум
установки
Рентгенівське випромінювання: Лазер з робочою напругою, кВ:
м'яке 10—60
середньої жорсткості 60—120
жорстке Понад 120
ВЧ- і ЗВЧ-накачка
Електромагнітні поля радіочастот
Агресивні і токсичні рідини Активне середовище, охолоджуючі рідини
Накачування ЛР пучками електронів,
протонів, зарядженими осколками ядер-них
Іонізуюче випромінювання
реакцій і рентгенівським випромі-нюванням;
рентгенівські і гама -ЛР
Друга група
Дифузно і дзеркально відбите Взаємодія лазерного променя з різними
лазерне випромінювання елементами по ходу променя
Взаємодія лазерного променя з частками
Розсіяне лазерне випромінювання
повітряного середовища
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання плазменного смолоскипа
Звукові імпульси в результаті «удару»
Імпульсний шум лазерного променя по оброблюваному
матеріалу
Забруднення повітряного Продукти деструкції, отримувані при обробці
середовища аерозолями матеріалів лазерним променем
Електричні поля високої Взаємодія особливо потужного ЛВ з
інтенсивності речовиною, що обробляється
Іонізуюче випромінювання Активне середовище
Комбіновані Стороннє джерело
Теплова дія ультрафіолетових випромінювань при високих рівнях енергії
може бути досить вираженою. Ці випромінювання можуть викликати еритему і
пігментацію, хемолюмінесценцію біологічних структур. Вони мають генетичну і
канцерогенну дію.
Термічна дія ЛВ має свою специфіку. Так, при впливі випромінювання
імпульсного ЛР в опромінених тканинах відбувається швидке нагрівання тих
структур, що добре поглинають цю енергію. Причому, якщо це випромінювання
відповідає режиму вільної генерації, то за час імпульсу (який триває в межах 1 мс)
47
тепло встигає впливати на досить великий об’єм тканин і викликати їхнє
ушкодження, що має характер термічного опіку.
При дії випромінювання з укороченим імпульсом (випромінювання ЛР у
режимі модульованої добротності з тривалістю імпульсу τ = 10–7 – 10-12 с) тепло
практично не встигає поширитися в навколишні тканини і рідину. У результаті
цього адсорбувавши енергію структури миттєво нагріваються до дуже високих
температур. Таке миттєве нагрівання викликає подобу вибуху опромінених
тканинних елементів, зокрема, пігментних утворень, наприклад, меланіну. При
впливі на очне дно це випромінювання приводить до важких ушкоджень
(розриви, розшарування сітківки, кровотечі).
Під впливом дії ЛВ відбувається порушення життєдіяльності як окремих
органів, так і організму в цілому. При дії на клітини, тканини й органи в них
виникають гістохімічні та біологічні зміни, а також патофізиологічні ефекти. У дії
випромінювання на складні біологічні структури розрізняють три стадії: фізичну,
фізико-хімічну і хімічну.
На першій стадії (фізичній) відбуваються елементарні взаємодії
випромінювання з речовиною, при цьому речовина нагрівається, спостерігаються
фазові переходи в матеріалі клітини, кавітація у фізіологічних рідинах,
перетворення енергії випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація
атомів і молекул, збудження і переведення електронів з валентних рівнів у зону
провідності, рекомбінація збуджених атомів і ін.
При впливі неперервного ЛВ переважає в основному тепловий механізм дії,
наслідком якого є коагуляція (згортання) білка, a при великих потужностях –
випар біотканин. При потужності випромінювання в імпульсі понад 107 Вт і
високій ступені фокусування лазерного променя можливе виникнення іонізуючих
випромінювань.
В міру зменшення інтенсивності випромінювання тепловий механізм
ушкодження тканини, що опромінюється, починає поступатися місцем квантовим
ефектам, що проявляються при поглинанні випромінювання і переносі енергії у
всіх структурах, що входять до складу біологічної тканини.
48
На другій стадії (фізико-хімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються
вільні радикали (Н2О2, HO2 і ін.), що володіють високою здатністю до хімічних
реакцій.
На третій стадії (хімічній) вільні радикали реагують з молекулами речовин, що
входять до складу тканини, і при цьому виникають ті молекулярні ушкодження,
які і визначають загальну картину впливу лазерного випромінювання на
опромінювану тканину і організм у цілому.
Енергія квантів ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль
0,380-0,006 мкм змінюється в межах 3,26-123 еВ відповідно. Кванти з енергією
12-15 еВ здатні викликати іонізацію води й атомів кисню, водню, азоту, вуглецю.
Виходячи з того, що вода і перераховані атоми становлять основу живої тканини,
випромінювання з енергією 12 еВ розглядають як нижню межу для біологічних
систем, а при енергії більш 12 еВ можливе ураження тканини, викликане
розкладанням молекулярного кисню з наступним утворенням озону.
Первинною ланкою біологічного ефекту УФ-випромінювання є чисто
фізичний процес поглинання його молекулами біологічних структур. Далі,
внаслідок реакції взаємодії розвиваються фізико-хімічні процеси збудження,
іонізації і дисоціації, що приведуть до тих чи інших кінцевих біологічних ефектів,
і головним у механізмі дії є фотохімічний ефект. При цьому напрямок
фотохімічних реакцій залежить від інтенсивності і дози опромінення. Малі дози
стимулюють процеси біосинтезу тканинних колоїдів, сприяють росту і діленню
клітин. Великі – гнітять ріст і ділення клітин, викликаючи фотоліз, що руйнує
клітини. Зі зменшенням довжини хвилі вражаюча дія УФ-випромінювання
зростає, але одночасно зменшується його проникаюча здатність, а це, у свою
чергу, приводить до того, що ушкодження обмежується поверхневими шарами
тканин.
При впливі потужного імпульсу випромінювання на організм в опромінених
тканинах виникає ударна хвиля безпосередньо від «удару» самого імпульсу.
Тиск, що надається лазерним променем на опромінюваний об’єкт
49
визначається за формулою
p=W(l+ρ)/с,
де с – швидкість світла у вакуумі; W – інтенсивність випромінювання в
площині об’єкта; ρ – коефіцієнт відбивання даного випромінювання від поверхні
опромінюваного об’єкта. При W = 3∙109 Вт/см2 і ρ = 0,5 р ≈ 1,5∙105 Па.
Механічна дія ЛВ. Поява ударної хвилі обумовлена виникненням градієнтів
тиску усередині опромінюваної системи за рахунок об’ємного розширення (як зі
зміною фазового стану, так і без нього), викликаного короткочасним локальним
нагріванням тканини, а також імпульсом віддачі при випарі біотканин з поверхні.
Теплове розширення може виникнути на поверхні або у внутрішній зоні
опромінюваної тканини, механічні навантаження при цьому характеризуються
величинами порядку десятків Паскалей.
Висока інтенсивність потоку ЛВ супроводжується ударною хвилею такої
сили, при якій ушкоджуються і внутрішні органи. Наприклад, опромінення
поверхонь грудної клітки, черевної стінки, голови викликає ушкодження печінки,
кишечнику й інших органів черевної порожнини, а також внутрішньоклітинні і
внутрімозкові крововиливи.
Механічний ефект випромінювань лазерів, що працюють в імпульсному
режимі, містить у собі не тільки дію ударної хвилі, але й інші механічні явища.
Важливим ефектом є реактивна дія на тканину, що виникає внаслідок викиду
речовини з поверхні об’єкта, що опромінюється.
При опроміненні шкірних покривів імпульсними ЛВ з щільністю потоку
енергії 40 Дж/см2 і більше над поверхнею шкіри виникає короткочасне
(вулканоподібне) здуття, а потім і викид дрібних часток у вигляді «султана». При
впливі на очі чи шкіру імпульс випромінювання суб’єктивно відчувається як
короткий точковий удар.
Тому що біологічні тканини дуже неоднорідні за своєю анатомо-фізіологічною
структурою, у зоні опромінення термічний і механічний впливи супроводжуються
вторинними ефектами: гідродинамічним стиском і розрідженням середовища,
появою негативного тиску у певних ділянках середовища й іншими, котрі можуть
50
приводити до більш виражених патоло-гічних змін у зоні опромінення і
збільшувати площу ушкодження.
Зі збільшенням енергії в імпульсі випромінювання ударна хвиля може досягти
таких значень, при яких струс розподіляється в більш глибоко залягаючі тканини
організму, а частина енергії проникає через шкірні покриви, підшкірну
клітковину, кісткову тканину і досягає внутрішніх органів [З, 4].
Електрострикція – деформація молекул в електричному полі ЛВ, пропорційна
квадрату напруженості електричного поля Е і проявляється як зміна густини
ΔV/V = AE2,
де ΔV/V – відносна об’ємна деформація; А – постійна електрострикції;
А = β∙ρ∙(∂ε ⁄ ∂ρ) ⁄ 2π;
β – стискаємість; ρ – густина; ε – діелектрична проникність середовища.
Ушкодження внутрішніх органів виникають у результаті не тільки механічної
дії випромінювання, але й як наслідок безпосереднього впливу енергії ЛВ на
тканини внутрішніх органів. При експлуатації потужних ЛР збільшується
небезпека ушкодження внутрішніх органів і головного мозку при впливі прямого
ЛВ чи дзеркально відбитого.
До числа специфічних ефектів біологічної дії ЛВ відносяться зміни
генетичних, ферментативних і інших властивостей тканин, а також деяких
властивостей крові, зрушення біохімічних показників. В основі специфічної дії
випромінювань лежать складні процеси, спричинені вибірним поглинанням
електромагнітної енергії тканинами, а також електричними і фотохімічними
ефектами.
Високий градієнт електричного поля, обумовлений великою щільністю енергії
ЛВ, може викликати поляризацію молекул, резонансні й інші явища. При
потужностях ЛВ, що доходять до сотень мегаватів, можливі процеси іонізації
біомолекул, генерація гармонік, багатофотонні процеси й ін. Так, наприклад, при
впливі рубінового випромінювання (λ = 0,69 мкм) можна отримати ефект,
аналогічний ефекту випромінювання УФ-лазера. Ця можливість заснована на
процесі поглинання, коли внаслідок високої енергетичної щільності енергії ЛВ
51
два окремих фотони беруть участь у єдиному процесі поглинання. Ефект
двофотонного поглинання може виявлятися у вигляді органічних змін
патологічного характеру й у вигляді функціональних зорових реакцій.
У механізмі дії ЛР, що працюють у режимі неперервного випромінювання,
ведуче місце займає термічна чи специфічна дія, а механічні ефекти (ударні хвилі
й ін.) не мають істотного значення. Значення механічних ефектів зростає в міру
укорочення імпульсу і підвищення потужності випромінювання (імпульсно-
модульований режим).
Під впливом енергії ЛВ невеликої інтенсивності виникають різні
функціональні зміни, при цьому найбільш «реактивними» є зоровий аналізатор,
центральна нервова, ендокринна і серцево-судинна системи. Характер і виразність
функціональних змін залежить від параметрів ЛВ (довжина хвилі, експозиція,
тривалість і частота повторення імпульсу, чи рівень інтенсивності
випромінювання і частота впливу), а також від реактивності організму, характеру
і локалізації впливу (пряме чи дифузійно відбите випромінювання,
опромінюються очі чи інші частини організму). Функціональні зрушення більш
виражені при комбінованій дії на організм ЛВ і інших факторів (шум,
мікроклімат, освітленість, кисневе голодування, підвищена стомлюваність,
вітамінне голодування й ін.). Випромінювання ЛР великої потужності викликає
гормональні зрушення.
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі
Найбільш чутливими до впливу ЛВ є очі. Око людини розрізняє
випромінювання у видимій області спектра 0,4-0,76 мкм. Однак середовище ока
здатне пропускати випромінювання в більш широких межах спектра – 0,4-1,4
52
а) б)
Рис. 9.1. Залежність пропускної здатності Тλ середовища ока (а) і погли-
мкм. Найкраща пропускна здатність ока знаходиться в області 0,5-0,9 мкм (рис.
9.1, а). Отже, у залежності від довжини хвилі випромінювання відбуваються зміни
в тканинах очного дна або в передньому відділі ока. Таким чином, ефект впливу,
лазерного випромінювання на орган зору в значній мірі залежить від
спектрального діапазону випромінювання.
Ушкодження сітчастої оболонки виникає переважно при впливі ЛВ видимого і
ближнього інфрачервоного діапазонів спектра, що проходять через око майже без
втрат і фокусуються на сітківці. У результаті цього на сітківці створюється
локальна щільність енергії, у 105 раз більша у порівнянні з щільністю енергії на
роговиці. Тому влучення ЛВ зазначених довжин хвиль небезпечно для зору, воно
викликає опіки і розриви, приводить до ушкодження сітківки і судинної оболонки
ока і є причиною сліпоти.
Щільність енергії (потужність) на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра
зіниці, тому імовірність ушкодження ока, адаптованого до темряви, більша, ніж
імовірність ушкодження в умовах яскравого освітлення.
Для випромінювань з довжинами хвиль менше 0,4 мкм і більше 1,4 мкм
оптичні середовища ока є непрозорими, і тому фокусуюча дія відсутня.
Спектральний інтервал УФ з погляду характеру біологічних ефектів
поділяється на три області: ультрафіолет А – UV – A (0,315-0,4 мкм), В – UV – В
(0,28-0,315 мкм) і С – UV – С (0,1-0,28 мкм). Випромінювання з довжиною хвилі λ
< 0,2 мкм поглинається киснем повітря з утворенням озону і тому істотної
біологічної ролі не грає.
Вплив УФ на орган зору в основному приводить до враження роговиці
(кератит). Найбільшою фотокератичною дією володіє випромінювання з
довжиною хвилі 0,288 мкм.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,32 мкм практично
цілком поглинається у роговій оболонці та кон’юнктиві і викликає їхнє
ушкодження – різного ступеня враженості кон’юнктивіт і фотокератит, які
супроводжуються світлобоязню, блефароспазмом, сльозотечею і болючими
відчуттями. У важких випадках може виникнути виразка рогової оболонки, аж до
53
її перфорації. Випромінювання у цій області спектра характеризується
кумулятивною дією, причому реакція організму, відома як відчуття «піску в
очах», виявляється не відразу, а опісля від 30 хв до 1 доби.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,38 мкм приводить
також до ушкодження переднього відділу ока. Механізм ушкодження
обумовлений як тепловим, так і специфічною фотобіохімічною дією цього
випромінювання, яке викликає абіотичні ушкодження. При високій інтенсивності
опромінення з’являються пухирі, іноді невеликі крововиливи. Після гострої
реакції поверхневі шари епідерми відриваються, а в глибоких шарах з’являється
пігментація. При важких ушкодженнях утворюються тромби в судинах шкіри, що
викликає дегенерацію і некроз епітелію. Ультрафіолетове випромінювання
області А відповідає невидимому інтервалу спектра, і його патологічний ефект
виражається в утворенні катаракти.
У видимому діапазоні випромінювання проходить без особливих реакцій
через оптичні середовища ока і впливає головним чином на світлочутливі клітки
сітківки, викликаючи чи тимчасове осліплення, чи опік з наступними
рубцюваннями, що приводить до втрати зору в даній області зорового простору.
Випромінювання цього діапазону можуть викликати дефект тканини, злипаюче
запалення, ущільнення тканини і механічне руйнування тканини з викидом крові.
Інфрачервоне випромінювання (ІФ) підрозділяється на наступні три області:
діапазон IR – А (0,78-1,4 мкм), IR – B (1,4-3 мкм) і IR – С (3 мкм - 1 мм).
Установлено, що при λ ≥ 1,4 мкм практично всі попадаючі на око
випромінювання поглинають роговиця ока і волога передньої камери, а при λ ≥
1,9 мкм випромінювання поглинає тільки роговиця. Інфрачервоне
випромінювання помірної інтенсивності приводить до нагрівання біологічних
структур, для яких можливе настання режиму теплової рівноваги.
Випромінювання в діапазоні IR – А поглинається райдужною оболон-кою,
кришталиком і склоподібним тілом. Багата пігментом райдужна обо-лонка ока
нагрівається, і за рахунок теплопровідності виникає коагуляція білка кришталика.
Ураження очей при цьому відбувається через тривалий проміжок часу.
54
Нагрівання райдужної оболонки викликає дратівне відчуття і мигальний рефлекс.
При великих густинах енергії осліплення необоротне внаслідок температурного
помутніння кришталика.
Інфрачервоне випромінювання з λ = 1-1,64 мкм поглинається переваж-но
роговою оболонкою. Цей діапазон вважається найменш небезпечним для ока,
тому що ураження виникають поверхневі, тимчасового характеру і тіль-ки при
великих густинах енергії випромінювання.
Високоінтенсивне випромінювання IR – А поглинається пігментними
утвореннями очного дна, викликаючи їх нагрів. Перегрів клітин до температури
вище 37 °С призводить до різкого перевантаження механізмів клітини,
відповідальних за очищення від речовин продуктів обміну, що утрудняє її
функціонування. Нагрів до температури вище 45 °С викликає переродження
клітинних ферментів і загибель клітини. Якщо ж клітина нагрівається до
температури вище 100 °С, то внаслідок пароутворення, яке має при високій
швидкості нагрівання характер вибуху, можуть спостерігатися механічні
руйнування тканин ока, які опромінюються. Подібні процеси обумовлюють
ушкодження тих тканин ока, які на довжині хвилі випромінювання інтенсивно її
поглинають.
Випромінювання з λ = 10,6 мкм добре поглинається і нагріває ті тканини, що
містять велику кількість води (рогова оболонка, кон’юнктива). Граничні зміни в
роговій оболонці (вміст води 70 %) спостерігаються при щільності потоку
випромінювання порядку десятих часток вата на квадратний сантиметр. При
великих рівнях випромінювання (20 Вт/см2) виникає стійке помутніння рогової
оболонки [2-4; 15].
Як бачимо у залежності від довжини ЛВ різною є і локалізація ушкодження
органа зору.
Імпульсне ЛВ з λ = 0,4-1,4 мкм становить більшу небезпеку, ніж неперервне,
тому що в цьому випадку ушкодження очного дна викликається комбінованою
дією – термічною і механічною. Механічна дія випромінювання виявляється у
вигляді «вибуху» зерен меланіну (високомолекулярні водонерозчинні пігменти), у
55
результаті чого зерна пігменту викидаються у склоподібне тіло.
Мимовільні рухи очного яблука приводять до того, що окремі ділянки сітківки
змінюють своє положення щодо падаючого випромінювання багато разів у
секунду. Тому неперервне й імпульсно-періодичне випромінювання викликають
ушкодження сітківки в області, значно більшій, ніж площа сфокусованого на ній
зображення, навіть у тому випадку, якщо під час опромінення пучок не
відхиляється від прямої лінії бачення.
Таким чином, лазерне випромінювання здійснює шкідливу дію на всі
структури органів зору. У міру збільшення щільності енергії випромінювання
ступінь ураження та зміни тканин ока зростає. Основний механізм ушкоджень –
теплова дія.
4.5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і
внутрішні органи
Опромінення шкіри ЛВ може викликати в ній патологічні зміни, при цьому
можливо виникнення як легких функціональних змін (почервоніння), так і важких
(некроз – омертвіння, карцинома шкіри – злоякісна пухлина).
При впливі потужного ЛВ на шкірі виникає термічний опік. Вплив більш
високих енергій приводить до більш глибоких некротичних змін. При впливі ЛВ з
енергією понад 100 Дж/см2 на шкірі виникає ділянка некрозу з кратероподібною
деформацією.
Малі рівні також впливають на організм. Однократний імпульс
випромінювання здійснює більшу дію, ніж серія імпульсів. Так, неодимове ЛВ
викликає такі ж видимі зміни на шкірі при рівні енергії 20-25 Дж/см2, як і
багаторазове (5 імпульсів протягом 2 с) при енергії в одиницях Дж/см2. Слабкий
вплив випромінювання на шкіру супроводжується змінами функціонального
характеру. Ефект впливу на шкірні покриви визначається, з одного боку,
параметрами ЛВ, з іншого, – ступенем пігментації шкіри і станом кровообігу. За
інших рівних умов опромінення темнопігментована шкіра (особливо родимі
56
плями) поглинає лазерне випромінювання значно більше, ніж світла шкіра. У той
же час відсутність достатньо вираженої пігментації створює умови для більш
глибокого проникнення випромінювання у шкіру і навіть під шкіру, унаслідок
чого можуть уражатися і підшкірні тканини. Мало пігментована шкіра пропускає
від 45 до 60 % випромінювання рубінового ЛР, а шкіра разом з підшкірними
м’язами – від 25 до 30 %.
Найбільший біологічний вплив здійснює ЛВ з довжинами хвиль 0,28-0,32 мкм.
Воно більш глибоко проникає в шкіру і має виражену, канцерогенну дію.
Біологічні ефекти, що виникають при опроміненні шкіри ЛВ у значній мірі
залежать від довжини його хвилі. Так при дії УФЛВ найбільш характерними
ураженнями є: різні фотохімічні реакції, еритема, розриви хімічних зв’язків у
більшості молекул, що входять до складу живої тканини, різні переродження,
стимулювання появи новоутворень, утворення вільних радикалів, дія на
внутрішні органи. При дії ЛВ видимого діапазону в основному проявляється його
термічна дія. А при дії ЛВ ІЧ-області спектра найбільш характерними проявами є:
виражені деструктивні зміни термічного характеру (опіки різного ступеня),
мікроскопічні (гістологічні і гістохімічні) зміни, ураження внутрішніх органів.
Зазначимо, що як наслідок дії ЛВ можуть виникати зміни в органах дихання,
серцево-судинній та ендокринній системах, порушення обміну речовин.
Зокрема при однократному впливі ЛВ з довжиною хвиль 1,06 мкм і щільністю
енергії до 10 Дж/см2 видимих змін на шкірі не виявляється, однак в епідермісі
виникає гіперкератоз і паракератоз, а в дермі –гіперемія і проліферація гістоцитів.
Уже при щільності енергії 20 Дж/см2 з’являються видимі ознаки ушкодження –
некротичні зміни; при 50 Дж/см2 – дрібні крововиливи і некроз усієї дерми, у
центрі впливу руйнувалися придатки шкіри; при 150 Дж/см2 – некроз
поширюється за межі зони опромінення, а при 250-400 Дж/см2 – некроз
захоплював усю товщу шкіри і підшкірної клітковини, аж до м’язів.
Одним з найбільш часто зустрічаємих ознак ушкодження шкіри є набрякання
жирових клітин у глибоких шарах сполучної тканини. Існує різка границя між
ушкодженими і неушкодженими тканинами. Пузир лазерного опіку, на відміну
57
від звичайного термічного, локалізується глибше. Сфокусований лазерний
промінь викликає більш виражені по глибині і тяжкості ураження, ніж не
сфокусований, три цьому характер і тяжкість ушкодження шкіри залежать від
параметрів ЛВ, а також від абсорбційної і відбивної здатності шкіри, ступеня її
гетерогенності, вмісту води і теплопровідності.
У деяких випадках відзначається підвищена чутливість шкіри обличчя людини
до випромінювань видимого спектра (синьо-зелена область). Реакція шкіри на ЛВ
виявляється в почервоніннях, набряклості, почутті сверблячки і печіння, болючих
відчуттях.
При впливі на шкіру ЛВ невеликої інтенсивності в організмі виникають
загальні функціональні біохімічні зміни: підвищення вмісту цукру і холестерину в
крові, зменшення кількості еритроцитів, гемоглобіну, збільшення кількості
лейкоцитів і тромбоцитів, зрушення в системі згортання крові, коливання
артеріального тиску, загальна слабість, сонливість, нездужання, зміна частоти
скорочення серця, тупий головний біль у лобово-скроневих і потиличних
областях, запаморочення, колючі болі і неприємні відчуття в області серця,
пригнічення сухожильних рефлексів, тремтіння пальців рук і вік, розлад
діяльності зорових і інших аналізаторів, гноблення функції органів слуху,
порушення функцій вестибулярного апарата, функціональні розлади в діяльності
нервової і серцево-судинної систем, зменшення частоти пульсу.
При великих інтенсивностях опромінення можливі ушкодження внутрішніх
органів, які мають характер набряків, крововиливу, кровотечі, омертвіння тканин і
ін. Вплив на кров виражається в деформації червоних кров’яних тілець,
руйнуванні оболонки еритроцитів.
Важливою особливістю впливу ЛВ на внутрішні органи є чергування
ушкоджених і неушкоджених шарів тканин. Це зв’язано з ефектом стоячих хвиль,
що утворюються в результаті відбиття падаючого випромінювання від кісткових
поверхонь чи границь між різними т тканинами. Ушкоджені ділянки тканини
збігаються з пучностями, де щільність потоку енергії багаторазово зростає в
порівнянні з щільністю потоку енергії падаючого випромінювання.
58
Висновок
Отже, впродовж виконання даної роботи я ознайомився з роботою
високоефективних методів.
Проаналізувавши умови експлуатації в яких буде працювати дана деталь, я
підібрав тип сталі, з якої може бути виготовлена деталь. Це алюмінієвий сплав
марки АМг2.
В оглядовій частині роботи було розглянуто опис конструкції деталі та
умов її експлуатації, технологічні операції обробки деталі традиційними та
високоефективними методами обробки, розглянуто розрахунок технологічних
параметрів.
В конструкторській частині було розглянуто схему базування та
установчих елементів, вибір затискного пристрою, розрахунок приводу
пристосування, розрахунок пристосування на точність, приклади верстатів для
ЛО, опис конструкції та принцип роботи пристосування, проведено
економічні розрахунки.
При розглядані вибору способу обробки за допомогою традиційних методів,
основною перевагою цих методів є їх висока продуктивність, але з не достатньо
високими показниками якості і наявності складної форми самої оброблюваної
деталі, будуть дещо зростати затрати на різні технологічні переходи, і заміною
необхідного інструмента, в процесі обробки.
Щодо обробки за допомогою новітніх безконтактних технологій, тут буде
зростати час виготовлення, але буде і покращення точності обробки навіть при
роботі з деталями складних, нестандартних форм.
Саме за допомогою методу ЛО, можна виготовити необхідну нам деталь типу
«Прокладка блоку циліндрів».
59
Література
1. ДСТУ 8833:2019 виливки із сірого чавуну з пластинчастим графітом
2. Технологія машинобудування / Є. О. Горбатюк, М. П. Мазур, А. С.
Зенкін та ін. Львів : «Новий Світ 2000», 2009. 358 с.
3. ДСТУ 2960-94 Організація промислового виробництва основні
поняття
4. Технологія машинобудування./ Мельничук П.П., Боровик А.І.,
Лінчевський П.А., Петраков Ю.В. Житомир: ЖДТУ, 2005. 882 с.
5. Руденко, П. О. Харламов В. О., Шустик О. Г. Вибір, проектування і
виробництво заготовок деталей машин. К. : Вища школа , 1993. 288 с.
6. Боженко Л. І. Технологія машинобудування. Проектування та
виробництво заготованок [Текст] : підручник для студ. машинобуд. спец. вищ.
навч. закладів. Львів : Світ, 1996. 368 с.
7. Веселовська Н.Р., Іскович-Лотоцький Р.Д., Ковальова І.М. Теорія
різання та інструмент: Навчальний посібник. Вінниця, 2018. 297 с.
8. Кирилович В. А., Мельничук П. П., Яновський В. А. Нормування часу
та режимів різання для токарних верстатів з ЧПУ. Житомир : ЖІТІ, 2001. 600 с.
9. Буц Б.Д., Приходько В.Є., Ткачов Ю.В. Розрахунок режимів різання
металів: Навч. Посіб. Д.: РВВ ДНУ, 2005. 76 с.
10. Дідик Р.П., Зіль В.В., Пацера С.Т. Розрахункові операції режимів
механічної обробки матеріалів: точіння, свердління, зенкерування, розгортання:
навч. посіб.. Д.: Національний гірничий університет», 2013. 196 с.
11. Технологія машинобудування: Посібник-довідник для виконання
кваліфікаційних робіт: Навч. Посібник/ І.І. Юрчишин, Я.М. Литвиняк, І.Є.
Грицай, М.Л. Кукляк, Я.М. Кусий, В.В. Ступницький, В.А. Яцюк, А.М. Кук, Є.М.
Махоркін, В.П. Свізінський. Львів: Львівська політехніка, 2009. 528 с.
12. Бочков В.М. Сілін Р.І., Гаврильченко О.В. Металорізальні верстати:
Навч. Посібник. Львів.: ВидавництвоНаціонального університету «Львівська
політехніка», 2009. 268с.
60
13. Залоюбовський М.Г., Малишев В.В. Машини та обладнання
підприємств: навч. Посібни. К.: Університет «Україна», 2020. 121с.
14. Технологічне оснащення для високоефективної обробки на токарних
верстатах/ Кузнєцов Ю.М., Луців І. В., Шевченко О.В., Волошин В.Н. за ред.
Ю.М. Кузнєцова. Тернопіль; Терно-граф, 2011. 692с.
15. Паливода Ю.Є., Дячун А.Є., Лещук Р.Я. Інструментальні матеріали,
режими різання, технічне нормування механічної оборобки : навчально-
методичний посібник. Тернопіль : Тернопільський національний технічний
університет імені Івана Пулюя, 2019. 240 с.
16. Інструменти для механічної обробки матеріалів / Стискін Г.М.,
Ревнівцев М.П., Берізко М.М., Мелещик В.А.. Л.: ОріянаНова, 2002. 240 с.
17. Кирилович В. А., Мельничук П. П., Яновський В. А. Нормування часу
та режимів різання для токарних верстатів з ЧПУ. Житомир : ЖІТІ, 2001. 600 с.
18. Кирилюк Ю.Е., Якимчук Г.К. Допуски и посадки: Справочник.-3-е
изд., перераб. и доп. К. Основа, 2005.296 с.
19. Григурко, І. О. Брендуля М.Ф., Доценко С.М. Технологія
машинобудування: дипломне проектування: [Текст] : Навчальний посібник для
ВНЗ Львів : Новий світ. 2011. 767 с
20. Контрольно-вимірювальні пристрої технологічних машин: навчальний
посібник / За ред. проф. З. А. Стецька. Львів : Видавництво Національного
університету «Львівська політехніка», 2008. 321 с.
21. Петров, О. В., Сухоруков С. І. Технологічна оснастка : навчальний
посібник. Вінниця : ВНТУ, 2018. 123 с.
22. Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І. Приводи затискних механізмів
металообробних верстатів: монографія. Луцьк: Вежа-Друк, 2016. 352 с.
23. Ключников Ю. В. Електрофізичні та електрохімічні методи обробки.
Лабораторний практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2024. 148 с.
24. Тимчик Г. С. Лазерні технології. Конспект лекцій [Електронний
ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 276 с.
61
25. Тимчик Г. С. Лазерні технології. Лабораторний практикум
[Електронний ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022.
26. Добрянський С. С., Малафєєв Ю. М. Технологічні основи
машинобудування [Електронний ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2020. Розд. 3.1. Основні відомості про електрофізичні та
електрохімічні методи обробки металевих деталей.
27. Колобродов В. Г., Тимчик Г. С. Лазерні технології [Електронний
ресурс] : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022.
28. Електротехнологічні установки та системи [Електронний ресурс] :
конспект лекцій. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. Розділи про плазмово-
хімічні реакції та плазмові технології.
29. Високоефективні технологічні процеси в приладобудуванні : навч.
посіб. Київ : Видавничий дім «Слово», 2004.
30. Боровик А.І. Технологічна оснастка механоскладального виробництва.
К.:Кондор 2008. 726 с.
31. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Бібліографічний запис, бібліографічний опис.
Загальні вимоги та правила складання»: методичні рекомендації з
впровадження/уклали: Галевич О.К., Штогрин І.М. Львів, 2008. 20с.
32. ДСТУ. 3008-95 – Документація. Звіти у сфері науки і техніки.
Структура і правила оформлення.
62