Усовершенствование метода неразрушающего контроля компакт-дисков

Актуальность темы

В настоящее время на большинстве предприятий широко используются компьютеры и автоматизированное производственное оборудование, что обуславливает необходимость широкого применения различных носителей информации. Одними из самых распространенных носителей информации являются оптические компакт-диски (КД) различных видов.

КД как объект контроля представляет собой многослойный диск с отверстием в центре, имеющий толщину 1,2 мм и внешний радиус 60 мм. КД различных типов имеют различную внутреннюю структуру, при этом все КД изготавливаются из поликарбоната и имеют металлизированное отражающее покрытие, а также могут иметь слои из различных материалов для записи информации, клеевой слой и наружный слой с нанесенным изображением. При производстве такого объекта неизбежно появление несплошностей, отклонений от номинальных геометрических размеров, анизотропии в свойствах материалов, из которых изготовлен КД. Причем, с увеличением информационной емкости КД растет число слоев, соответственно снижается их толщина, и повышаются требования к качеству изготовления КД.

КД хранятся и эксплуатируются в самых разнообразных климатических условиях и могут подвергаться различным механическим воздействиям (изгибные деформации, удары, падения и т. п.), что также способствует как образованию новых эксплуатационных дефектов, так и росту производственных.

Из практики эксплуатации известны случаи деформирования, растрескивания и разрушения КД, приводящие к потерям информации и выходу оборудования из строя. Вместе с тем, на сегодняшний день КД на этапах производства и эксплуатации контролируются преимущественно с точки зрения целостности записанных на них данных (также контролируются некоторые геометрические параметры и величина двулучепреломления материала), а их механическая прочность практически не оценивается. Одной из причин данной ситуации является то, что на сегодняшний день не существует удобных для практического применения неразрушающих способов оценки механической прочности и опасности разрушения КД.

Поскольку поликарбонат, из которого изготавливаются КД, обладает высокой оптической прозрачностью и свойством двулучепреломления, для контроля КД целесообразно применять неразрушающие оптические методы, такие как лазерная интерферометрия и фотоупругость. Для анализа опасности различных режимов эксплуатации КД и различных дефектов КД целесообразно использование метода конечных элементов, широко применяемого для решения задач оценки прочности и опасности разрушения в различных областях науки и техники. Сочетание экспериментальных оптических методов и численных расчетов позволяет повысить качество и скорость контроля, что в конечном итоге приведет к повышению качества выпускаемых КД.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что усовершенствование неразрушающего контроля КД путем применения оптических методов контроля в сочетании с численным конечно-элементным анализом является актуальной задачей.

Цель работы. Усовершенствование метода неразрушающего контроля КД путем комплексного применения оптических методов определения прочности, плоскостности и разнотолщинности КД в сочетании с конечно-элементным анализом данных.

Задачи исследования:

— разработка комплексного метода оптического неразрушающего контроля КД и экспериментальной установки для его реализации;

— анализ существующих неразрушающих методов контроля качества КД;

— экспериментальное исследование физических процессов в неподвижных КД различных типов (в том числе с несплошностями) при различных внешних климатических условиях (температура, влажность) и их изменении;

— разработка математических моделей для расчета напряженно-деформированного состояния при вращении КД с различными скоростями;

— проведение численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния КД с различными дефектами, размеры и расположение которых соответствует реально наблюдаемым в эксплуатации, при различных скоростях вращения.

Методы исследования: метод фотоупругости, метод лазерной интерферометрии, метод компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, статистические методы обработки экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

— комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных;

— результаты расчета коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями, полученные с помощью метода конечных элементов в среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007;

— совокупность экспериментальных данных о распределениях напряжений, неплоскостности и разнотолщинности, полученных методами фотоупругости и лазерной интерферометрии: а) в нормальных условиях для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок КДб) при различных режимах температурно-влажностного воздействия (в интервале температур -50.+90 °С и значений влажности 15.96%) для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок КД.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением законов физической оптики и сопоставлением результатов расчетов по аналитическим формулам, компьютерного моделирования и экспериментальных данных. Достоверность данных компьютерного моделирования" подтверждена оценкой разброса получаемых результатов при изменении задаваемых параметров модели. Достоверность обнаружения дефектов с помощью разработанного метода подтверждена результатами контроля с помощью микроскопа МБУ-5.

Научная новизна работы. В работе на основе результатов поляризационно-оптического и интерференционно-оптического экспериментов, а также компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, исследовано напряженно-деформированное состояние КД, при этом получены следующие новые результаты:

— разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных, и создана экспериментальная установка для его реализациипоказана применимость закона Вертгейма для оценки напряженного состояния КД методом фотоупругости при внешних условиях (температура, приложенная нагрузка), близких к эксплуатационным для КД;

— получены с помощью метода фотоупругости поля распределения напряжений в КД различных типов, в том числе в окрестностях несплошностей, и выявлены закономерности распределения данных напряжений;

— определены значения разнотолщинности и неплоскостности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии;

— экспериментально определено влияние различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, на изменение свойств конструкционных материалов КД;

— получены распределения коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями.

Практическая значимость. Методы фотоупругости и лазерной интерферометрии применены для неразрушающего контроля КД на стадиях производства, эксплуатации и хранения, что позволило решить проблемы повышения качества и надежности КД в условиях, когда затруднено применение других видов контроля. Разработанные компьютерные модели позволяют прогнозировать возможность разрушения при обнаружении в КД дефектов различных размеров и ориентации, а также повышенных остаточных напряжений. Предложенный в работе комплексный метод неразрушающего контроля КД и оценки опасности выявленных дефектов рекомендован для применения на заводах-изготовителях КД.

Личный вклад автора состоит в:

— разработке комплексного метода неразрушающего контроля КД и создании экспериментальной установки для его реализациипроведении экспериментов по изучению ползучести поликарбоната при статической постоянной нагрузке для определения применимости зависимостей Файлона-Джессопа и Вертгейма к решению задач данной работы;

— проведении экспериментов по изучению полей напряжений в КД различных типов с применением метода фотоупругости и анализе его результатов;

— проведении экспериментов по определению неплоскостности и разнотолщинности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии и проведении анализа результатов эксперимента;

— проведении экспериментов по изучению влияния различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, изменение свойств конструкционных материалов КД и осуществлении анализа результатов поставленных экспериментов.

— определении критериев прочности, подходящих для оценки опасности несплошностей и остаточного напряженно-деформированного состояния КДразработке математических моделей в среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007 для исследования и оценки, напряженнодеформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей.

Реализация работы: Результаты, полученные в рамках данной работы, внедрены в ООО «Уральский электронный завод» (г. Екатеринбург) и в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск). Также результаты исследований используются в учебном процессе Сибирского государственного университета путей сообщения в курсах «Теория упругости», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», спецкурсе «Методы компьютерного моделирования в механике деформируемого твердого тела».

Апробация работы. Основные научные результаты данной работы докладывались и обсуждались на: IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), IV Российской научно-технической конференции' «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009), XI международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2010), XXIII Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин». В полном объеме результаты работы докладывались на: научных семинарах в СГУПСе (Новосибирск, 2009, 2010) и АлтГТУ (Барнаул, 2010).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 2 статьях и 7 тезисах докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объём работы 130 страниц, в том числе 61 рисунок и 9 таблиц.

Список литературы

содержит 94 наименования.

4.4. Выводы.

Описанные в 4.1−4.3 методы неразрушающего оптического контроля КД с использованием фотоупругости и лазерной интерферометрии, а также оценки опасности обнаруженных дефектов с применением МКЭ для обеспечения наилучшего качества контроля рекомендуется применять совместно, в порядке, обусловленном удобством обеспечение технологического процесса контроля (хотя при необходимости возможно и раздельное применение). Реализованные последовательно, эти методы составляют комплексный метод неразрушающего контроля прочности, плоскостности и разнотолщинности КД, позволяющий повысить качество производимых КД.

Более наглядно процесс контроля с помощью разработанного комплексного метода представлен на обобщенной блок-схеме (рис. 4.7). На схеме представлено взаимодействие различных этапов контроля — от постановки цели до конечного результата. Отмеченный пунктирной линией блок областей исследования, соответствующих Паспорту научной специальности 05.11.13, не является областью настоящего исследования и представлен для иллюстрации места данной работы в научном направлении.

Созданы экспериментальные установки для реализации данного комплексного метода, ориентированные на выборочный контроль с участием оператора. Планы выборочного контроля определяются по государственным стандартам серии ГОСТ Р 50.779.ХХ либо внутренними нормативными документами предприятий. Одним из возможных путей развития разработанного метода контроля является автоматизация идентификации брака на изображениях КД, полученных при контроле, с помощью различных методов компьютерного анализа изображений.

Цель.

Улучшение контроля качсстпа КД.

1. Разработка методов проектирования приборов и систем контроля.

2. Разработка приборов и систем контроля.

3. Разработка вспомогательною обеспечения для систем экологического мониторинга.

4. Разработка метрологического обеспечения средств контроля, оптимизация метрологических характеристик приборов.

5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения процессов контроля, автоматизация приборов контроля.

6. Повышения надежности средств контроля, диагностика приборов контроля.

Усовершенствование существующих методов неразрушшощего контроля.

1. Математическое моделирование 2. Физическое моделирование.

Типы моделей КД (CD, DVD и т. д.).

Режимы моделирования (температура, влажность, скорость вращения и т. д.).

Параметры конечно-элементной сетки.

Контролируемые параметры.

1. Напряжения.

2. Перемещения (прогибы).

3. Коэффициент запаса прочности.

Типы КД (CD, DVD и т. д.).

Режимы испытаний (температура, влажность, скорость вращения и т. д.).

Приборное обеспечение (рахпнчиые оптические схемы, настройка оборудования, применение более чувствительного оборудования и т. д.).

Модификация метода контроля <

Анализ полученной информации.

1. Сравнение с типичными картинами распределения напряжений.

2. Сравнение со значениями, заданным" в нормативных документах.

3. Расчет по критериям прочности.

Результат контроля.

1. Принятие решения о годности или негодности КД.

2. Оценка возможности копирования информации с забракованных КД (при необходимости).

3. Повышение качества КД, срока их службы и безопасности эксплуатации.

Рисунок 4.7 — Обобщенная блок-схема процесса контроля с помощью разработанного комплексного метода.

U).

Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью описанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

Разработанный метод внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД — ООО «Уральский электронный завод» (торговая марка КД «Mirex», г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержатся решения актуальных задач неразрушающего контроля одного из широко распространенных видов изделий — КД. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных и позволяющий повысить качество производимых КД.

2. Созданы экспериментальные установки для реализации данного метода, ориентированные на выборочный контроль с участием оператора. Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью разработанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

3. Разработанный метод контроля внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД — ООО «Уральский электронный завод» (торговая марка КД «Mirex», г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

4. Анализ существующих неразрушающих методов контроля качества КД показал, что они обладают различными недостатками, такими как низкая производительность, возможность разрушения или повреждения дефектных КД при контроле, невозможность контроля напряженного состояния КД, сложность получения целостной картины распределения контролируемых параметров по всей поверхности диска и др. В связи с этим для неразрушающего контроля КД предлагается применять комплексный метод, не имеющий. большинства недостатков известных методов.

5. Экспериментально установлено, что поликарбонат, из которого изготавливаются КД, при приложении к нему статической растягивающей нагрузки величиной около 80% от максимальной эксплуатационной и при комнатной температуре, проявляет свойство ползучести только в непосредственной окрестности концентратора напряжений. На удалении от концентратора эффект ползучести пренебрежимо мал, что позволяет для исследования КД оптическими методами применять зависимость Вертгейма вместо зависимости Файлона-Джессопа.

6. Методом фотоупругости получены поля напряжений в КД различных типов и в заготовках КД, взятых на различных стадиях производственного процесса. Выделены типичные картины изохром для различных типов КД. Определены окружные напряжения на внутреннем свободном контуре бездефектного КД, они равны 2,9 МПа.

7. В процессе экспериментов обнаружены КД с блюдцеобразными искривлениями поверхности, ориентированными вдоль собственной оси вращения. С помощью метода лазерной интерферометрии определен диапазон максимальных прогибов W таких КД, составивший от 0 до 0,35 мм.

8. Проведено исследование разнотолщинности КД путем изучения интерференционных картин. Выявлено два типичных вида картин, соответствующих различным типа КД: концентрические окружности и характерные сдвиги полос. Разнотолщинность исследованных образцов лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом.

9. Экспериментально изучено длительное (48 часов) влияние на КД повышенной температуры (до 63 °С) при относительной влажности около 15%. Показано, что такой режим нагрева не привел к заметному изменению напряженного состояния или к ухудшению читаемости КД.

10. Исследовано длительное (в течение 96 часов) воздействие на КД циклически изменяющихся повышенной температуры (до 80 °С) и повышенной влажности (до 96%). Эксперимент показал отрицательное влияние данных условий на КД: на различных образцах наблюдались отслоение отражающего слоя, нарушение внутреннего клеевого слоя и расслоение КД, отверстия в отражающем слое из-за воздействия капель конденсата, а также частичная или полная деградация отражающего слоя. Изучение образцов методом фотоупругости позволило сделать вывод об отсутствии существенных изменений напряженного состояния. Обнаружено изменение кривизны образцов после температурно-влажностного нагружения, что подтверждено методом лазерной интерферометрии.

11. Проведен эксперимент по изучению длительного (96 часов) низкотемпературного воздействия (при температуре -50 °С) на КД в условиях естественной влажности (31.79%). Изучение образцов, подвергшихся данному воздействию, методами фотоупругости и лазерной интерферометрии показало отсутствие существенных изменений напряженного и деформированного состояния образцов.

12. Произведен аналитический расчет напряженного состояния КД, вращающихся с различными скоростями. Полученные максимальные значения окружного напряжения cj0 составили 0,641 МПа при 4000 об/мин и 4,829 МПа при 10 350 об/мин, что позволяет сделать вывод о достаточной прочности бездефектных КД при эксплуатационных нагрузках.

13. Произведен анализ применимости известных критериев прочности для исследования КД. Для целей контроля качества КД наиболее подходящими по итогам анализа признаны критерий максимальных нормальных напряжений и критерий Мора-Кулона.

14. В среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007 созданы математические модели для исследования и оценки напряженно-деформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей. Рассчитанные значения максимальных напряжений для модели бездефектного КД имели расхождения с результатами аналитического расчета в пределах 16%, что позволило сделать вывод об адекватности применения программного пакета для задач работы. Рассчитанные значения максимальных напряжений длямоделей с различными трещиновидными концентраторами при скорости вращения 4000 об/мин достигали 65% от предела прочности поликарбоната для радиального концентратора и 45% - для окружного концентратора, что является достаточно опасным. Произведенные расчеты коэффициентов запаса прочности для КД с различными концентраторами при различных скоростях вращения показали, что с ростом скорости вращения коэффициент запаса прочности сильно уменьшается, и для скорости вращения 10 350 об/мин становится равным 1,5 для КД с окружным концентратором и 0,44 — для КД с радиальным концентратором, что означает прогнозируемое разрушение КД. Зоны с минимальным коэффициентом запаса прочности располагаются в окрестностях вершин концентраторов.

15. Проведено математическое моделирование напряженного состояния, возникающего на одном из этапов производства КД — при напылении светоотражающего слоя. Максимальные значения касательных напряжений на верхней грани КД составили 0,625 МПа. Оценка влияния таких напряжений на напряженное состояние вращающегося КД показала, что увеличение уровня максимальных напряжений и перемещений составило около 2% и является незначительным. Проведена оценка изменения температуры одной из граней КД при напылении светоотражающего слоя путем решения обратной термоупругой задачи. Полученные значения изменения температуры не превышают 5 °C, что позволяет сделать вывод об отсутствии существенного нагрева КД при напылении светоотражающего слоя. Также расчеты показывают, что при росте значений эффективного изменения температуры одной из граней диска наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в плоскости, перпендикулярной плоскости диска: так, при AT = 20 °C прогиб равен 1,8 мм. На основании полученных данных рекомендовано внести уточнение о необходимости хранения КД в затененных местах и недопустимости их одностороннего нагрева в технические условия на хранение, транспортировку и эксплуатацию КД.