Третья разработанная модель КД отличается наличием окружного трещиновидного концентратора, расположенного на расстоянии 10 мм от внутреннего радиуса цилиндра. Данный концентратор имеет следующие параметры: длина 2 мм, мм или 20 мм, максимальная ширина раскрытия (в середине концентратора) 0,1 мм, радиус закругления в вершинах концентратора 7 мкм (рис. 3). Выбор таких параметров концентратора также основан на экспериментальном изучении реальных дефектов КД с помощью микроскопа.

Модель с помощью процедуры автоматического построения сетки разбита на тетраэдрические конечные элементы средним размером 0,65 мм с заданным значением допуска 0,00018 мм и использованием функции автоматического уплотнения сетки в окрестности вершин концентратора. В модели используется цилиндрическая система координат. Угловая скорость вращения модели задавалась равной 4000 об/мин.

Рисунок 3 – Окружной трещиновидный концентратор Максимальные окружные напряжения в модели наблюдаются в окрестности вершины концентратора в точке C, а максимальные радиальные напряжения - в точке D (рис. 3). Проведена проверка на сходимость результатов (по той же методике, что и для предыдущей модели), давшая положительный результат. Средние значения напряжений r max, max для различных значений L приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Средние значения максимальных напряжений Длина концентратора L, мм С увеличением длины окружного концентратора увеличиваются и напряжения в КД, при этом окружные напряжения растут быстрее. При малых размерах концентратора радиальные напряжения больше окружных, но из-за более быстрого роста окружных напряжений с увеличением размера концентратора при длине концентратора 20 мм окружное напряжение превышает радиальное. Для малых размеров концентратора основным разрушающим фактором являются радиальные напряжения, а для больших – окружные напряжения. Для длины концентратора 20 мм максимально окружное напряжение составляет около 45% от предела прочности поликарбоната, что также является достаточно опасным с учетом относительно низкой расчетной скорости вращения 4000 об/мин.

Небольшое расхождение результатов численного и аналитического расчетов модели бездефектного КД (от 2% до 16%), а также линейный характер зависимости результатов численного расчета от размера элемента вблизи вершины концентратора позволяют сделать вывод об адекватности примененной численной модели. В дальнейшей работе использовались модели с разбиением на тетраэдрические конечные элементы средним размером 0,6 мм с заданным значением допуска 0,0003 мм и средним размером элемента вблизи вершины концентратора 0,0006 мм.

Расчет коэффициентов запаса прочности КД проводился для критериев максимальных нормальных напряжений и Мора-Кулона, выбор которых обоснован в главе 1; результаты расчета для вращающихся КД без концентратора и КД с радиальным и окружным концентраторами длиной по 2 мм приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Значения коэффициента запаса прочности 10350 концентратором Проведенные расчеты показали, что при вращении КД без концентратора с угловой скоростью 4000 об/мин коэффициент запаса прочности по обоим критериям находится в диапазоне 95…100 для всех точек поверхности объекта и, следовательно, идеальный бездефектный КД в данных условиях не разрушается. При увеличении скорости вращения до 10350 об/мин коэффициент запаса прочности уменьшается до 15, но это по-прежнему далеко от опасных значений.

Однако при расчетах для модели с радиальным трещиновидным концентратором длиной 2 мм со скоростью вращения 4000 об/мин минимальный коэффициент запаса прочности снижается в 30 раз и достигает значения 3 по обоим критериям. Для скорости вращения 10350 об/мин получаем коэффициент запаса прочности в вершине концентратора 0,44 по обоим критериям, что уже означает прогнозируемое разрушение КД.

Для модели с окружным трещиновидным концентратором длиной 2 мм со скоростью вращения 4000 об/мин минимальный коэффициент запаса прочности составил 10, а для той же модели при скорости вращения 10350 об/мин – всего 1,5, что также достаточно опасно.

Наиболее опасной зоной (с минимальным коэффициентом запаса прочности) во всех случаях является вершина концентратора.

Экспериментально обнаружено, что многие КД имеют блюдцеобразные деформации, направленные вдоль оси вращения КД. Выдвинута гипотеза, что данное искривление образцов возможно из-за того, что напыляемый в процессе производства металлизированный слой приводит к появлению радиальных касательных напряжений r на верхней поверхности КД. В соответствии с данной гипотезой создана расчетная модель КД в виде однослойного диска с внешним радиусом 60 мм, внутренним радиусом 7,5 мм и толщиной 1,2 мм. По верхней грани модели приложены радиальные касательные напряжения r.

Для задания уровня этих напряжений принято допущение, что закон изменения касательных напряжений по радиусу КД аналогичен закону изменения величины прогиба по тому же радиусу.

Экспериментально (с помощью той же оптической схемы, которая применялась для исследования образцов методом лазерной интерферометрии) определены максимальные прогибы Wmax КД с искривлением одного знака. Диапазон изменения Wmax составил 0,356…0,065 мм.

Для расчетной модели в виде диска из поликарбоната (с размерами, аналогичными модели на рис. 1, и граничными условиями в виде нулевых перемещений по внутреннему контуру), нагреваемого по верхней грани до 70°C, построена эпюра перемещений W, нормальных к плоскости диска, по радиусу диска r (рис. 4).

Рисунок 4 - Эпюра перемещений, нормальных к плоскости диска Аппроксимировав данную эпюру с использованием метода наименьших квадратов квадратичной зависимостью, получили выражение для зависимости прогиба КД от радиальной координаты точки КД:

Далее для модели с приложенными по верхней грани касательными радиальными напряжениями задан закон изменения данных напряжений в виде:

В процессе решения обратной задачи для этой модели с использованием в качестве исходных данных экспериментальных значений прогибов рассчитаны экстремальные значения касательных напряжений на верхней грани модели:

min = 114 кПа, max = 625 кПа.

На следующем этапе проведена оценка влияния таких касательных напряжений на НДС вращающегося КД. Для этого сравнивались экстремальные значения радиальных перемещений ur и нормальных напряжений r, рассчитанные по двум моделям: модель вращающегося со скоростью 4000 об/мин бездефектного КД без касательных напряжений по верхней грани и аналогичная модель с приложенными по верней грани постоянными касательными напряжениями величиной max. Увеличение уровня перемещений и уровня напряжений для модели с приложенными касательными напряжениями составило около 2%.

Для аналогичной пары моделей с радиальным трещиновидным концентратором на внутреннем контуре увеличение уровня перемещений и уровня напряжений столь же невелико, что позволяет сделать вывод о незначительном влиянии напыления отражающего слоя на НДС КД. Следовательно, наблюдаемое экспериментально искривление КД происходит по другим причинам, например, из-за остаточных напряжений в поликарбонате, сохраняющихся после нагрева КД при их производстве.

Также проведена оценка эффективного изменения температуры Т одной из граней КД при напылении светоотражающего слоя путем решения обратной термоупругой задачи с использованием описанной выше модели без концентратора.

Полученные выше значения касательных напряжений соответствуют Т в диапазоне 0,5…5 °C, что позволяет сделать вывод: технологическая операция нанесения светоотражающего покрытия не приводит к существенному нагреву КД или к его существенным деформациям.

Однако расчеты показывают, что при росте значений Т наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в плоскости, перпендикулярной плоскости КД: уже при Т = 10 °C прогиб составит 0,9 мм, а при Т = 20 °C прогиб достигает 1,8 мм. Таким образом, наше исследование показывает справедливость известных рекомендаций по хранению КД в затененных местах и недопустимости их одностороннего нагрева (например, солнечными лучами).

В третьей главе «Экспериментальные исследования прочности компактдисков» описано возможное применение методов фотоупругости и лазерной интерферометрии для оценки прочности КД.

Оценена применимость зависимостей Файлона-Джессопа и Вертгейма для поликарбоната, из которого изготавливаются КД. На основе результатов тестовых экспериментов сделан вывод об отсутствии ползучести в материале в зоне, удаленной от концентратора, при уровне напряжений и температур, возможном при нормальной эксплуатации КД. В области образца, находящейся в непосредственной близости от концентратора, наблюдается ползучесть поликарбоната, однако при удалении от концентратора влияние ползучести быстро уменьшается и становится пренебрежимо малым, что позволяет в данной работе применять закон Вертгейма.

Оценка НДС КД различных типов методом фотоупругости проводилась по схемам «на просвет» и «на отражение», представленным на рис. 5.

Рисунок 5 - Оптическая схема установки для исследования КД методом фотоупругости Здесь 1 – источник белого света (ртутная лампа полярископа Zeiss T-300), 2 – поляризатор, 3 – объект исследования (КД), 4 – анализатор, 5 – регистрирующее устройство (цифровой зеркальный фотоаппарат Olympus E-20).

При наблюдении КД и заготовок КД, взятых на различных стадиях производственного процесса, в отражательном полярископе изохромы фиксировались в виде последовательных цветных полос, у которых каждая точка соответствовала различной степени двулучепреломления и, следовательно, различным напряжениям исследуемого участка. Учитывая неизменность последовательности, с которой появляются цвета, фотоупругая картина полос может читаться как топографическая карта, позволяющая визуализировать распределение напряжения по поверхности исследуемой части КД. На свободном контуре КД главные напряжения 1 или 2, нормальные к контуру, равны нулю. Порядок полосы N на таком контуре пропорционален нормальному напряжению, действующему вдоль контура. Для одного из образцов в точке, лежащей на внутреннем свободном контуре, N 1.

Принимая для КД из поликарбоната коэффициент оптической чувствительности равным 7 кН/м и толщину t = 1,2 мм, получаем в этой точке = 2,9 МПа.

Результаты исследования показывают, что КД от различных фирм производителей отличаются по характеру картины полос. Лишь отдельные экземпляры исследованных образцов имели уровень остаточных напряжений ниже порога чувствительности примененной схемы полярископа. На полученных картинах изохром хорошо видны трещины (лучше, чем при визуальном контроле) и изменение картины полос вокруг них, что позволяет сделать вывод о применимости предлагаемого метода для НК КД.

Оценка искажений геометрической формы КД методом лазерной интерферометрии проводилась путем освещения КД со стороны рабочей поверхности когерентным светом с длиной волны = 632,8 нм по схеме, представленной на рис. Рисунок 6 – Принципиальная схема установки для контроля КД методом лазерной интерферометрии Здесь 1 – источник света (лазер), 2 – оптическая система с коллиматором, 3 – объект исследования (КД), закрепленный в удерживающем устройстве, 4 – экран из матового стекла, 5 – фотоаппарат.

В вышеописанных экспериментах и моделях КД считался идеально плоским. Но визуальным методом обнаружено, что многие КД имеют блюдцеобразные искривления, ориентированные вдоль собственной оси вращения. Выдвинута гипотеза, что такое осесимметричное искривление КД возможно из-за того, что напыляемый металлизированный слой приводит к появлению радиальных касательных напряжений на одной из поверхностей КД, определяющих прогибы КД. Для проверки данной гипотезы поставлен эксперимент, в котором исследовались КД различных типов и заготовки для КД, которые закреплялись вертикально жестким зажимом вблизи внешнего контура и освещались плоской монохроматической волной света от лазера. Этот свет отражался от поверхности КД и образовывал на матовом экране интерференционную картину (рис. 7).

Рисунок 7 – Оптическая схема, примененная для определения прогибов образцов Из законов геометрической оптики выведено приближенное выражение для оценки величины прогиба W:

Абсолютная погрешность вычисления W определялась для случая косвенных измерений с помощью процедуры численного дифференцирования в среде Maple 12.

В поставленном эксперименте R = 60 мм, S1 = 1265 мм. Результаты экспериментальных измерений R1 и вычисления W приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Экспериментальное определение деформаций КД Таким образом, экспериментально определен диапазон реальных прогибов КД от 0 до 0,35 мм.

Выполненные экспериментальные исследования позволили сформулировать гипотезу о распределении касательных напряжений r(x,y) на поверхности КД – закон изменения r аналогичен изменению прогиба W(x,y) (рис. 5).

Анализ полученных интерференционных картин позволил выделить два типичных их вида.

Первый вид – окружности, близкие к концентрическим по форме, по всей поверхности КД или по части поверхности - встречаются в преимущественно для КД типа CD-R. Такая картина полос соответствует близкому к линейному изменению толщины КД по радиусу КД, что позволяет оценить максимальную разнотолщинность t по формуле:

Разнотолщинность исследованных образцов составила около 30мкм, что лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом.

Второй вид - характерные сдвиги полос, иногда двойные или тройные наблюдаются на исследованных КД, причем отмечены на КД всех исследованных типов. Предполагается, что появление этих сдвигов обусловлено особенностями технологии производства КД.

В данном эксперименте не удалось выявить влияние неравномерности клеевого слоя, присутствующего в структуре DVD-9 и DVD-10, на интерференционные картины.

Данные картины для DVD-9 и DVD-10 качественно аналогичны картинам для DVD-5 и CD. Это позволяет сделать вывод о том, что существующая технология склейки (впрыскивание клея через специальную иглу под давлением в зазор между частями DVD) не оказывает существенного влияния на интерференционные картины, следовательно, и на разнотолщинность.

Все вышеописанные эксперименты основаны на допущении, что КД хранятся и эксплуатируются при относительно постоянной температуре, близкой к комнатной.

Однако в реальности КД часто подвергаются воздействию как повышенной, так и пониженной температуры. Поэтому следующая часть данной работы посвящена изучению влияния термического воздействия на КД.

Для изучения длительного воздействия на КД повышенной температуры в условиях пониженной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент: 40 образцов КД различных типов подвергались циклическому температурному нагружению в течение 48 часов с помощью термостата СНОЛ.

Относительная влажность внутри термостата составляла 15%. После окончания нагрева образцы охлаждались до комнатной температуры (15°C) естественным образом, без применения принудительного охлаждения. Визуальный осмотр образцов, изучение НДС методом фотоупругости и тест читаемости не выявили существенных изменений КД после эксперимента.

Однако, известно также, что большое влияние на свойства КД может оказывать и повышенная влажность воздуха, поэтому следующий эксперимент посвящен нагреву КД в условиях высокой влажности.

Для изучения длительного воздействия на КД повышенной температуры в условиях повышенной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент. 38 образцов КД различных типов (в том числе заготовки для КД) подвергались циклическому температурно-влажностному воздействию в течение часов с помощью гигростата Г4. После окончания нагрева образцы охлаждались до комнатной температуры (25°C) естественным образом, без применения принудительного охлаждения. Визуальный осмотр образцов непосредственно после окончания эксперимента выявил: образование на образцах капель конденсата диаметром до 10 мм (приведшее к образованию сквозных отверстий в отражающем слое на некоторых образцах); деградацию отражающего слоя вплоть до полного исчезновения, а также повреждения лакокрасочного покрытия образцов. На двух образцах визуально обнаружена картина полос, свидетельствующая о нарушении клеевого внутреннего слоя и расслоении КД. Образцы с данной картиной полос при изгибе издавали характерный хруст. Также на некоторых образцах обнаружена частичная деградация отражающего слоя, механизм которой пока не удалось объяснить. Особенно хорошо это видно на одном из образцов: изначально полностью непрозрачный отражающий слой в некоторых зонах образца полностью исчез, а в некоторых лишь покрылся мелкими точками, причем между этими двумя зонами сохранилась полоса неразрушенного отражающего слоя. В процессе визуального осмотра выдвинута гипотеза, что после нагружения КД изменили свою кривизну.

Изучение НДС КД с помощью метода фотоупругости показало отсутствие существенных изменений НДС КД, но при этом отмечено существенное изменение размеров черных полос по краям изображения, возникающих в результате неплоскостности образцов.

Также проведено изучение образцов методом лазерной интерферометрии по схеме, представленной на рис. 6. Сравнение полученных интерферограмм с аналогичными, зафиксированными до эксперимента, показало, что интерференционная картина качественно остается практически неизменной, однако часто существенно изменяется диаметр изображения картины на экране экспериментальной установки.

Такое изменение размеров интерференционных картин, а также изменение размеров черных полос на фотоупругих картинах, позволяет подтвердить гипотезу об изменении кривизны образцов в результате температурно-влажностного воздействия.

Помимо этого, в процессе визуального осмотра образцов после температурновлажностного воздействия выдвинута гипотеза о переходе материала образцов (поликарбоната) из упругого в пластичное состояние и появлении пластических деформаций при нагружении образцов. Для проверки данной гипотезы проведено испытание образцов на изгиб. Образцы нагружались в зоне центрального отверстия с помощью гири массой 0,5 кг, максимальные прогибы находились в диапазоне 2,0…3, мм и существенно не отличались от аналогичных прогибов для образцов, не подвергавшихся нагружению. После завершения нагружения пластических деформаций не наблюдалось, таким образом, выдвинутая гипотеза опровергнута.

Кроме воздействия повышенной температуры и влажности, КД часто подвергаются и воздействию отрицательных температур, например, при хранении и транспортировке в зимних условиях. Поэтому следующий эксперимент посвящен изучению изменения свойств КД после длительного охлаждения.

Для изучения длительного воздействия на КД пониженной температуры в условиях естественной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент. 33 образца КД различных типов подвергались температурному нагружению в течение 96 часов с помощью температурной испытательной камеры Weiss WT1Относительная влажность внутри термостата в процессе нагружения менялась в диапазоне 31…79%. Время охлаждения от +19 °C до -50 °C составляло 30 минут. После окончания охлаждения температура в камере линейно повышалась до 0 °C в течение минут, после чего камера была открыта, и образцы достигли температуры +19 °C естественным образом в течение 10 минут. Визуальный осмотр образцов непосредственно после окончания эксперимента выявил образование на образцах инея.

После нагрева образцов до +19 °C иней исчез, других изменений не зафиксировано.

Изучение НДС КД с помощью метода фотоупругости показало отсутствие существенных изменений НДС КД.

Для изучения влияния охлаждения КД на их кривизну проведено изучение образцов методом лазерной интерферометрии по схеме, представленной на рис. 6.

Сравнение полученных интерферограмм с аналогичными, зафиксированными до эксперимента, показало, что интерференционная картина качественно остается практически неизменной В четвертой главе «Практические рекомендации по оптическому контролю компакт-дисков» описан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя контроль прочности и дефектов геометрии (неплоскостность разнотолщинность) с помощью фотоупругости и лазерной интерферометрии, а также оценку опасности обнаруженных дефектов с применением конечно-элементного анализа.

Для контроля прочности и поиска несплошностей в КД методом фотоупругости разработана экспериментальная установка, состоящая из источника белого света 1, поляризатора 2, объекта контроля 3, закрепленного в удерживающем устройстве, анализатора 4 и фотоаппарата 5; ее принципиальная схема представлена на рис. 5.

Перед проведением контроля необходимо произвести настройку установки согласно порядку, приведенному в тексте диссертации.

После настройки установки производится фиксация изображения объекта контроля с помощью регистрирующего устройства. Затем объект контроля вынимается из удерживающего устройства и заменяется на следующий, причем фиксация изображения последующих объектов контроля производится уже без дополнительных настроек установки. Каждому изображению присваивается уникальное имя для возможности последующей идентификации забракованных КД.

После завершения фиксации изображений объектов контроля полученные изображения копируются с регистрирующего устройства на компьютер для последующего просмотра и анализа. При обнаружении в процессе просмотра картины фотоупругих полос, существенно отличающейся от типичной картины (появление полос второго, третьего и высших порядков, существенная несимметричность картины полос и др.) для данного типа КД либо картины полос, характерной для какого-либо дефекта, КД бракуется, идентифицируется с помощью уникального имени изображения и изымается из партии готовой продукции или из эксплуатации.

Схема контроля «на просвет» позволяет получить изображение с более высокой контрастностью и более удобна для реализации (компактнее, проще в настройке), однако позволяет контролировать только прозрачную центральную зону диска. Схема «на отражение» дает менее контрастную картину, но при этом более информативную:

позволяет производить контроль всего КД целиком, включая зону с нанесенным отражающим слоем. Также преимущество данной схемы в том, что лучи света проходят через КД дважды, отражаясь от металлизированного слоя, соответственно разность фаз лучей увеличивается в 2 раза. Исходя из вышесказанного, рекомендуется совместное применение схем контроля «на отражение» и «на просвет». При этом возможно как последовательное применение этих схем (в любом порядке) с промежуточной переналадкой установки, так и параллельное (при наличии дополнительного анализатора и регистрирующего устройства), позволяющее повысить скорость контроля.

При необходимости дальнейшей эксплуатации или копирования данных с забракованного методом фотоупругости КД производится оценка опасности обнаруженного дефекта с помощью численного моделирования по следующему алгоритму:

1) Определяется масштаб полученного изображения КД.

2) Измеряется размер изображения обнаруженного дефекта, и вычисляются реальные размеры дефекта с учетом масштаба изображения.

3) В случае если КД забракован из-за нетипичной картины полос без обнаружения явных дефектов – производится оценка максимального уровня напряжений в КД по методике, приведенной в главе 3.

4) Из описанных в главе 2 моделей выбирается соответствующая по ориентации и размерам дефекта (в случае необходимости – производится корректировка модели в соответствии с требуемыми параметрами дефекта и/или уровнем напряжений).

5) Производится расчет напряжений и коэффициентов запаса прочности в модели.

6) Анализируются результаты расчета, оценивается запас прочности КД и делается вывод о возможности дальнейшей эксплуатации или копирования данных с исследуемого образца КД на определенной скорости вращения.

Для контроля неплоскостности и разнотолщинности КД методом лазерной интерферометрии разработана экспериментальная установка, состоящая из лазера 1, оптической системы с коллиматором 2, объекта исследования 3, закрепленного в удерживающем устройстве, экрана из матового стекла 4 и фотоаппарата 5; её принципиальная схема представлена на рис. 6.

Перед проведением контроля необходимо произвести настройку установки согласно порядку, приведенному в тексте диссертации.

После настройки установки производится фиксация изображения объекта контроля с помощью регистрирующего устройства. Затем объект контроля вынимается из удерживающего устройства и заменяется на следующий, причем фиксация изображения последующих объектов контроля производится уже без дополнительных настроек установки. Каждому изображению присваивается уникальное имя для возможности последующей идентификации КД.

При контроле большого количества однотипных КД рекомендуется производить маркировку объектов контроля с помощью специального маркера, предназначенного для нанесения надписей на КД.

После завершения фиксации изображений объектов контроля полученные изображения копируются с регистрирующего устройства на компьютер для последующего просмотра и анализа.

Для оценки неплоскостности КД используется выражение (1), в котором R принимается постоянным и равным 60 мм, R1 принимается равным среднему диаметру изображения на матовом экране, а S1 принимается равным расстоянию между плоскостями объекта контроля и экрана. Для оценки разнотолщинности необходимо проанализировать полученное изображение интерференционной картины, представляющее собой систему отстоящих друг от друга на некоторое расстояние интерференционных полос.

Картина полос, близкая к системе концентрических окружностей, соответствует близкому к линейному изменению толщины КД по радиусу диска. Иная картина полос соответствует более сложному распределению участков КД с различной толщиной по поверхности КД. Максимальная разнотолщинность t оценивается по формуле (2). При этом показатель преломления поликарбоната n принимается равным 1,6, а длина волны = 632,8 нм. Величина N определяется подсчетом числа темных полос вдоль направления нормали к интерференционным полосам, либо, в случае системы близких к концентрическим окружностей – вдоль радиуса изображения КД от внутреннего контура изображения КД до его внешнего контура.

Рассчитанные по формулам (1) и (2) значения сравниваются с допускаемыми, указанными в стандартах на данный тип КД. На основе этого сравнения делается вывод о соответствии или несоответствии КД требованиям стандарта. Не соответствующие требованиям стандарта КД бракуются, их дальнейшая эксплуатация не допускается.

Описанные выше методы неразрушающего контроля КД, а также оценки опасности обнаруженных дефектов с применением МКЭ для обеспечения наилучшего качества контроля рекомендуется применять совместно, в порядке, обусловленном удобством обеспечения 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.

Создана обобщенная блок-схема процесса контроля с использованием данного комплексного метода.

Созданные экспериментальные установки для реализации данного комплексного метода ориентированы 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, а также автоматизация установки КД в удерживающее устройство и последующего его извлечения.

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).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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 при приложении к нему статической растягивающей нагрузки величиной около 100Н 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 таких КД W, составивший от 0 до 0,35 мм. Выявлено два типичных вида интерференционных картин: окружности, близкие к концентрическим, и характерные сдвиги полос. Разнотолщинность исследованных образцов лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом, и составляет около 30мкм.

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

9. Исследовано длительное (в течение 96 часов) воздействие на КД циклически изменяющихся повышенной температуры (до 80 °C) и повышенной влажности (до 96%).

Эксперимент показал отрицательное влияние данных условий на КД, вплоть до разрушения КД.

10. Проведен эксперимент по изучению длительного (96 часов) низкотемпературного воздействия (при температуре -50 °C) на КД в условиях естественной влажности (31…79 %). Эксперимент выявил отсутствие существенных изменений напряженно-деформированного состояния КД при таких условиях.

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

12. Произведен анализ применимости известных критериев прочности для исследования КД. Для целей неразрушающего контроля КД выбраны критерий максимальных нормальных напряжений и критерий Мора-Кулона.

13. 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 для моделей 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. С ростом скорости вращения коэффициент запаса прочности сильно уменьшается (до 0,44 для КД с радиальным концентратором при скорости 10350 б/мин, что означает прогнозируемое разрушение КД). Зоны с минимальным коэффициентом запаса прочности располагаются в окрестностях вершин концентраторов.

14. Проведено математическое моделирование напряженно-деформированного 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 напряженнодеформированное 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.

При росте значений эффективного изменения температуры одной из граней КД наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в направлении, перпендикулярном плоскости КД: так, при T = 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.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Герасимов С.И., Чугреев С.А., Васильев С.П. Расчетно-экспериментальный анализ прочности оптических носителей информации // Контроль. Диагностика. – 2009. – №3. с. 25-28. (Издание, входящее в перечень ВАК).

2. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Контроль стабильности формы оптических носителей информации при технологических операциях // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 314, № 2. – с. 142-144. (Издание, входящее в перечень ВАК).

3. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Анализ прочности оптических дисков методами фотомеханики // Современные проблемы машиностроения. Труды IV Международной научно-технической конференции. – Томск. - 2008. – с.518-520.

4. Герасимов С.И., Чугреев С.А. Экспериментальное и теоретическое исследование прочности компакт-дисков // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7-11 сентября 2009г. – Томск. - 2009. – с. 483-484.

5. Чугреев С.А., Музгина Е.В., Герасимов С.И. Неразрушающий контроль компактдисков // IV Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». Тезисы – Екатеринбург. - 2009 – с.52.

6. Чугреев С.А. Применение метода фотоупругости для неразрушающего контроля компакт-дисков // Материалы XI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация-2010» - Барнаул. – 2010 – с. 106-109.

7. Чугреев С.А. Экспериментальное исследование физических процессов в компактдисках при различных внешних климатических условиях // Материалы XI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация-2010» - Барнаул. – 2010 – с. 109-111.

8. Чугреев С.А. Методика оптического контроля неплоскостности и разнотолщинности компакт-дисков // Материалы XXIII ВНТК «Методы и средства измерений физических величин» - Нижний Новгород. – 2010 - с. 4-5.

9. Чугреев С.А. Методика контроля компакт-дисков методом фотоупругости// Материалы XXIII ВНТК «Методы и средства измерений физических величин» - Нижний Новгород. – 2010 - с. 6.

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа