CN109238840A - 一种超低温下板材成形性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种超低温下板材成形性能的测试装置及测试方法，涉及金属板材性能测试技术领域。本发明为了克服现有的测试装置不能获得金属板材在超低温和复杂应力状态下的变形信息和力学性能的问题。本发明包括超低温冷却系统、变形测试系统、保温箱、冷却剂回收装置、排气装置、在线采集系统和计算机控制系统；保温箱用于保温，排气装置通过排气孔将保温箱中雾气吸出箱外，冷却剂回收装置通过排液孔将测试后剩余的冷却剂进行回收；超低温冷却系统通过进液孔为金属板材提供所需的不同的测试低温；变形测试系统固定金属板材并通过板材成形装置对金属板材进行复杂应力测试；线采集系统和计算机控制系统实时监测并记录测试参数。本发明用于金属板材的性能测试。

Description

一种超低温下板材成形性能的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及金属板材力学性能测试技术领域，尤其是一种超低温环境和复杂应力条件下的板材力学成形性能的测试装置及测试方法。
背景技术
铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、奥氏体不锈钢等结构材料具有特殊的超低温性能，用于制造低温压力容器、低温储罐、管件、阀门等工业产品，被广泛地应用在宇航工业、高能物理、超导技术及核工业等领域。这类产品通常是在复杂的应力条件和超低温环境下服役，复杂应力状态下的低温力学性能决定了这类构件的服役寿命和工作可靠性。以新一代运载火箭低温燃料贮箱为例，贮箱的服役环境和受力状况十分复杂，内部存储大量低温液氢-253℃和液氧-182℃，受到内压、振动、冲击等复杂载荷作用，其低温下的服役性能严重影响运载火箭的可靠性。
此外，利用某些金属材料在超低温下的增强增塑效应来整体成形复杂构件，是实现轻量化、高强度产品制造的一个新方法，可以代替现有的“分块成形再拼焊”的制造技术，显著提高低温产品的可靠性，缩短制造周期。因此，建立超低温和复杂应力下力学性能的测试装置与测试方法，获得材料在超低温环境和复杂应力状态下的力学性能，为掌握超低温下材料的服役行为和成形制造具有十分重要的意义。
目前，超低温力学性能测试方法主要为低温单向拉伸法，专利ZL201110156277.X公开了一种低温拉伸试验系统，通过设置低温风道、预冷室和拉伸工作室联通的方法，先对拉伸试样进行预冷处理，然后进行低温的单向拉伸，但该专利只能获得单向应力状态下的基本力学参量，不能获得材料在复杂应力状态下的变形信息和力学性能。
专利ZL201120192712.X、ZL201310288579.1公开了一种用于金属材料低温拉深的实验装置，该装置将液氮气化，利用液氮气雾进行冷却，同时将拉深试样密闭在不锈钢保温箱中进行试验，但该专利不能获得试样在整个低温变形过程中的变形信息，同时气雾冷却不能够将板材冷却至超低温温度，冷却效果较差。
板材在超低温环境下受复杂应力产生的变形行为十分复杂，而传统的单向应力状态测量不能准确反映板材在超低温环境下的变形信息。采用密闭冷却的方法虽然能够获得板材的超低温变形温度，但不能进行板材在超低温和复杂应力状态下变形信息的动态实时测量，只能获得少量的力学性能参量，无法精确反映板材在超低温环境下的变形特征等。因此，进行超低温和复杂应力下板材力学性能的测试尤为重要。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：为了克服现有的测试装置存在只能获得金属板材在单向应力状态下的基本力学参量，而不能获得金属板材在复杂应力状态下的变形信息和力学性能的问题。进而提供一种超低温环境和复杂应力条件下的板材成形性能的测试装置与测试方法。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：所述的板材成形性能的测试装置包括超低温冷却系统、变形测试系统、保温箱、冷却剂回收装置和排气装置；
所述的变形测试系统设置在保温箱内；超低温冷却系统、冷却剂回收装置和排气装置设置在保温箱外；
所述的保温箱上设置有透明观测视窗、两个排气孔、进液孔和排液孔；排气装置分别通过一个排气孔与保温箱的箱体内相通，通过另外一个排气孔与变形测试系统相通；冷却剂回收装置通过排液孔与保温箱排液管路相通；超低温冷却系统通过进液孔与变形测试系统相通；
所述的超低温冷却系统包括冷却剂填充装置和电磁流量阀；所述的冷却剂充填装置通过保温箱上的进液孔与变形测试系统相通；电磁流量阀安装在冷却剂充填装置与变形测试系统之间的输送管路上；
所述的变形测试系统包括上夹具、下夹具、压力机和板材成形装置；所述的上夹具与下夹具均为中空的圆筒，上夹具和下夹具上下同轴设置，金属板材置于上夹具的下筒口和下夹具的上筒口之间；所述的上夹具和下夹具的筒体内部均设有环形空腔；冷却剂填充装置分别与上夹具环形空腔和下夹具环形空腔相通；所述的上夹具环形空腔与筒体内壁之间周向开有多个冷却剂喷射口；在上夹具的筒体内部开设有气体排出口，所述的气体排出口处于上夹具环形空腔的上部，并与上夹具筒内相通；所述的气体排出口通过保温箱上的另外一个排气孔与排气装置相通；
所述的保温箱安装在压力机的工作台面上；压力机的合模油缸抵在上夹具上筒口的筒体端面处；所述的板材成形装置设置在金属板材的下面。
本发明的有益效果是：
1、通过上夹具与下夹具对金属板材进行固定和低温处理，通过板材成形装置对金属板材施加不同的变形力，得到板材在进行胀形、拉深、拉弯、翻边等复杂应力状态下的测试参数；
2、在上夹具与下夹具的环形空腔中注入冷却剂，并通过冷却剂喷射口对金属板材冷却，保证了金属板材能达到所需的测试温度；
3、能够实现板材超低温条件变形在线采集，准确测量板材在超低温环境中的变形信息；
4、可利用保温箱和超低温冷却系统，将板坯的变形温度控制在特定的超低温温度区间；
5、具有获取材料参量多、测试数据准确、原位和动态实时等优点。
附图说明
图1为超低温下板材成形性能的测试装置的整体结构示意图；
图2为半球凸摸作用在金属板材之前的结构示意图；
图3为半球凸摸作用在金属板材之后的胀形测试的结构示意图；
图4为平底凸摸作用在金属板材之后的拉深测试的结构示意图；
图5为拉弯凸摸作用在金属板材之后的拉弯测试的结构示意图；
图6为平底凸摸作用在金属板材之后的翻边测试的结构示意图；
图7为通过低温介质对板材进行胀形测试的结构示意图；
图8为厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K和293K下在胀形力的作用下的流变应力曲线图；
图9为厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K时单拉状态和胀形力的作用下的流变应力曲线图；
图10为厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K和293K的成形极限图；
图11为厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K拉深时的减薄率分布及破裂位置图；
图12为厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，分别在77K、293K、113K和4K低温环境下的拉深时板坯温度变化曲线图。
其中：1、超低温冷却系统，2、变形测试系统，3、在线采集系统，4、保温箱，5、冷却剂回收装置，6、排气装置，7、计算机控制系统，8、金属板材，4-1、透明观测视窗， 4-2、排气孔，4-3、排液孔，1-1、冷却剂填充装置，1-2电磁流量阀，1-3、温度控制器， 2-1、上夹具，2-2、下夹具，2-1-2、上夹具环形空腔，2-2-2、下夹具环形空腔，2-3、连杆，2-4、气体排出口，2-5、冷却剂喷射口，2-6、上压边圈，2-7、下压边圈，2-6-1、凸起部，2-7-1、凹槽，2-8、凸模，2-2-3、筒体内腔，3-1、光学测量头，3-2、热电偶，冷却剂输入孔2-2-1。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：
具体实施方式一：如图1所示：本实施方式所述的板材成形性能的测试装置包括超低温冷却系统1、变形测试系统2、保温箱4、冷却剂回收装置5和排气装置6；
所述的变形测试系统2设置在保温箱4内；超低温冷却系统1、冷却剂回收装置5和排气装置6设置在保温箱4外；
所述的保温箱4上设置有透明观测视窗4-1、两个排气孔4-2、进液孔和排液孔4-3；所述的透明观测视窗4-1用于监测金属板材在复杂应力状态下的变形信息，所述的排气装置6分别通过一个排气孔4-2与保温箱的箱体内相通，通过另外一个排气孔4-2与变形测试系统2相通，将保温箱中雾气吸出箱外；所述的冷却剂回收装置5通过排液孔4-3与保温箱排液管路相通，将变形测试后剩余的冷却剂直接进行回收，防止排到箱外，冻伤测试人员；所述的超低温冷却系统1通过进液孔与变形测试系统2相通，通过不锈钢波纹管输送低温冷却剂，通过电磁流量阀控制冷却剂的流量，进而为金属板材提供所需的不同的测试低温，并在不同的测试温度下，获得板材处于同种应力状态所得到的力学参数；或者相同温度下，板材处于不同的应力状态下所得到的力学参数；
所述的超低温冷却系统1包括冷却剂填充装置1-1和电磁流量阀1-2；所述的冷却剂充填装置1-1通过保温箱上的进液孔与变形测试系统相通；电磁流量阀1-2安装在冷却剂充填装置1-1与变形测试系统之间的输送管路上，通过调节电磁流量阀来调节冷却剂充填装置对变形测试系统所提供的冷却剂的流量，从而达到所需的测试温度；
如图1-7所示：所述的变形测试系统2包括上夹具2-1、下夹具2-2、压力机和板材成形装置；
所述的上夹具2-1与下夹具2-2均为中空的圆筒，上夹具2-1和下夹具2-2上下同轴设置，金属板材8置于上夹具2-1的下筒口和下夹具2-2的上筒口之间；所述的上夹具 2-1和下夹具2-2的筒体内部均设有环形空腔；冷却剂填充装置1-1分别与上夹具环形空腔2-1-2和下夹具环形空腔2-2-2相通，并将冷却剂输送到环形空腔中，用以冷却上夹具、下夹具以及处于上、下夹具之间的金属板材，使金属板材达到所需的测试温度；所述的上夹具环形空腔2-1-2与筒体内壁之间周向开有多个冷却剂喷射口2-5，通过多个冷却剂喷射口2-5将处于上夹具环形空腔中的冷却剂喷射到待测板材上，因为处于上、下夹具之间的板材中间部分没有得到冷却，通过喷射冷却剂使得板材充分冷却到所需温度；在上夹具 2-1的筒体内部开设有气体排出口2-4，所述的气体排出口2-4处于上夹具环形空腔2-1-2 的上部，并与上夹具筒内相通；所述的气体排出口2-4通过保温箱上的另外一个排气孔 4-2与排气装置6相通，排气装置将挥发成雾状的冷却剂和保温箱中雾化后的空气排到保温箱外，防止雾化气体接触到板材表面的低温而凝结成霜，使得金属板材的表面温度产生变化，测试数据不准确；
所述的保温箱4安装在压力机的工作台面上；双动压力机的合模油缸抵在上夹具2-1 上筒口的筒体端面处施加压边力，将板坯固定到上、下夹具之间；所述的板材成形装置设置在金属板材8的下表面下对板材施加变形力；双动压力机的合模油缸产生压边力通过上夹具传递到金属板材的环形边缘处，通过板材成形装置对金属板材进行胀形、拉深、拉弯、翻边等复杂应力测试。
具体实施方式二：如图1-7所示，本实施方式所述的变形测试系统2还包括上压边圈 2-6和下压边圈2-7；所述的上压边圈2-6和下压边圈2-7均为圆形环体并且与上夹具和下夹具同轴设置；所述的上压边圈2-6处于上夹具2-1的下面，所述的下压边圈2-7处于下夹具2-2的上面，金属板材8安装在上压边圈2-6和下压边圈2-7之间。
其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图3和7所示：本实施方式所述的上压边圈2-6的下表面带有凸起部2-6-1，下压边圈2-7的上表面带有凹槽2-7-1，所述的凸起部2-6-1与凹槽2-7-1 上下相对设置，并且凸起部2-6-1与凹槽2-7-1相吻合。
其他组成及连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图1-6所示，本实施方式所述的板材成形装置包括连杆2-3、凸模2-8和连杆与凸摸之间的隔热层；所述的连杆2-3连接在凸模2-8的底端，双动压力机的顶出油缸与连杆固定连接；所述凸模2-8从下夹具2-2的下筒口伸入到下夹具2-2的筒体内部，并沿着下夹具2-2筒体内壁轴向运动，直至连接有连杆的凸模2-8处于金属板材 8的下面；通过上压边圈和下压边圈对处在低温的金属板材边缘环形区域施加压边力，通过顶出油缸带动连杆和凸模上行，对金属板材施加成形力。
其他组成及连接方式与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：如图3-6所示：本实施方式所述的凸模2-8为平底凸模、球头凸摸或者拉弯凸模。
当所述凸模为球头凸摸时，利用压边圈压紧板材，上压边圈的凸起部与下压边圈的凹槽将进行胀形测试的金属板材的环形边缘紧固在二者之间，球头凸摸上行，对金属板材进行胀形变形，带有凸起部的上压边圈和带有凹槽的下压边圈可以防止金属板材进行超低温胀形时板材径向向内进料，获得板材在超低温条件下屈服强度、各向异性系数、胀形力及破裂时的胀形高度等参量；
当所述凸模为平底凸模时，利用压边圈压紧板材，此处与胀形变形测试不同的是：不采用带有凸起部的上压边圈和带有凹槽的下压边圈，直接使用表面光滑的上、下压边圈，使金属板材径向向内进料；平底凸模上行，对金属板材进行平底筒形件拉深变形，测试金属板材处于拉深应力状态下的力学参数；
当所述凸模为弯曲凸模时，利用压边圈压紧板材，此处与胀形变形测试不同的是：不采用带有凸起部的上压边圈和带有凹槽的下压边圈，直接使用表面光滑的上、下压边圈，使金属板材径向向内进料；弯曲凸模上行，对金属板材进行拉弯变形，获得板材在超低温条件下拉弯变形的表面应变、拉弯力、最小拉弯半径、中性层位置变化、回弹角等参量；
或者对待测板材的中心位置加工一定直径的圆孔，利用压边圈压紧板材，此处与胀形变形测试不同的是：不采用带有凸起部的上边圈和带有凹槽的下压边圈，直接使用表面光滑的上、下压边圈，使金属板材径向向内进料；平底凸模或者球头凸模上行，对金属板材进行翻边变形，测试板材处于翻边应力状态下的力学性能；获得板材在超低温条件下孔径变化、边缘变形及材料厚度等参量的变化规律。
其他组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：与具体实施方式四不同的是，本实施方式所述的板材成形装置包括下夹具2-2及其筒体内腔2-2-3中的低温介质；如图7所示：所述的下夹具2-2的筒体上开有冷却剂输入孔2-2-1，所述的冷却剂输入孔2-2-1与下夹具2-2的筒体内腔2-2-3相通，所述的下夹具2-2的筒体内腔与金属板材8的下表面之间形成密闭的腔室。利用低温输送泵向下夹具的筒体内腔2-2-3中充填满冷却剂，对板材保冷直至达到所需测试温度，施加一定的液压力，低温介质施加的液压力作用在金属板材的下表面上，使金属板材发生塑性变形。
利用压边圈压紧板材，上压边圈的凸起部与下压边圈的凹槽将进行胀形测试的金属板材的环形边缘紧固在二者之间，利用低温介质的液压力，对金属板材进行胀形变形，带有凸起部的上压边圈和带有凹槽的下压边圈可以防止金属板材进行超低温胀形时板材径向向内进料，获得板材在超低温条件下屈服强度、各向异性系数、胀形力及破裂时的胀形高度等参量；
其他组成及连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式七：如图1所示：本实施方式所述的板材成形性能测试装置还包括在线采集系统3和计算机控制系统7，所述的在线采集系统3和计算机控制系统7安装在保温箱4外；透明观测视窗4-1处于在线采集系统3和变形测试系统2之间的保温箱4的箱壁上；
所述的超低温冷却系统1还包括温度控制器1-3；
所述的在线采集系统3包括光学测量头3-1、热电偶3-2和载荷传感器；所述的光学测量头3-1处于透明观测视窗4-1的正上方，光学测量头透过透明测试窗和上夹具2-1 的内筒直接观察金属板材的变形情况；所述的热电偶3-2和载荷传感器分别安装在板材的中心处和环形边缘多个测量点处，金属板材温度通过热电偶多点测量获得；
在线采集系统3将光学测量头3-1和载荷传感器采集的信息传递到计算机控制系统 7，热电偶3-2将采集的信号输送给温度控制器，温度控制器再通过计算机控制系统来控制电磁流量阀1-2，从而控制冷却剂填充装置1-1的输出量。
通过在线采集系统精确测量金属板材在刚性凸模的胀形、拉深、拉弯和翻边等复杂应力状态下与低温介质胀形的状态下金属板材变形行为信息，同时利用计算机控制系统记录并分析金属板材在超低温下的动态变形过程的高精度、动态实时和原位测量的数据，精确获得金属板材在超低温下的应变、位移、壁厚分布、破裂位置等变形信息和力学性能参数。
其他组成及连接方式与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式所述的板材成形性能测试方法，具体测试步骤如下：
步骤一：对金属板坯表面处理形成板材，可以通过打磨的方式获得，并在待测金属板材的表面上喷射散斑，可以利用高压喷枪或自增压的油漆罐将油漆喷涂在待测板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将金属板材8安装在变形测试系统2中，调节在线采集系统，密封保温箱；调整在线采集系统，确定光学测量头与被测金属板材之间的工作距离，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小等，保证测试的准确性；
步骤三：采用多个热电偶或热电阻，在板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节金属板材的测试温度，通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制低温冷却剂从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和金属板材进行保冷，直至金属板材达到测试温度；
步骤四：打开排气装置；当冷却剂通过冷却剂喷射口2-5喷出时会呈现气雾状态，利用排气装置将雾化的冷却剂和保温箱中雾化的空气进行抽取回收，并排到保温箱外，防止挥发的冷却剂和空气中的雾气干扰光学测量头3-1的监测，并防止挥发的冷却剂和空气中的雾气在被测板材表面结霜，影响信息测试的准确性；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对金属板材8的环形边缘施加环形压边力；利用通过凸摸或者低温介质的液压力对金属板材8的下表面施加变形力；
步骤六：利用在线采集系统中的光学测量头对金属板材的变形过程进行动态捕捉和后台记录；当板材在变形力的作用下，板材温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节冷却剂填充装置的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的冷却剂通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将变形后的工件从变形测试系统中取出。
其他组成及连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式所述冷却剂为液态的二氧化碳、液氧、液氩、液氮、液氦等或者其与空气的混合物；其中液态的二氧化碳的超低温为-194.5K、液氧的超低温为-90K、液氩的超低温为87K、液氮的超低温为77K和液氦的超低温为4K，在其间区的温度可通过将液态的二氧化碳或者液氮与空气成比例的混合得到，通过选择不同的冷却剂，可以实现不同的超低温环境。
其他组成及连接方式与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式所述的金属板材8为铝合金板、铜合金板、镁合金板、钛合金板、不锈钢板或者其拼焊板等，所述的金属板材8的厚度为1～5mm。
其他组成及连接方式与具体实施方式八或九相同。
下面结合实施例来详细说明本发明专利：
实施例一：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，分别在77K和293K低温环境下的胀形成形性能测试实验对比：
对比实验1：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在77K低温环境下的胀形成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：采用多个热电偶，在铝合金板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制压强为0.09Mpa液氮从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和铝合金板材进行保冷，直至铝合金板材达到77K；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加环形压边力；通过球头凸摸对铝合金板材的下表面施加胀形力；
步骤六：利用光学测量头对铝合金板材的胀形过程进行动态捕捉和后台记录；当铝合金板材在胀形力的作用下温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将铝合金板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节液氮的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的液氮通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将胀形后的工件从变形测试系统中取出。
对比实验2：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在293K温度(室温)下的胀形成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加环形压边力；通过球头凸摸对铝合金板材的下表面施加胀形力；
步骤四：利用光学测量头对铝合金板材的胀形过程进行动态捕捉和后台记录；
步骤五：卸去双动压力机的载荷力，将胀形后的工件从变形测试系统中取出。
通过对比实验1和对比实验2得到如下实验结果：
如下表所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在在77K和293K下胀形力作用下的屈服强度、各向异性系数(r)、胀形力及破裂时的胀形高度(LDH)
如图8所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K和293K下在胀形力的作用下的流变应力曲线；
如图9所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K和293K下在胀形力的作用下的成形极限图；
通过对比实验1和现有的单向拉伸试验得到如下实验结果：
如图10所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在77K低温环境下的胀形力和单拉作用的流变应力曲线；
实施例二：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在77K低温环境下的拉深成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：采用多个热电偶，在铝合金板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制压强为0.09MPa液氮从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和铝合金板材进行保冷，直至铝合金板材达到77K；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加环形压边力；通过平底凸摸对铝合金板材的下表面施加拉深力；
步骤六：利用光学测量头对铝合金板材的拉深过程进行动态捕捉和后台记录；当铝合金板材在拉深力的作用下温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将铝合金板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节液氮的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的液氮通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将拉深后的工件从变形测试系统中取出。
通过实施例二得到如下实验结果：
如图11所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材在77K拉深时的减薄率分布及破裂位置；
实施例三：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，分别在77K、293K、113K和4K 低温环境下的拉深成形性能测试实验：
对比实验1：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在77K低温环境下的拉深成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：采用多个热电偶，在铝合金板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制压强为0.09MPa液氮从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和铝合金板材进行保冷，直至铝合金板材达到77K；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加拉环形边力；通过平底凸摸对铝合金板材的下表面施加拉深力；
步骤六：利用光学测量头对铝合金板材的拉深过程进行动态捕捉和后台记录；当铝合金板材在拉深力的作用下温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将铝合金板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节液氮的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的液氮通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷，将拉深后的工件从变形测试系统中取出。
对比实验2：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在293K室温下的拉深成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加拉环形边力；通过平底凸摸对铝合金板材的下表面施加拉深力；
步骤四：利用光学测量头对铝合金板材的拉深过程进行动态捕捉和后台记录；
步骤五：卸去双边压力机的载荷力，将拉深后的工件从变形测试系统中取出。
对比实验3：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在113K低温环境下的拉深成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：采用多个热电偶，在铝合金板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制压强为0.09MPa液氮和空气混合物从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和铝合金板材进行保冷，直至铝合金板材达到113K；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加拉环形边力；通过平底凸摸对铝合金板材的下表面施加拉深力；
步骤六：利用光学测量头对铝合金板材的拉深过程进行动态捕捉和后台记录；当铝合金板材在拉深力的作用下温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将铝合金板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节液氮和空气混合物的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的液氮和空气混合物通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将拉深后的工件从变形测试系统中取出。
对比实验4：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，在4K低温环境下的拉深成形性能测试实验：
步骤一：对固溶态2219铝合金板坯表面打磨处理形成板材；并利用高压喷枪将油漆喷涂在待测的铝合金板材的表面，其中白漆打底，黑漆均匀点缀在板材表面上；
步骤二：将铝合金板材安装在变形测试系统中的上压边圈和下压边圈之间，调整光学测量头的位置、焦距、反光和光圈的大小；密封保温箱；
步骤三：采用多个热电偶，在铝合金板材的中心和边缘处的不同部位进行多点测量超低温温度场，并将热电偶所测量的温度通过温度控制器实时传输给计算机控制系统；通过计算机控制系统调节电磁流量阀控制压强为0.09MPa液氦从冷却剂填充装置中输送到上夹具和下夹具的环形空腔中的流量大小，对变形测试系统和铝合金板材进行保冷，直至铝合金板材达到4K；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双边压边机的合模油缸对铝合金板材的环形边缘施加拉环形边力；通过平底凸摸对铝合金板材的下表面施加拉深力；
步骤六：利用光学测量头对铝合金板材的拉深过程进行动态捕捉和后台记录；当铝合金板材在拉深力的作用下温度发生改变时，热电偶通过温度控制器将铝合金板材的温度实时传输给计算机控制系统，计算机控制系统再通过电磁流量调节阀调节液氦的输出量；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的液氦通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将拉深后的工件从变形测试系统中取出。
通过对比实验1、对比实验2、对比实验3和对比实验4得到如下实验结果：
如图12所示：厚度1.5mm的固溶态2219铝合金板材，分别在77K、293K、113K 和4K低温环境下的拉深时板坯温度变化曲线。

Claims (10)

1.一种超低温下板材成形性能的测试装置，包括超低温冷却系统(1)、变形测试系统(2)、保温箱(4)、冷却剂回收装置(5)和排气装置(6)；
所述的变形测试系统(2)设置在保温箱(4)内；超低温冷却系统(1)、冷却剂回收装置(5)和排气装置(6)设置在保温箱(4)外；
所述的保温箱(4)上设置有透明观测视窗(4-1)、两个排气孔(4-2)、进液孔和排液孔(4-3)；排气装置(6)通过一个排气孔(4-2)与保温箱的箱体内相通，通过另外一个排气孔(4-2)与变形测试系统(2)相通；冷却剂回收装置(5)通过排液孔(4-3)与保温箱排液管路相通；超低温冷却系统(1)通过进液孔与变形测试系统(2)相通；
其特征在于：所述的超低温冷却系统(1)包括冷却剂填充装置(1-1)和电磁流量阀(1-2)；所述的冷却剂充填装置(1-1)通过保温箱上的进液孔与变形测试系统(2)相通；电磁流量阀(1-2)安装在冷却剂充填装置(1-1)与变形测试系统(2)之间的输送管路上；
所述的变形测试系统(2)包括上夹具(2-1)、下夹具(2-2)、压力机和板材成形装置；
所述的上夹具(2-1)与下夹具(2-2)均为中空的圆筒，上夹具(2-1)和下夹具(2-2)上下同轴设置，金属板材(8)置于上夹具(2-1)的下筒口和下夹具(2-2)的上筒口之间；所述的上夹具(2-1)和下夹具(2-2)的筒体内部均设有环形空腔；冷却剂填充装置(1-1)分别与上夹具环形空腔(2-1-2)和下夹具环形空腔(2-2-2)相通；所述的上夹具环形空腔(2-1-2)与筒体内壁之间周向开有多个冷却剂喷射口(2-5)；在上夹具(2-1)的筒体内部开设有气体排出口(2-4)，所述的气体排出口(2-4)处于上夹具环形空腔(2-1-2)的上部，并与上夹具筒内相通；所述的气体排出口(2-4)通过保温箱上的另外一个排气孔(4-2)与排气装置(6)相通；
所述的保温箱(4)安装在压力机的工作台面上；压力机的合模油缸抵在上夹具(2-1)上筒口的筒体端面处；所述的板材成形装置设置在金属板材(8)的下面。
2.根据权利要求1所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的变形测试系统(2)还包括上压边圈(2-6)和下压边圈(2-7)；所述的上压边圈(2-6)和下压边圈(2-7)均为圆形环体并且与上夹具和下夹具同轴设置；所述的上压边圈(2-6)处于上夹具(2-1)的下面，所述的下压边圈(2-7)处于下夹具(2-2)的上面，金属板材(8)放置在上压边圈(2-6)和下压边圈(2-7)之间，并与上压边圈(2-6)和下压边圈(2-7)同轴。
3.根据权利要求2所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的上压边圈(2-6)的下表面带有凸起部(2-6-1)，下压边圈(2-7)的上表面带有凹槽(2-7-1)，所述的凸起部(2-6-1)与凹槽(2-7-1)上下相对设置，并且凸起部(2-6-1)与凹槽(2-7-1)相吻合。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的板材成形装置包括连杆(2-3)和凸模(2-8)；所述的连杆(2-3)连接在凸模(2-8)的底端，压力机的顶出油缸与连杆固定连接；所述凸模(2-8)从下夹具(2-2)的下筒口伸入到下夹具(2-2)的筒体内部，并沿着下夹具(2-2)筒体内壁轴向滑动，直至连接有连杆的凸模(2-8)处于金属板材(8)的下面。
5.根据权利要求4所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的凸模(2-8)为平底凸模、球头凸摸或者弯曲凸模。
6.根据权利要求3所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的板材成形装置包括下夹具(2-2)及其筒体内腔(2-2-3)中的低温介质；所述的下夹具(2-2)的筒体上开有冷却剂输入孔(2-2-1)，所述的冷却剂输入孔(2-2-1)与下夹具(2-2)的筒体内腔(2-2-3)相通，所述的下夹具(2-2)的筒体内腔与金属板材(8)的下表面之间形成密闭的腔室。
7.根据权利要求5所述的板材成形性能测试装置，其特征在于：所述的板材成形性能测试装置还包括在线采集系统(3)和计算机控制系统(7)，所述的在线采集系统(3)和计算机控制系统(7)安装在保温箱(4)外；透明观测视窗(4-1)处于在线采集系统(3)和变形测试系统(2)之间的保温箱(4)的箱壁上；
所述的超低温冷却系统(1)还包括温度控制器(1-3)；
所述的在线采集系统(3)包括光学测量头(3-1)、热电偶(3-2)和载荷传感器；所述的光学测量头(3-1)处于透明观测视窗(4-1)的正上方；所述的热电偶(3-2)和载荷传感器分别安装在凸模中心处和上、下压边圈的环形边缘处；
在线采集系统(3)将光学测量头(3-1)和载荷传感器采集的信息传递到计算机控制系统(7)，热电偶(3-2)将采集的信号输送给温度控制器，温度控制器再通过计算机控制系统来控制电磁流量阀(1-2)，从而控制冷却剂填充装置(1-1)的输出量。
8.利用权利要求7所述的板材成形性能测试装置的板材成形性能测试方法，其特征在于：具体测试步骤如下：
步骤一：对金属板坯表面处理形成板材，并在待测金属板材的表面上喷射散斑；
步骤二：将金属板材(8)安装在变形测试系统(2)中，调节在线采集系统，密封保温箱；
步骤三：通过计算机控制系统调节金属板材的测试温度，对变形测试系统和金属板材进行保冷，直至金属板材达到测试温度；
步骤四：打开排气装置；
步骤五：利用双动压边机的合模油缸对金属板材(8)的环形边缘施加环形压边力；利用板材成形装置对金属板材(8)的下表面施加变形力；
步骤六：利用在线采集系统中的光学测量头对金属板材的变形过程进行动态捕捉和后台记录；
步骤七：测量结束后将保温箱中剩余的冷却剂通过泄流阀回收到冷却剂回收装置中；
步骤八：卸去双动压力机的载荷力，将变形后的工件从变形测试系统中取出。
9.根据权利要求8所述的板材成形性能的测试方法，其特征在于：所述冷却剂为液态的二氧化碳、液氧、液氩、液氮、液氦或者其与空气的混合物。
10.根据权利要求9所述的板材成形性能的测试方法，其特征在于：所述的金属板材(8)为铝合金板、铜合金板、镁合金板、钛合金板、不锈钢板或者其拼焊板，所述的金属板材(8)的厚度为1～5mm。
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