一种板材超低温拉深性能测试装置及测试方法

本发明涉及金属板材性能测试技术领域，特别是涉及一种板材超低温拉深性能测试装置及测试方法。

背景技术：

铝铜合金、铝锂合金、铝锌合金等高强铝合金因具有高比强度，被广泛地应用于运载火箭、飞机、新能源汽车等运载装备的主体结构材料。但是，此类合金常温塑性差、成形性低，难以成形复杂形状构件，限制了此类合金的进一步应用。近年，基于铝合金在超低温条件下出现延伸率与硬化指数同时提高的双增效应，发展起来一种先进的薄壁构件超低温成形技术。通过冷却剂使得坯料冷却至合适的超低温区间，采用模具整体成形出薄壁构件，具有显著提高成形极限、组织性能易控制等优点。

超低温成形技术主要是利用材料在超低温条件下大幅提高的成形极限，通过模具将与构件等厚的薄板直接拉深成形出复杂形状薄壁曲面件，并利用超低温梯度分布进一步提高薄壁曲面件的成形能力。为制定合理的超低温成形工艺参数，掌握材料在不同超低温度及其分布条件下的拉深性能具有重要意义。

拉深性能主要通过极限拉深比表征，即不再发生开裂缺陷的筒形试件的坯料外径与凸模直径之比。实际测试过程是凸模直径一定条件下，选取不同外径坯料分别进行单道次拉深试验，直至获取无缺陷产生的平底筒形试件。尽管已尝试将测试模具安装到低温箱里进行性能测试，但存在测试效率低、无法准确获得不同低温分布条件下的拉深性能等系列问题。公开号为cn109238840a的中国专利公开了一种超低温下板材成形性能的测试装置及测试方法，通过控制冷却剂流量间接冷却模具，存在不易均匀冷却、温度精确控制等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种板材超低温拉深性能测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过冷却剂浸泡直接冷却板坯，冷却均匀，并且温度控制精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种板材超低温拉深性能测试装置，其特征在于：包括凹模结构和凸模结构，板坯设置在所述凹模结构和所述凸模结构之间，所述板坯的边缘通过压边结构压在所述凹模结构上，所述凹模结构和所述板坯之间形成第一容腔，所述凸模结构中设置有第二容腔，所述凸模结构与所述板坯、所述压边结构之间形成第三容腔，所述第一容腔、所述第二容腔和所述第三容腔中均充填有冷却剂，控制单元分别控制所述第一容腔、所述第二容腔和所述第三容腔中的所述冷却剂的流量。

优选地，所述板坯包括若干区域，所述板坯的各所述区域的截面均为扇形，各所述区域的截面的圆心重合，至少一个所述区域的半径尺寸与其余所述区域的半径尺寸不同，半径尺寸不同的相邻的所述区域的截面的圆弧边缘平滑过渡。

优选地，所述凹模结构包括凹模座和凹模，所述凹模设置在所述凹模座上，所述凹模的内壁和所述凹模座的内壁均设置有隔热元件，所述凹模、所述凹模座和所述板坯形成所述第一容腔。

优选地，所述压边结构包括压边圈和压边连接块，所述压边连接块设置在所述压边圈上，所述压边连接块与所述凸模结构滑动且密封连接，所述板坯设置在所述压边圈与所述凹模结构之间，所述压边连接块、所述压边圈、所述凸模结构和所述板坯形成所述第三容腔，所述压边圈的内壁、所述压边连接块的下表面均设置有隔热元件。

优选地，所述板材超低温拉深性能测试装置还包括储罐，所述储罐内充填有所述冷却剂，所述储罐与所述第一容腔通过第一管路连通，所述储罐与所述第二容腔通过第二管路连通，所述储罐与所述第三容腔通过第三管路连通，所述第一管路上设置有第一流量阀，所述第二管路上设置有第二流量阀，所述第三管路上设置有第三流量阀，所述控制单元分别与所述第一流量阀、所述第二流量阀和所述第三流量阀电连接；

所述凸模结构设置有第一测温元件，所述凹模结构设置有第二测温元件，所述第一测温元件对应所述板坯的拉深区设置，所述第二测温元件对应所述板坯的法兰区设置，所述控制单元分别与所述第一测温元件和所述第二测温元件电连接。

优选地，所述压边结构中设置有第四容腔，所述凹模结构中设置有第五容腔，所述第四容腔和所述第五容腔均与所述板坯的法兰区对应，所述第四容腔和所述第五容腔中均充填有冷却剂，所述控制单元分别控制所述第四容腔和所述第五容腔中的所述冷却剂的流量。

优选地，所述储罐与所述第四容腔通过第四管路连通，所述储罐与所述第五容腔通过第五管路连通，所述第四管路上设置有第四流量阀，所述第五管路上设置有第五流量阀，所述控制单元分别与所述第四流量阀和所述第五流量阀电连接；

所述压边结构设置有第三测温元件，所述第三测温元件对应所述板坯的法兰区设置，所述控制单元与所述第三测温元件电连接。

优选地，所述板坯的拉深区为所述板坯位于所述凹模结构和所述凸模结构之间的第一部分；所述板坯的法兰区为所述板坯位于所述凹模结构和所述压边结构之间的第二部分。

本发明还提供了一种采用所述板材超低温拉深性能测试装置的板材超低温拉深性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一，根据板坯的材料的力学性能，设计板坯的尺寸；

步骤二，将板坯放置在凹模结构上，闭合压边结构并施加设定压边力，并使凸模结构接触板坯；

步骤三，向第一容腔、第二容腔和第三容腔充填冷却剂，直至板坯的拉深区冷却至设定温度；

步骤四，凸模结构下行，进行板坯的拉深性能测试；

步骤五，根据拉深性能测试结果进行判断，若板坯的各区域均未发生开裂缺陷，增大下一个板坯的各区域的尺寸，重复步骤一～步骤四，直至在某一个板坯的至少一个区域处发生开裂缺陷，然后将尺寸小于发生开裂缺陷的板坯的区域的另一个区域作为新的板坯的外径最大的区域，对新的板坯重复步骤一～步骤四，直至新的板坯不发生开裂缺陷，用不发生开裂缺陷的板坯的外径最大的区域的外径与凸模结构的外径比值表征极限拉深性能；

若板坯的至少一个区域发生开裂缺陷，将尺寸小于发生开裂缺陷的板坯的区域的另一个区域作为新的板坯的外径最大的区域，对新的板坯重复步骤一～步骤四，直至新的板坯不发生开裂缺陷，用不发生开裂缺陷的板坯的外径最大的区域的外径与凸模结构的外径比值表征极限拉深性能。

优选地，步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：向第四容腔和第五容腔充填冷却剂，直至板坯的法兰区冷却至设定温度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过第一容腔和第三容腔的冷却剂与板坯直接接触，使板坯浸泡在冷却剂中，加上凹模结构的第二容腔中的冷却剂的辅助作用，实现板坯的冷却均匀；通过控制单元，实现第一容腔、第二容腔和第三容腔中的冷却剂的流量的精确控制，确保冷却温度精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的板材超低温拉深性能测试装置示意图一；

图2为本发明的板材超低温拉深性能测试装置示意图二；

图3为本发明的板坯示意图；

图4为本发明的板坯的区域示意图；

图5为本发明的板材超低温拉深性能测试方法示意图；

其中：100-板材超低温拉深性能测试装置，1-凹模结构，2-凸模结构，3-板坯，4-区域，5-压边结构，6-第一容腔，7-第二容腔，8-第三容腔，9-冷却剂，10-隔热元件，11-凹模座，12-凹模，13-压边圈，14-压边连接块，15-密封圈，16-储罐，17-第一管路，18-第二管路，19-第三管路，20-第一流量阀，21-第二流量阀，22-第三流量阀，23-控制单元，24-第一测温元件，25-第二测温元件，26-第四容腔，27-第五容腔，28-第四管路，29-第五管路，30-第四流量阀，31-第五流量阀，32-第三测温元件，33-第一部分，34-第二部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种板材超低温拉深性能测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过冷却剂浸泡直接冷却板坯，冷却均匀，并且温度控制精度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图4所示：本实施例提供了一种板材超低温拉深性能测试装置100，其特征在于：包括凹模结构1和凸模结构2，板坯3设置在凹模结构1和凸模结构2之间，板坯3的边缘通过压边结构5压在凹模结构1上，凹模结构1和板坯3之间形成第一容腔6，凸模结构2中设置有第二容腔7，凸模结构2与板坯3、压边结构5之间形成第三容腔8，第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8中均充填有冷却剂9，控制单元23分别控制第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8中的冷却剂9的流量。

本实施例中，板坯3包括若干区域4，板坯3的各区域4的截面均为扇形，各区域4的截面的圆心重合，至少一个区域4的半径尺寸与其余区域4的半径尺寸不同，半径尺寸不同的相邻的区域4的截面的圆弧边缘平滑过渡。区域4的半径尺寸不同即拉深比不同。

本实施例中，板坯3的各区域4的半径尺寸的个数大于三个，三个半径尺寸呈等差数列。本实施例可以通过设置不同半径尺寸的区域4在一次测试中对多个拉深比进行测试，测试效率高。

本实施例中，半径尺寸的数量为三至六个，通过观察不同半径尺寸的区域4在拉深测试过程是否发生开裂缺陷，判断板坯3的极限拉深比所在的区域4，进而再选取相近半径尺寸的区域4的板坯3进行测试，直至获取材料极限拉深比。如图4所示，板坯3包括四个区域4，四个区域4的半径尺寸各不相同，分别为r1、r2、r3和r4。

本实施例中，冷却剂9与凹模结构1之间、冷却剂9与压边结构5之间均设置有隔热元件10，防止冷却剂9冷却板凹模结构1和压边结构5，从而避免其对板坯3的法兰区的温度的影响。

本实施例中，凹模结构1包括凹模座12和凹模11，凹模11设置在凹模座12上，凹模11的内壁、凹模座12的内壁均设置有隔热元件10，凹模11、凹模座12和板坯3形成第一容腔6。

本实施例中，压边结构5包括压边圈13和压边连接块14，压边连接块14设置在压边圈13上，压边连接块14与凸模结构2滑动且密封连接，压边连接块14与凸模结构2之间设置有密封圈15，板坯3设置在压边圈13与凹模结构1之间，压边连接块14、压边圈13、凸模结构2和板坯3形成第三容腔8，压边圈13的内壁、压边连接块14的下表面均设置有隔热元件10。

本实施例中，板材超低温拉深性能测试装置100还包括储罐16，储罐16为自增压罐，储罐16内充填有冷却剂9，储罐16与第一容腔6通过第一管路17连通，储罐16与第二容腔7通过第二管路18连通，储罐16与第三容腔8通过第三管路19连通，第一管路17上设置有第一流量阀20，第二管路18上设置有第二流量阀21，第三管路19上设置有第三流量阀22，控制单元23分别与第一流量阀20、第二流量阀21和第三流量阀22电连接；凸模结构2设置有第一测温元件24，凹模结构1设置有第二测温元件25，第一测温元件24对应板坯3的拉深区设置，第二测温元件25对应板坯3的法兰区设置，控制单元23分别与第一测温元件24和第二测温元件25电连接。

本实施例中，压边结构5中设置有第四容腔26，第四容腔26具体设置在压边圈13中，凹模结构1中设置有第五容腔27，第五容腔27具体设置在凹模11中，压边圈13和凹模11均为圆环结构，凸模、压边圈13和凹模11均同轴设置，第四容腔26和第五容腔27均为环形空腔，第四容腔26和第五容腔27均与板坯3的法兰区对应，第四容腔26和第五容腔27中均充填有冷却剂9，控制单元23分别控制第四容腔26和第五容腔27中的冷却剂9的流量。通过在压边圈13和凹模11中充填冷却剂9，使板坯3的法兰区冷却至设定温度，实现板坯3的拉深区和板坯3的法兰区不同组合温度分布条件下的拉深性能测试。

本实施例中，储罐16与第四容腔26通过第四管路28连通，储罐16与第五容腔27通过第五管路29连通，第四管路28上设置有第四流量阀30，第五管路29上设置有第五流量阀31，控制单元23分别与第四流量阀30和第五流量阀31电连接；压边结构5设置有第三测温元件32，第三测温元件32对应板坯3的法兰区设置，控制单元23与第三测温元件32电连接。

本实施例中，第一测温元件24、第二测温元件25和第三测温元件32均为温度传感器。储罐16将冷却剂9传送至第一容腔6、第二容腔7、第三容腔8、第四容腔26和第五容腔27的过程中，第一测温元件24、第二测温元件25和第三测温元件32会实时将温度信号反馈至控制单元23，控制单元23根据各个位置传输回来的温度信号调节第一流量阀20、第二流量阀21、第三流量阀22、第四流量阀30和第五流量阀31的开口状态，以保证温度的稳定性。

本实施例中，板坯3的拉深区为板坯3位于凹模结构1和凸模结构2之间的第一部分33；板坯3的法兰区为板坯3位于凹模结构1和压边结构5之间的第二部分34。

本实施例中，压边圈13固定在压力机的压边滑块上，凸模结构2固定在压力机的拉深滑块上，凹模座12固定在压力机台面上。

本实施例中，冷却剂9为液氩、液氮、液氦或相应的气液混合剂中的一种。

本实施例的板坯3的拉深区通过第一容腔6和第三容腔8充填冷却剂9直接浸泡冷却，同时凸模结构2的第二容腔7充填冷却剂9确保板坯3的拉深区温度不受影响；板坯3的法兰区不冷却或通过向第四容腔26和第五容腔27充填冷却剂9进行冷却，并在压边结构5与凹模结构1设置隔热元件10，防止第四容腔26和第五容腔27的温度影响板坯3的拉深区、第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8的温度影响板坯3的法兰区。

本实施例通过冷却剂9充填浸泡实现板坯3的拉深区均匀冷却，通过凹模11和压边圈13精确控温，可以实现不同超低温温度分布条件下的拉深性能测试，解决现有方法仅能测试均匀温度条件下的性能问题；本实施例根据温度测量调节冷却剂9流量，有利于板坯3温度的精确控温；本实施例的利用板坯3同时实现多个拉深比条件下的性能测试，显著提高测试效率。

实施例二

如图5所示：本实施例提供了一种采用实施例一的板材超低温拉深性能测试装置100的板材超低温拉深性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一，根据板坯3的材料的力学性能，设计板坯3的尺寸；

步骤二，将板坯3放置在凹模结构1上，闭合压边结构5并施加设定压边力，并使凸模结构2接触板坯3；

步骤三，向第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8充填冷却剂9，直至板坯3的拉深区冷却至设定温度，向第四容腔26和第五容腔27充填冷却剂9，直至板坯3的法兰区冷却至设定温度，此时第二测温元件25和第三测温元件32测得的温度相同，形成板坯3的拉深区温度低、板坯3的法兰区温度高的梯度温度，或者板坯3的拉深区温度和板坯3的法兰区温度相同；

步骤四，凸模结构2下行，进行板坯3的拉深性能测试；

步骤五，根据拉深性能测试结果进行判断，若板坯3的各区域4均未发生开裂缺陷，增大下一个板坯3的各区域4的尺寸，重复步骤一～步骤四，直至在某一个板坯3的至少一个区域4处发生开裂缺陷，然后将尺寸小于发生开裂缺陷的板坯3的区域4的另一个区域4作为新的板坯3的外径最大的区域4，对新的板坯3重复步骤一～步骤四，直至新的板坯3不发生开裂缺陷，用不发生开裂缺陷的板坯3的外径最大的区域4的外径与凸模结构2的外径比值表征极限拉深性能；

若板坯3的至少一个区域4发生开裂缺陷，将尺寸小于发生开裂缺陷的板坯3的区域4的另一个区域4作为新的板坯3的外径最大的区域4，对新的板坯3重复步骤一～步骤四，直至新的板坯3不发生开裂缺陷，用不发生开裂缺陷的板坯3的外径最大的区域4的外径与凸模结构2的外径比值表征极限拉深性能。

将实施例一和实施例二应用在实际使用中，具体如下：

应用例一

测试试件为平底筒形件；凸模结构2直径为100mm，凸模结构2圆角半径为10mm；凹模11圆角半径为12mm；凸模结构2和凹模11的间隙为2.6mm；板坯3为固溶态2195铝锂合金板材，厚度为2mm，板坯3包括5个半径尺寸的区域4，即包括5个拉深比。以液氮作为冷却剂9，最终形成板坯3的法兰区接近常温、板坯3的拉深区为-196℃的温度分布。

具体测试步骤如下：

步骤一，根据板坯3力学性能设计包括5个半径尺寸的区域4的板坯3，其对应的拉深比分别为1.4～1.8；

步骤二，将板坯3放置在凹模11上，闭合压边圈13并施加3mpa的单位压边力，并使凸模结构2接触板坯3；

步骤三，分别通过第一管路17、第二管路18和第三管路19将冷却剂9输送至第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8，同时，第一测温元件24将凸模结构2的温度反馈至控制单元23，控制单元23通过控制第一流量阀20、第二流量阀21和第三流量阀22的开闭状态，实时调控冷却剂9的充填，确保板坯3在冷却剂9的浸泡下均匀冷却，并稳定在-196℃，最终形成板坯3的法兰区接近常温、板坯3的拉深区为-196℃的温度分布；

步骤四，控制凸模结构2向下运动开始拉深，进行板坯3的拉深性能测试；

步骤五，根据拉深性能测试结果进行判断，如果拉深比为1.4～1.8的板坯3出现开裂缺陷，则缩小板坯3的拉深比值范围为1.4～1.7，重复步骤二～步骤四，不再出现开裂缺陷，则极限拉深比为1.7；

如果拉深比为1.4～1.8的板坯3未发生开裂，则设计拉深比为1.9～2.3的板坯3，重复步骤二～步骤四，若在拉深比为2.3的区域4发生开裂，则缩小板坯3的拉深比为1.9～2.2，再次重复步骤二～步骤四后不再发生开裂，则确定板坯3在该温度分布条件下的极限拉深比为2.2。

应用例二

测试试件为平底筒形件；凸模结构2直径为100mm，凸模结构2圆角半径为6mm；凹模11圆角半径为6mm；凸模结构2和凹模11的间隙为1.2mm；板坯3为退火态2219铝合金板材，厚度为1mm，板坯3各区域4的半径尺寸相同。以液氮与氮气的混合物为冷却剂9，最终形成板坯3的法兰区接近常温、板坯3的拉深区为-80～-196℃的温度分布。

具体步骤如下：

步骤一，根据板坯3力学性能设计成拉深比为2.0的圆形板坯3；

步骤二，将板坯3放置在凹模112上，闭合压边圈13并施加2mpa的单位压边力，并使凸模结构2接触板坯3；

步骤三，分别通过第一管路17、第二管路18和第三管路19将冷却剂9输送至第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8，同时，第一测温元件24将凸模结构2的温度反馈至控制单元23，控制单元23通过控制第一流量阀20、第二流量阀21和第三流量阀22的开闭状态，确保板坯3在冷却剂9的浸泡下均匀冷却，并稳定在-160℃，最终形成板坯3的法兰区接近常温、板坯3的拉深区为-160℃的温度分布；

步骤四，控制凸模结构2向下运动开始拉深，进行板坯3拉深性能测试；

步骤五，根据拉深性能测试结果进行判断，如果拉深比为2.0的板坯3出现开裂缺陷，则缩小板坯3的拉深比为1.9，重复步骤二～步骤四，不再出现开裂缺陷，则极限拉深比为1.9；

如果拉深比为2.0的板坯3未发生开裂，则增大板坯3拉深比为2.1，重复步骤二～步骤四，若试件仍未开裂，则继续增大板坯3拉深比，直至不再出现开裂缺陷，如果板坯3拉深比为2.4时开裂、拉深比为2.3不开裂，则确定板坯3在该温度分布条件下的极限拉深比为2.3。

应用例三

测试试件为平底筒形件；凸模结构2直径为100mm，凸模结构2圆角半径为9mm；凹模11圆角半径为12mm；凸模结构2和凹模11的间隙为2.0mm；板坯3为退火态6061铝合金，厚度为2mm，板坯3包括5个半径尺寸的区域4，即包括5个拉深比。以液氮作为冷却剂9，最终形成板坯3的拉深区-196℃、板坯3的法兰区-160～-40℃的温度分布。

具体测试步骤如下：

步骤一，根据板坯3力学性能设计包括5个半径尺寸的区域4的板坯3，其对应的拉深比分别为1.5～1.9；

步骤二，将板坯3放置在凹模11上，闭合压边圈13并施加2.5mpa的单位压边力，并使凸模结构2接触板坯3；

步骤三，分别通过第一管路17、第二管路18和第三管路19将冷却剂9输送至第一容腔6、第二容腔7和第三容腔8，同时，第一测温元件24将凸模结构2的温度反馈至控制单元23，控制单元23通过控制第一流量阀20、第二流量阀21和第三流量阀22的开闭状态，实时调控冷却剂9的充填，确保板坯3在冷却剂9的浸泡下均匀冷却，并稳定在-196℃；分别通过第四管路28和第五管路29将冷却剂9输送至第四容腔26和第五容腔27，同时，第二测温元件25将凹模11的温度、第三测温元件32将压边圈13的温度反馈至控制单元23，通过控制第四流量阀30和第五流量阀31的开闭状态，实时调控冷却剂9的充填流量，从而调控压边圈13与凹模11的温度，并稳定在-120℃；

步骤四，控制凸模结构2向下运动开始拉深，进行板坯3的拉深性能测试。

步骤五，根据拉深性能测试结果进行判断，如果拉深比为1.5～1.9的板坯3未发生开裂，则增大板坯3的拉深比值范围为2.0～2.3，重复步骤二～步骤四，若板坯3仍未开裂，则继续增大板坯3的拉深比值范围为2.4～2.6，重复步骤二～步骤四，若在拉深比为2.6的区域4发生开裂，则缩小板坯3的拉深比范围为2.4～2.5，再次重复步骤二～步骤四后不再发生开裂，则确定板坯3在该温度分布条件下的极限拉深比为2.5。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。