“工业母机—精度保持性”专题 | 东北大学刘宇教授：残余应力分布对机床大件变形影响规律研究

专题文章（六）

作者简介

刘宇

东北大学

教授、博导

• 获辽宁省科技进步奖二等奖、汕头市科技进步奖一等奖等多项奖励

• 长期从事数控系统、高端机床精度保持性、机器人加工技术等方面的研究工作

黄勃铭 潘士辉 罗方劲 刘宇

（东北大学机械工程与自动化学院）

研究背景

大型铸铁基础件是机床与机器人加工装备的重要承载结构，其结构刚度与尺寸稳定性直接关系到整机的加工精度和长期服役性能。受铸件壁厚差异、复杂几何结构及冷却条件不均等因素影响，铸造过程中往往形成非均匀温度场，并由此产生复杂的残余应力。此类应力具有一定的隐蔽性和时变性，可能在后续机械加工、装配调试及长期服役过程中逐步释放，进而引发安装面翘曲、局部变形、几何误差累积及运动轨迹偏移，最终削弱装备的精度保持性与运行可靠性。

因此，准确揭示大型铸铁件残余应力的形成与演化规律，并识别对关键功能面变形影响显著的高敏感区域，是实现低应力制造和精准检测的重要基础。

研究内容

研究对象为HT300大型箱体类支撑台，开展热—力耦合仿真；结果显示，铸件内部残余应力主要源于不同区域冷却速度不一致造成的温度梯度，热应力占主导，相变应力和机械阻碍应力影响相对较小。

机器人加工制造单元工作台部分三维建模

工作台等效应力云图

对6个关键测点的跟踪表明，铸件拱形等复杂几何区域的P5、P6点因温度梯度剧烈变化和约束不均，出现典型的“高—低—高”双峰波动，说明薄厚交替、曲率变化和局部约束是应力集中与再分布的重要诱因。

测点布置与应力图

为降低残余应力，研究进一步开展振动时效分析。结合前六阶模态，确定激振频率56 Hz、激振力6.5 kN，在支撑台两端实施振动处理。结果显示，整体残余应力降低约200 MPa，分布更加均匀，验证了振动时效对大型铸铁件的减应力效果。

时效前后支撑台等效应力云图

研究还将整体残余应力场划分为5个功能区域，通过Python与Abaqus二次开发，分别计算各区域残余应力释放对安装面变形的独立影响，并提出"全域平均灵敏度"指标评价不同区域对应变形的贡献。

结果表明，安装面区域3及相邻承力面区域5灵敏度最高，是影响关键功能面变形的主要区域。这意味着残余应力检测不仅应关注安装面，还应覆盖邻近承力区及拱形过渡区域，以提高检测代表性和控制效果。

支撑台区域划分示意图

各区域应力-位移曲线

结论

总体而言，本研究系统揭示了大型铸铁基础件残余应力的形成机制、释放规律及其对关键功能面变形的影响，构建了贯穿铸造全过程的残余应力分析与评价方法，实现了由残余应力场表征向关键影响区域识别及控制优先级确定的深化。研究成果可为大型机床基础件铸造工艺优化、振动时效参数设计、残余应力检测布点及精度保持性提升提供理论依据与技术参考。

近年团队发表文章

[1]Sun Y, Liu Y, Wang L, et al. lmproved method for drone sound event detection system aiming at the impact ofbackground noise and angle deviation[J]. Sensors and Actuators A: Physical , 2024, 377: 115676.(SCIJCR 一区)(中科院 三区)

[2]Zhang A , Wang L , Wang J ,et al.Stability analysis of ultrasonic bone cutting under dynamic loads[J].Applied Acoustics, 2025, 235: 110690.(SCI JCR 一区)(中科院二区)

[3]Sun Y, Zhang F, Liu Y, et al. Acoustic event detection for drone search and rescue system based on bi-directionaong and short-term memory beamforming method to remove rotor noise1[J]. Digital Signal Processing, 2025, 157:104881.(SCI JCR 二区)(中科院 三区)

[4]Li J, Yang X, Wang S, Liu Y, et al. Nonhomogeneous haze removal for visual perception in construction scenes[J]. Automation in Construction, 2024, 166: 105672. (SCI JCR 一区)(中科院 一区)

[5]Li J, Dai L, Wang S, Liu Y, et al. Theoretical and numerical analysis of the rock breaking process by impact hammer[J]. Powder Technology, 2024, 448: 120254. (SCI JCR 一区)(中科院 二区)

[6]Li J, Liu Y, Wang L, et al. A vision-based end pose estimation method for excavator manipulator[J]. Multimedia Tools and Applications, 2024, 83(26): 68723-68741. (SCI JCR 二区)(中科院 三区)

[7]Wang L W, Liu Y, Wang S W, et al. Research on ultrasonic bone cutting mechanism based on extended finite element method[J]. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2024, 23:861-877. (SCI JCR 二区)(中科院 二区)

[8]Wang L, Liu Y, Li J, et al. Indirect measurement method of ultrasonic bone cutting force based on anti-node vibration displacement[J]. Journal of Sound and Vibration, 2023, 552: 117637. (SCI JCR 一区 ) (中科院 二区)

[9]Li J, Liu Y, Wang L, et al. Research on the penetration coefficient during the rock drilling process by cyclic impact[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2023, 57:2175-2193. (SCI JCR 一区 )(中科院 一区)

[10]Li J, Liu Y, Wang S, et al. Visual perception system design for rock breaking robot based on multi-sensor fusion[J]. Multimedia Tools and Applications, 2023, 83: 24795-2481. (SCI JCR 二区 ) (中科院 三区)

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