基于NX的精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫研究和開發(fā)

摘要：根據(jù)NX的參數(shù)化建模技術(shù)，對(duì)精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫的客制化開發(fā)進(jìn)行了研究，并通過N型（標(biāo)準(zhǔn)）GB/T 97.4—2002《平墊圈 用于螺釘和墊圈組合件》標(biāo)準(zhǔn)件的開發(fā)案例，說明了精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫的開發(fā)方法及其設(shè)計(jì)規(guī)則。

關(guān)鍵詞：精密模具；標(biāo)準(zhǔn)件庫；NX；CAD；參數(shù)化

中圖分類號(hào)：TQ330.4+1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）21-0027-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.007

0" " 引言

精密模具是一種用于生產(chǎn)高度精確的零部件的設(shè)備，根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域和制造工藝的差異，可以將其劃分為多個(gè)類別，包括沖壓模具、注塑模具、鑄造模具（其中又可細(xì)分為低壓重力鑄造模具、高壓鑄造模具、熔模鑄造模具等）。精密模具的多樣性表現(xiàn)在其獨(dú)特的特性和應(yīng)用領(lǐng)域，這使得它們?cè)谑袌?chǎng)上擁有廣泛的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前，精密模具領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模正持續(xù)擴(kuò)張，并展現(xiàn)出以下特征：市場(chǎng)規(guī)模不斷攀升，我國模具企業(yè)數(shù)量已達(dá)3萬家，市場(chǎng)總值約為3 467億元，年度出口額接近50億美元。在市場(chǎng)結(jié)構(gòu)層面，近年來汽車輕量化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)以及我國塑料工業(yè)尤其是現(xiàn)代新型材料工業(yè)的不斷壯大，促使注塑模具市場(chǎng)迅速擴(kuò)張，其占比約為45%。接下來依次為沖壓模具和鑄造模具，它們的占比分別約為37%和9%[1]。觀察我國模具應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)各類模具產(chǎn)品在電子、汽車、家電和通信等行業(yè)得到了廣泛運(yùn)用。依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，我國模具市場(chǎng)中，汽車相關(guān)模具的比例最高，約占34%，家用電子類占比約為28%，而IT（信息技術(shù)）類占比約為12%。這三個(gè)領(lǐng)域的總和約占我國模具行業(yè)總產(chǎn)值的74%[2]。

在數(shù)字化技術(shù)逐漸滲透到制造業(yè)領(lǐng)域的背景下，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展與廣泛推廣，三維數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為精密模具設(shè)計(jì)和制造過程中的核心工具。在注塑模具的設(shè)計(jì)階段，非標(biāo)準(zhǔn)零部件的開發(fā)所需工作量頗為繁重。在先進(jìn)國家（例如日本和德國），模具標(biāo)準(zhǔn)化程度高達(dá)整套模具的80%以上，甚至更高。然而，在我國，精密模具標(biāo)準(zhǔn)件的使用及標(biāo)準(zhǔn)件定制開發(fā)應(yīng)用的比例相對(duì)較低，大約為45%，有時(shí)甚至更低。因此，在精密模具設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，交付時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，同時(shí)也提高了模具生產(chǎn)成本[3]。借助三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，構(gòu)建精密模具的三維標(biāo)準(zhǔn)零件庫（其中可包含零件二維工程圖、零部件制造工藝等信息），能夠顯著提升精密模具的設(shè)計(jì)與制造效率及質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。這對(duì)于提高我國精密模具設(shè)計(jì)與制造水平具有重要意義。

在三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)上構(gòu)建參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)零件庫是一項(xiàng)關(guān)鍵的應(yīng)用開發(fā)任務(wù)。通過這些開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)件模具零件庫，可以直接提供可重復(fù)使用的模具零件三維模型、二維工程圖紙以及制造工藝等相關(guān)信息。當(dāng)前，市場(chǎng)上普遍使用的三維設(shè)計(jì)軟件大多采用國外標(biāo)準(zhǔn)件庫，與我國國家標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，這對(duì)我國精密模具設(shè)計(jì)師造成了諸多困擾。因此，利用適宜的設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)符合我國實(shí)際情況的精密模具零部件標(biāo)準(zhǔn)庫顯得尤為關(guān)鍵。

自20世紀(jì)80年代后期起，我國開始采納國際先進(jìn)的三維工業(yè)設(shè)計(jì)軟件。經(jīng)過多年的實(shí)踐與沉淀，目前在模具行業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)普及。在眾多工業(yè)CAD軟件應(yīng)用平臺(tái)中，NX、Creo、Catia、Solidedge、Solidworks、中望3D、CAX、CrownCAD、Sinovation等使用尤為廣泛。在模具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，NX軟件的應(yīng)用已經(jīng)普及。然而，其標(biāo)準(zhǔn)零件庫中所包含的零件數(shù)量較少，且大多為國外標(biāo)準(zhǔn)件，這一現(xiàn)象已成為制約行業(yè)企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)障礙。本研究以NX2206為核心，借助其全面的定制開發(fā)功能，構(gòu)建了一套精密模具標(biāo)準(zhǔn)零件庫。通過該標(biāo)準(zhǔn)件庫，可以實(shí)現(xiàn)高效便捷地調(diào)用庫中零件。此外，采用開放式標(biāo)準(zhǔn)件庫的定制開發(fā)策略也為行業(yè)工程技術(shù)人員提供了機(jī)會(huì)，以打造具有企業(yè)特色的標(biāo)準(zhǔn)件庫。這一做法能夠顯著增強(qiáng)模具企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位和生存能力。

1" " NX的標(biāo)準(zhǔn)件定制開發(fā)功能

NX軟件屬于西門子PLM公司旗下的CAD/CAM/

CAE集成工業(yè)軟件應(yīng)用平臺(tái)，它提供了多樣的二次開發(fā)工具（NX Open API、NX Open Grip、NX Open Menu Script、NX Open UI Styler、Knowledge Fusion、Visual C++、Python、Java等接口；API函數(shù)庫，例如.Net等），可用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

除了上述二次開發(fā)語言工具，NX還提供了一系列客制化定制工具。這類工具的應(yīng)用不需要掌握高級(jí)編程技能，僅需借助NX自身的三維建模功能以及辦公電子表格軟件，便可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫的定制開發(fā)。這類定制開發(fā)工具包括：復(fù)用組件（Reuse Components）、零件系列（Part Family）、模具導(dǎo)向模塊內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)部件注冊(cè)工具、產(chǎn)品模板編輯室（Product Template Studio）、用戶自定義特性（UDE）、塊UI樣式編輯器、驗(yàn)證規(guī)則編輯器、知識(shí)融合腳本語言等。這些工具能夠充分利用經(jīng)驗(yàn)證的行業(yè)專家知識(shí)庫，構(gòu)建適用于特定行業(yè)或企業(yè)的零件標(biāo)準(zhǔn)化庫和專業(yè)知識(shí)庫，從而顯著提升企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品交付時(shí)間，減少生產(chǎn)成本，并增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2" " 精密模具標(biāo)準(zhǔn)件的研發(fā)方法（基于NX2206版本）

在對(duì)NX各類定制開發(fā)策略進(jìn)行綜合評(píng)估后，本研究選取了基于NX重用庫中標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)作為自定義精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫的構(gòu)建方法。這一過程涉及運(yùn)用NX的三維建模技術(shù)，并通過電子表格實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫的搭建。此方法無須精通高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語言，適用于大多數(shù)NX應(yīng)用工程師，只要熟悉NX的參數(shù)化建模技巧，便能迅速掌握并運(yùn)用于定制專屬（行業(yè)、企業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)件庫的實(shí)際開發(fā)。

基于NX重用庫標(biāo)準(zhǔn)件的一般創(chuàng)建流程如下[4]：

1）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件的3D參數(shù)化模型；

2）制定標(biāo)準(zhǔn)零件的示意圖（bmp格式），并在該圖像上注明關(guān)鍵索引參數(shù)以及其他指示性參數(shù)名稱；

3）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件家族；

4）組織標(biāo)準(zhǔn)件庫文件目錄；

5）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件知識(shí)融合（KRX）腳本文件；

6）調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫零件進(jìn)行測(cè)試、修改、定型。

3" " 精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以N型（標(biāo)準(zhǔn)）平墊圈為例，闡述了基于NX軟件的精密模具標(biāo)準(zhǔn)件庫定制開發(fā)過程及規(guī)范要求。

3.1" " 創(chuàng)建參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件三維模型

依據(jù)GB/T 97.4—2002《平墊圈 用于螺釘和墊圈組合件》的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)表（圖1），在NX軟件中運(yùn)用建模工具創(chuàng)建3D模型（文件名稱為：N型平墊圈，GB-T97_4-2002.prt），圖2展示了相關(guān)的3D模型參數(shù)表達(dá)式。通過“工具—指派材料”選項(xiàng)，將3D模型的材質(zhì)設(shè)置為“鋼鐵”。進(jìn)而創(chuàng)建3D模型零件屬性“直徑”，該屬性與標(biāo)準(zhǔn)件庫中的“規(guī)格”參數(shù)相對(duì)應(yīng)，其屬性表如圖3所示。

3.2" " 創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件的示意圖（bmp格式）

如圖4所示，制定標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)用索引（在本示例文件中，選取標(biāo)準(zhǔn)件的“規(guī)格”參數(shù)作為索引參數(shù)，對(duì)應(yīng)3D模型文件中的屬性為“Diameter”）。因此，在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)螺釘?shù)闹睆揭?guī)格來選擇相應(yīng)的墊片。若需要挑選圖1中的尺寸為“2”的墊片，其墊片規(guī)格參數(shù)如下：d（公稱）=1.75 mm、dc（公稱）=5 mm、h（公稱）=0.6 mm；針對(duì)3D模型標(biāo)準(zhǔn)零件的參數(shù)和屬性，具體表現(xiàn)為：內(nèi)徑=1.75 mm、外徑=5 mm、體厚=0.6 mm，直徑規(guī)格為M2。3D模型參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3.3" " 創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件家族

在NX系統(tǒng)里導(dǎo)入之前已經(jīng)建立好的墊圈三維圖形，通過“工具→部件族”，在列表中添加“表達(dá)式”中的參數(shù)“內(nèi)徑、外徑、體高”，“屬性”中的參數(shù)“Diameter、$DESCRIPTION”，勾選部件族對(duì)話框“設(shè)置”中的“可導(dǎo)入部件族模板”，進(jìn)而創(chuàng)建如圖1表格所示的N型標(biāo)準(zhǔn)平墊圈系列部件家族參數(shù)庫。具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

3.4" " 組織標(biāo)準(zhǔn)件庫文件目錄

將之前制作好的N型平墊圈3D零件文件“N型平墊圈，GB-T97_4-2002.prt”以及圖像文件“N型平墊圈，GB-T97_4-2002.bmp”復(fù)制到NX重用庫文件中的“GB標(biāo)準(zhǔn)零件”目錄的墊圈類別（NX2206版本的目錄為：NX安裝路徑＼localization＼prc＼GB Standard Parts＼Washer＼Plain）下（圖6），在指定目錄中，復(fù)制一份知識(shí)融合腳本文件“*.krx”，并對(duì)其文件名進(jìn)行修改，使之與3D部件文件、圖片文件保持一致性，即更改為“N型平墊圈，GB-T97_4-2002.krx”。

3.5" " 創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件知識(shí)融合（KRX）腳本文件

通過文本編輯調(diào)整“N型平墊圈，GB-T97_4-2002.krx”的內(nèi)容，使其與部件文件、零件示意圖片文件以及選用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)的索引尺寸規(guī)格、查詢的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸相協(xié)調(diào)。具體如圖7所示。

3.6" " 調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫零件進(jìn)行測(cè)試、修改、定型

在NX軟件里創(chuàng)建一個(gè)新的零件模型，在重用庫中選擇“GB Standard Parts—Washer—Plain”文件夾，在“成員選擇—Plain”中可以找到客制化的“N型平墊圈，GB-T97_4-2…”標(biāo)準(zhǔn)件庫文件，選取指定圖形后將其拖拽至建模區(qū)域，此零件將作為組件被納入當(dāng)前新創(chuàng)建的部件文件，并觸發(fā)“添加可重用組件”對(duì)話框。在此對(duì)話框中，通過調(diào)整“主參數(shù)”來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的篩選、修改和確定，如圖8所示。

4" " 結(jié)束語

本研究闡述了基于Siemens NX平臺(tái)，以重用庫知識(shí)融合為核心的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)。該方法無須運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的各類高級(jí)編程語言及語法，操作相對(duì)簡(jiǎn)便，易于學(xué)習(xí)，極適合行業(yè)企業(yè)工程技術(shù)人員。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 觀研天下.中國模具行業(yè)現(xiàn)狀深度分析與投資戰(zhàn)略研究報(bào)告（2023—2030年）[R]，2023.

[3] 孫文學(xué).基于UG NX的壓鑄模三維標(biāo)準(zhǔn)件庫開發(fā)及應(yīng)用[J].模具制造，2012，12（3）：13-16.

[4] 中國就業(yè)技術(shù)指導(dǎo)中心.模具設(shè)計(jì)師（注塑模）（國家職業(yè)資格二級(jí)）[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2009.

收稿日期：2024-08-07

作者簡(jiǎn)介：孫文學(xué)（1971—），男，湖南沅江人，機(jī)械高級(jí)工程師，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具CAD/CAM、數(shù)控銑多軸加工技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作。