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摘 要：基于UG NX6.0软件系统，根据当前的安全帽模型，自行设计出一款新的产品。本文着重介绍了利用该软件进行产品设计的详细过程及产品设计的创新之处。此外，根据设计的产品，设计了一套成型模具。介绍了这套模具的设计方法和步骤，重点阐述模具设计中的难点和关键因素。为相似的产品设计开发和模具设计提供了有益的借鉴，提高了设计效率，缩短设计时间。
关键词：安全帽；UG建模；曲面造型；模具设计
项目简介：南昌航空大学第五届“三小”科技创新资助项目
1 利用UG NX6.0软件设计安全帽
1.1 创建曲线
（1）创建外轮廓线。单击菜单栏中的“样条”命令,方法选择通过点，阶次设置为5。分别在XC-YC平面和XC-ZC平面创建一条样条线。
（2）创建内轮廓线，单击样条设置如上，在YC-ZC平面以创建好的样条曲线为参照创建样条曲线。同理，在偏置YC-ZC平面80mm和-90mm的平面創建两条样条曲线。效果如图1。
（3）样条优化处理。选择已经生成的五条曲线，单击菜单栏中的“分析”→“曲线”→“曲率梳”命令，则生成曲线的曲率梳，适当调整曲线极点，优化曲线。再单击菜单栏中的“编辑”→“曲线”→光顺样条命令，调整光顺因子，进一步优化曲线。效果如图2。
图1 轮廓曲线 图2 优化后的曲线
1.2 生成安全帽三维片体
（1）创建辅助曲面。单击“拉伸”命令，分别向Z轴和Y轴拉伸片体。
（2）生成轮廓片体。单击“网格曲面”命令，以外轮廓线交点和内轮廓线为主曲线，以外轮廓线为交叉曲线，约束面选择拉伸片体，连续性为G1。
（3）优化曲面。为了消除“网格曲面”以点为主曲线所带来的收敛点，我们选择切除收敛点区域，而后再修补曲面。通过单击菜单栏中的“分析”→“形状”→“面分析”→“半径”选择曲面为分析曲面。
（4）生成轮廓片体后，再联合曲面功能中的“分割面”、“修剪的片体”、“偏置曲面”、“桥接曲面”、“网格曲面”等命令。最终生成安全帽三维片体。
1.3 生成安全帽三维实体
（1）生成实体。单击“加厚”命令，实现对称加厚2mm。
（2）创建安全帽所需要的散热孔和安装帽衬孔。分别在XC-ZC平面和YC-ZC平面创建草图曲线。退出草图，单击“拉伸”命令选择已创建的草图为拉伸曲线，选择对称拉伸，在布尔选项框中选择求差，实现散热孔和帽衬孔的创建。
（3）创建帽顶的加强筋。单击抽取曲线，选择冒舌和冒身的交线。再在XC-ZC平面创建以交线为起点的加强筋草图。单击菜单栏中的“沿引导线扫掠”命令生成加强筋。
（4）创建帽檐边界轮廓。选择菜单栏中的“插入”→“来自曲线集的曲线”→“在面上偏置”命令，在“曲线”框中选择帽檐上边界，在“面”框中选择帽檐边，单击确定，生成帽檐边界轮廓。最终的效果形见图3。
图3安全帽实体
2 模具设计
2.1 模型准备
2.1.1 初始化项目
单击“注塑模向导”上的“初始化项目”图标,选取安全帽产品模型，在弹出的对话框中把材料设置为ABS，收缩率为1.006。系统会根据“配置”下拉列表框的选项自动加载装配文件，打开“装配导航器”装配树。
2.1.2 拔模分析
所设计的模具不能有倒拔模的现象，因此设计模具前必须进行拔模分析。在UG上方的工具栏区域右击“形状分析”命令，在弹出的工具条中选择“拔模分析”命令，在对话框中调整拔模角度为零度，查看Z轴是否与分型面垂直，分析结果表示坐标系不需要调整。
2.1.3 模具坐标系
通过“动态坐标系”调整WCS坐标系的位置，把把放到安全帽帽檐地面位置上，再在“注塑模设计”工具栏中单击“模具CSYS”，在弹出的对话框中选择产品体中心。
2.1.4 工件
单击“工件”图标，在“定义工件”选项中修改型芯、型腔高度，把起始改成20mm，结束改成160mm。
2.1.5 型腔布局
由于安全帽零件比较大，所以采用一模一件。
2.2 分型管理
2.2.1 创建补片
安全帽零件顶上的8个方孔通过曲面补片完成，把片补到安全帽外面，下面的四个圆孔通过UG上面的多边曲面补上，吧片补到安全帽里面，然后添加到现有曲面中。
2.2.2 分型
（1）单击“分型”按钮，然后单击“设计区域”按钮，对产品进行分型。选择“面”，再单击下面的面拆分按钮，把帽檐圆角部分分成上下两部分。在“区域管理”中把帽檐圆角部分的下部分分配给型芯，上部分分配给型腔；把帽顶的8个方孔分配给型芯，把下面的4个圆孔分配给型腔；再把剩下的未知面分配给型芯。
（2）单击“抽取区域及分型线”按钮，把“创建区域”和“创建分型线”勾选上，单击“应用”，创建完后单击“确定”。
（3）在UG上面单击“拉伸”命令，通过拉伸命令在帽檐分型线上创建一个曲面，然后在“分型管理器”中单击“创建\编辑分型面”选择“添加现有曲面”，把创建的曲面添加成分型面。
（4）在“分型管理器”中打击“创建型芯型腔”按钮，选择Cavity Region，单击“应用”，创建如图4所示型腔，再选择Core Region，单击“应用”创建如图5所示的型芯。
图4 型腔 图5 型芯
2.2.3 添加模架
单击“注塑模向导”中的“模架”图标，弹出“模架管理”对话框，选择细水口系统的模架，模架尺寸选择5050。再更改数据,move_open=0.7，fix_open=0.7，EJB_open=-5，AP_h=180，BP_h=50，单击“应用”，模架加载完毕。
2.3 添加标准件
2.3.1 定位圈
单击“标注件”图标，在弹出的“标准件管理”对话框，选择Locating Ring [With Screws],数据用默认的，勾选上“新建组件”，单击“应用”。 2.3.2 浇口套
在“标准件管理”对话框中选择Sprue Bushing，单击“尺寸”修改部分数据，RADIUS_DEEP=5，CATALOG_LENGTH=84，HEAD_DIA=50。单击“应用”。
2.3.3 浇口设计
因为是一模一件，所以采用点浇口。单击“浇口图标”，弹出平“浇口设计”对话框，选择类型pin point，尺寸BHT=45。单击“应用”，弹出“点”对话框，类型选择圆弧中心，把点定在浇口套下端圆心处，在弹出“矢量”对话框类型选择-ZC轴，单击“确定”。在“浇口设计”对话框中单击“重定位浇口”弹出“重定位”对话框在Z轴中输入-45后单击“确定”。
2.3.4 頂杆
在“标准件管理”对话框中选择Ejector Pin [Straight],修改尺寸CATALOG_DIA=5，CATALOG_LENGTH=400，单击“应用”弹出“点”对话框，类型选择光标位置，把点位置定在帽檐上，加载6根顶杆，位置选择合理推力均匀就可以。顶杆加载后，单击“顶杆后处理”图标。“目标体”选择加载的6根顶杆，工具片体为默认的，然后单击应用。这样就可以把顶杆修剪刀合适的长度。
2.4 抽芯机构
根据安全帽的形状和尺寸以及补片，我把帽顶的8个方孔用两个斜顶进行抽芯，下面四个圆孔用四个单斜导柱滑块机构进行侧抽芯。
2.4.1 设计侧滑块机构
把型腔设为工作部件，采用拉伸命令和修剪命令把滑块头分割出来，由于安全帽两侧的孔是斜的，未来加载的滑块机构不与型腔发生干涉，因此该两处的滑块头要加长一点。然后把top设为工作部件，单击“滑块及浮升销”图标，弹出“滑块/浮升销”对话框，选择Single Cam-pin Slide,在单击UG上的动态坐标系把坐标系定在滑块头上端中点处，把Y轴指向零件外面，再把部分尺寸数据修改下，然后单击“应用”。采用同样方法加载其他三个滑块机构。加载完后如图6所示。
2.4.2 设计斜顶机构
在“滑块/浮升销”对话框中选择Dowel Lifter,同样通过动态坐标系修改坐标系的位置后，修改一下部分尺寸，然后单击应用，单击添加加载另外一个斜顶。单击“修剪模具组建”图标弹出对话框中目标体选择两个加载完后的斜顶，工具片体默认，单击“应用”。修剪完成后的斜顶如图7所示。
图6 斜抽芯机构 图7 内抽芯机构
2.5 冷却系统
单击“冷却”图标，弹出“冷却组件设计”对话框。冷却系统加到型腔上，为了达到良好的冷却效果，添加了四根冷却管道。
2.6 建腔
单击“腔体”图标，首先建型芯及型腔的腔体：选择体选择动模板和定模板，工具类型选择实线，选择对象选择型芯和型腔，单击“应用”，建好后通过螺钉把型芯和型腔分别把动模板和定模板连接起来。再建其他组件的腔体：选择体选择需要建腔的零件，工具类型选择部件，选择对象为所加的组件，单击“应用”。做完上述全部步骤后的模具如图8。
图8 模具三维图
3 模具总装图
单击“开始”中的“制图”，再单击“装配图纸”图标。图纸如图9所示。
1.定模座板 2.水口推板 3.定模板 4.型腔 5.侧抽芯 6.斜导柱 7.动模板 8.垫板 9.动模座板 10.支撑板 11.推板 12.螺钉 13.推杆固定板 14.型芯 15.内六角螺钉 16.浇口套 17.主流道 18.浇口 19.冷却管 20、23.导柱 21、24. 导套 22.内六角螺钉 25.斜顶 26.推杆 27.回位销
图9 模具总装图
4 结论
通过UG NX6.0在产品设计和模具设计中的应用充分说明，借助UG软件可以很好的设计出一些曲面很复杂的产品，并利用其特殊功能展开自主设计开发。以此为基础，再对产品进行模具设计，大大缩短了模具的设计周期，提高了工作效率。本设计的特色之处在产品的曲面造型和模具的斜抽芯机构、内抽芯机构和脱模机构的巧妙设计。尽管由于资金所限，没有制造出模具和生产产品，但本文对于利用UG NX软件设计产品和模具的项目来说，提供了很详尽的方法和步骤，给出了有益的借鉴作用。
参考文献
[1] 吴纬纬，徐勤雁，谢黛.UG NX6模具设计技术教程[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2] 屈华昌，塑料成型工艺与模具设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3] 翁其金.塑料模塑成型技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[4] 肖义庆, 张斌, 杨文芬.GB2811-2007《安全帽》 GB/T 2812-2006 《安全帽测试方法》[M].北京：中国标准出版社，2007.
关键词：安全帽；UG建模；曲面造型；模具设计
项目简介：南昌航空大学第五届“三小”科技创新资助项目
1 利用UG NX6.0软件设计安全帽
1.1 创建曲线
（1）创建外轮廓线。单击菜单栏中的“样条”命令,方法选择通过点，阶次设置为5。分别在XC-YC平面和XC-ZC平面创建一条样条线。
（2）创建内轮廓线，单击样条设置如上，在YC-ZC平面以创建好的样条曲线为参照创建样条曲线。同理，在偏置YC-ZC平面80mm和-90mm的平面創建两条样条曲线。效果如图1。
（3）样条优化处理。选择已经生成的五条曲线，单击菜单栏中的“分析”→“曲线”→“曲率梳”命令，则生成曲线的曲率梳，适当调整曲线极点，优化曲线。再单击菜单栏中的“编辑”→“曲线”→光顺样条命令，调整光顺因子，进一步优化曲线。效果如图2。
图1 轮廓曲线 图2 优化后的曲线
1.2 生成安全帽三维片体
（1）创建辅助曲面。单击“拉伸”命令，分别向Z轴和Y轴拉伸片体。
（2）生成轮廓片体。单击“网格曲面”命令，以外轮廓线交点和内轮廓线为主曲线，以外轮廓线为交叉曲线，约束面选择拉伸片体，连续性为G1。
（3）优化曲面。为了消除“网格曲面”以点为主曲线所带来的收敛点，我们选择切除收敛点区域，而后再修补曲面。通过单击菜单栏中的“分析”→“形状”→“面分析”→“半径”选择曲面为分析曲面。
（4）生成轮廓片体后，再联合曲面功能中的“分割面”、“修剪的片体”、“偏置曲面”、“桥接曲面”、“网格曲面”等命令。最终生成安全帽三维片体。
1.3 生成安全帽三维实体
（1）生成实体。单击“加厚”命令，实现对称加厚2mm。
（2）创建安全帽所需要的散热孔和安装帽衬孔。分别在XC-ZC平面和YC-ZC平面创建草图曲线。退出草图，单击“拉伸”命令选择已创建的草图为拉伸曲线，选择对称拉伸，在布尔选项框中选择求差，实现散热孔和帽衬孔的创建。
（3）创建帽顶的加强筋。单击抽取曲线，选择冒舌和冒身的交线。再在XC-ZC平面创建以交线为起点的加强筋草图。单击菜单栏中的“沿引导线扫掠”命令生成加强筋。
（4）创建帽檐边界轮廓。选择菜单栏中的“插入”→“来自曲线集的曲线”→“在面上偏置”命令，在“曲线”框中选择帽檐上边界，在“面”框中选择帽檐边，单击确定，生成帽檐边界轮廓。最终的效果形见图3。
图3安全帽实体
2 模具设计
2.1 模型准备
2.1.1 初始化项目
单击“注塑模向导”上的“初始化项目”图标,选取安全帽产品模型，在弹出的对话框中把材料设置为ABS，收缩率为1.006。系统会根据“配置”下拉列表框的选项自动加载装配文件，打开“装配导航器”装配树。
2.1.2 拔模分析
所设计的模具不能有倒拔模的现象，因此设计模具前必须进行拔模分析。在UG上方的工具栏区域右击“形状分析”命令，在弹出的工具条中选择“拔模分析”命令，在对话框中调整拔模角度为零度，查看Z轴是否与分型面垂直，分析结果表示坐标系不需要调整。
2.1.3 模具坐标系
通过“动态坐标系”调整WCS坐标系的位置，把把放到安全帽帽檐地面位置上，再在“注塑模设计”工具栏中单击“模具CSYS”，在弹出的对话框中选择产品体中心。
2.1.4 工件
单击“工件”图标，在“定义工件”选项中修改型芯、型腔高度，把起始改成20mm，结束改成160mm。
2.1.5 型腔布局
由于安全帽零件比较大，所以采用一模一件。
2.2 分型管理
2.2.1 创建补片
安全帽零件顶上的8个方孔通过曲面补片完成，把片补到安全帽外面，下面的四个圆孔通过UG上面的多边曲面补上，吧片补到安全帽里面，然后添加到现有曲面中。
2.2.2 分型
（1）单击“分型”按钮，然后单击“设计区域”按钮，对产品进行分型。选择“面”，再单击下面的面拆分按钮，把帽檐圆角部分分成上下两部分。在“区域管理”中把帽檐圆角部分的下部分分配给型芯，上部分分配给型腔；把帽顶的8个方孔分配给型芯，把下面的4个圆孔分配给型腔；再把剩下的未知面分配给型芯。
（2）单击“抽取区域及分型线”按钮，把“创建区域”和“创建分型线”勾选上，单击“应用”，创建完后单击“确定”。
（3）在UG上面单击“拉伸”命令，通过拉伸命令在帽檐分型线上创建一个曲面，然后在“分型管理器”中单击“创建\编辑分型面”选择“添加现有曲面”，把创建的曲面添加成分型面。
（4）在“分型管理器”中打击“创建型芯型腔”按钮，选择Cavity Region，单击“应用”，创建如图4所示型腔，再选择Core Region，单击“应用”创建如图5所示的型芯。
图4 型腔 图5 型芯
2.2.3 添加模架
单击“注塑模向导”中的“模架”图标，弹出“模架管理”对话框，选择细水口系统的模架，模架尺寸选择5050。再更改数据,move_open=0.7，fix_open=0.7，EJB_open=-5，AP_h=180，BP_h=50，单击“应用”，模架加载完毕。
2.3 添加标准件
2.3.1 定位圈
单击“标注件”图标，在弹出的“标准件管理”对话框，选择Locating Ring [With Screws],数据用默认的，勾选上“新建组件”，单击“应用”。 2.3.2 浇口套
在“标准件管理”对话框中选择Sprue Bushing，单击“尺寸”修改部分数据，RADIUS_DEEP=5，CATALOG_LENGTH=84，HEAD_DIA=50。单击“应用”。
2.3.3 浇口设计
因为是一模一件，所以采用点浇口。单击“浇口图标”，弹出平“浇口设计”对话框，选择类型pin point，尺寸BHT=45。单击“应用”，弹出“点”对话框，类型选择圆弧中心，把点定在浇口套下端圆心处，在弹出“矢量”对话框类型选择-ZC轴，单击“确定”。在“浇口设计”对话框中单击“重定位浇口”弹出“重定位”对话框在Z轴中输入-45后单击“确定”。
2.3.4 頂杆
在“标准件管理”对话框中选择Ejector Pin [Straight],修改尺寸CATALOG_DIA=5，CATALOG_LENGTH=400，单击“应用”弹出“点”对话框，类型选择光标位置，把点位置定在帽檐上，加载6根顶杆，位置选择合理推力均匀就可以。顶杆加载后，单击“顶杆后处理”图标。“目标体”选择加载的6根顶杆，工具片体为默认的，然后单击应用。这样就可以把顶杆修剪刀合适的长度。
2.4 抽芯机构
根据安全帽的形状和尺寸以及补片，我把帽顶的8个方孔用两个斜顶进行抽芯，下面四个圆孔用四个单斜导柱滑块机构进行侧抽芯。
2.4.1 设计侧滑块机构
把型腔设为工作部件，采用拉伸命令和修剪命令把滑块头分割出来，由于安全帽两侧的孔是斜的，未来加载的滑块机构不与型腔发生干涉，因此该两处的滑块头要加长一点。然后把top设为工作部件，单击“滑块及浮升销”图标，弹出“滑块/浮升销”对话框，选择Single Cam-pin Slide,在单击UG上的动态坐标系把坐标系定在滑块头上端中点处，把Y轴指向零件外面，再把部分尺寸数据修改下，然后单击“应用”。采用同样方法加载其他三个滑块机构。加载完后如图6所示。
2.4.2 设计斜顶机构
在“滑块/浮升销”对话框中选择Dowel Lifter,同样通过动态坐标系修改坐标系的位置后，修改一下部分尺寸，然后单击应用，单击添加加载另外一个斜顶。单击“修剪模具组建”图标弹出对话框中目标体选择两个加载完后的斜顶，工具片体默认，单击“应用”。修剪完成后的斜顶如图7所示。
图6 斜抽芯机构 图7 内抽芯机构
2.5 冷却系统
单击“冷却”图标，弹出“冷却组件设计”对话框。冷却系统加到型腔上，为了达到良好的冷却效果，添加了四根冷却管道。
2.6 建腔
单击“腔体”图标，首先建型芯及型腔的腔体：选择体选择动模板和定模板，工具类型选择实线，选择对象选择型芯和型腔，单击“应用”，建好后通过螺钉把型芯和型腔分别把动模板和定模板连接起来。再建其他组件的腔体：选择体选择需要建腔的零件，工具类型选择部件，选择对象为所加的组件，单击“应用”。做完上述全部步骤后的模具如图8。
图8 模具三维图
3 模具总装图
单击“开始”中的“制图”，再单击“装配图纸”图标。图纸如图9所示。
1.定模座板 2.水口推板 3.定模板 4.型腔 5.侧抽芯 6.斜导柱 7.动模板 8.垫板 9.动模座板 10.支撑板 11.推板 12.螺钉 13.推杆固定板 14.型芯 15.内六角螺钉 16.浇口套 17.主流道 18.浇口 19.冷却管 20、23.导柱 21、24. 导套 22.内六角螺钉 25.斜顶 26.推杆 27.回位销
图9 模具总装图
4 结论
通过UG NX6.0在产品设计和模具设计中的应用充分说明，借助UG软件可以很好的设计出一些曲面很复杂的产品，并利用其特殊功能展开自主设计开发。以此为基础，再对产品进行模具设计，大大缩短了模具的设计周期，提高了工作效率。本设计的特色之处在产品的曲面造型和模具的斜抽芯机构、内抽芯机构和脱模机构的巧妙设计。尽管由于资金所限，没有制造出模具和生产产品，但本文对于利用UG NX软件设计产品和模具的项目来说，提供了很详尽的方法和步骤，给出了有益的借鉴作用。
参考文献
[1] 吴纬纬，徐勤雁，谢黛.UG NX6模具设计技术教程[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2] 屈华昌，塑料成型工艺与模具设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3] 翁其金.塑料模塑成型技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[4] 肖义庆, 张斌, 杨文芬.GB2811-2007《安全帽》 GB/T 2812-2006 《安全帽测试方法》[M].北京：中国标准出版社，2007.