Abstract This paper presents the development and application of a reciprocating fast-tool-feeding mechanism with elliptical cam drive for rapidly fabricating surface microtexture arrays. Four kinds of different drive-mechanisms involving piston-rod, eccentric-cam, swash-plate-cam, and elliptical cam are devised and analyzed. The elliptical cam is employed as the drive mechanism for the reciprocating feed-tool system. Its symmetrical structural design suppresses systematic vibration, allowing for stable high-acceleration motion, and a speed of response double that of the other tool systems. Finite Element Analysis (FEA) is conducted to predict weaknesses, potential deformation problems, and the resonant frequency of the developed mechanism. Tool trailing stress is derived from the relationship between cutting force normal to the shear plane as well as cutting depth. It is shown that the predicted cutting force fits the required work current. Experimental verifications involving microdimple array generation are implemented to verify the practicability of the feed-tool system. Experimental results demonstrate that a microdimple array of 12 × 34 is promptly finished at a drive-frequency of 10 Hz, workpiece speed of 1200 mm/min, cutting depth of 30 μm, and processing time of only 40 s. These approaches and conditions generated surface microtexture arrays with highly consistent micro features confirming that the developed reciprocating fast-tool-feeding mechanism is well suited to the high reproducibility of consistently precise machined dense microstructure arrays.

中文翻译：

---

使用椭圆凸轮驱动的快速刀具进给机构的新型表面微纹理阵列生成方法

摘要 本文介绍了一种用于快速制造表面微纹理阵列的椭圆凸轮驱动往复式快速刀具进给机构的开发和应用。设计并分析了活塞杆、偏心凸轮、斜盘凸轮和椭圆凸轮四种不同的驱动机构。椭圆凸轮用作往复进给刀具系统的驱动机构。其对称结构设计抑制系统振动，实现稳定的高加速度运动，响应速度是其他工具系统的两倍。进行有限元分析 (FEA) 以预测弱点、潜在变形问题和开发机构的共振频率。刀具拖尾应力源自垂直于剪切平面的切削力与切削深度之间的关系。结果表明，预测的切削力符合所需的工作电流。实施涉及微凹坑阵列生成的实验验证以验证进给工具系统的实用性。实验结果表明，在 10 Hz 的驱动频率、1200 mm/min 的工件速度、30 μm 的切割深度和仅 40 s 的加工时间下，可以快速完成 12 × 34 的微凹坑阵列。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。结果表明，预测的切削力符合所需的工作电流。实施涉及微凹坑阵列生成的实验验证以验证进给工具系统的实用性。实验结果表明，在 10 Hz 的驱动频率、1200 mm/min 的工件速度、30 μm 的切割深度和仅 40 s 的加工时间下，可以快速完成 12 × 34 的微凹坑阵列。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。结果表明，预测的切削力符合所需的工作电流。实施涉及微凹坑阵列生成的实验验证以验证进给工具系统的实用性。实验结果表明，在 10 Hz 的驱动频率、1200 mm/min 的工件速度、30 μm 的切割深度和仅 40 s 的加工时间下，可以快速完成 12 × 34 的微凹坑阵列。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实了开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。实施涉及微凹坑阵列生成的实验验证以验证进给工具系统的实用性。实验结果表明，在 10 Hz 的驱动频率、1200 mm/min 的工件速度、30 μm 的切割深度和仅 40 s 的加工时间下，可以快速完成 12 × 34 的微凹坑阵列。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。实施涉及微凹坑阵列生成的实验验证以验证进给工具系统的实用性。实验结果表明，在 10 Hz 的驱动频率、1200 mm/min 的工件速度、30 μm 的切割深度和仅 40 s 的加工时间下，可以快速完成 12 × 34 的微凹坑阵列。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。切割深度为 30 μm，加工时间仅为 40 s。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。切割深度为 30 μm，加工时间仅为 40 s。这些方法和条件产生了具有高度一致微特征的表面微纹理阵列，证实开发的往复式快速刀具进给机构非常适合始终精确加工的致密微结构阵列的高再现性。