基于电化学腐蚀与火花放电复合加工技术的微球面电极制备研究：分子动力学模拟与实验探索
本研究由中国山东大学机械与机电装备工程技术研究中心的李松松、彭传晓、刘勇、王侃、孔黄海、魏志远团队完成，其成果以论文“Molecular dynamics simulation and experimental research on fabrication of micro spherical electrode combined by electrochemical etching with spark discharge”的形式，于2019年6月10日在学术期刊 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 上在线发表。
一、 学术背景与研究目标
本研究的核心科学领域属于微细加工（Micromachining），具体聚焦于微工具电极的制备技术。随着微机电系统（MEMS）的快速发展，对具有特定几何形状的高精度微工具电极的需求日益迫切。传统的微工具电极多为圆柱、三角柱或针状，而具有球形末端的微电极因其在微细加工和微测量领域的独特优势而备受关注。例如，球面电极在电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）中能产生均匀的电场，从而加工出圆度好、无锥度的微孔；它也可用作微三坐标测量机的探针或用于电火花加工（Electrical Discharge Machining, EDM）微球模具。
然而，现有的微球面电极加工方法，如微车削、磨削、反拷贝电火花加工等，各自存在局限性：车削/磨削易产生使电极轴变形的侧向力；而反拷贝电火花加工或线电火花磨削则效率较低。针对这些问题，本研究团队提出了一种创新的复合加工方法：首先通过电化学腐蚀制备高同轴度的圆柱微电极，然后利用单脉冲火花放电熔化电极尖端，利用表面张力使其在去离子水中收缩形成球面。
本研究的主要目标包括：1）利用分子动力学（Molecular Dynamics）软件LAMMPS对火花放电形成球面电极的微观机理进行定性模拟；2）建立球形末端的能量模型，以指导加工参数选择；3）通过实验系统探讨电极极性、施加电压和脉冲宽度对球形末端直径与电极尖端直径之比（简称“直径比”）的影响；4）最终获得直径比大、同轴度误差小的优质微球面电极。
二、 详细研究流程
本研究包含三个紧密衔接的核心流程：分子动力学模拟、能量模型建立以及系列工艺实验。
流程一：分子动力学模拟揭示球面形成机理
此流程旨在从原子尺度理解火花放电如何促使电极尖端熔融并形成球面。研究团队使用了开源分子动力学软件LAMMPS进行模拟。 * 研究对象与模型构建：模拟对象为钨（W）电极。研究人员构建了一个直径为6.3纳米、长度为31.6纳米的圆柱形钨电极模型，共包含62,300个原子。为模拟放电过程，将电极顶部3纳米长度的区域设定为“放电层”，用于施加由火花放电产生的热量；电极底部一小段原子被固定以提供支撑；其上一段被设为“热沉层”，温度被重置至300K以模拟散热。 * 模拟方法与条件：原子间的相互作用采用适用于体心立方钨的Finnis-Sinclair势函数描述。模拟从300K的平衡状态开始。通过每50个时间步（1飞秒/步）将放电层原子的温度重标至目标温度（分别为5000K, 7000K, 8000K, 10000K）来模拟不同能量的火花放电加热。同时，每1000个时间步对电极顶部的原子进行重排，以观察形态演变。 * 数据分析工作流程：通过可视化软件追踪不同放电温度和时间下，电极尖端原子的位置和运动轨迹，观察熔融区域的形成、扩展以及最终形状的演化过程。
流程二：微球面电极能量模型的建立
为定量描述放电能量与最终球面直径的关系，指导实验参数优化，研究团队建立了一个理论能量模型。 * 模型基础与假设：模型基于从火花放电过程中采集到的实时电流-时间数据（如图7所示），通过积分计算总放电能量W。模型引入了几个关键简化假设：a) 放电能量适中，无原子从电极蒸发脱离；b) 采用面热源模型，电极尖端底部的最高温度T(t)可通过已知公式计算，且热量沿电极轴向线性递减；c) 总放电能量W与电极熔融部分吸收的热量Q呈线性关系（比例系数为k）。 * 模型推导过程：基于几何关系（如图8所示），球形末端的体积V可由其直径D或电极尖端直径d及熔融长度l表示。结合线性温度分布假设和钨的材料属性（熔点Tm=3683K，密度ρ，比热容c），通过对熔融部分微元进行积分，推导出吸收热量Q的表达式。最终，联立几何关系式、热量表达式及假设c，得到球形末端直径D与放电能量W之间的理论关系式：D = [12W / (kcρπ(T(t)+Tm-2Ta))]^(1⁄3)。该模型明确指出了放电能量W是影响球面直径的关键可控参数。
流程三：微球面电极的复合加工工艺实验
实验部分是本研究的验证与优化核心，分为两个主要阶段。 * 第一阶段：圆柱微电极的制备。以初始直径为500微米的钨丝为坯料，采用电化学腐蚀法加工出目标直径约30微米的圆柱微电极。钨丝接直流电源正极（阳极），带孔的不锈钢板接负极（阴极），在特定电解液中通过控制浸入深度、电压和旋转速率等参数，获得高圆柱度和同轴度的电极基底（如图2所示）。此步骤为本研究提供了高质量、可重复的加工起点。 * 第二阶段：火花放电成形球面电极。在未拆卸上述圆柱微电极的情况下，将整套装置移至火花放电系统。该系统以去离子水为放电介质，将圆柱微电极（接脉冲电源正极，即阳极）与不锈钢板（接负极）之间的间隙控制在1微米以内并施加电压，引发单脉冲火花放电。放电产生的大量热量使电极尖端局部熔融甚至部分蒸发；放电结束后，熔融金属在表面张力作用下于去离子水中冷却、收缩，最终形成球形末端（如图4所示）。 * 实验设计与参数研究：为探究工艺参数对球面质量的影响，研究团队设计了一系列单变量实验（实验参数见表1）。主要研究变量包括：1）电极极性（正极性/负极性）；2）施加电压（3-8V）；3）脉冲宽度（50-90μs）。每组实验后，使用扫描电子显微镜（Nova NanoSEM 450）和光学显微镜（Nikon SMZ1270）对成形的球面电极进行观察和尺寸测量，核心评价指标为“直径比”（m = D/d，即球面直径D与电极尖端直径d之比）以及同轴度误差。
三、 主要研究结果
各流程的研究结果相互印证，共同揭示了微球面电极的形成规律并指导了工艺优化。
分子动力学模拟结果：模拟清晰地再现了不同放电能量（以温度表征）下球面的形成过程（如图6所示）。当放电温度从5000K升至8000K时，更多的原子被熔化并参与形成更大的球形末端。然而，当温度达到10000K时，过高的能量导致大量原子蒸发脱离电极，反而仅剩少量熔融原子形成较小的球面。这一结果定性地证明了放电能量是形成球形电极的关键因素，能量过低则熔融不足，能量过高则蒸发过度，存在一个最优区间。
能量模型的理论指导意义：虽然模型在高度简化的假设下建立，但其核心结论——球面直径与放电能量的立方根正相关——为实验提供了重要方向。它提示研究人员需要通过控制放电能量（即调整电压和脉宽）来获得期望的球面尺寸。模型也隐含了能量过高的风险，与分子动力学模拟的发现一致。
工艺实验结果与讨论： 1. 电极极性的影响：在相同电压（5V）和脉宽（70μs）下，当电极作为阴极时，形成的末端呈圆锥形（图9a）；而当电极作为阳极时，则能形成规则的球面（图9b）。这是因为在电火花加工中，阳极吸收的热量通常大于阴极，因此作为阳极的电极能熔化更多金属，在表面张力作用下更易形成球形。 2. 施加电压的影响：固定脉宽（70μs）和阳极极性，电压从4V增至6V时，放电能量增加，熔化的金属量增多，球形直径增大，直径比随之上升（图10, 11）。但当电压升至7V时，过高的能量导致大量金属蒸发，仅有少量熔融金属形成球面，直径比反而下降。电压达到8V时，会发生剧烈的间隙击穿，电极严重损耗并变色（图12），无法形成合格球面。 3. 脉冲宽度的影响：固定电压（6V）和阳极极性，脉宽从50μs增加至70μs时，放电持续时间延长，总能量增加，有利于形成更大的球面，直径比增大（图13, 14）。但当脉宽超过70μs（如80μs、90μs）后，过长的加热时间同样导致能量过剩，蒸发加剧，直径比开始下降。 4. 最优结果：基于上述研究，团队确定了最优工艺参数组合（电极为阳极，电压约6V，脉宽约70μs）。在此参数下，成功制备出球面直径D为21.25微米、同轴度误差仅为0.9微米的高质量微球面电极（如图15所示）。此时，球面直径与电极尖端直径之比（直径比m）接近2:1，达到了显著的效果。
四、 研究结论与价值
本研究得出以下主要结论： 1. 成功利用分子动力学方法模拟了火花放电过程中微球面电极的形成机理，从原子尺度揭示了放电能量与球面形态的关系。 2. 实验证实，在火花放电成形阶段，将电极设为阳极更有利于形成规则的球形末端。 3. 球面直径比随着施加电压（3-6V范围内）和脉冲宽度（50-70μs范围内）的增加而增大，但超过临界值后因过度蒸发而减小。 4. 通过优化参数，能够稳定制备出直径约21.25微米、同轴度误差小于1微米、直径比接近2的微球面电极。
本研究的价值体现在： * 科学价值：将分子动力学模拟引入微细放电加工机理研究，提供了微观视角的理论支撑；建立的简化能量模型为理解工艺参数与加工结果之间的定量关系提供了理论框架。 * 应用价值：提出并验证了一种高效（结合了电化学腐蚀的快速制坯与单脉冲放电的精准成形）、低损伤（无宏观机械力）、高精度的微球面电极复合制备新方法。所获得的优质微球面电极可直接应用于微细电化学加工、微细电火花加工、微坐标测量等领域，提升相关微器件的加工质量与测量精度。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
论文还提及，在火花放电过程中使圆柱微电极旋转，有助于熔融金属在径向上均匀收缩，从而获得更好的同轴度。这一工程细节对保证最终产品的质量具有实际意义。此外，研究获得了中国国家重点研发计划、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金等多个项目的资助，体现了该研究方向的重要性和受支持程度。