答辩博士：彭小敢
指导教师：李 亮 教授
论文题目：宽硬度域岩石振动钻探取样基础研究
答辩委员会：
主席：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
委员：何 宁 教授/博导 南京航空航天大学
武 凯 教授/博导 南京理工大学
丁文锋 教授/博导 南京航空航天大学
曾永彬 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陈 妮 讲师/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2020年6月17日14:30
地 点：腾讯会议
学位论文简介：
钻探岩石取样是小行星探测的重要任务之一。然而，受小行星空间环境和探测器能源供应系统的限制，钻探岩石取样活动必须在特定的钻推力阈值范围内和钻削效率下进行。此外，被采样岩石可能处于一个较宽的硬度域内。因此，如何有效地钻取岩石样品，尤其是硬岩样品，是小行星钻探岩石取样的难题之一。为此，本文在综合分析现有的深空采样方法和技术的基础上，提出小直径钻头振动钻削岩石的取样方法，并从自激振动钻削岩石和超声振动辅助钻削岩石两个方面展开基础研究。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
(1)钻取硬度值较高岩石的岩屑样品是钻取小行星岩屑样品中的主要难题，基于深空采样中钻推力阈值的限制和振动破岩的方法，提出小直径钻具振动钻削宽硬度域岩石的工艺方法。基于自激振动钻削和强迫振动钻削，开发了自激振动钻机和超声振动钻机两种轻量化原理样机。
(2)分析了常用的岩石硬度表征方法，提出采用普氏系数分类岩石的方法表征宽硬度域岩石的硬度范围，并将坚固性系数2≤fsc≤20范围内的岩石界定为本文宽硬度域岩石的范围。通过静载下钻削玄武岩的试验得出，在钻推力和转速较小的条件下，小直径硬质合金三角钻的钻深较大，采样率较高；而金刚石套料钻必须在钻推力大于最小临界钻推力的条件下才能钻进玄武岩。
(3)基于岩石的弹塑性本构模型，构建小直径硬质合金三角钻钻削岩石的切削模型。提出以单位力-采样率作为小直径钻削岩石工艺方法的综合性评价指标。研究表明，当每转进给量为特定值时，增大钻具结构系数KZS或减小横刃结构系数KHS，都可使硬质合金三角钻钻岩所需的钻推力增大；减小硬质合金三角钻的半刀片厚度w或半顶角p，都会使硬质合金三角钻钻岩所需的钻推力减小。
(4)提出小直径硬质合金三角钻自激振动钻削岩石的工艺方法。该方法利用在加工工艺系统中增加含有低刚度部件的自振式钻具，使得自振式钻具在某些工艺参数下产生低能量颤振，钻具周期性的冲击钻削岩石，提高钻具的钻岩能力。展开自振式钻具钻削玄武岩和红砖试验。试验结果表明，尽管其钻推力的幅值波动范围比常规钻孔钻推力的幅值波动范围大，但其平均钻推力却比常规钻削的小。在自激振动钻削中，增大自振式钻具的弹簧刚度，可提高自激振动钻削的稳定性。还可使瞬时钻厚的波动区间加大，从而增大自激振动钻削的钻推力的振幅。
(5)提出超声振动辅助(fz>2A)小直径硬质合金三角钻钻削岩石的工艺方法。该方法利用特制的超声振动刀柄，将超声振动叠加到普通钻削的轴向，实现超声振动辅助(fz>2A)钻削岩石。分析超声振动辅助钻削岩石的切削机理，分析了超声振动辅助钻削岩石过程中超声能量的传播。基于自制超声振动钻机，搭建超声振动辅助钻削岩石试验平台，开展超声振动辅助钻削砂岩、大理石和玄武岩三种典型岩石的试验。试验结果证实，超声振动辅助(fz>2A)钻削岩石，可以降低钻推力，提高钻进效率。通过对单位力-采样率分析可得，与常规钻削相比，超声振动辅助钻削方法在较宽硬度范围的岩石钻削中具有提高单位力-采样率的优势。
主要创新点如下：
（1）提出了小直径钻头振动钻削宽硬度域岩石的工艺方法，开发出自激振动钻机和超声振动钻机两种轻量化钻机的原理样机。
（2）构建了小直径硬质合金三角钻钻削岩石的钻削模型，推导出硬质合金三角钻的钻推力公式，获得了刀具结构参数对钻削推力、钻深的影响规律。
（3）提出了小直径硬质合金三角钻自激振动钻削岩石的工艺方法，构建自激振动钻削岩石的切削模型，得到了自激振动钻削岩石的特征和规律，采用频域解析法，获得了以转速和的刚度为坐标变量的稳态极限图。
（4）提出了超声振动辅助(fz>2A)小直径硬质合金三角钻钻削岩石的工艺方法，阐明了超声振动辅助(fz>2A)钻削岩石的破岩机理和能量传播机制。
