月表高真空无水和复杂的温度环境,会导致钻探采样过程中钻头和月岩之间产生大量的热量,且热量无法及时扩散,进而加剧了刀具的磨损,导致钻头切削性能、使用寿命下降。目前PDC钻头多数采用标准圆柱形锋利齿,由于切削齿尖端存在应力集中和切削力波动行为,切削齿易于产生磨钝与断齿现象。切削齿的磨损主要集中在切削刃区域,使得切削齿失去了切削效率,最终导致用于岩石切削的能量急剧增加。据文献调研表明,PDC切削齿齿刃形状已经成为岩石切削的重要研究对象,它对减少切削齿的磨损、提高切削齿寿命至关重要。本文主要考虑圆弧形状切削齿对切削破岩的影响,研究了岩石切削过程中切削力、温度的变化规律、刀具磨损形貌以及岩石破碎机理。主要研究结论如下:(1)真空条件下的摩擦系数与切削齿上温度远高于环境空气条件,在大气条件下切削齿接触区域主要发生光滑磨损的过程,这种磨损模式通常是在均质地层中钻井时发生的,该地层具有较强的研磨性,经过抛光后的表面非常平整,而没有导致它在宏观意义上的断裂。而真空条件下,切屑塑性变形产生的热量和切削齿与切屑、岩石摩擦产生的热量大部分传递给切削齿,导致切削齿温度上升,在缺乏钻井液的条件下,真空中产生的热量无法及时扩散,加剧了切削齿的磨损。(2)通过仿真岩石切削过程,得到了不同弧形齿切削过程中温度与切削力以及岩石破碎的变化规律:锋利齿:切削齿峰值温度最高,作用力主要集中在前刀面接触区域,主要表现为切削作用,产生大块状岩屑;圆弧半径为0.2mm-0.5mm切削齿:齿上峰值温度较小,明显降低了齿上应力集中现象同时具有良好的切削性能,产生小块状岩屑;圆弧半径为0.8mm-1.5mm切削齿:切削齿进入剧烈磨损阶段,切削性能明显下降,破岩方式发生改变,产生粉末状岩屑。(3)切削刃半径可防止快速和不可预测的磨损,锋利齿切削过程应力分布较为集中,波动较大,易于产生崩齿;而合理半径的弧形齿可以提高切削齿机械强度,使得局部集中的切削应力分散,波动现象明显降低。特别是,从模拟中获得的结果已经证实存在最佳切削刃半径(0.2mm-0.5mm),从而减少了切削齿的断齿和磨损现象,并提高切削齿的使用寿命。