探月三期工程的核心任务目标是获取长度约两米的月壤样品并返回地球。在月壤剖面中可能会夹杂着不同类型、不同尺度、不同硬度等级的月岩,当取芯钻头遇到岩石时,钻进负载会急剧增加,钻头的切削热也会急剧累积,若钻头的设计不当或钻进规程控制失调,可能会导致钻取采样装置钻进功能、取芯功能失效。在探月工程三期预先研究阶段优化形成的螺旋形钻头构型,对小尺度月壤具有较强的钻进和取芯能力,但岩石的钻进能力较弱。针对这一工程背景,本文提出了在螺旋形基体表面镶嵌CBN颗粒,在不损失其取芯能力的前提下,充分提高其对岩石的钻进能力。针对CBN颗粒对岩石的破碎作用机理,系统开展了CBN颗粒岩石切削力学模型的理论与仿真研究。调研分析了月岩的基本类型和主要物理特性,对地球岩石的主要物理力学特性以及岩石的可钻性等级进行了研究。建立了集中载荷、球形压头作用于岩石的受载应力状态分析计算模型;依据岩石的破坏强度准则,建立了CBN颗粒岩石破碎力学模型和仿真模型,为CBN颗粒在钻具上的合理镶嵌提供了初始依据。研制了表镶CBN钻头试验件,并对CBN颗粒在钻头表面的镶嵌形态、颗粒态钻头表面与岩石的有效接触面积以及当量螺旋面积下的钻压力分布进行了分析与计算。开展了钻头钻进岩石的过程、钻头碎岩能力、排屑运动和钻头的主要磨损因素的研究,为科学评估表镶CBN钻头的关键特性提供了评价指标。为了充分验证所研制的表镶CBN钻头的综合特性,研制了岩石钻进试验台,开展了正交实验,获得了回转速率、加载速率以及基体螺旋头数、CBN颗粒直径对岩石钻进负载的影响规律。研究结果表明,在螺旋型钻头基体上镶嵌CBN颗粒,使钻具获得了较强的岩石钻进能力。