趙 研 ，張叢珊 ，高 科*，張增增 ，趙大軍 ，李家晟 ，呂曉姝 ，3，平天才

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026；2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，吉林長春130026；3.阿爾托大學(xué)工程學(xué)院，芬蘭埃斯波00076；4.瀘西縣自然資源局，云南紅河州652400）

0 引言

由于PDC 鉆頭在軟至中硬地層鉆進時具有破巖效率高、使用壽命長、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點，在鉆井工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。而隨油氣勘探逐漸向深層推進，低滲透率和高能耗成為了影響鉆井效率的主要因素［1］。由于深部地層巖石的“三高”（硬度高、研磨性高、可鉆性值高）特征尤其顯著，使得鉆進效率大幅降低，鉆進成本明顯增加，這對PDC 鉆頭的各方面性能提出了更高的要求。尋求高效破巖新方法成為了深層油氣勘探和開發(fā)的迫切需求［2-3］，為克服鉆探新機遇帶來的難題，研究人員研發(fā)了多種新型PDC 新型鉆頭，例如復(fù)合PDC 鉆頭、仿生 PDC 鉆頭、PDC-牙輪混合鉆頭等［4］，然而上述鉆頭在復(fù)雜、難鉆地層鉆進時仍然存在一定局限性。針對我國深層鉆進開發(fā)不斷復(fù)雜化等情況，亟需發(fā)展新型有效提速降本的鉆井技術(shù)。

近年來，超聲波碎巖方式以其穿透力強、所需軸向力小、鉆進成本低等優(yōu)點而獲得了廣泛關(guān)注。超聲波振動碎巖技術(shù)是運用超聲波碎巖裝置將機械振幅施加至巖石，使巖石固有頻率（一般在20～40 kHz）和施加給巖石的機械振動頻率（可達20 kHz 以上）相等而破碎巖石，最終達到高效碎巖目的的新型鉆進技術(shù)［4］。鑒于超聲波碎巖具有獨特的破巖優(yōu)勢，長期以來大量學(xué)者對其進行了相關(guān)研究。2000 年初，美國國家航天局（NASA）研制出超聲波鉆探取樣器，并利用超聲波破巖進行外太空土壤、巖體、冰層的取樣。美國共振機器公司開發(fā)了利用巖石共振特性進行碎巖的新型設(shè)備，并且運用于實際工程建設(shè)中。隨后，我國也將此種技術(shù)運用于道路路面施工中，并取得了良好的效果。此外，我國學(xué)者進行了許多相關(guān)研究：黃家根等［5］分析了超聲波高頻旋沖擊機理，并建立了數(shù)值模型。研究發(fā)現(xiàn)，存在最優(yōu)振動頻率使振動效率最高。文杰［6］建立了巖石在超聲波激勵與沖擊復(fù)合作用下動力學(xué)模型，模擬分析巖石裂隙發(fā)育特征的影響規(guī)律。袁鵬［7］分析了超聲波振動時間對碎巖損傷影響的規(guī)律，并提出了超聲波振動時間閾值的概念。仿真分析得到，在試驗條件下，當超聲波振動時間處于15～20 min 時巖石模型單元破壞速度最大。尹崧宇［8］利用 ANSYS 與 MATLAB 軟件建立了超聲波載荷破碎花崗巖的數(shù)值模擬模型，討論了超聲波振動下花崗巖裂紋的變化特性，得到：當振動頻率與花崗巖固有頻率相同時，應(yīng)力、應(yīng)變達到最大值。Liu W 等［9］建立了 PDC 單齒回轉(zhuǎn)沖擊切削的三維有限元模型。討論了裂紋擴展、切屑形成、損傷演化、力學(xué)比能等問題。得到：在沖擊回轉(zhuǎn)切削時，硬巖更容易發(fā)生脆性破壞，并且回轉(zhuǎn)沖擊鉆進技術(shù)可以保護刀具使其不易受磨損，并提高了鉆進效率。李思琪等［10］應(yīng)用MATLAB 軟件對高頻諧波振動沖擊破巖進行了分析求解，結(jié)果表明，在高頻諧波振動沖擊作用下，破巖效率可比普通切削提高13.2%，并且當激勵頻率與巖石的固有頻率接近時機械鉆速也會隨之增長。

由于在面對復(fù)雜、難鉆地層時，單一的破巖方法已很難完全滿足高效、節(jié)能的破巖需求，因此本文將超聲波輔助碎巖方式與PDC 鉆進相結(jié)合，以提升巖石破碎效率，降低巖石破碎難度。然而，目前大多數(shù)關(guān)于超聲波碎巖的研究主要集中在破碎裂紋的產(chǎn)生與變化規(guī)律方面，對超聲波輔助PDC 切削齒振動碎巖過程中刀具的運動形式，以及動態(tài)破巖效率等進行的相關(guān)研究還比較少，關(guān)于超聲波碎巖的切削機理與切削力的變化規(guī)律與還未見研究人員進行相關(guān)討論。因此本文利用ABAQUS 軟件建立了超聲波輔助PDC 鉆進振動切削巖石的二維有限元模型，分析了不同超聲波振動頻率下PDC 鉆進破巖比功和切削力的變化規(guī)律與切屑形成過程，以達到提升破巖效率的目的。

1 超聲波振動高效破巖技術(shù)優(yōu)點

1.1 疲勞損傷累積快

超聲波振動具有高頻率、高振動力、低振幅的特點，在超聲波振動作用下，疲勞破碎起到輔助作用，巖石累積疲勞損傷的速度變快，在此過程中達到失效的作用時間短，巖石內(nèi)部存在的天然裂縫產(chǎn)生細小裂紋，快速延伸貫通，導(dǎo)致巖石突然斷裂而發(fā)生整體破壞，如圖1 所示。因此較一般破碎方式而言，超聲波載荷可以有效加快巖石破碎效率。

圖1 超聲波載荷沖擊作用下巖石裂紋發(fā)展示意Fig.1 Crack development diagram of rock under ultrasonic load impact

1.2 加載應(yīng)力波能量密度高

在超聲振動破碎巖石的損傷累積階段，每一次振動輸出的能量一部分以彈性波形式向外無用耗散，余下用于裂紋擴展和新表面的形成［8］。由于超聲波載荷具有超高頻特性，在破碎巖石過程中不斷對巖石施加周期性交變載荷，使每一次切削具與巖石接觸時的瞬時接觸應(yīng)力大、應(yīng)力波能量密度高，有利于超過巖石損傷的最小閾值，加速巖石裂紋產(chǎn)生、發(fā)展與合并。較常規(guī)切削，超聲波碎巖可以在巖石破碎過程中以更短的能量累積時間有效破碎巖石，使巖石快速累積損傷，以達到高效破巖的目的。

1.3 利用共振特性破碎巖石

完整致密巖石的固有頻率一般在20～40 kHz，而超聲波碎巖裝置施加給巖石的頻率可達20 kHz以上。因此，可通過調(diào)節(jié)超聲波碎巖裝置的參數(shù)達到巖石固有頻率，與巖石產(chǎn)生共振，使巖石內(nèi)部整體振動達到峰值，加速裂紋擴展。此時，巖石內(nèi)部破碎速度加快，強度降低，切削齒可在更小的切削力下破碎巖石，從而降低刀具磨損程度，提高破巖效率。另外，鉆頭的周期性振動還會影響鉆井液流動，使井底流場產(chǎn)生脈動效應(yīng)，迫使巖屑顆粒翻轉(zhuǎn)、流動，提高井底的凈化程度［11］。

2 超聲波振動切削數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)圣維南原理，巖石體積應(yīng)為PDC 刀具體積的5～10 倍，為保證計算準確性的同時減少計算時間，設(shè)置巖石幾何模型為100 mm×30 mm，PDC 刀具直徑13.44 mm，厚度8 mm。對巖石的左側(cè)與下側(cè)進行固定。模型網(wǎng)格劃分以四邊形網(wǎng)格為主，對巖石上部與刀具前端進行網(wǎng)格加密，其余部分采用稀疏網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型采用溫度-位移耦合，CPE4RT，沙漏控制縮減積分。模型共劃分為14953 個網(wǎng)格（15143 個節(jié)點）。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

使用切削具的線速度v可以消除口徑的影響，在模擬中可以用來代替轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)速n與線速度v的關(guān)系為：

根據(jù)公式（1），取切削速度1000 mm/s，切削深度2 mm，切削齒前傾角為15°，超聲波振動幅值固定為40 μm。巖石材料與PDC 切削齒材料主要物性參數(shù)見表1。

2.2 線型Drucker-Prager 模型

一個合適的塑性本構(gòu)模型是準確模擬屈服、硬化和破壞過程的關(guān)鍵。但由于巖石的脆性、各向異性、耐磨性、剪切伸長率等復(fù)雜的物理性質(zhì)，使得建立恰當?shù)膸r石的材料參數(shù)設(shè)定較為困難［12-13］。Drucker-Prager 模型反映了體積應(yīng)力對材料強度的影響，將偏應(yīng)力作為材料損傷的原因，并充分考慮到了井底巖石的顆粒性質(zhì)、巖石單元在受到剪切力時發(fā)生膨脹等影響因素，適用于模擬巖石切削。因此，本文選用Drucker-Prager 模型來評價巖石是否達到屈服狀態(tài)。

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Result of model meshing

表1 巖石與切削齒參數(shù)Table 1 Parameters of rock and cutting teeth

圖3 表示線型Drucker-Prager 模型的屈服面，所代表的屈服表達式為［14］：

式中：p——等效壓應(yīng)力，p=(2σ3+σ1)/3，MPa；β——投影在p-t應(yīng)力面上的線性屈服面斜率，通常指摩擦角φ，（°）；d——p-t應(yīng)力面上的線性屈服面在t軸上的截距，與材料的粘聚力有關(guān)，MPa；t——另一種形式的偏應(yīng)力，可以更好地反應(yīng)中主應(yīng)力的影響，其表達式為［15］：

式中：q——偏應(yīng)力，為等效應(yīng)力；r——偏應(yīng)力的第三不變量；k——三軸抗壓強度與三軸抗壓強度的比值，控制屈服面與主應(yīng)力的關(guān)系。

2.3 巖石損傷演化

巖石損傷的應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線如圖4 所示，虛線表示無損傷應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實線表示損傷后應(yīng)力-應(yīng)變曲線［16］。由于彈塑性材料存在各向同性硬化現(xiàn)象，巖石損傷表現(xiàn)為應(yīng)變軟化D-σ和彈性退化（1?D）E現(xiàn)象。當滿足下式時，破壞準則開始激活：

圖3 線性Drucker-Prager 模型屈服面Fig.3 Yield surface of the linear Drucker-Prager model

圖4 巖石損傷應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線Fig.4 Damage stress vs strain characteristic curve of rock

圖4 中D代表損傷因子，D=0 表示巖石第一次達到屈服面并開始失效，此時對應(yīng)的屈服應(yīng)力σy0為臨界屈服應(yīng)力，對應(yīng)的塑性形變?yōu)榕R界塑性應(yīng)變，在此階段，巖石的硬度隨的增加而降低；D=1 表示巖石能量釋放等于材料斷裂能，巖石單元完全失效，從巖體上脫落，此時對應(yīng)的塑性形變?yōu)閹r石完全失效時的等效塑性應(yīng)變。即，當?shù)毒唛_始切削巖石，巖石發(fā)生塑性變形，當塑性變形累積到一定閾值時，巖石發(fā)生破壞。一旦塑性應(yīng)變達到巖石的等效塑性應(yīng)變，巖石單元就會完全失效，從巖石上脫落［14］，用公式表達為：

2.4 破巖效率評價方法

破巖比功的概念最早由Teale［17］提出，是衡量鉆井效率的重要指標。破巖比功的概念為：破碎單位體積巖石所耗費的能量。破巖比功越低，破巖效率越高。其表達式為：

式中：MSE——破巖比功，J/m3或Pa；W——鉆齒所消耗的總功，J；V——破碎巖石的體積，m3；Fh——切削力，N；d——切削行程，m；A——切削面積，m2。

式（6）化簡了MSE的計算方法，因此本文以平均切削力與平均切削面積的比值作為評價PDC 齒切削效率的指標。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 不同激勵頻率對巖石破碎的影響

激勵頻率對超聲波振動碎巖效率有著重要影響，當激勵頻率達到或接近巖石固有頻率時，巖石會在外部的激勵下發(fā)生共振現(xiàn)象，在此時巖石極不穩(wěn)定，響應(yīng)的位移以及加速度最大，巖石最容易在輕易擾動下發(fā)生破壞［8］。圖5 所示為PDC 切削齒以1 m/s 的切削速度，分別以不同的超聲波振動頻率（20、25、30、35、40 kHz）切削巖石時破巖比功和切削力的變化情況。

圖5 不同振動頻率下的破巖比功與平均切削力的變化Fig.5 Rock breaking specific work and average cutting force at different vibration frequencies

由圖5 可以看出隨超聲波振動頻率的增加，破巖比功呈先下降后增加的趨勢。在振動振動頻率為25～30 kHz 時，破巖比功達到最小值。這是由于在振動頻率較低時，巖石表現(xiàn)為不受外在激勵或激勵頻率遠小于其固有頻率，此時巖石的振動幅值與常規(guī)PDC 切削區(qū)別不大，振動對巖石的動態(tài)響應(yīng)不明顯。由于超聲波振動無法起到使巖石達到共振的效果，這一頻率范圍又被稱為“準靜態(tài)區(qū)”或“剛度區(qū)”。在這一區(qū)域內(nèi)，振動系統(tǒng)的特性主要是彈性元件作用的結(jié)果［6］。在振動頻率較高時，由于巖石存在慣性影響，在高頻率下不能及時做受迫振動，因此在這一頻率范圍內(nèi)振動幅值同樣較小。當振動頻率處于25～30 kHz 附近時，激勵頻率與巖石的固有頻率接近，此時巖石的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)速度、加速度和位移幅值都達到了最大，其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變也達到了峰值，內(nèi)部裂紋擴展較快［16］。因此，超聲波破碎巖石在這一頻率范圍內(nèi)的破碎效率較高，可以起到有效加快巖石破碎的效果。在實際工程應(yīng)用中也應(yīng)通過實驗手段準確測得巖石固有頻率，并在鉆進時調(diào)節(jié)工具頭的振動頻率，使其與巖石固有頻率一致，從而讓巖石產(chǎn)生共振，達到高效碎巖的目的。

此外，不同激勵頻率下的平均切削力基本也與破巖比功呈現(xiàn)相同的變化趨勢，并且在25 kHz 時達到了最小值。這是由于在激勵頻率達到巖石固有頻率時，巖石破碎更為劇烈，此時裂紋的加速擴展使得巖石產(chǎn)生更多的脆性破碎，使得刀具在更小的切削力下可以破碎更多的巖石，在鉆進時所需的軸向力更小。有利于改善刀具的應(yīng)力狀態(tài)，減小刀具的磨損程度，提高刀具壽命。

3.2 超聲波振動切削與常規(guī)切削破巖機理比較

由于超聲波振動存在高頻低振幅特性，在宏觀上很難觀察到超聲波切削碎巖的過程。因此，取巖石模型0.1 mm×0.03 mm，分別取振動頻率25 kHz和不施加超聲波振動載荷，其余條件不變，在微米級層面觀察其切削機理。

超聲波振動一個振動周期內(nèi)巖屑形成示意圖如圖6 所示，一個切削周期內(nèi)位移與切削力變化對應(yīng)如圖7 所示。將一個振動周期內(nèi)切屑的形成分為4 個階段：a?b 階段為刀具由波峰移動至波谷的過程，與PDC 單齒切削相同，初始切削時刀尖與巖石接觸處產(chǎn)生較高的應(yīng)力，此部分巖石首先產(chǎn)生彈性變形，除前刀面不斷擠壓破碎巖石外，后刀面也對巖石會產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，在此過程中切削力不斷波動上升（圖6a、b）；b?c 階段為刀具從波谷移動至波峰的初始階段，此時刀具切削模式由后刀面擠壓巖石為主轉(zhuǎn)變?yōu)榍暗睹婕羟衅扑閹r石，刀具不斷上升前進，由于刀具上部致密巖石的壓實作用，巖石的內(nèi)能和應(yīng)變不斷積累，產(chǎn)生變形，導(dǎo)致切削力增長幅度大，達到一次切削過程中的峰值（圖6c）；在c?d 階段，由于巖石不斷受到上升刀具的剪切作用，巖屑沿應(yīng)力相等的剪切面產(chǎn)生滑移，大塊巖屑形成，切削力開始逐步下降，但由于刀具前刀面仍然存在殘余巖石未破碎，因此刀具在接觸下一個切削區(qū)域時會不斷產(chǎn)生小的應(yīng)力峰值（圖6d）；在d 階段后，前刀面巖屑全部切削完成，產(chǎn)生大塊巖屑，巖石中累積的能量被釋放，切削力下降為0，至此完成了一個正弦切削周期。

圖6 一個振動周期內(nèi)巖屑形成示意（μm 級）Fig.6 Schematic diagram of cuttings formation in one vibration cycle (μm level)

圖7 一個切削周期內(nèi)位移與切削力變化（μm 級）Fig.7 Displacement vs cutting force in one cutting cycle (μm level)

PDC 鉆頭在井下高速旋轉(zhuǎn)且處于高溫環(huán)境，使得常規(guī)PDC 齒在井下切削巖石的過程與金屬切削類似［18］。一個切削周期內(nèi)巖屑形成示意圖如圖8 所示。觀察圖8，巖石與刀具接觸部分首先會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，由于刀尖處巖石所受壓力最大，此時接觸點的高應(yīng)力使得巖石內(nèi)部出現(xiàn)開始彈性變形，隨切削齒不斷向前擠壓，巖石內(nèi)部的剪切應(yīng)力不斷增大，并且開始向外部延伸（圖8a）；在某一時刻，巖石的剪切應(yīng)力達到了屈服強度，巖石開始沿剪應(yīng)力相等的某一剪切面產(chǎn)生滑移（圖8b）；隨刀具不斷前進，巖屑逐漸形成（圖8c）；最后巖石以滑移變形方式形成巖屑，并沿刀具面逸出，開始下一個切削周期（圖8d）。

圖8 常規(guī)切削一個切削周期內(nèi)巖屑形成示意（μm 級）Fig.8 Schematic diagram of cuttings formation from conventional cutting in one cutting cycle (μm level)

通過對一個切削周期內(nèi)巖屑形成的分析可以發(fā)現(xiàn)，單齒PDC 切削的碎巖機理為：PDC 齒在軸向鉆壓作用下壓入巖石，在扭矩作用下向前移動剪切破碎巖石。在PDC 齒切削巖石初期，刃尖附近的巖石形成塑性區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，最先產(chǎn)生微裂紋；隨PDC 切削齒不斷向前移動，刃尖處的微裂紋不斷發(fā)展，向外延伸；當微裂紋發(fā)展貫穿至巖石自由表面時，剪切面形成，巖屑脫落，完成了一次剪切破碎。

圖9 為常規(guī)切削與超聲波振動切削的切削力對比圖。超聲波振動切削的平均切削力為0.0625 N，而常規(guī)切削的平均切削力為0.0792 N，切削力約減小20.5%。由巖屑形成過程分析可知，刀具在簡諧運動過程中更易產(chǎn)生大塊巖屑，使巖石發(fā)生脆性破碎。并且當超聲波振動的激勵頻率接近巖石固有頻率時，巖石的破碎速度加快，有利于裂紋的產(chǎn)生、擴展與貫通，減小了刀具受力程度，使得平均切削力偏低。另外，相比于常規(guī)切削，超聲波碎巖過程中切削力為零的階段更加明顯（圖9 圓圈部分），這主要是由于在切屑形成過程中的c?d 階段，刀具前刀面巖石形成巖屑的剪切面與刀具位移方向基本平行，導(dǎo)致刀具前方處于無殘余巖石的狀態(tài)，切削力保持為零。對于常規(guī)切削的切屑形成過程（圖8），一旦巖屑形成沿刀具前面逸出后切削力下降為零后刀尖馬上開始接觸余下部分的殘余巖石，開始下一個巖屑形成周期。因此在微觀層面，超聲波碎巖切削力為零持續(xù)時間相對于常規(guī)切削更久，從而有利于減輕刀具磨損，改善切削齒應(yīng)力狀態(tài)。

圖9 常規(guī)切削與超聲波振動切削切削力對比（μm 級）Fig.9 Comparison of cutting force between conventional cutting and ultrasonic vibration cutting (μm level)

圖10 為常規(guī)PDC 齒切削與超聲波振動切削未變形巖石的塑性應(yīng)變云圖。其中紅色區(qū)域代表最大塑性變形，此部分巖石產(chǎn)生了大變形與結(jié)構(gòu)破壞，由于其尺寸產(chǎn)生了較大變化，因此未形成大塊巖屑；圖中紅色區(qū)域包圍起的部分（圓圈部分）表示此處巖石塑性應(yīng)變?yōu)榱?，即尺寸與結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，為切削過程中產(chǎn)生的大塊巖屑。從圖中可以看出常規(guī)切削與超聲波振動切削的塑性應(yīng)變云圖差別顯著，在常規(guī)切削中產(chǎn)生巖屑體積較小，塑性變形更為劇烈，此時塑性破壞起主導(dǎo)作用，產(chǎn)生了更多的巖石變形與熱積累（圖10a）；而超聲波振動碎巖產(chǎn)生了大塊巖屑，表示此時在巖石破碎過程中脆性破壞起主導(dǎo)作用，巖石內(nèi)部塑性流動減弱，變形減少［19］，從而提高了破巖效率（圖10b）。

圖10 超聲波與常規(guī)切削塑性應(yīng)變對比云圖（μm 級）Fig.10 Comparison nephogram of plastic strain between ultrasonic cutting and conventional cutting (μm level)

綜上所述，超聲波振動破巖與常規(guī)破巖存在的不同之處主要表現(xiàn)在：

（1）當激勵頻率接近巖石的固有頻率時，超聲波振動切削的平均切削力較常規(guī)切削小20.5%。此時巖石內(nèi)部裂紋擴展速度加快，使得切削具在更小切削力的作用下可以破碎更大體積的巖石，從而保護刀具，使其不易被磨損。

（2）超聲波振動切削過程中切削力保持為零的階段較常規(guī)切削更明顯，這主要是由于刀具做簡諧運動時的上升階段，刀具前刀面巖石沿剪切面滑移形成巖屑，刀具前方處于無殘余巖石的狀態(tài)，使切削力保持在零的階段較長。

（3）切削過程中產(chǎn)生的體積破碎更多。由于單次超聲波振動沖擊力作用時間短，巖石的瞬時接觸應(yīng)力大［20］，宏觀層面裂紋不穩(wěn)定擴展、延伸、貫通，有利于裂紋的產(chǎn)生，從而加速了巖石破碎。

4 結(jié)論

建立了PDC 齒在不同超聲波振動頻率下的二維切削模型，得到了破巖比功和切削力隨超聲波振動頻率增長的變化規(guī)律；分析了超聲波輔助振動切削過程中切屑形成機理，將切屑形成過程分為了4個階段，并與常規(guī)切削進行了切削力、切屑形成過程、巖石塑性應(yīng)變云圖的對比。結(jié)果表明：

（1）通過施加不同的激勵頻率對巖石進行超聲波破碎，發(fā)現(xiàn)在頻率從20 kHz 至40 kHz 增長的過程中，破巖比功和平均切削力都呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢。這表明存在一個最優(yōu)頻率（本文為25～30 kHz 之間）使得破巖比功最小，破碎巖石的效率最高，此頻率與巖石的固有頻率相等。并且在此激勵頻率的作用下，平均切削力也達到最小值，從而減小刀具的磨損程度，提高刀具的壽命。

（2）當激勵頻率接近巖石的固有頻率時，超聲波振動切削的平均切削力較常規(guī)切削小20.5%，此時巖石內(nèi)部裂紋擴展速度加快，使得切削具可以在更小切削力的作用下破碎大體積巖石，從而保護刀具，使其不易被磨損。

（3）切削力為零的階段較常規(guī)切削更明顯。這主要是由于刀具做簡諧運動時的上升階段，刀具前刀面巖石沿剪切面滑移形成巖屑，刀具前方處于無殘余巖石的狀態(tài)，使切削力保持在零的時間較長。

（4）切削過程中形成的切屑體積更大，產(chǎn)生的體積破碎更多。由于單次超聲波振動沖擊力作用時間短，巖石的瞬時接觸應(yīng)力大，并且在超聲波振動過程中裂紋不穩(wěn)定擴展、延伸、貫通，有利于大塊巖屑的產(chǎn)生，從而加速了巖石脆性破碎。