拉拔是金属胚料在外加拉力作用下被迫穿过一系列孔径递减的模具以实现截面缩减、形状改变或性能提升的塑性加工方法,主要应用于金属棒、线、管材等工业原材料的生产。钛及钛合金作为新兴的战略金属材料,在国防工业和国民经济中具有广泛的应用前景。然而,钛及钛合金属于难拉拔材料,其传统拉拔工艺存在诸多弊端。传统钛丝拉拔一般在高温下进行,涉及复杂的热处理、润滑处理和表面处理,耗能大且污染环境。加工中存在拉拔力大、易断丝等问题,且产品尺寸精度低、表面质量差,难以满足工业需求。超声振动有利于降低拉拔力、改善模具与丝材接间接触关系、减少丝材产品表面缺陷和提高生产效率,是一种重要的塑性加工手段。因此,开展钛及钛合金丝的超声振动拉拔研究对提高钛丝生产效率及理解超声振动在金属塑性成型中的作用机理有重要意义。尽管在金属棒、线、管材拉拔过程中施加超声振动可以带来诸多好处,但对于超声振动的作用机理,当前的研究还不够深入,缺少拉拔力的完整、定量理论推导。本文首先基于球形速度场理论和上限法推导常规拉拔力的解析数学模型。然后,在考虑丝材柔性的基础上根据应力波理论探讨丝材与模具间的接触关系,将超声振动丝材拉拔过程归结为移动弦的受迫振动问题,推导其微分方程。然后,基于超声振动的应力叠加学说,结合数学物理方法、应力波反射与叠加理论、弹塑性力学等知识对弦振动方程进行求解,分析弦上张力的变化规律。在此基础上,根据模具与收丝端间距的不同,分三种情况对不同拉拔速度和模具振幅下超声振动拉拔力及平均拉拔力进行计算。结果表明:模具位置一定时,超声振动拉拔力随模具振幅的增大而下降,随拉拔速度的增大而上升;当拉拔速度与模具振幅一定时,拉拔力的降低幅度受模具与收丝端间距的影响:当其接近超声振动在丝材中传播的半波长时降幅最大;接近其1/4波长时降幅最小。为解决单模具超声振动拉拔中丝材与模具减径区表面无法分离的问题,提出双模具超声振动拉拔的方法。第一道次加工为第二道次提供反向拉拔力,从而降低第二道次丝材与模具间的接触应力和摩擦应力,进而实现丝材与模具的周期性分离。为验证第3章中理论分析的正确性和双模具超声拉拔方法的可行性,在考虑丝材弹塑性的基础上,按照实际丝材长度在有限元软件中建立细长钛丝超声振动拉拔的轴对称有限元仿真模型。单模具超声拉拔仿真结果与理论分析（仅指数学建模相关理论分析,后文不再赘述）结果基本一致,揭示了拉拔力降低的原因是丝材上的张力波动。在超声振动作用下,常规拉拔时的连续加工过程转变为超声拉拔时的断续加工过程。一个模具振动周期被分割为加工阶段和非加工阶段,两者的时间占比受超声振幅和拉拔速度影响。存在某一由模具频率、振幅决定的临界速度,当拉拔速度大于该值时,施加超声振动不再引起拉拔力的降低。模具与收丝端间距对拉拔力的影响也与理论分析结果一致。双模具超声振动拉拔仿真结果表明:双模具拉拔中,两模具间会发生耦合;除模具振幅与拉拔速度外,总拉拔力及两道次拉拔力的分配还受模具振动方式、模具位置及两模具相位等因素的影响;在一定位置分布和相位下可实现两模具间振幅的相互叠加或抵消;满足一定条件时,双模具超声振动拉拔可有效减小第二道次模具与丝材间的接触应力和摩擦应力,实现丝材与模具减径区表面的周期性分离。在前述理论与仿真分析的基础上,研制了用于钛丝拉拔的纵向超声振动系统。通过模态分析研究了前端质量负载、中部过渡圆弧对变幅杆振动性能的影响,固定方式对换能器及超声振子振动性能的影响。仿真结果表明:附加前端质量会大大降低变幅杆的一阶纵振频率;开设过渡圆弧可提高阶梯变幅杆共振频率;与自由状态相比,节面固定后换能器和超声振子的频率均略有提升。通过谐响应分析和瞬态分析对换能器和超声振子的频域特性和时域特性进行预测。对装配后两性能接近的振子进行振型检测和阻抗测试,并对其输出端及模具位置处的振幅进行测试。检测和测试结果表明:在同一电源驱动下,两振子可实现同步振动,但其振幅较其各自工作时有所降低,共振频率也有所偏移。搭建了单模具和双模具超声振动拉拔实验平台,研究了拉拔速度、模具振幅及双模具拉拔中两模具振动方式、位置分布、相位差对拉拔力的影响规律。对实验结果、理论计算结果和仿真结果进行对比,三者呈现很好的一致性,证明了理论分析和有限元仿真模型的正确性和合理性。利用扫描电镜对拉拔后的钛丝进行表面形貌检测,结果表明:提高拉拔速度和施加较小幅度的超声振动均有利于去除丝材表面缺陷;但当模具振幅超过某一阈值后,超声振动引起的丝材表面质量提升效果有所减弱;该阈值随着拉拔速度的增加而上升。