近年来,光伏行业在诸多方面都取得了较大的发展,推动了相关产业,如硅晶制造、硅片切割行业的转型升级,光伏原材料硅片的需求量也有爆发式的增长。当前生产硅片行业应用最广泛、产能最高的技术手段是金刚线切割方法,但目前金刚线母线的制造还存在较大缺陷,力学性能和表面质量较差,当线材存在残余应力时很容易发生卷曲破断,给硅片连续切割加工带来很大影响。以往的研究表明超声振动拉拔方法在降低拉拔应力、均匀化残余应力和改善表面质量上都有较显著的效果,因此本文以实际拉丝生产工况为基础,设计了一种能够与拉丝机配合的超声换能器,从理论、仿真和实验等方面对拉拔力、圈径、表面质量、拉拔温度等关键参数进行研究,提出改善金刚线母线质量的方法。在拉拔的理论研究上,本文通过分解减径区的速度来计算各向应变率,进而计算变形过程中的内部变形能、摩擦能和剪切应变能,通过功率平衡方法计算出输入功率大小,从而得到拉拔主应力的计算公式;把减径区看作圆锥形热源模型,推导面热源传热公式,计算减径区各点的温升情况。使用软件对推导出的应力、温度公式进行数值分析,确定各参数的影响规律。建立拉拔加工区的有限元模型,以三种不同的加载方式进行接触仿真分析,获得拉拔应力应变、摩擦力和圈径信息,结果表明拉拔过程中同时发生弹性变形和塑性变形,塑性变形的值较大且不受超声振动的影响。整体上来说超声振动能够降低拉拔力、提高成型圈径,但在非理想情况下会提高摩擦应力。在丝材的减径区,温度从表面向中心递减,从减径区出口向入口递减,最高温度可达约90°C。设计了纵振超声换能器,进行了模态、谐响应和瞬态分析。测量了实体换能器的阻抗特性、频率特性和振速输出特性;将超声换能器装在拉丝机上进行了拉拔实验,并使用真圆度仪、热成像仪和扫描电子显微镜等仪器对丝材进行了检测,结果表明:超声振动能够明显降低拉拔力,略微增大圈径直径;换能器上温度主要集中在变幅杆前端和陶瓷与电极处,最高温度达不到50°C,不影响换能器的连续工作;超声振动能使丝材表面凸起变的均匀化,拉拔过程中的热效应促进了钢丝的氧化和模具上碳元素的渗透。