传统无缝钢管成型方法主要包括热挤压成形、冷压力成形、钻孔成形和离心铸造,但不同程度存在耗能高、材料损耗大、设备工艺复杂等缺点,且产品表面质量及使用性能有待进一步提高。在金属材料塑性成形的过程中施加超声振动,可以改善其力学性能、降低成形过程中的流动应力、减少摩擦磨损、提升零件表面质量、提高成形精度。目前超声振动辅助塑性成形技术已经应用到轧制、拉拔、拉深、旋锻等工艺中,并获得了良好的成形效果,成为金属塑性成形的研究热点。因此,本文提出在无缝钢管的成形过程中辅以适当的超声振动,以石油、钻探、锅炉等行业广泛使用的20钢为研究对象,利用实验和有限元模拟相结合的方法,研究20钢在超声振动下的力学性能表现以及超声振动对管坯成形过程的影响规律。基于材料万能试验机搭建了超声振动力学性能实验平台,研究了不同超声功率和应变率下的超声振动场对20钢力学性能的影响规律,建立了基于Johnson-Cook型的材料本构模型,结合实验结果进行模型参数识别并进行了相应的误差分析。力学性能实验结果表明在一定应变率和超声振动功率范围内,辅助超声振动场引发体积效应使得流动应力最大降幅可达10%。间歇加载超声振动的实验表明,超声振动只影响20钢成形过程,不影响其成形后的力学性能。基于DEFORM塑性成形有限元分析软件,建立了超声振动管坯挤压三维模型,结合所建立的材料本构模型,研究了超声振动场对管坯成形过程的模具磨损、应力和应变的影响规律。成形过程辅以超声振动引发了材料的表面效应,减小了模具与管坯之间的摩擦,降低了模具的磨损;对于Von Mises应变的大小和分布情况以及有效应力的分布情况几乎没有影响,但大幅降低了管坯的应力水平。利用研制的超声振动管坯挤压成形实验平台,研究了超声振动场对20钢管坯成形过程载荷-位移的影响规律,实验结果表明:加载超声振动后,成形载荷降幅可达11%～13%,且在模具位移速度较小时载荷更低。并对管坯内表面微观形貌进行观察,发现超声振动可改善其表面质量,并且在较大的进给速度下,效果更加明显。因此,本文的研究可为20钢无缝钢管挤压成形提供一种新型的成形方法,为建立其成套新工艺奠定基础。