深孔加工技术广泛应用在能源采掘、航空航天、发动机制造、机床、汽车制造等产业领域中,深孔加工本身属于封闭或半封闭式切削加工,切削条件恶劣,加工过程中存在的断排屑、散热、钻头导向以及刀具磨损等问题,使得深孔加工一直是制造领域的难题之一。本文运用有限元设计理论和优化方法,对钻头结构进行了静力学仿真分析,对导向条和钻头刀体的优化设计进行了较为系统的研究。分析了BTA错齿深孔钻头的工作原理,研究钻头在钻削时刀齿和导向条的受力情况,建立了其力学模型。根据BTA钻头力平衡设计原理和稳定度设计原理,确定了钻头切削部分外刃、中心刃、中间刃错齿排布方案,给出了各切削刃的切削宽度和刀具角度等设计参数。研究了导向条位置角α、β对BTA钻头稳定度影响规律,获得了导向条位置角设计区间,为BTA错齿深孔钻头优化设计提供了依据。建立了BTA错齿深孔钻头的几何实体模型,根据钻头实际工况定义了钻头与导套之间的接触关系,给出了BTA钻头有限元分析模型的边界条件,对BTA钻头进行了静力学分析与接触分析,获得了钻头刀体的应力应变分布和变形情况。研究了钻头导向条与导向套接触应力随位置角变化规律,以最大接触应力为优化设计评价目标,对导向块位置角进行接触优化,获得了导向块周向最优配置角度。采用基于变密度法的连续体拓扑优化方法对BTA钻头刀体进行优化设计,讨论了拓扑优化设计的一般流程,根据BTA钻头功能要求,指定了BTA钻头的优化设计区域和非优化设计区域,运用ANSYS拓扑优化设计模块完成了BTA钻头刀体的优化设计分析,获得了优化区域相对密度云图,对低于设定密度阈值的区域进行了优化改进。有限元分析结果表明,优化后的钻头刀体最大应力基本保持不变,而排屑口截面积获得显著增大,提高了钻头的排屑能力。