深孔机床作为深孔加工中主要的加工设备，在制造业中扮演着重要的角色。其加工性能和加工精度对孔加工的质量影响至深。但是，深孔机床关键件（床身、主轴箱）或采用经验设计，或沿袭传统方法，或仿制国外产品，导致安全系数过于保守，零部件的体积粗大笨重，结构设计不够合理，从而直接影响到其动态特性和静态特性，也就直接影响机床的加工精度及精度稳定性。近年来，许多学者将结构拓扑优化方法引入到机床的设计与改进中，并取得了显著效果，但是在深孔加工机床中的应用研究较少，因此，将结构拓扑优化技术应用于深孔加工机床的研究具有重要的意义和应用价值。本文以Z8016深孔钻床的主轴箱和床身为研究对象，运用有限元分析和结构拓扑优化相结合的方法，对其进行了模态分析和结构优化设计。在分析之前，首先将模型在UG软件中进行了必要的简化处理，然后以IGES格式导入HyperWorks软件中。通过模态分析，分别得到了主轴箱和床身的低阶模态及其相应的振形图。基于变密度法的基本思想，针对主轴箱和床身分别建立各自的数学模型，并以HyperWorks/OptiStruct软件为工具，对其进行拓扑优化，得到了主轴箱和床身的材料最优分布图。最后根据低阶振型图及材料最优分布图，分别对主轴箱和床身进行结构重构设计。改进后的主轴箱结构，一阶固有频率提高了9.69%，质量减少了5.87%。改进后的床身结构，一阶固有频率基本保持不变，质量减少了11.22%。动态特性满足了设计要求，并实现了轻量化设计，从而为深孔加工机床中其他关键部件的结构优化提供了可借鉴的方法。