多轴加工中的刀轴优化问题是一个具有挑战性的课题,对加工的效率、质量起着极其重要的作用。现有的刀轴优化方法众多,主要针对刀轴光顺、刀轴优选方向和刀轴干涉避让等需求,但往往只能同时解决其中一到两个需求并且局限于刀具种类和曲面类型,难以满足复杂曲面加工中更高的刀轴优化要求。为解决以上问题,本文提出了一种统一的多目标刀轴优化框架以覆盖广泛的加工需求。该框架将众多的刀轴优化需求转换为优化模型的目标泛函或约束统一求解,其中刀轴光顺性和刀轴优选方向被转换成目标函数,刀轴干涉避让和刀轴方向限定转换为约束。采用了一种基于有限元离散的数值方法来对上述统一的刀轴优化问题进行求解。在四轴叶身粗加工刀轴优化案例中,刀轴可以用前倾角表示,优化模型可以转换为关于前倾角的优化模型,刀轴干涉避让可以转换为关于前倾角的不等式约束（边界约束）,然后用数值最优化方法求解。在优化求解时,前倾角的初始值设定为与刀轴优选方向一致,前倾角的可行域边界值通过基于刀具轮廓的过切检测方法计算得到。对四轴粗加工刀轴优化模型的求解,先采用有限元的方法对优化模型进行离散,然后用数值最优化方法SQP求解有限元离散模型得到满足刀轴光顺性和刀轴优选方向且无过切的四轴粗加工刀轴矢量场。在更复杂的应用案例五轴叶身精加工刀轴优化问题中,除了用前倾角和侧倾角表示刀轴外,还提出了一种基于固定B角的刀轴表示方法,用来缓解因机床旋转轴刚性弱造成的刀轴波动。刀轴干涉避让被转换为不等式约束,刀轴光顺性和优选方向作为目标函数。前倾角和侧倾角的初始值根据刀轴优选方向（和固定B角约束）决定,前倾角和侧倾角组合的约束范围通过刀轴分区投影检测的方法计算得到。对五轴叶身精加工刀轴优化模型的求解,优化模型的目标函数和约束均通过有限元方法离散转换,然后采用数值最优化方法SQP求解。然而由于模型高维度空间范围过大,SQP方法迭代收敛的速度缓慢并且容易陷入局部最优解。基于多重网格（Multi-grid,MG）算法,提出了一种似多重网格算法（Pseudo-Multigrid,PMG）来对高维度五轴叶身精加工刀轴优化离散模型进行求解。PMG算法时MG算法的简化版,该算法将刀具轨迹分为不同的区域然后分步迭代求解,达到了快速收敛的效果并且能够避免陷入局部最优解。为了验证上述四轴叶身粗加工和五轴叶身精加工刀轴优化算法的有效性,用实际工业叶片模型生成加工轨迹并进行了软件仿真和实际的加工验证。实验结果表明上述优化方法可制造加工质量令人满意的叶片工件。