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在机械制造领域，对于复杂自由曲面零件（如飞机发动机压气机叶轮、船用螺旋桨、汽轮机叶轮叶片等）的加工问题一直是研究的热点。加工此类复杂自由曲面零件的传统方法多为使用球头铣刀对锻件毛坯进行点铣加工。虽然点铣加工有应用范围较广、刀位规划较为简单等优点，但是其亦有加工效率低下、加工之后表面质量较差需要抛光等劣势。侧铣加工克服了点铣加工的缺点，但其多用于直纹曲面类零件的加工，并且在加工非可展直纹面时存在着原理性误差，这样就限制了其应用范围。通过对五轴侧铣加工非可展直纹面时刀具路径的生成与优化算法进行研究，可以在很大程度上减小误差。一些国外专业商业CAM软件已经实现了五轴侧铣加工叶轮，比如美国Concepts NREC公司的MAX-PAC软件中的侧铣加工叶轮模块MAX-5TM，其拥有专利侧铣加工算法，相对其他CAM软件的算法可以减小80%至90%的误差。因此，研究五轴侧铣加工算法对于提高我国自主的加工制造水平有着巨大的推动作用。本文针对五轴侧铣加工刀具路径的生成与优化展开研究，从侧铣加工中的微分几何入手，利用一种数值法生成了非可展直纹面初始的刀具路径，提出了一种加工过程中实际进退刀的刀路生成方法，并利用四元数插值和双参数球族理论产生了刀具包络面，根据点到曲面的有向距离函数计算得到了刀具加工包络面与设计曲面间的误差，讨论了刀具参数等对加工误差的影响。将在模型坐标系得到的加工刀位向加工坐标系映射，得到了在加工坐标系中的刀位，并进行刀位的后置处理和仿真加工，将确认无误的刀位在实际五轴数控机床上进行了加工，加工之后利用接触式测头进行了在机测量来检验加工的效果。为了进一步减小初始刀路导致的加工误差，通过优化距离函数对刀具路径进行整体优化，得到优化后的加工刀路。之后，分析了文中给出的一个非可展直纹面的扭曲特性，提出了对直纹面进行了分片加工来减小加工误差，并进行了仿真与实验。在本文的最后对任意自由曲面的侧铣加工算法进行了研究，利用自由曲面直纹划分算法对文中给出的一个Be′zier曲面进行了直纹化划分，生成了加工Be′zier曲面的侧铣刀路，并进行了实际的侧铣加工，同时利用商业CAM软件生成刀路进行了点铣加工，两者均实施了在机测量。通过测量结果可以看出，对自由曲面进行的直纹化划分和侧铣加工完全满足精度要求，提高了表面质量和加工效率。