五轴数控加工有着加工效率高、精度高、加工范围广等优点,在具有高精度要求的复杂零件上的应用越来越广泛。五轴加工顺利进行的一个重要条件就是保证刀具与被加工件不发生干涉碰撞,而刀轴方向的确定很大程度上被刀轴可行域限制,因此求解刀轴方向的可行区域十分重要。针对当前可行域的求解过程复杂且计算量大耗时长等不足,本文依据加工工艺和几何特性对刀轴可行域的约束,提出了一种优化的刀轴可行域求解算法。然后将可行域的计算结果应用到五轴加工的刀轴优化中,分别考虑机床的运动学约束或刀具磨损情况来完成优化过程。求解刀轴的可行域主要包含以下流程:首先定义刀轴可行域的约束条件,遍历所有离散的刀轴方向,对符合约束条件的刀轴方向进行碰撞检测,不发生干涉的刀轴方向合集即为可行域。为提高计算效率,提出一种结合计算机图像处理技术的刀轴可行域边界更新算法,以前一刀触点的刀轴可行域图像为初始参考,对其边界的刀轴方向进行检测并更新,从而得出相邻下一刀触点的刀轴可行域。在计算出的刀轴可行域的基础上,可进一步分别根据不同目标进行刀轴方向的优化。为充分发挥机床运动学性能,进行机床运动学反解,基于有向图来优化刀轴方向;为提高刀具使用寿命,从几何层面分析刀轴方向对刀具使用区域的影响,基于遗传算法来优化刀轴方向。最后,对本文提出的算法进行仿真试验,并对优化结果进行对比分析,验证了本文提出的刀轴优化算法确实能高效解决干涉问题,并在此基础上分别成功应用于考虑机床的运动学性能和均匀化刀具磨损的刀轴方向优化。