针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题,提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时,充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题,实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先,通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达,并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差,以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性,建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型;其次,为实现对同步优化模型的求解,给出了基于序列逼近法的求解策略,以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法;最后,分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验,验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。