第14章　机床

第14章　机床

K.R.吉尔伯特（K.R.GILBERT）

机床是工业文明的基础，因为如果没有机床，许多生产过程中所用的机器和驱动机器的发动机就不可能制造出来。机床还能加工大尺度的金属件或对外形精度要求很高、手工无法达到的金属件，此外，有些加工过程采用手工在技术上虽说可行，但并不经济，而机床的高速运行可使这些过程在商业上变得可行。对不强调很高精度的木制品加工来说，采用机床加工的优越性主要体现在很高的加工速度上，还能大量节约劳动力。

机床的发明和发展是工业革命的一个重要组成部分。在蒸汽机、铁路、纺织和其他制造业的发展过程中都需要机床，而正是这种需求刺激了在我们讨论的这个历史时期机床的创造发明。在1775年，工业中使用的机床与中世纪时相比几乎没有多大进展。但是到了1850年前后，大多数新式的机床都已经被发明出来了。

这些值得注目的进展，主要应归功于一批英国工程师，虽然到这一时期临近结束时，英国的工业领导地位已转移到美国。在这些英国发明家“学派”的成员之间曾经存在的雇员—雇主关系，无疑在一定程度上加速了机床的发展。创造性的思想通过互相之间的接触得到激发，经验也不断地积累。图235为用图表形式反映的这一时期英国的机床发明者的相互关系一览表。

有关18世纪车工工场情况的描绘可见图版28，该图复制于1772年出版的狄德罗（Diderot）和达朗贝尔（d'Alembert）的《百科全书》（Encyclopédie）中的一卷。图中所示的位于工场后面的脚踏车床是当时的典型车床，这种车床自13世纪起一直在使用。一根绳索的一端系在车床顶部的一根弹性杆上，并在车床主轴或位于固定中心间的工件上绕1—2圈，绳索的另一端系于车床底部的脚踏板上。当脚踏板踏下时，主轴就被带着转动。切削工具被刀架托着，由车工将其对着工件实施操作。脚踏板一旦释放，弹性杆就恢复到起始位置。同时，工件作反向转动，切削工具也随之退出。随后，再重复这一过程。这种运作方式是间歇性的，所以工件几乎不可能得到精确的圆柱体。从16世纪开始，人们就已知道用曲柄和飞轮来实现连续回转，但按此原理运转的车床当时并未得到普遍使用。随着需要更大的功率和更高的速度，如图中显著位置所示的大转轮也开始使用。这种方法虽能实现连续回转，工具的控制和工件的加工精度却完全靠车工的技能来决定。当时这些车床都是木制的，金属仅用在中央部位和一些紧固件，车床的头架和尾架通常是用木楔固定在车床身上。然而，并不是说新式机床的发明就可完全取代更早期的装置。事实上，一些早期的装置，例如脚踏车床和落锤，仍在一些特殊的场合使用着。

某些装有许多不同节距规格的导螺杆的车床，可对主轴所夹棒料的伸出段进行切削。主轴在某个导螺杆的控制下，通过一个具有同样螺距的螺纹表面的轴承与丝杠相啮合，使得主轴水平地向前滑动。一种螺纹刀具紧靠着在主轴前方轧头里转动的圆棒，此时在圆棒上就会复制出螺纹来。一根长丝杠可切制出长度较短的一系列丝杠，丝杠也可用板牙或板牙架里的板牙绞手通过手工方法切削。在图版28中，挂在墙上的就是两个板牙架。然而，最初的螺纹丝杠却是在带有加工标记的圆棒上用手工费力地锉出来的（图213、图214）。

博尔顿（Matthew Boulton，1728—1809）在伯明翰的索霍工厂雇用了700—800名工人。他在1770年写道：“我有两台水轮机用于碾轧、抛光、研磨和车削各种板条。”在当时的机床一览表中，还应该增加落锤。一个重锤可以绕着一个枢轴转动，枢轴的支点位于从重锤的尾端起约为其长度四分之一的位置，由水轮机带动旋转的轴上设置的各凸轮的运动可将尾端压下。当重锤尾端从其中一个凸轮处脱开，重锤头就会下落，这样水轮的转动就能引起重锤的连续打击。接着的变化是当重击结束时，凸轮又能使重锤升起。

当时这种落后的设备状态在两个方面并不适用，有两个特殊领域使用了更先进的机床，分别就是装饰性车削加工和钟表制造（见第13章）。

在17世纪和18世纪，一些富裕的业余车工的兴趣导致了精巧的车床附件的发展，使用这些附件能切削加工复杂的式样和形状。例如，一种卡盘就被制造用于带着工件沿一种椭圆形轨迹运动。图236所示的是一台17世纪后期用于装饰性车削加工的车床，在对着皮带轮右边的玫瑰花形饰的控制下，主轴可作横向摆动，在卡盘中旋转的工件表面就能切削出相应的外形。在车床上配置滑动刀架附件大概在18世纪，原先车床的局部结构是木制的，但到了这时，全部使用金属使得车床结构的精度和刚度大大提高，某些具有很多装饰性车削加工功能的精心制造的车床也问世了。

在18世纪的上半叶，为了制作钟表中的均力圆锥轮，钟表匠们发明了几种螺杆切削装置。均力圆锥轮是双曲面形的钟表元件，上面要刻制出螺旋形槽纹。图版27B中所示的18世纪的装置，即为普通型均力圆锥轮加工装置的典型形式。切削头平行于被切削的丝杆移动，其横向移动则依靠一只与之联动的螺母，螺母旋于主轴的导螺杆上，此图版中所示的是普通丝杆而非均力圆锥轮。丝杆的螺距由联动中使用的杠杆来决定，移动杠杆支点就可调节丝杆的螺距。由蒂乌特（Antoine Thiout，1692—1767）于1741年描述过的一台装置有一只独立的导螺杆，通过一组齿轮将其与床头箱主轴相连接，齿轮组的轮速比决定了被车制的螺纹节距（图237）。

1671年，罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703）发明了一种车制钟轮的装置，用旋转的锉刀和铣削头来切削轮齿，然后再用手工锉出齿形。在某些后来的装置中，用铣削头就能直接切制出最终的齿形。轮齿的正确分度要用分度盘，为了能快速驱动，要在铣削头上增加一只手柄。1789年制造的这种类型的装置如图238所示。在某些装置里，切削头的轴能够倾斜，这样就可以切制斜齿。在兰开夏郡的钟表工具制造商威克（John Wyke，1720—1787）发行的带有插图的目录中，就展示了18世纪的钟表匠使用的大批各种手工工具和机床。

1765年，瓦特（James Watt，1736—1819）发明了著名的分离式冷凝器（边码182），但因资金不足，他花费数年才建成体现其设想的大型蒸汽机。即使在财务问题得到解决以后，他仍然需要克服缸体的精确镗孔这一难题。在纽科门发动机中，活塞与缸体的紧密配合并不是一件特别重要的事，但这对于瓦特发动机的正常工作来说却是必需的。因为缺乏精密的镗床，他的第一台发动机的缸体是用锡紧贴在硬木块上锻打而成，活塞与缸体之间的间隙尽可能用毡、纸、油布以及类似的代用品塞严。曾于1769年自己制造过一台镗床的斯米顿（John Smeaton，1724—1792）认为，制造瓦特发动机过于困难。镗制大型缸体的困难在于，当又长又重的镗孔工具通过缸体时会下垂而偏离基准。

然而在1775年，铁器制造商威尔金森（John Wilkinson，1728—1808）在贝沙姆制造了一台新型镗床，利用这一机器能镗出有足够精度的大型缸体。图版27A即为根据当时的记录复制出的这种镗床模型，目前这种镗床唯一保留下来的原始部件为一只15英尺长的镗杆。在右侧水轮的前方保留着斯米顿型的镗床，缸体被安装在一辆小车上，小车可以沿着导轨移动，其进给范围超过可转动的切削头。由于切削头重量的原因，切削主要在缸体的较低部位进行，加工时不必专门导向，按缸体毛坯所给的方向即可。一种纠正这种加工缺陷的方法是4次切削，每切削一次后，就将缸体转过90度。一个斯米顿镗床的模型如图239所示，该装置与早在1540年由比林古乔（Biringuccio）描述过的镗削炮筒的镗床非常类似（第Ⅲ卷，边码367）。

图版27A的左侧是威尔金森发明的镗床。巨大的驱动轮锁住镗杆的方形尾端，镗杆支托在两端的轴承上，模型上所示的被切开的缸体可靠地固定在托架上。切削头装在镗杆上并随之一起转动，通过一根杆件来实现沿着缸体的向前进给，杆件从空心镗杆中心下面通过，穿过一条纵向槽附在切削头上。为了防止杆件的另一端同时转动，使用了一根架在两根木梁上的横杆，杆件的这一端还要连在导轨上，进给依靠小齿轮与齿条的啮合由重力式杠杆获得。这台机器的优点在于通过在两端支撑镗杆并固定缸体，从而获得足够的刚性，这就使成功地开发瓦特发动机成为可能。在20年的时间里，瓦特所有的缸体都是由威尔金森铸造和镗孔的。从博尔顿在1776年写的赞扬文章中，我们可以顺带看出当时可以得到的精度。他写道：“威尔金森曾为我们镗削过几个几乎没有缺陷的缸体，他为本特利公司加工的直径为50英寸的缸体，其误差不到旧英币1先令的厚度……”然而威尔金森的发明是孤立的，他与其他机床制造商仅有的联系就是他的执行人曾雇用过罗伯茨（Richard Roberts）做制模工，这一点我们将在以后提及（边码428）。

下一步的进展则源于必须要设计出一种经济的方法来生产布拉默（Joseph Bramah，1748—1814）的专利锁。布拉默是约克郡一位农场主的儿子，富于创造性，拥有多项发明，包括水压机、改良型抽水马桶（图285）、木材刨床和钞票编号机等。1784年，他的一具非常成功的锁获得了专利，他把锁放在伦敦皮卡迪利大街的商店橱窗内展览，并贴出告示说：“哪位高手能制作一种工具，撬开或打开这具锁，只要制作出来就可获得200畿尼。”然而，尽管许多人都做过尝试，但直到1851年才有人赢得赏金，当时一名技工花了51个小时终于成功地打开了这具锁。此举足以证明这具该锁性能优良，但是它的结构非常复杂，必须通过一系列精心设计的机床才能令人满意而又经济地生产出来。

为了帮助制造这些设备，布拉默聘用了在伍利奇阿森纳工作的18岁的铁匠莫兹利（Henry Maudslay，1771—1831），一年之后他就成为主管。法里（John Farey）大约在50年后描述了布拉默工厂的情形：

这座隐蔽的工厂……拥有几台用于加工锁具零件的古怪的机器，这些机器从整体上来讲都具有完美的工艺技术，而在当时据知并没有类似的技术方法。这些机器是由已故的莫兹利先生亲手制造的，当时他是布拉默的总领班……前面提到的这些装置用于切削柱体内的凹槽以及钢盘上的凹口……钥匙和钢滑尺上的凹槽用其他的机器切制，这些机器上装有测微螺旋，以保证每把钥匙的凹槽与滑尺上的开锁槽形状吻合。

布拉默把铣削头装在车床的主轴上，工件则紧夹在分度头的衬套上，衬套装在车床床身上的快速夹台钳中。这些装置已被保存在伦敦科学博物馆内，被一起保存的还有锁芯柱锯槽机和弹簧卷制机。弹簧卷制机是在螺纹切削车床的基础上制成的，它有一只滑动刀架，由导螺杆牵引，可沿车床床身的全长滑移。导螺杆通过床头箱中的变速齿轮驱动，通过变速齿轮可以改变床头箱转动与刀架移动之间的相对速度，这样就能制造出不同节距的弹簧。这一装置并没有切削工具，而是由刀架带动一卷钢丝夹在两中心之间的一根轴上。这种机器是莫兹利螺丝车床的先驱，如图版25A所示。

1797年，莫兹利因提出增加工资遭到拒绝而离开布拉默，并用自己的账户开设公司。他的公司获得了成功，在整个19世纪占据领先地位。1804年，朴次茅斯造船厂的前制图员菲尔德（Joshua Field）前来加盟，并成为莫兹利的合伙人，后来公司就一直沿用莫兹利父子及菲尔德公司（Maudslay，Sons and Field）这一众所周知的名字。另外，莫兹利通过他的学生和工人对工程技术产生深远影响，这和他对工程实践所作的直接贡献一样重要。他与其他重要发明家的核心关系如图235所示。

对于多数用于切削的机床来说，都要求工件和工具或两者均作直线或旋转运动。因此，在车床上车制圆柱体时，切削工具平行于旋转工件的轴线作直线运动；进行镗孔时，旋转的切削工具穿过静止的工件作直线运动；进行铣削时，工件垂直于转动的工具轴线作直线运动。机床运动部件的直线运动，受到两个相交平面的控制。这样，要在车床上切削出准确的圆柱体，必须保证切削工具的正确移动，而这是由两个平面来引导的。因此，机床加工产品的精度是由机床自身的导向平面的精度决定的。

机床的另一个重要部件是丝杠，因为通过丝杠能使旋转运动变为直线运动。这样，车床中切削工具的运动可通过导向丝杠与工件的旋转运动相联系。丝杠被用作机床移动部件的正确定位和调整，也是千分尺的一个重要元件。很明显，如果丝杠仅用于夹持，就没有必要制造得十分精密。

莫兹利在工程实践方面有许多显著特点，包括精确平直表面的加工、滑动刀架的使用、全金属结构的采用以及精密丝杠的加工。据内史密斯（Nasmyth）所说：

鉴于那种标准面的重要性，促使他（莫兹利）把许多标准面放在工人们身旁的工作台上，便于他们及时方便地测试工件。每种工件同时生产三个，以便通过相互摩擦，磨平其表面的凸出部分。当其表面非常接近真正的平面时，再用硬钢刮削器仔细除去剩余的微小凸点，直到最终确保达到标准的平整表面。把它们放在一起时，它们会悬浮在彼此间的一薄层空气上，直到施压或静止一段时间让这些空气排出为止。它们相互之间紧密地贴附着时，仅能通过滑移才能使其彼此分离。我相信这种生产绝对平直表面的技艺是一种很古老的“窍门”。但是，随着莫兹利雇用的工人们的使用，这种技术对提高生产出来的工件质量有很大的作用。它可用于滑阀表面的加工，或其他任何需要绝对平直的表面才能获得最佳结果的地方，不仅提高了机械制造的水平，而且还培养了工人追求一流工艺水平的兴趣。

加工三个表面并使它们相吻合是有缘由的。若仅为两个表面，则其中一个可以是凸的而另一个是凹的，再有第三个表面，要使其表面与其他两个均能配合一致，则这三个表面必须都是平的。

已知最早的滑动刀架的图示见于约1480年的德语原稿，即瓦尔德堡的《中世纪的家庭读物》（Mittealterliche Hausbuch）中。图中的刀架是单独画出的，并未安装在车床上，也未作解释。在18世纪，滑动刀架用于装饰业的车床上。1745年前后，沃康松（Jacques de Vaucanson，边码384）制作了一台车床，能车削长达1米的工件，其刀架下部有两个呈90度的V形槽，并滑配在两根正方形截面的杆上，沿车床的全长滑动。然而，内史密斯在1841年为布坎南（Buchanan）关于铣床的著作编写的附录中，将滑动刀架的发明归功于莫兹利，很明显他是把该项发明看作同时代从事实践工作的工程师们所为。

在车床上利用导螺杆切制螺杆，正如前面已经提到的，可见于均力圆锥轮机械中。1569年，这一概念的原形在贝松（Besson，第Ⅲ卷，图217）的著作中出现过。实际上，带有两根导螺杆和全套变速齿轮的螺杆切削装置，早在15世纪就由达·芬奇（Leonardo da Vinci）设计出来（第Ⅱ卷，图598），只是一直没有实践结果，因为他的设计图在400年里从未发表。形式上与莫兹利的装置类似的螺杆切削车床，分别于1795年由法国人塞诺（Senot）和1798年由美国人戴维·威尔金森（David Wilkinson）制造成功。虽然不能再坚持莫兹利是带有滑动刀架、导螺杆和变速齿轮的螺杆切削车床的唯一发明者这种说法，但还是可以认为他有功于把这些发明成功地引入工程实践。

莫兹利原始的螺杆切削车床上并没有齿轮，这些齿轮可能安装在右边的三根轴上（见图版25A），这样就将导螺杆与床头箱连接起来。由导螺杆驱动的滑动刀架，在两根三角形截面的杆件上移动。值得注意的是，这种车床完全用金属材料制造，标志着在金属切削机床的结构中不再使用木材。莫兹利为布拉默制造的机床采用了木制框架，但在随后制造的机床上全都采用了金属，从而大大改善了机床的刚性和精度。从此，机床的制造都普遍使用金属，甚至制造大型的机床也是这样。

莫兹利对最初的精密丝杆螺纹的车制极为关注，最终采用的方法是将一根硬木圆柱置于相配的托架里转动，在其对面一把月牙形刀具斜对着其轴线。刀具切进圆柱能使其横向运动，从而制成一根可用钢制材料复制的丝杠。莫兹利用一根精确加工的丝杠制作了一架台用千分尺，其精度可达0.0001英寸，并把它作为车间的标准量具使用。他还改进了丝攻和板牙系统，对车间里所用丝杆的螺距和直径也实施了标准化。他同时认识到锐角是使铸件变得脆弱的一个原因，因而引入了铸件型腔边角倒圆的实用方法。

莫兹利成为台式发动机——一种在工厂里固定使用的动力装置——以及船用发动机的主要生产商，但他的第一个重要订单是建造一座完整的机床制造厂，即著名的朴次茅斯滑轮组机械制造厂（Portsmouth block-making machinery）。

18世纪末，塞缪尔·边沁爵士（Sir Samuel Bentham，1757—1831）担任了海军工厂的总督察。在伍利奇兵工厂作为海军实习生接受完培训，并在海上工作了一段时间后，他被派往北欧港口访问，最后在俄国找到了一个职位，担任军事部门的海军工程师和建造师。1791年，他又回到英国并受聘于英国海军部。他建议在造船厂引进节省劳动力的机械设备，对使用机械进行木材加工中遇到的问题进行了研究，并把结论收进他这1793年获得的综合专利中。这一专利的内容包括利用回转切削头“对木坯件的几个边同时进行切削”的刨床，利用锥形切削器预制榫头，以及薄板切割机、凿眼机和制模机等。

塞缪尔·边沁特别关注滑轮组生产的组织问题，英国海军部每年需要10万件这种滑轮组。当时这些装置的生产成本高昂，因为除了先用圆锯进行粗加工除去树皮并在车床上刻槽以外，其余的所有加工过程都是通过手工进行。1801年，布律内尔（Brunel）带着一份加工方案来找塞缪尔·边沁，塞缪尔·边沁认识到这份方案比自己的要好，便毫不考虑自身利益地向英国海军部提出接受布律内尔的建议。

马克·伊桑巴德·布律内尔爵士（Sir Marc Isambard Brunel，1769—1849）生于诺曼底，在法国大革命之前一直是海军军官。大革命爆发后，由于同情保皇派，他成为一名逃亡者，最先去过美国，后来又到了英格兰。他拥有多项发明，但最著名的成就是建造了第一条泰晤士河隧道（边码449，463，图版32A）。他是著名的造船师、造桥师和铁路工程师I.K.布律内尔（I.K.Brunel）的父亲。

布律内尔设计的滑轮加工机械由莫兹利制造，莫兹利无疑对装置的设计作出了贡献。这项工程具有历史意义，因为它是将机床应用于大规模生产的最早的例子。1808年，工厂在朴次茅斯全面运作，每年生产1.3万套滑轮组。采用这种机械，10名非熟练工人可以完成以前110名熟练工人的工作，每年估计支付的成本费用为5.4万英镑，可为英国海军部节约1.7万英镑，布律内尔的酬金即是一年节约的金额。首次建立起来的朴次茅斯滑轮组制造厂是当时机械化的一个奇迹，幸运的是当时关于该厂的非常全面的介绍记载在里斯（Rees）的《百科全书》（Cyclopaedia）中。这些装置的设计和制造非常精良，其中有若干台持续使用了145年。它们中更有意义的几台样机已经被保存起来。

由于制作的滑轮组有3种规格尺寸，所以针对特定流程的加工装置也有2—3种规格。总计有43台装置被用来执行从原材料到最终的滑轮组成品的必要加工过程，只是不包括最终的装配和抛光。它们是通过顶部的轴系由30马力的蒸汽发动机驱动的。将圆榆木用往复锯或旋转式圆锯锯切成合适的长度，这是外形预制的第一个阶段。圆锯锯木机被设计成锯子能够绕着圆木加工，因此能锯开直径几乎与圆锯相等的圆木，然后将这些木块在圆锯工作台上粗加工成形。接着把木块置于钻床上，同时钻出两个成直角的孔，一个是滑轮的轴孔，另一个是滑轮的榫眼。在钻床上夹住木块的操作能在上面产生一些压痕，这些压痕供在以后的加工装置上作正确定位之用。把木块置于开榫机上切出滑轮上的榫槽，然后再转到成型机上，制成滑轮的外表面，再用划线机在滑轮表面切出容纳绳索的绳沟。最后，这台设备的旋转刀头装在一个由模板导向的回转机架内，这样一来，对于部分操作员而言，不需要任何技能训练就可用刀头刻出所需的绳沟。

如图版26A所示的装置能同时在两个木块上切制出榫槽，其主轴转速为400转/分，能把往复运动传递给凿刀，凿刀上带有凸出的舌片以清除木屑。一只由主轴上的凸轮推动的棘轮与导螺杆上的齿轮啮合，每切削一次，导螺杆就将木块夹持器向前推进一次。当到达设定点后，棘轮机构就自动脱开，加工过程即告结束。这种装置即为最早的制榫机，也是插床和立式牛头刨床的原型。

同时一次可对10个木块进行表面成型的加工装置如图版26B所示。木块被安装在滚筒里，当其旋转时切削头由模板导向移动并横切其表面。所有木块同一时刻针对其中心的轮转分度可由锥齿蜗轮传动机构确定，而锥齿轮和蜗轮是装在由中心冕状轮驱动的径向轴上。当木块转过90度，选择另一个模板，木块就处于一个新的位置。这一过程持续下去，直至四边都已成型。

在滑轮的制作过程中，需要在修圆机上将一片铁梨木修成圆形并在上面打孔，这个过程通过一对同轴运转的圆锯和钻头来完成的。然后，在带有动力驱动的横向滑板的特殊车床上对滑轮开槽并车光。再利用铣床在滑轮内侧铣出三个与金属衬套相配合的凹槽，这种铣床是为此目的专门设计的。另外，还有其他一些装置用来切削和抛光轴销。

曾经为莫兹利工作过的著名工程师有罗伯茨、内史密斯和惠特沃思（Joseph Whitworth）。罗伯茨（1789—1864）出生在威尔士中部的卡雷福法村，年轻时在采石场工作，但到20岁时又去了威尔金森的布拉德利钢铁厂。在干了多种不同的岗位后，他被莫兹利雇用了两年做车工和装配工，然后于1814年在曼彻斯特开创了自己的事业，最初的装备包括一台手动车床和一台钻床。

1817年，罗伯茨设计并制造了如图版24C所示的车床，它的特色是床头箱带有倒车齿轮装置。为了能直接驱动，有4挡速度的宝塔皮带轮与销在床头箱主轴上的正齿轮相连接，但当慢速运转时，要将它们从主轴上脱开。然后再连上中间轴，这样皮带轮就可以通过两对齿轮驱动床头箱。这种车床的另一特色是它的能在一根长丝杆的控制下横向运动的自动刀架，这根丝杆由主轴通过横向变速齿轮、倒车伞齿轮和分离齿轮来驱动。当时一般的滑动刀架是夹紧车床床身所需位置上的独立设备，在不重新调整位置的情况下只能在由它的短丝杆控制的范围内对工件进行车削加工。在这种车床中，导螺杆不是用于螺纹切削，而是用来辅助常规切削。进给齿轮由带有7条销齿环的分度盘组成，销齿与在主轴尾端上滑动的小齿轮相啮合。松套在导螺杆上的两个伞齿轮中的任何一个，都可以通过离合器与进给齿轮连接。离合器是通过杠杆和一根穿过刀架并在车床整个长度范围内移动的拉杆来操纵的，当刀架到达需要横向传送的终点时，拉杆上的一个挡块能使刀架与离合器脱离。同年，罗伯茨设计了一台刨床，这将于后面再作介绍。

1821年，罗伯茨宣称自己是螺杆和分度盘的制造者，他制作的正齿轮、伞齿轮和蜗轮的直径可达30英寸以上，这些齿轮用铣刀头进行切削。菲尔德在各地游历的过程中访问了罗伯茨，正如菲尔德在日记中所述：“他拥有优良的车床、螺杆加工装置和切削装置，他用切削装置加工了大量棉纺机上使用的黄铜和铸铁轮。他的装置能把轮子夹持在车床上，但不转动，再顶紧轴杆上的套环中心。他的切削头由车成齿形的钢盘制造……”

罗伯茨是一位多才多艺的发明家，他最大的成就是设计了能使精纺机自动运行的机械（图159，边码289）。他发明的机床包括冲孔机，用于在熟铁板上冲出有精确间距的孔。这种机器制造于1847年，旨在满足梅奈海峡铁路桥建设者们的需要（第Ⅴ卷，第21章）。罗伯茨的商业才能欠佳，与他在机械方面的才能极不相称，这使他最后在贫穷之中死去。这一点不像本章中所述的其他一些著名的机床发明家，他们在财富方面都获得了成功。

内史密斯（1808—1890）生于爱丁堡，他的父亲是一名画家、园艺家和工程师。他受过中学教育，并利用他父亲的工厂提供的机会制作了蒸汽发动机的样机。21岁时，他在机械技艺方面的兴趣使他申请了莫兹利工厂的职位，担任了两年的莫兹利的私人助理。

1829年，内史密斯制造了如图240所示的铣床，图中可以看到铣削头正在加工六角形螺母的外表面。加工时机械用水进行冷却，如图中A处所示。当时的机器外形是带柱形脚的，但这一经典的形式不久就被更实用的设计所代替。

当莫兹利于1831年去世时，内史密斯离开了他的公司，先后在爱丁堡和曼彻斯特的帕特里克罗夫特开办了自己工场。1836年，他发明了牛头刨床，这种机械装置至今仍使用这一名称。牛头刨床与布律内尔的成形车床有很大区别，一种早期的内史密斯牛头刨床的样机如图241所示。采用这种机器，工件被可靠地置于水平工作台上，由夹持在作往复运动的水平滑枕上的工具来进行切削。工作台可在主要铸件前面的导轨上滑动，其横向运动由一个内部丝杠来驱动，既可以手工控制，也可以通过主轴上的偏心轮驱动作棘爪进给运动来自动进行。这种牛头刨床适用于刨削较小的表面，例如键槽或外形由直线构成的任何表面。在内史密斯的牛头刨床中，驱动轴的一端在一只带曲柄销的圆盘上，另一端装在能在滑枕的一个垂直槽里移动的滑块上。惠特沃思接着改进了这种牛头刨床，发明了一种曲柄机构，能使滑枕作快速转向，以便使更大部分的加工时间用于切削。

内史密斯最值得颂扬的发明是蒸汽锤。1856年拍摄的一个大型蒸汽锤及发明者本人的照片如图版24A和图版24B所示。传统落锤的抬升距离只能限制在相当小的范围内，又因置于铁砧上的工件的自身厚度，落锤升起的有效距离进一步减小，从而使冲击力也减小。此外，传统落锤的冲击力也不能控制。虽然“大不列颠号”蒸汽船建造时采用的是螺旋桨轴，但其发动机设计者曾计划使用直径达30英寸的明轮轴，不过未能找到一家工厂可以接受这种锻打任务，为此于1839年向内史密斯提出请求。内史密斯立即设计出了蒸汽锤，起锤头导向作用的两个支柱同时还支撑着高处的一个缸体，缸体的活塞通过一根穿过缸体底部的杆与锤头相连。蒸汽通过阀门进入缸体，以便将锤头提升到需要的高度，当蒸汽被释放时，重锤就下落。后来的蒸汽锤被改成双作用式的，允许蒸汽从活塞上方进入，这样就能得到更强大的冲击力。在1851年万国博览会的目录中，对内史密斯的蒸汽锤有如下描述：“这种蒸汽锤具有非同寻常的调整冲击力的能力。它不仅能产生极为巨大的冲击力，也能分级降低冲击力直到仅够压碎一只蛋壳。”在很大程度上，这种蒸汽锤扩大了锻造的范围。

惠特沃思爵士（1803—1887）是一位校长的儿子。在14岁时，他进入叔叔的纺织厂学做生意，但他对机械比对商业更感兴趣，不久他就离开了那里，为的是到一家曼彻斯特机械公司任机械工。他22岁时去了伦敦，被莫兹利雇用，以后又与克莱门特（Clement）一起共事（边码434）。同时用手工磨刮三个精确的金属平直表面的方法，通常认为就是由在莫兹利的工场工作的惠特沃思发明的，但这种说法与前面引用过的内史密斯的这是“一种古老的窍门”的陈述不一致。1846年，霍尔特察普费尔（Holtzapffel，1806—1847）在其著作中就把这项主要特征为由刮削替代研磨的发明归功于惠特沃思。但无论如何，这仍未能解决矛盾，因为内史密斯曾提到过刮削但并没有谈到惠特沃思。

1833年，惠特沃思在曼彻斯特租用了一家工场，并且打出“约瑟夫·惠特沃思，来自伦敦的工具制造商”的招牌。到目前为止，我们论及的所有工程师制造机床的目的都是为了生产其他设备，惠特沃思制造机床却是为了出售给其他制造厂。在1851年的万国博览会上，他成为一个令人瞩目的机床制造商，因为其他20家公司的每一家仅展出了一台、两台或三台机床，而惠特沃思展出了23台，包括车床、刨床、牛头刨床、开槽机、钻床（平面的和径向的两种）、冲床、剪切机、螺母成形机、螺纹切削机、切齿机以及分度机等。他还展示了攻丝器械、量具测准机、成套的分级式量规以及成套的缸体内外径量规等。在1862年的万国博览会上，虽有超过60家公司参展，但惠特沃思仍保持其领先地位，他的公司的展位占机床总展位的1/4。

惠特沃思在其1839年的专利中介绍了几种机床的改进方法，其中包括与车床的导螺杆任意配合从而实现台架横向移动的开槽螺母，以及通过导螺杆实施横向进给的机构。图242所示的车床制于1843年，一直使用到1951年。图示中，车床床身的中空箱形结构设计就是由惠特沃思提出的，它使机器比早先三角形截面结构的车床在同样重量下有更强的刚性，而且还保护了导螺杆免遭损伤和油污。导螺杆穿过刀架上的一个开槽螺母——是刀架的一个组成部分，使刀架作横向运动。当开槽螺母脱开时，刀架就停止运动，同时一个小齿轮与导螺杆啮合以实现横向进给。如果横向进给超出齿轮装置之外，则在前面与小齿轮连在一起的手柄可以用来使刀架快速横向运动，此时导螺杆的作用就像齿条一样。

惠特沃思还承担了建立丝杆的螺纹标准化的工作。他把遍及英格兰的尽可能多的工场生产的丝杆收集起来进行比较，并于1841年向土木工程师协会提交了一份论文，建议螺纹两侧边之间的夹角采用恒定的角度（55度），他还对各种丝杆直径规定了每英寸长的螺纹数。惠特沃思的螺纹标准在工程实践中一直沿用到1948年。

惠特沃思也特别关注精确测量，并认为边界测量较之直线之间的测量更令人满意。1834年，他制作了一台测量装置，能够将码的标准精确到百万分之一英寸。为了检测其确切的接触点，他引进了重力架或感测器。当移动百万分之一英寸时，就足以引起感测器升起或降下。为了在普通工场中使用，他制作了灵敏度较低的测量装置。

在1856年的一次演讲中，惠特沃思说：“30年前用手工刮削铸铁工件表面，劳动成本为每平方英尺12先令。同样的工作改用现在的刨床，每平方英尺的劳动成本还不到1便士。正如你们所知，这种刨削是机械加工中最重要的操作之一。因此，这就足以证明我们已经取得了多大的进展。”

金属刨床的发明应归于几位工程师。卒于1826年的利兹的蒸汽机制造商默里（Matthew Murray）是博尔顿和瓦特的主要竞争者。按照从1814年开始为他工作而后成为工具制造商的工人马奇（March）的说法，为了刨制D阀的表面，默里发明了一种刨床。马奇说：“我记得非常清楚，甚至包括支撑它的框架的类型。这种机器未申请专利，而是像那段时期的许多发明一样，被作为秘密尽可能地保护起来。它被锁在一个专门的小屋里，普通工人是无法进去的。我记得在据我所知的任何一台类似的刨床发明出来之前很早的时候这台刨床就已投入使用了。”据说，德比郡的一名车床和纺织机械制造商福克斯（James Fox）在1814年已制造出了一台龙门刨。

目前仍然保存着的最早的刨床（图版25B）由罗伯茨于1817年制造，从床身上的标记可以看出这台刨床是在没有龙门刨帮助的情况下独立制造出来的。工件置于能在平直的底座上来回运动的工作台上，而工作台则置于能横向进给的切削刀具之下，通过这两者的运动，当刀具进行连续切削时，就能削出平直的表面。工作台的运动通过盘绕在能用手工转动的滚筒上的链条来实现，切削刀具的升起或下降靠丝杆控制。刀具的夹头带有铰链和弹簧夹持器，因而，虽然在切削行程中非常牢固，当在处于返回行程时却可以自由运动，这样就避免了对刀具和工件的损伤。

早期最著名的刨床是由克莱门特（Joseph Clement，1779—1844）于1825年制造的，他先后为布拉默和莫兹利当过总领班，后来创立了自己的企业。克莱门特在解决精密螺杆切削问题以及丝攻和板牙加工方面做了许多工作，并发明了带无螺纹小方柄的螺丝攻，使它可穿过螺纹孔下落而不用再通过螺纹退出。他的刨床的工作台在滚轮上运动，整个机器置于坚实的石制基础之上。这种机器用手工驱动，设有两个切削头，按床身的移动方向每边一个。在10年间，这是仅有的一座能刨削达6平方英尺的大型工件的刨床。克莱门特对于每平方英尺的刨削加工收费18先令。按这个标准，机器如果满负荷运转的话，每天能赚20英镑，这成为他的主要收入来源。

惠特沃思的刨床（图243）制造于1842年，其专利始于1835年。这台刨床采用动力驱动而且是自动式的，位于机身中央的一根导螺杆由固定轮和滑动轮以及一只斜齿轮旋转装置驱动，将运动传递到V形导轨工作台。横向滑座由两根直立螺杆支承并靠它们驱动，这两根螺杆通过一个锥形齿轮与一根手动轴连接从而实现传动。旋转刀箱置于横向滑座的螺杆上，并通过一个棘轮和皮带轮实现对工件的横向进给。一只小齿轮由床身上的齿条拉杆传动时，通过同轴的一只来回拨动的皮带去带动皮带轮，这只拉杆在工作台上来回移动撞击停止挡块。通过一些导向轮，皮带会在每一行程结束时反转刀架，这样就可以沿两个方向切削。1851年，惠特沃思展出了一台与之类似的刨床，以及一台仅作单向刨削并能够快速返回的传统型刨床。

工件可以用牛头刨、龙门刨或车床加工，但更有效的加工往往是用铣床，只要加工涉及大量的重复动作，制造合适外形和尺寸的铣削头虽然麻烦，却值得这样去做。铣削加工过程的优越性，首先在于它使用了大量可以高速铣削而无过量的热量产生的切削刃，再有就是对于特殊形状的切削，使用成形的切削刀具只需通过一次操作即能完成。不过，制作铣削刀具并保持其刀口锋利的困难，限制了铣床在机床发展初期的应用。

如前所述，旋转切削头首先被用于切制钟轮，也被布拉默、布律内尔、罗伯茨和内史密斯用于特殊目的。在一般工场里推广使用铣床的是美国。惠特尼（Eli Whitney，1765—1825）于1818年制作了一台小型铣床，在铣削头的主轴下方，有一个与刀具主轴垂直由动力驱动的可作水平移动的工作台。第一台销售出去的铣床由豪（Frederick Webster Howe，1822—1891）于1848年为佛蒙特温莎的罗宾斯和劳伦斯公司设计。该机床的背视图见图244，图中所示的装有铣削头的主轴由锥形皮带轮和倒车齿轮驱动，工作台通过可任意啮合的伞齿轮和蜗轮由小齿轮和齿条横向传送。

迄今为止我们所介绍的具有切削功能的机床，虽然都是用来切制外形由圆和直线构成的工件，但用于加工不规则外形的机床已经被设计出来。它的原理是将切削头与感测器联动，而感测器可以触及样板件上的每一点。

在18世纪的制作圆雕饰件的车床中，工件靠模被夹持在床头箱主轴后端的卡盘上，用作圆雕饰的毛坯件则安置于主轴的前端。主轴可沿轴向自由移动，并通过一个弹簧压着感测器，感测器从工件靠模的中心开始，对着刀口很缓慢地横移到边缘。切削头则作出完全一致的移动，并削切出一只反向的仿制件，即高点成为低点，反之亦然。感测器和切削头的运动是通过主轴上的齿轮传动来实现的。

约在1800年，于洛（Hulot）把靠模和毛坯件分别安装在两根相互有齿轮联动的平行轴上，位于同一杆上的仿形器和切削器的支点在一只万向节的一端。利用这种装置，减小支点到切削头和支点到感测器这两个距离的比率就可获得正向的仿制件。采用这种原理的装置于1824年在法国为皇家造币厂制造出来，主要用来根据设计者的原始图形雕饰生产相应的阳模。

1845年，乔丹（T.B.Jordan）为模仿木质和软石质的曲线板制造了一台机器，主要用于家具特别是威斯敏斯特宫殿饰品的生产，当时建造这一宫殿是为了替代在1834年毁于大火的议会大厦。仿形器和两只旋转切削器在立式滑动座中移动，即可制出两个复制品，原始样板和毛坯件被安置在一个工作台下面，工作台能沿呈直角的两个方向作水平运动。

在1804—1819年间，已退休的瓦特在于洛的原理的基础上又作了改进，在杆件和万向节之间安置了一个转臂，从而使底切和复制圆形物体成为可能。他也使用旋转切削器，为了缩减或仿制成同样的尺寸，制作了两台那样的雕刻机，但这些装置既没有申请专利也不太为人所知。1826年，一台类似的装置由谢弗顿（Benjamin Cheverton）独立发明出来。1818年，马萨诸塞州伍斯特的布兰查得（Thomas Blanchard）为了车削枪座，制造了一台有重大经济价值的仿形车床。

蒸汽机的出现促进了木器加工机械的发明，从而使得锯木料不再是一项艰苦的工作，同时也使得其他的加工过程可以进行高速作业。由水车驱动的往复锯早在中世纪时已被使用。圆锯可能是在18世纪50年代到70年代由南安普顿的泰勒（Walter Taylor，1734—1803）发明的，他曾得到过一份皇家海军的滑轮组加工合同。1808年，纽伯里（William Newberry）获得了带锯的专利，但它在当时并不是一项实用性很强的发明，因为那时还无法生产能长期运转而不折断的钢带。带锯是1849年在美国由赫奇（Lemuel Hedge）、1855年在法国由佩林（Perin）重新成功地发明出来的。

关于塞缪尔·边沁的木器加工机械的综合性专利，我们已经提过。其中，榫眼加工机由塞缪尔·边沁在朴次茅斯的滑轮组制造厂生产出来。他关于使用旋转切割器的建议后来在美国得到实施，用于费伊（J.A.Fay）的1840年的榫头加工装置和吉尔（Andrew Gear）的1853年的立轴式造型机。

1802年，塞缪尔·边沁为伍利奇兵工厂制造了一台旋转式木料刨平机，该装置使用了50年。需要加工的木料被放置在拖车上，拖车可以在40英尺长的轨道上移动。拖车的前后运动由一条循环链条来实现，链条的运动靠水力发动机驱动。在拖车上装有刨平圆盘，由一台蒸汽机驱动，转速可达每分钟90转，圆盘上带有28个用于粗加工的凿头和两块刨平铁块。1827年，莫兹利的另一名前雇员缪尔（Malcolm Muir）发明了一种制作地板的机器。木坯由一条间隔装有钩爪的循环链条进给到机器内，经过一系列的平面和圆锯处理，可将坯件加工到所要求的尺寸，并使企口和凹槽成形。1836年，麦克道尔（John McDowall）改进了这一装置，使用旋转切削器切削出凸舌和凹槽，成对的滚轮在机器的每一端受到压力后将板材进给通过切削器，以代替有可能损坏木材的链带送料。

当时的美国驻法国公使托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）在1785年写的一封信中，谈到他对一位名叫勒布朗（Le Blanc）的军械工人的访问：

这里对滑膛枪的结构作了一项改进，这可能会引起国会的极大兴趣，他们在任何时候都想得到什么东西。这项改进就是把滑膛枪每一个零件都做得完全一样，每一支枪的零件都可以用于库房内的任何一支滑膛枪。这里的政府已检验并批准了这个方法，并且为实施这一方法建立了一座大型制造厂。但到目前为止，发明者仅完成了该计划中滑膛枪的枪机部件。接着将立刻着手用相同的方法制造枪筒、枪托和其他部件。想来这可能对美国有用，于是我去拜访了这名技工。他拿出50套零散的枪机零件，并隔开排列进行装配。我尝试着拿起手边的零件自己也装配了几个，它们配合得相当好。当武器需要修理时，这种方法的优越性就最为明显了。他是用自己设计的工具来实现这种方法的。由于这种方法同时又减少了工作量，因此他认为他能提供比一般价格便宜2里弗的滑膛枪。

这里所描述的生产体系就被称为可互换体系。

在美国，可互换的制造始于1798年轧棉机发明者惠特尼所接受的一项合同。他花了2年时间来制造加工设备，用这些设备总共加工了1万支滑膛枪。他的目标是“使不同武器的相同零件，例如枪机，就像铜版雕刻得到的一系列印图一样相像”。1812年，他接受了超过1.5万支滑膛枪的生产合同。他可能并不知道勒布朗的计划，因为他曾写道“这种体系开始建立起来，并已按照在欧洲无人知晓的计划进行着。建立这种体系的最主要的目的是用正确有效的机械操作代替那种需要长期的实践和经验积累才能获得的机械能手的技能，而不管从哪个角度考虑，这个国家都不具有这种技能”。这样，只有极少数熟练军械工人的美国，通过将他们的技艺机械化，也许为引入新的生产体系奠定了良好的基础。这就是在欧洲被人们所知的“美国体系”。这种体系比较经济，因为生产过程可以被分解成许多步操作，每步操作都在专为这项工作而设计的专用设备上进行。必须承认，可互换的武器零件在军事上的优越性显而易见。

可互换体系后来被应用于需要大批量生产但主要是由一些配合良好的金属部件装配起来的机器的生产制造中，包括缝纫机、打字机、自行车、摩托车等。这种体系依赖于像钻精确定位孔那样能夹持工件并引导切削工具的夹具，依赖于精密的机床，还依赖于在加工过程中用以频繁检验的量规。

1799年，诺思（Simeon North）开始加工1500支手枪，1813年他又接受了制造2万多支手枪的生产合同，这些枪支的零件都是可互换的。在1828年之前，这种可互换体系还被用于哈伯德旋转齿轮泵的生产中。1835年，科尔特（Samuel Colt）取得了左轮手枪的专利，但直到1846年的墨西哥战争，他才在商业上取得了成功。1853年，他在康涅狄格州的哈特福德建立了一座兵工厂，装备有1400台机床。他的主管鲁特（Elisha K.Root）设计了包括刀具、夹具、工装设备和量具的系统，其中后者的设计还包括一个落锤和一座卧式转塔车床。这座工厂或许可以反映出19世纪中叶在大规模精密加工方面所取得的成就。

在武器行业中，最有影响的公司之一是位于佛蒙特州温莎的罗宾斯和劳伦斯公司，他们的铣床是由其主管豪设计的，这在前面已提到过（图244）。劳伦斯（Richard S.Lawrence）、豪和斯通（Henry D.Stone）负责研制带有立式转塔的新型转塔车床，该车床的示意图见图245，制造时间为1855年，当时也称作螺杆铣切机，因为它用于制作螺杆。转塔车床最早可能在此前10年出现，上面既带有水平转筒式转塔，又带有立式转塔。转塔安装在一个滑架上，可通过移动水平位置的手柄依次使8个工具托架中的每一个对准床头箱中的工件，每个托架上均装有刀具。转塔的分度在操作之间用手工控制，此外还有一个带工具托架的横向滑道。这样，转塔车床就可以执行预先设定的9种操作，在普通车床上加工所必备的技术，对于转塔车床来说只需要在新的车床装配时应用一次就可以了。回顾当时车床的演进过程，转塔车床代表了最先进的阶段。在1851年的万国博览会上，罗宾斯和劳伦斯公司展出了6种美国军用步枪，其加工制造的可互换性引起了人们极大的关注。

1853年，以内史密斯为主席的皇家轻兵器委员会成立，以便商议小型武器的制造问题，在当时主要是把在分散的车间里加工的原始零部件集中在一起装配。他们决定把美国体系引进到英格兰。委员会的一些成员访问了美国，其结果是恩菲尔德的皇家轻兵器工厂进行了重新装备。为了制造枪托，购置了布朗夏尔车床，为了加工来复枪的金属零件，罗宾斯和劳伦斯公司得到了一项购置150台机床以及所需的模具、夹具和量具的合同，机床包括57台普通铣床、一批万能铣床、4轴和6轴钻床、螺杆铣床以及转塔车床。到1857年，用这些设备每星期可制造1000支来复枪。虽然美国体系就这样被引到了英国，可是在克拉克（Clark）对1862年展出的机械设备的完整叙述中，并未出现转塔车床和铣床，似乎蒸汽锤、刨床、仿形装置、开槽机、螺杆切制机、冲床、钻床以及摇臂钻床等设备的种类却相当丰富。

小型机床通常是用手或脚驱动的，甚至很大的装置（参见图版28）有时也制成用人力驱动。大型的机器和拥有多台机器的工场，如果可能的话是用水力驱动的，从1800年前后开始，更多的是使用蒸汽动力，动力由蒸汽机通过皮带和天轴向机械传递。

到19世纪中期，除了自动车床、螺杆切制机、齿轮切制机、切削机以及研磨机外，现在还在使用的大多数机床均已存在，尽管它们的形式通常与现代形式并不相同。

参考书目

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