UK 07英国磨床的谱系

砂岩与金刚砂：磨坊与平面基准（1823—1867 年）

Sheffield 的磨坊

19 世纪初，英国规模最大的“磨削工业”是 Sheffield 的刀具磨坊。刀、叉、剪刀、镰刀都用河边水车带动的大块天然砂岩砂轮来研磨。至今在市内 Porter Brook 的山谷中，还保留着可追溯到 1500 年代的水车磨坊 Shepherd Wheel，在其他磨坊都改用电力以后，它仍用水力磨刀直到 1930 年代^[35]。

磨坊也是缩短工匠寿命的地方。Sheffield 的医生 G. Calvert Holland 在 1843 年的书中写道：过去的磨坊位于离城镇数 km 的河边，空气也好，水太多或太少时都会停工；但蒸汽机出现后，磨工们挤在城里高地上的建筑中整天研磨，而且不用水的干式研磨速度快，于是普及开来。不断吸入砂轮上扬起的石粉和铁粉的叉子磨工，很多人不到 30 岁就去世了^[3]。防尘的办法从 1820 年代就有，到 1824 年也已有带集尘装置的磨削机可用，但许多磨坊只是在脸上缠块布而已^[1]。Holland 附图介绍了一种装置：把每个砂轮的吸风口用地板下的风道汇成一根，再用与砂轮同轴、由皮带带动的风机排到室外，并建议说每名工匠只需 1 英镑左右就能做到^[3]。现代磨床的防护罩和集尘、浇注磨削液的湿式磨削，背后都有这些磨坊的经验。

磨床的萌芽：带轮、铜圆盘与大石盘

在机械工厂里，用磨削来统一尺寸的尝试也开始了。1838 年，苏格兰的 James Whitelaw 制造了一台磨削动力传动皮带轮（pulley）外圆的铁制外圆磨床。直径 42 英寸（约 1.07m）的砂轮与工件反向旋转，手动切入，沿砂轮宽度方向则机动进给。他报告说，10 小时能完成 15 个直径 18 英寸的皮带轮，使用一年半仍和自动车床一样结实。Whitelaw 写到了磨削的好处：薄铸件太硬，车床对付不了，但磨床就不在乎；薄的皮带轮也能加工，还能节省材料^[1]。

J. G. Bodmer 在 1839 年的专利中，用涂上金刚砂使用的直径 31 英寸铜圆盘磨削淬硬的铁圆柱和平面，后来又用立轴磨削机磨削车床床身的导轨面。James Nasmyth 制造了一台大圆盘磨床：在直径约 7 英尺的铸铁圆环上用螺钉固定 12 块天然石块，并能自动进给工件^[1]。这些都是砂轮只有“天然石材”或“在软金属上涂金刚砂粉”时代的巧思。

Whitworth：停止研磨，用刮研制作平面

这个时代英国最大的事件，讽刺的是一项“停止研磨吧”的主张。1840 年，Joseph Whitworth 在 Glasgow 的 British Association 宣读了关于平面（平板和导轨面）制作方法的论文。当时的普遍做法是把锉削完的面相互用金刚砂粉对研。Whitworth 指出，对研时只是把一方的误差转移到另一方，得不到真正的平面；磨粉堆积在边缘使边缘塌角，金刚砂颗粒嵌入金属表面，使滑动面过早损伤。然后他说明，用3 块平板依次对合，只用刮刀刮去接触强的地方的方法，就能一边确认误差一边把它消除^[2]。Liverpool and Manchester 铁路的机车负责人写信告诉 Whitworth：用金刚砂对研的滑阀 5 个月就磨出深 1/8 英寸（约 3mm）的沟槽、表面凹陷，而用刮研加工的阀没有变形，看来还能再用 5 个月^[2]。

另一方面，对需要硬度的基准，Whitworth 采用了磨削。1857 年他在 Manchester 的机械工程师学会上演示：在孔径 0.5770 英寸的环规中，分别插入 0.5769 英寸和 0.5770 英寸的圆柱塞规，显示出万分之一英寸（约 2.5μm）之差就使插入情况截然不同。这些量规是表面淬火后用磨削精加工的，工厂里测量到两万分之一英寸^[2]。平面基准用刮研制作，淬硬的尺寸基准用磨削精加工并测量——这种分工在今天的机床工厂里依然延续。

砂轮的发明：烧结、硅酸盐、橡胶

磨床要成为“机器”，需要性能一致的人造砂轮。英国在这方面申请了许多专利。1825 年，天然刚玉（几乎是纯氧化铝）从印度传入，人们发现它比金刚砂更好用。到 1837 年，英国已能制造把金刚砂固结在一起的整体砂轮；1842 年 Henry Barclay 取得了把磨粒烧结固化（陶瓷结合剂，vitrified）的砂轮专利。1857 年 Deplanque 取得了用硫化橡胶固结的专利，1862 年在 London 已有生产。橡胶结合剂后来作为无心磨削的导轮一直沿用下来^[1]。

1859 年，Frederick Ransome 取得了用硅酸钾、硅酸钠固结金刚砂等磨粒并烧制的砂轮专利。这被认为是最早的硅酸盐结合剂；1867 年工程师 Donkin 试用后，据说其磨削量是 Newcastle 上等天然砂轮的 50 倍以上^[1]。作为保持工厂砂轮平整的办法，还有 1853 年 William Muir 的双砂轮（让 2 个砂轮以不同速度旋转相互对磨）、1856 年 David Fisher 的合成金刚砂砂轮专利，其模型和样品收藏在 London 的科学博物馆^[4]。1853 年，Manchester 的 Barker 和 Holt 取得了一项专利：在 2 块铁板的沟槽之间，用金刚砂和水滚动研磨淬火钢球。这种方式后来发展为滚珠轴承钢球的磨削^[1]。

这个时代的变化。磨削开始从“磨刀”“抛光表面”的工作，转向“保证硬质工件尺寸”的工作。不过平面基准的主角仍是 Whitworth 的刮研，磨床还只是车床和刮研的配角。今天机床的滑动面上仍保留刮研，是因为它能在磨削出的面上形成储油的油穴，并能一边确认接触一边修正。

磨床厂家的诞生与 Guest 的著作（1887—1915 年）

使精密磨床成为一门工业的，是美国的 Brown & Sharpe（1876 年的万能磨床）和 Norton（1900 年的重型磨床）（美国磨床一章）。在英国，国产磨床首先以铁路零件之类的专用机形式出现。Manchester 的机车厂家 Beyer, Peacock 在 1887 年已推出磨削阀动装置连杆的立轴磨床^[1]。

Churchill：专注于磨床的 Manchester 厂家

1906 年，Manchester 诞生了 Churchill Machine Tool Company。起初它生产各种机床，但不久就专注于磨床。1957 年的行业杂志回顾该公司 50 年时说，创业之初，英国工厂把磨床看作“用来加工硬得别的方法都削不动的东西的、不得已的工具”，是汽车工业首先给了磨削机会^[6]。1919 年，该公司在 Manchester 近郊的 Broadheath（Altrincham）建了新工厂，Pendleton 的工厂随之卖掉^[13][14]。

Churchill 早期的机床，证明了美国式磨床在英国也能制造。1912 年，它制造了装有 Norton 砂轮（直径 26×宽 3 英寸）、内置电机的单功能磨床和 20×60 英寸的万能磨床；同一时期还制造了一台重约 20 吨的精密平面磨床，用来精加工刨削后长达 7 英尺、宽达 6 英尺的铸铁板，当时被称为“迄今最大的精密平面磨床”。1913 年，Pendleton 工厂又推出了立轴平面磨床和直径 30—40 英寸的活塞环磨床^[9]。把原先用龙门刨床刨削、再用刮研精加工的大平面改用磨削来精加工——这一动向在英国也开始了。

Lumsden 与 Coventry Gauge

东北部 Gateshead 的 Lumsden Machine Company 从 1910 年起成为专门制造磨床的公司，推出了摆头式工具磨床，第一次世界大战期间着力于工具磨床^[8]。1913 年，在 Coventry 的 Alfred Herbert 从学徒干起的 Harry Harley 创办了 Coventry Gauge and Tool Company。这是一家量规和刀具公司，后来成为 Matrix 螺纹磨床的厂家^[10]。

Guest《Grinding Machinery》：用数学公式思考磨床

1915 年，James J. Guest 在 London 出版了《Grinding Machinery》。Guest 也是以材料强度的“Guest 准则”（塑性材料在一定剪应力下屈服）闻名的工程师，还设计过以自己名字命名的磨床^[12]。这本书根据砂轮直径、工件直径与圆周速度、切深之间的关系，用公式给出了砂轮“自锐过度、尺寸保不住”与“钝化堵塞、磨不动”之间的界限，并论述了干磨的变形、磨削液的作用、内圆磨削高速主轴需要压力供油、主轴轴承的设计，乃至作业时间和成本。美国研究者 Woodbury 评价说，这是第一部把工程分析带入磨床及其使用方法的著作^[1]。书中的插图由 Churchill 和美国的 Landis 专门绘制提供^[12]。

在现场有什么用？“砂轮圆周速度与工件圆周速度之比”“切深与进给”“使用偏软的砂轮，与其省砂轮不如省人工”这些磨削条件的思路，是 Guest 在 1915 年用公式提出的。现代磨削条件的参考值见磨削基础“磨削条件”。

汽车、螺纹磨削与无心磨削（1918—1932 年）

Matrix 螺纹磨床：从单线到多线

螺纹量规、丝锥、滚刀这类需要淬火的螺纹零件，淬火后会变形，用车床车削精加工也达不到精度。Coventry Gauge & Tool 在第一次世界大战末期推出了第一台 Matrix 螺纹磨床。起初是用只修出 1 个牙的砂轮逐条磨削螺纹槽，后来装上了由儿子 Stanley Harley 取得专利的多线金刚石修整器，用修出许多牙的砂轮一次磨出^[11]。1949 年英国的一本螺纹磨削著作评价该公司“拥有先驱者的经验，提高了今天螺纹磨削的水平”^[19]。

1924 年的 Olympia：磨削汽车零件

1924 年 9 月，在 London Olympia 的机床展上，英国的磨床作为汽车批量生产的机器亮相。Churchill 展出了 4 台：不用成形砂轮、而用 2 片砂轮的外周逐面磨削汽车淬火花键轴的磨床，6×18 英寸的重载单功能磨床，以及在缩短调整和测量尺寸时间上下了功夫的内圆磨床。砂轮主轴采用新的标准结构：靠近砂轮一侧用可调的滑动轴承，挂皮带的带轮一侧用滚动轴承^[8]。Leicester 的 A. A. Jones & Shipman 也展出了内圆磨床和万能磨床，由高速中间轴经皮带带动砂轮，并用泵浇注磨削液^[8]。

平面磨削方面，Lumsden 引人注目。它把用小块砂轮（扇形砂瓦）拼成的砂轮一边绕自身轴线旋转、一边再做圆周运动的“行星头”平面磨床，作为平面磨削的新原理推出；还用直径 30 英寸砂轮的卧轴平面磨床磨削机车、纺织机械和电机零件的平面。展会报道写道，这种扇形砂瓦平面磨床已成为能与铣床、龙门刨床正面竞争的机器^[8]。英国汽车工业对磨削的利用比美国稍晚，但到 1925 年，Vauxhall 已全面使用磨削^[1]。

无心磨削专业厂家 Scrivener

在美国于 1920 年代投入批量生产的无心磨削，在英国也催生了专业厂家。Birmingham 的 Arthur Scrivener 在第一次世界大战后受托经营当地一家机床公司，1932 年在 Tyburn Road 建立了自己的工厂和公司。由于第一台无心磨床很成功，他便专注于此，尤其不断改进自动运行。他的第一项专利（1933 年）是磨床的轴承，一生取得了 40 多项无心磨床等方面的专利^[15]。他 1944 年申请的美国专利，成为美国 Landis Machine Company 推进的、一次磨出淬火紧定螺钉的无心螺纹磨削的基础^[1]。

1932 年，行业杂志 The Engineer 在连载“Precision Grinding Machines”中介绍无心磨削，详细介绍了 Churchill 的机床。磨削砂轮直径 20 英寸，导轮 12 英寸，尺寸由导轮向磨削砂轮进给来决定。文章引用 Churchill 的说明，把振刀的原因归纳为：工件中心过高；砂轮过硬或过细；托板（blade）角度过陡或过薄；调整中某处有松动^[16]。这与今天无心磨削调整的注意事项几乎相同。同一连载还介绍了 Lumsden 的立轴平面磨床：在类似龙门刨床的往复工作台上，用 25 马力电机驱动扇形砂瓦砂轮，液压进给；把工作台往复与砂轮头横向进给组合起来，连画框一样的环形面也能一圈磨完^[17]。

在现场有什么用？把螺纹量规、丝锥、滚刀“淬火后再磨”，把轴承和销的批量生产“用无心磨削”，把大平面“用扇形砂瓦砂轮磨削”——今天的这些工序，在这个时代英国的行业杂志上已经清楚地出现了。关于无心磨削的调整，磨削基础“调整”和关于螺纹精度的螺纹页面也值得一读。

⚑第二次世界大战与磨床（1930 年代—1945 年）

重整军备时期，英国政府首先担心的是制造兵器所需的量规。补给委员会的量规小组委员会从 1930 年起反复研究，指出制造量规不可或缺的坐标镗床、分度台和螺纹磨床在英国不足，并根据其建议采取了在国内制造的措施^[18]。

即便如此，战争开始后磨床仍严重不足。据英国政府的官方战史《Factories and Plant》，在引信和 20mm 炮弹的生产中最难获得的是自动车床、半自动车床和无心磨床，大部分只能从美国购买。1942 年英国的磨床产量为 11,903 台，而从美国进口的磨床多的年份达到约 11,000 台，相当于国内产量的 92%。而且进口中高价专用机的比例很高，实际依赖程度比台数显示的更大^[18]。

政府制定了 28 项、约 30 万英镑的磨床增产计划，1942 年 12 月又推进在国内制造英国此前没有生产过的美国型机床替代品的计划。多数机型只由 1 家公司承担，但自动车床和平面磨床由 5 家公司来制造。不过，等到产品赶出来时，战争的高峰已经过去^[18]。在切削刀具方面，磨削精加工的丝锥也由于螺纹磨床不足和规格种类繁多，生产迟迟上不去^[18]。

螺纹磨床厂家急速扩大。Coventry Gauge & Tool 的员工一度达到 6,000 人，除量规、测量仪器和刀具外，还制造磨削喷气发动机（燃气轮机）叶片榫头形状的磨床。创始人 Harley 为政府工作负责管理 20 家工厂^[11][10]。1949 年的书写道，战时由刚受过训练的人和女性操作螺纹磨床，螺纹磨削从量规室的名人绝技变成了批量生产的加工^[19]。让磨削工作变得“谁都能做”的，是机器的改良，以及用滚轮挤压砂轮使之成形的滚压修整（crush dressing）和多线砂轮。战时机床管制的全貌在第 3 章《两次世界大战与机床管制》中介绍。

战后的磨床与行业重组（1949—1979 年）

螺纹磨床的完成形态

1949 年的《Thread Grinding and Measurement》介绍了战后英国的螺纹磨床。Peterborough 的 Newall 的 Model 836 把电机装在机体内部，使振动与床身隔离；直径 16 英寸的砂轮转速可达每分钟 5,000 英尺（约 25 m/s），切深以 0.0002 英寸为一档，金刚石修整器和滚压修整滚轮可在几分钟内更换。Matrix 的 16G 配备多线修整器、多线滚压装置和单线修整器，并内置了螺距误差校正装置。磨削方法也分为 4 种灵活运用：单线边进给边磨、双线及多线边进给边磨、多线砂轮切入（plunge）一次磨出^[19]。书中甚至写道，砂轮修整装置“英国的设计不输给任何地方”^[19]。

Jones & Shipman 的 540 与 Diaform

在工具车间的平面磨床中，Leicester 的 Jones & Shipman 的 Model 540 成了标准机型。1954 年 Milan 欧洲机床展的报道称 540 为“众所周知的液压平面磨床”^[20]。这是一种在卧轴砂轮下用液压使工作台往复的工具车间平面磨床，也被用作下文所述砂轮成形装置的演示台^[22]。

要在平面磨床上磨削带形状的零件，需要给砂轮修出准确的形状。在 1958 年 Olympia 的机床展上，Toolmasters（Hillingdon，London 西部）把 Diaform 的新型 5/1 装在 Jones & Shipman 的 540 上进行了演示。这是一种缩放仪（pantograph）装置，把描摹样板的触针运动按 10 比 1 缩小后传给金刚石，将精密的形状复制到砂轮上。有外圆磨床、平面磨床、坐标磨床用的型号，还演示了装在坐标磨床上磨削内齿轮用剃齿模具齿形的操作^[22]。这是一种不靠工匠经验、而用样板来再现“成形磨削”（把形状复制到砂轮上进行磨削）的工具，后来也传入了日本（见下文“与日本的关联”）。

磨削砂轮的安全规则

战后的英国，磨削砂轮的安全成了法律上的一大问题。1955 年的判决认为，根据工厂法，磨削砂轮无一例外都必须牢固地围起来，这样一来，甚至可能要求加装让砂轮无法使用的防护罩。政府在 1956 年提出了把防护放宽到作业必需程度的规则草案，但遭到工会反对，于是改写成涵盖砂轮安装、转速、保管和标记的规则。在 1968—1969 年的公开调查中，工会要求把安装砂轮人员的培训写进规则，调查官建议在规则附表中规定安装人员正式培训的科目。把砂轮标记（磨料、粒度、硬度、结合剂，BS 1814）定为法定义务的方案，则因与安全没有直接关系而未被采纳^[21]。就这样制定出来的，就是 Abrasive Wheels Regulations 1970 ^[26]。在日本，劳动安全卫生规则也规定更换磨削砂轮和试运转需要接受特别教育；而培训并指定砂轮“安装人员”的思路，在英国是通过这项规则成为法律的。

公司重组

从 1950 年代末起，老牌磨床厂家纷纷加入大型集团。1958 年，Coventry Gauge & Tool 与 Rockwell 集团合并^[11]。1960 年 11 月，BSA（Birmingham Small Arms）提出以约 850 万英镑收购 Altrincham 的 Churchill。Churchill 是中小型精密磨床的厂家，利润最高的年份是 1953—54 年^[23]。无心磨削的 Scrivener，在 1963 年行业杂志的索引中，以与 Wickman 并列的 Wickman-Scrivener 双端面磨床的名义出现^[24]。1972 年，把 Matrix 和 Churchill 的名字合在一起的 Matrix-Churchill 作为钢管巨头 Tube Investments（TI）的机床部门，销售磨床和车床^[27]。

即便如此，1970 年代英国的机床产业还是陷入困境。在 1979 年 1 月的下院辩论中，议员质疑说：Blaydon（东北部）的 Churchill 明明能交付同类机床，国营汽车公司 British Leyland 却向德国公司下了订单^[28]。产业整体的收缩在第 4 章《数控、FMS 与产业的收缩及复兴》中介绍。

★超精密与今天英国的磨床（1993 年—）

1980—1990 年代，英国的磨床厂家大多消失或成为外国公司的一部分。Matrix Churchill 这个名字在 1990 年代以另一种方式为人所知：围绕向伊拉克出口机床的审判，以及调查此事的 Scott 报告。在 1996 年 2 月的下院辩论中，海湾战争后在伊拉克核设施中发现 30 台 Matrix Churchill 车床等问题被提了出来，机床作为“制造武器的机器”成为出口管制的对象，引发了很大争论^[31]。

另一方面，专注于擅长领域的磨床至今仍在英国制造。Rochdale 的 Holroyd（1860 年创业）凭切削和磨削螺杆压缩机转子的机床于 1993 年、凭螺纹和齿轮磨削技术于 2004 年获得 Queen's Award，2010 年起成为中国重庆机电（CQME）集团的一员^[30]（详见下一章《英国齿轮加工机床的谱系》）。

在超精密磨削方面，Cranfield 大学做出了重要贡献。大学开发的大型光学零件磨床 BoX 能磨削最大 1.5m 的零件；2010 年发表的成果显示，它磨削了一块相当于超大型望远镜一片镜面、对边距 1m 的六边形镜子，经误差补偿后把 1m 面的形状精度控制在 ±1μm 以内。其思路是：通过磨削提高形状精度、减少亚表面损伤，就能缩短此后抛光的时间^[32]。如今，法国的 Fives 以 Landis 和 Cranfield Precision 的品牌制造磨床，2026 年 5 月发布了结合英美技术的 Landis 新型磨床 TTG 3000。其结构是把砂轮和工件分别装在不同的转塔上，一次装夹磨削多个面^[33][34]。英国 CNC 磨床起始的年份，此次调查未能通过一手资料确认。

在现场有什么用？查看英国制造的二手磨床时，了解公司名称的变迁（Coventry Gauge → Matrix、Churchill → Matrix-Churchill、Scrivener → Wickman-Scrivener、Landis 的英国业务 → Fives），可以作为询问零件和图纸时寻找联系对象的线索。英制机床较多，也请确认刻度的单位。

与日本的关联

把英国磨床与日本联系起来的，与其说是机床本身，不如说是成形磨削的工具。1965 年，由黑田挟范制作所更名而来的黑田精工与英国的 Diaform 合作，推出了内置砂轮修形装置的平面磨床^[25]（国产档案第 3 章的年表）。英国缩放仪的思路，就这样进入了日本工具车间用平面磨床磨削模具和量规形状的工作中。

1972 年在东京晴海举办的第 6 届日本国际机床展览会上，英国展出了 Churchill 的磨床、Jones & Shipman 的磨床、Matrix-Churchill 的磨床与车床、Wickman 的内圆磨床。英国驻东京大使馆的报告满意地写道，Diaform 的装置不仅在本公司展位，还在日本、意大利、瑞士展商的机床上进行了演示；报告还指出，1972 年 1—9 月英国在日本机床进口中所占的比例为 4.5%（上一年为 3.7%）^[27]。据报告，日本在前一年即 1971 年的金属切削机床产量已居世界第 3 位。在磨床领域，日本以美国的机床为样板起步（美国磨床一章），1970 年代在 CBN 砂轮的批量磨削上走在了前面（国产档案第 3 章“CBN·高速磨削”）。

常见问题

Whitworth 反对磨削吗？

他反对的是用金刚砂对研来制作平板、导轨面这类“平面基准”的做法。他在 1840 年的论文中指出，对研只会把误差转移到对方，边缘会塌角，金刚砂颗粒会残留在表面，并推荐用 3 块平板对合、刮去高点的方法。另一方面，他用磨削精加工淬火的圆柱塞规，演示了万分之一英寸的差别。平面用刮研，硬质尺寸基准用磨削，这是一种分工。

英国有代表性的磨床厂家有哪些？

有外圆、内圆、平面、无心磨床的 Churchill（1906 年，Manchester），螺纹磨床的 Matrix（Coventry Gauge & Tool，1913 年创业），工具车间平面磨床 540 的 Jones & Shipman（Leicester），平面磨床的 Lumsden（Gateshead），无心磨床的 Scrivener（1932 年，Birmingham），螺纹磨床的 Newall（Peterborough），以及转子、螺纹、齿轮磨削的 Holroyd（Rochdale）等。其中许多在 1950—80 年代加入大型集团，名称也随之改变。

第二次世界大战时英国的磨床够用吗？

不够用。据英国政府的官方战史，1942 年英国磨床产量为 11,903 台，而从美国进口的磨床多的年份约达 11,000 台，相当于国内产量的 92%。无心磨床和螺纹磨床尤其短缺，平面磨床则制定了由 5 家公司制造美国型替代品的计划。

Abrasive Wheels Regulations 1970 是什么？

这是英国关于磨削砂轮安全的规则，规定了砂轮的防护、转速、安装、保管等；在作为其基础的公开调查中，建议由规则规定安装砂轮人员的正式培训。与日本磨削砂轮更换和试运转的特别教育一样，这是一项重视“培训安装砂轮的人”的规定。