UK 05英国车床的谱系

时钟匠与仪器匠的车床（1740—1796 年）

装饰车床与滑动刀架

在 18 世纪的英国，拥有能精确切削金属的车床的，不是工厂，而是时钟匠、仪器匠，以及以车削为爱好的富人。爱好用车床的代表是装饰车床（rose engine）。在主轴上装上波形的靠模盘（rosette），一边把它压在靠块上一边缓慢转动主轴，主轴就会摆动，在工件上刻出花纹般的线条。Science Museum 保存着一台约 1740 年的装饰车床，据说为曾任皇家学会会长的第 2 代 Macclesfield 伯爵所有^[1]。重要的是，在这类车床上刀具不用手持，而是由滑动刀架机械地支承。这种滑动刀架后来被引入工厂的车床^[2]。

“复制”螺纹的工具

时钟匠使用一种小型螺纹切削机，在用来均衡发条力量的圆锥形零件（均力圆锥轮，fusee）上切出螺旋槽。其机构是在主轴上车出的螺纹上套一个螺母，用杠杆把螺母的运动传给刀架，靠杠杆比改变螺距。英国工具商 Ford, Whitmore & Brunton 约 1775 年的产品目录中也刊有同型的机器^[2]。装饰车床也是用装在主轴端部的几种“导向螺纹”带动主轴连同工件一起进给，复制短螺纹。不过两者都很小，复制出的螺纹精度也只能达到原螺纹的水平。

Ramsden 的精密螺纹

追求精度本身的是仪器匠 Jesse Ramsden。为了制造在圆和直线上刻细密刻度的机器（分度机），他在 1777 年和 1778 年制造了精密的螺纹车床。导轨采用只需精加工 2 个面就能做准的三角形截面棒，用丝杠和交换齿轮进给刀具。把做出的螺纹与刻度对比，发现每 100 牙约偏差 1 牙，于是用 198 比 200 的交换齿轮加以修正，重新车削了螺纹^[3]。1793 年，Samuel Bentham 在专利中写道，如果用齿轮把刀具前进的运动与工件的旋转联系起来，进给就会恒定，但没有附图，也没有做成机器^[4]。

车间里发生了什么变化？这个时代工厂里的车床是木框架、手持刀具。精密车床存在于钟表、仪器和爱好的世界里，用来加工工厂的机器则太小了。Woodbury 写道，用金属制造精密车床的思路，是通过与仪器匠们交往甚广的 Maudslay 进入工厂车床的^[3]。

Maudslay 的螺纹车床与弟子们（1797—1849 年）

全部用金属制造的车床

Henry Maudslay 曾在以锁闻名的 Joseph Bramah 的工厂里当工长，亲手制造了制锁专用机。约 1795 年，他做了一个与尾座连成一体的滑动刀架，但还很轻、很弱^[4]。1797 年独立后^[2]，Maudslay 开始把机床连框架都全部用金属来制造。此前工厂的机床都是木框架。改用金属后，不仅更刚硬，还能做出精确的平面导轨面^[2]。

丝杠与交换齿轮

Science Museum 保存的 Maudslay 第一台螺纹车床（约 1800 年）以 2 根平行的三角棒作为床身。主轴箱装在其中一根棒上，滑动刀架跨在 2 根棒上移动，两棒之间的丝杠带动滑动刀架。滑动刀架的刀座上装有吃刀用的螺杆和千分刻度，丝杠通过交换齿轮（现已遗失）与主轴相连^[5][3]。据 Roe 所述，起初是按要车的螺距更换丝杠本身^[4]。

紧接着的第 2 台，在铸铁床身上装有每英寸 30 牙的丝杠，配备 15—50 齿的交换齿轮 28 个。中间齿轮装在摆臂上，使任何组合都能啮合，留下了每英寸 16 牙到 100 牙的螺纹样品^[2][4]。用 1 根丝杠和交换齿轮车出各种螺距。把这种组合做成工厂里实用的工具，是 Maudslay 最大的功绩。Roe 举出同时代的人把滑动刀架称为“Maudslay 的 go-cart（手推车）”，作为 Maudslay 被视为鼻祖的证据^[4]。

母螺纹、平面与测量工具

要车出精确的螺纹，首先需要精确的丝杠。Maudslay 做了一种工具：把斜放的刀片抵在圆柱上转动，刀片沿着自己切出的槽前进，从而做出“母螺纹”^[6]。他用木头或软金属做的母螺纹中较好的作为临时丝杠来车削钢丝杠，再通过调换丝杠两端、用 2 根丝杠的平均值进给等办法减小误差^[3]。导轨面的平面度用 3 块平板同时对研来确认，并把平板放在工作台上让工匠使用^[4][2]。长度的基准则使用 1805 年的台式千分尺“Lord Chancellor”^[7]。导轨面、丝杠、测量工具这 3 样齐备之后，车床才第一次成为能“创造”精度的机器。

Maudslay 的公司也向业余爱好者和小工厂出售三角棒床身的脚踏车床。这是把此前装饰车床用的滑动刀架，重新做成了技术人员的工具^[8][2]。装饰车床一方，London 的 Holtzapffel 在 1815 年制造了一种车床，不再摆动主轴，而是用后轴上的靠模盘带动滑动刀架来切削花纹^[2]。

Roberts 的背轮与自动进给

在 Maudslay 工厂工作了 2 年的 Richard Roberts，1816 年在 Manchester 独立^[11]，1817 年制造出一台与现代普通车床很相似的车床。Science Museum 的那一台中心高 9.5 英寸、顶尖距 6 英尺，床身由三块竖板用横向加强件连接，十分刚硬。主轴上有背轮，用齿轮降低 4 级塔轮的转速，可以进行重切削。溜板由丝杠带动，沿床身从一端到另一端自动进给，碰到挡块进给就会脱开^[2][3]。这台车床在 Roberts 的工厂用到 1854 年，此后在机车制造商 Beyer, Peacock 的工厂使用，1909 年进入博物馆^[2]。Woodbury 写道，1817 年时真正意义上的工厂用车床已经在使用^[3]。

Fox、Clement 与保护丝杠的办法

Derby 的 James Fox 一边制造花边机，一边也出售机床，1830 年制造了长 22 英尺的大型车床。不车螺纹时用齿条进给溜板，另用光杠和蜗杆带动溜板，丝杠只用于车螺纹。丝杠不磨损，车螺纹的精度就能长久保持^[3]。Fox 的车床也出口到法国、德国、波兰，1826 年 Fox 提供整套机器的波兰工厂至今作为博物馆保存着^[2][3]。擅长制图的 Joseph Clement 制造了一台螺纹车床，在 12 英尺长的床身上装 2 个脚踏，2 个人可以在同一台车床上做不同的活；他还为计算机先驱 Charles Babbage 制造了 3 层的复式滑动刀架^[2]。

Whitworth 的箱形床身与开合螺母

曾在 Maudslay、Holtzapffel、Clement 手下工作的 Joseph Whitworth，1833 年在 Manchester 独立^[4][3]。1835 年的专利中包含可随时把溜板与丝杠接合的开合螺母和取自丝杠的自动横向进给。横向进给自动化后，车出的端面就能平整一致^[3]。1837 年，他甚至为这样一种机构申请了专利：车端面时随着刀具接近中心改变进给，力图使切削速度保持恒定。这与现代 CNC 车床的“恒线速”是同样的思路^[3]。

然后，Whitworth 放弃了三角棒，改用内部中空的箱形床身。同样重量下，它比三角棒刚硬得多，还能保护丝杠免受污物和损伤。1843 年的 5 英寸车床已经具备箱形床身、开合螺母、取自丝杠的横向进给、承受推力的圆锥主轴轴承^[2]。Woodbury 认为，Whitworth 把骨架从“建筑风格”的细长形状改为箱形，增加金属用量以获得刚性，这与精度基准并列，是他的重大贡献^[3]。

车间里发生了什么变化？螺纹从用锉刀和錾子一根一根做出来的东西，变成了计算交换齿轮后在车床上“车”出来的东西。从同一根丝杠车出的螺纹可以互相旋合，螺栓和螺母可以在工厂内统一。有了背轮，可以车削沉重的铁零件；有了溜板的自动进给，长轴也不再依赖手上的分寸，能车成同样的粗细。蒸汽机、纺织机械、机车的零件，都是用这种车床制造的^[3]。

从 Whitworth 的时代到六角车床（1850—1913 年）

1851 年的巅峰与主角的更替

在 1851 年的 London 万国博览会上，Whitworth 的机床鹤立鸡群。其他 20 家公司各展出 1—3 台，而 Whitworth 陈列了车削、龙门刨削、牛头刨削、钻孔、切齿、车螺纹、测长机等 23 件；在 1862 年的博览会上也位居 60 家公司之首，占用了机床展区面积的四分之一^[2]。Woodbury 称 1850 年的 Whitworth 为世界上最重要的机床制造商^[3]。

然而大约从同一时期起，车床的新形式开始诞生于美国：把刀具排列在回转台上的转塔车床，以及用凸轮驱动全部动作的自动车床（见美国车床一章）。Gilbert 和 Woodbury 认为，以 1850 年前后为界，主导地位转移到了美国，后来又转到德国^[2][3]，Woodbury 还写道，Whitworth 的设计过于受人尊崇，可能也是原因之一^[3]。Whitworth 本人也在 1855 年取得枪管仿形车床、1857 年取得自动进给刀具车锥度的车床的专利，已经有了专用自动车床的构想^[3]。

光杠与溜板箱

普通车床的细节在英国也有进步。在 1862 年的博览会上，Shepherd, Hill & Co. 展出了一种机构：从床身后方的光杠通过圆锥离合器取出纵向进给和横向进给。吃刀过重时离合器打滑以保护机床，丝杠也可以专用于车螺纹^[2]。约 1870 年 Whitworth 的 6 英寸车床，用 4 级塔轮和背轮得到 8 档转速，把开合螺母手柄和进给切换集中在溜板的前板（溜板箱，apron）上，手动进给则通过床身下方的齿条进行^[14][2]。现代普通车床的操作布局，大体在这个时期就已确定。

六角车床：大量制造同样的零件

19 世纪末，为了大量生产水龙头之类的黄铜零件以及缝纫机、自行车的零件，转动刀架换刀的车床在英国也普及开来。Manchester 的 Smith & Coventry 约 1890 年的“黄铜精加工车床”，用装有几把刀具的回转刀架（capstan），不停机就能换到下一把刀^[20]。1892 年，A. Muir 取得了装在普通车床上的 4 面六角刀架的专利^[2]。

这股潮流的中心是 Coventry 的 Alfred Herbert。Herbert 和 William Hubbard 于 1889 年买下 Coventry 的一家小机械工厂，开始为自行车工厂制造抛光车床和手动车床^[18]。Science Museum 保存着同年 Herbert & Hubbard 的动力车床（4 级塔轮和背轮）^[19]。1894 年改组为 Alfred Herbert Ltd.，1895 年制造出 No.4 六角车床。它带有左旋、右旋螺纹都能车的梳刀车螺纹（chasing）溜板，用 1 根手柄就能同时退出刀具和螺母。这一型号到 1961 年共制造了 24,000 多台^[18]。1899 年推出从料仓送料的全自动螺纹切削机，1900 年推出 single-pulley 主轴箱，用 1 根皮带代替塔轮驱动，由主轴箱内的齿轮变速^[18]。这是刀具从碳素钢换成高速钢、切削速度提高到约 3 倍的时代，需要提高转速、让变速更方便的办法^[2]。

平转塔车床与英美之间的往来

在 1901 年的 Glasgow 博览会上，Smith & Coventry 展出了平转塔车床，The Engineer 称之为“对美国制造商的挑战”。主轴做成中空，可以用手拉出棒料，齿条装在溜板一侧，使溜板更轻^[22]。平转塔车床是美国 Hartness 于 1891 年推出的形式（见美国车床一章），约 1909 年，Keighley 的 Dean, Smith & Grace 制造了 Hartness 式的 21 英寸平转塔车床^[24]。在同一个 Glasgow 会场上，Scotland Johnstone 的 John Lang & Sons 展出了床身导轨为矩形而非燕尾形的车床。炮弹车床用左右 2 个溜板同时切削，用半径杆车出弹头的圆弧^[22]。

车间里发生了什么变化？有了六角车床，原本由熟练工一把一把换刀的小件活，变成了只要调好挡块位置就能得到相同尺寸的“调机的活”。在英国，一般把回转刀架装在滑枕（往复移动的臂）上、面向小件的型式称为六角车床（capstan lathe），把回转刀架装在溜板上、连溜板一起移动、面向大件的型式称为转塔车床（turret lathe）。

战争与量产车床（1914—1945 年）

车削炮弹的车床

第一次世界大战中，英国需要大量炮弹，车床工厂纷纷制造炮弹车床。1916 年 1 月的 Engineering 介绍了 Colchester Lathe Company 专用于炮弹粗车的 9.5 英寸车床。因为只车一种尺寸的炮弹，主轴只有 1 档转速，也不需要头顶的中间轴，结构结实，非熟练工也能操作^[25]。把通用车床精简成“只做一种活的机器”，以弥补熟练工的不足（战争与机床的全貌见第 3 章）。

电动机、硬质合金与主轴箱的预选

从 19 世纪末开始可以用电，不再由天花板上的轴通过皮带驱动，而是给每台机器装电动机的单独驱动逐渐普及。1920 年代，刀尖镶硬质合金（碳化钨）的刀具也出现了^[2]。切削速度提高后，每次换刀、每次直径变化时改变转速的时间就显得可惜了。

于是 Herbert 在 1934 年推出了 Preoptive（预选）主轴箱。在切削的同时用拨盘预先选好下一个转速，用 1 根手柄切换^[18]。1944 年的教科书说明，No.4 六角车床的 Preoptive 主轴箱有每分钟 42—1,000 转的 8 档转速，切削中可以切换到任一转速^[26]。六角车床的调机中加入了“这把刀用这个转速”的调机表，刀具与转速的组合不再靠操作者的经验，而是靠机床的操作来保证。

Wickman 的多轴自动车床

要更快地制造同样的零件，就要用有多根主轴的多轴自动车床。这种机器在美国诞生于 1890 年代^[2]，而 Coventry 的 Wickman 从 1930 年代初开始开发自己的多轴自动车床，1937 年交付了第 1 台。其特点是“自动设定”机构，不必为每项工作制作专用凸轮就能调机。1939 年在 Tile Hill 建了新工厂，第二次世界大战期间制造了 300 多台 5 轴自动车床，另外约 300 台派技术人员指导、由外部工厂制造^[30]。

车间里发生了什么变化？在凸轮式自动车床上，制作凸轮本身就是调机的一大工作。如果不用专用凸轮就能调机，数千件规模的订单也能用多轴自动车床。与预选主轴箱一起，这个时代英国车床的改进都指向“缩短换型调机时间”的方向。

战后：从模型车床到数控（1946—1979 年）

Myford ML7：家庭和学校的车床

Beeston（Nottingham）的 Myford Engineering Co. 是 Cecil Moore 创办的公司，最晚在 1935 年就已在模型制作杂志上刊登车床和附件的广告^[28][29]。1946 年 2 月，模型制作杂志 The Model Engineer 介绍了 Beeston（Nottingham）的 Myford 的新车床 ML7。这是一台中心高 3.5 英寸、顶尖距 20 英寸的小型车床，但融入了战时生产中得来的各种改进：马鞍床身（gap bed）、磨削精加工的导轨面、一开始就内置的电动机、置于主轴箱下方的背轮轴等。文章把马鞍床身、大的镗削台、中空的尾座套筒列为英国车床的优点^[31]。这篇文章面向模型制作的读者，Science Museum 也收藏了一台 ML7^[32]。

德国的自动车床与美国的车床

战后的英国也引进了外国的车床技术。BSA Tools 的 J. E. Maclaren 等人把德国 Esslingen 的 Index-Werke 机械工厂作为战争赔偿迁到 Redditch，在 Index Automatic Machine Co. 制造 Index 的自动车床^[33]（Index 见德国车床一章）。1959 年，John Lang & Sons 与美国 Wisconsin 州的 Gisholt 合资成立 Lang Gisholt Machine Co.，开始在 Johnstone 的工厂也制造 Gisholt 的机床^[36]。在 1952 年 London Olympia 的国际机床展上，Dean, Smith & Grace 展出了兼顾硬质合金和高速钢的 26 英寸车床（20 马力，3 根手柄 24 档转速，进给 48 种）^[34]。主轴箱全部采用齿轮，变速靠手柄选择的时代到来了。

Colchester 与 Harrison

通用普通车床方面，Colchester 发展壮大。1954 年加入 George Cohen 的 600 Group^[35][17]，1967 年凭借出口业绩和“车床制造方法的技术革新”获得 Queen’s Award to Industry^[37]。1968 年 2 月第 1 台量产机下线的 Triumph 2000，造型方正，操作顺手，涂装明快，是小工厂和手艺好的业余爱好者也买得起的通用车床^[38]。600 Group 于 1971 年又收购了 T. S. Harrison & Sons，拥有了 Colchester 和 Harrison 这两个英国普通车床的两大品牌^[35]。

插线板与数控

自动化从凸轮和手柄转向电气。Herbert-BSA 的数控单轴车床 Batchmatic 50 是为了快速、廉价地车削少量零件而设计的机床，在 1971 年美国的展会上首次进入美国市场^[39]。约 1977 年 Herbert 的 Auto Robot 六角车床用电气顺序控制机床的动作，顺序用插线板（plugboard）编排。3 个横向进给和变速由液压驱动，转塔由气动驱动，8 把刀具可在小批量的活中轮换使用。H. W. Ward 的六角车床也配上了名为 Gearaid 的插线板控制^[41][42]。这是用数字程序的数控与用接线编排顺序的插线板并存的时代（数控的全貌见第 4 章）。

Herbert 的困境

1961 年的 Herbert 拥有 7,336 名员工，是英国最大的机床制造商^[18]。但在 1970 年代经营陷入困境，1975 年 7 月，政府宣布依据 Industry Act 1972 提供最多 2,500 万英镑的长期资金。资金大部分以股份形式提供，由即将成立的国家企业局（NEB）持有^[40]。

★1980 年以后：收缩与重组

1980 年 7 月，Alfred Herbert 宣布最终关闭，10 月进入自愿清算^[43][44]。与六角车床一起延续了 90 多年的英国最大车床制造商就此落幕。

取而代之、在英国新开动大型数控机床工厂的，是日本的制造商。山崎马扎克于 1980 年 7 月设立英国公司，1987 年 6 月 Worcester 的欧洲工厂（CIM 工厂）投产。1988 年 3 月，英国工厂制造的数控机床首次发往日本^[46]。Worcester 工厂至今仍在为欧洲制造机床^[48]。

英国的车床品牌也走向 CNC 化。Colchester 的 2000L 是搭载发那科数控装置 6-TB 的 CNC 车床，Science Museum 把它作为不依赖凸轮和人的手艺、把图纸尺寸直接转化为刀具运动的 CNC 实例收藏^[47]。公司形态不断变化：1992 年 Colchester 与 Harrison 合并为 600 Lathes，2009 年与卡盘厂商 Pratt Burnerd International 合并为 600 UK，2018 年更名为 Colchester Machine Tool Solutions，2022 年脱离 600 Group^[17][35]。现代车床的选用见车床页面，数控编程见数控编程页面，刀具见刀具的页面。

与日本的关联

日本的车床制造始于英国式。1889 年 5 月，池贝庄太郎在东京芝金杉，从一间租借的厂房起步，厂里附带英式车床 2 台；同年年底，他与弟弟池贝喜四郎一起制造了自用的英式 9 英尺车床。这是现存最古老的动力式国产车床，作为机械遗产第 53 号收藏于日本国立科学博物馆^[52][53][55]。池贝转向依据美国技师的规格书量产美式车床是在 1905 年，在此之前主要是英式^[54]。第一次世界大战期间则反过来，池贝向英国出口车床（1915 年 5 台）^[54]。日本方面的史实见国产档案第 1 章的年表。

战后的关联在于数控。Colchester 的 CNC 车床 2000L 搭载的是发那科的数控装置^[47]。1987 年，山崎马扎克的 Worcester 工厂投产，次年英国制造的数控机床发往日本^[46]。英国机床制造的一部分，开始由日本制造商的工厂承担。

常见问题

螺纹车床是 Maudslay 发明的吗？

丝杠、交换齿轮、滑动刀架这些部件，在 Maudslay 之前就已出现在时钟匠和仪器匠的车床上（如 1777 年 Ramsden 的精密螺纹车床）。Maudslay 的功绩在于约 1800 年把它们集成到一台全金属、可在工厂使用的尺寸的车床上，用 1 根丝杠和 28 个交换齿轮车出各种螺距的螺纹。这第一台车床保存在 London 的 Science Museum。

Roberts 和 Whitworth 给车床带来了哪些改变？

Richard Roberts 在 1817 年的车床上采用了背轮（用齿轮降低转速以进行重切削的机构），以及沿床身从一端到另一端移动的溜板自动进给。Joseph Whitworth 则凭借 1835 年专利中的开合螺母和自动横向进给，以及取代三角棒的中空箱形床身，使车床更刚硬、更易操作。

Herbert 的 Preoptive 主轴箱是什么？

这是 Alfred Herbert 于 1934 年推出、可预先选择转速的主轴箱。在切削的同时选好下一个转速，用 1 根手柄切换。在 No.4 六角车床上，可以一边切削一边在每分钟 42—1,000 转的 8 档转速之间切换，减少了每次换刀的调机时间。

Myford ML7 是什么样的车床？

这是 Nottingham 附近 Beeston 的 Myford 于 1946 年发布的小型车床。中心高 3.5 英寸，顶尖距 20 英寸，具备马鞍床身、磨削精加工的导轨面和内置电动机，曾在模型制作杂志上介绍，是业余爱好者也买得起的车床。Science Museum 也有收藏。