UK 06英国铣床、加工中心的谱系

旋转锉刀：Nasmyth 与早期的铣削（1829—1854 年）

19 世纪初英国的机械工厂里，做平面的工具是锉刀、錾子，以及刚开始制造的龙门刨床。用带有许多刀齿的圆形刀具旋转切削的“铣削”，作为切削钟表齿轮的工具早已有之，但刀具的制作和刃磨都很难，还没有成为普通工厂的工作。Science Museum 的 Gilbert（1966）写道，刀具难以制作、难以保持锋利，延缓了优点众多的铣削的普及^[3]。

Nasmyth 的螺母铣床

1829 年 5 月，出身苏格兰的 James Nasmyth 进入 London 的 Henry Maudslay 工厂，开始担任 Maudslay 的助手。交给他的工作之一，是蒸汽机模型用的约 300 个小螺栓和螺母。要把钢螺母精加工成精确的六角形，而且还带凸缘（collar），用锉刀非常费事。于是 Nasmyth 想出了一种工具：旋转硬钢圆盘刀具，把螺母套在小分度板的轴上放在溜板上，每铣完 1 面就转 60 度，依次铣出 6 个面^[1]。他本人把这种刀具称为“旋转锉刀（circular file）”。加工又准又快，Maudslay 非常高兴，不久工厂里就装上了更大的版本^[1]。

Woodbury（1959）认为，这台机器虽然晚于美国 Whitney 和 Middletown 的机器，却是年份和内容最清楚的早期铣床，并认为它是在 1829 年 5 月入厂到 1831 年 Maudslay 去世之间完成的^[2]。从机构上看，进给是靠螺杆和螺母的自动进给，但动作是断续的，也没有改变刀具上下、左右位置的装置，因为这是为铣削大量相同螺母而做的专用机器。另一方面，它是铣床与分度装置组合的第一例，而从小水箱向刀具浇水冷却，则是铣削中使用切削液的最早记录——Woodbury 这样写道^[2]。分度与冷却，这两样在现代加工中心上理所当然的东西，在这里第一次结合在一起。

后来独立的 Nasmyth 写道，他把这种螺母铣床作为自己工厂的商品，供应给了许多技术人员^[1]。1841 年出版的 Robertson Buchanan 关于机床的书中刊有 Nasmyth 本人的说明和插图，该书收录的 54 台机床中有 21 台是 Nasmyth 的机器^[2][3]。Science Museum 有一个 19 世纪中叶机械工厂的模型，里面并排有 2 台接近 Nasmyth 形式的卧式铣床^[3][2]。

Leeds 的曲柄铣削机与过早的升降台式

英国的特色在于，铣削很早就被用于重型工作。Leeds 的机车工厂 E. B. Wilson & Co. 的工长 Robert Willis，约 1845 年制造了一台铣削机车曲轴曲柄臂的机器。在此之前要分 3 道工序：先用钻床排钻一排孔，再用插床像开榫眼一样一点点切除，最后用车床把剩下的方形曲柄销车圆。Willis 的机器转动一个排列着与成品曲线吻合的钢刀片的圆盘，用蜗杆和齿轮以每小时约 9cm 的速度进给工作台，最后让轴整体转 1 圈，连曲柄销的圆弧也一并铣出。机器重 7 吨，铣 1 处曲柄要 9 个半小时^[4][2]。杂志把它介绍为把车床、龙门刨床、镗床 3 者合为 1 台的机器^[4]。

据 Woodbury 所述，让工作台在立柱前面上下移动的“升降台式”构想，Manchester 的 J. G. Bodmer 早在 1839 年的英国专利中就已画出。不过它对后来的机器几乎没有影响，升降台式在世界上普及要从 1862 年 Brown & Sharpe 的万能铣床开始^[2]。英国已有齐备的部件，但把它们集成为“什么都能干的铣床”的却是美国——这就是这个时代的面貌。

Enfield 的美国机床与迟缓的普及（1855—1899 年）

74 台美国铣床

通过 1851 年的万国博览会和 1853—54 年对美国的考察，英国了解到美国的枪厂在用机器制造可互换的零件。英国决定改建 Enfield 的步枪工厂，委员会（Nasmyth 也是成员）走访了美国的兵工厂。在 Springfield，人们当场把 10 年间的枪拆散、混合零件后重新组装给他们看^[6]。结果，1855 年有 157 台机器从美国运往英国，其中 74 台是铣床（此外还有钻床 23 台、攻丝机 5 台等）^[6]。大多是 Vermont 州 Windsor 的 Robbins & Lawrence 和 Massachusetts 的 Ames 制造的机器^[6]。Science Museum 的 Gilbert 总结说，铣床是通过这次 Enfield 的机器进口进入英国的^[3]。互换生产的经过见第 2 章，美国一方兵工厂的机器见美国第 1 章。

美国 1862 年诞生的 Brown & Sharpe 的万能铣床也进入了英国。据 Gilbert 所述，No. 1 机中有 5 台卖到英国，其中 1 台（1865 年制）保存在 Science Museum^[3]。这台机器现在仍可在 Making the Modern World 展厅看到^[7]。它组合了升降台、可回转的工作台、以及通过齿轮与进给丝杠相连的分度头，能铣削麻花钻的螺旋槽和斜齿轮^[3]。

为什么在英国没有普及？

然而英国的工厂迟迟不用铣床。Woodbury 指出，英国制造商正式采用铣削要到 1890—1910 年，他列举的原因之一是把为数不多的进口机床用于刀具和机床都没有预料到的重型工作这一点^[2]。仿造美国机器的机器也在市面上流通，据报告，1883 年英国也有连原厂名都照抄的仿制品^[2]。

1890 年 10 月，Sheffield 的 George Addy 在机械工程师学会（IMechE）宣读了论文“On Milling Cutters”^[10]。讨论中有人说出了英国的机械工厂中拥有铣床的不到六成这样的话^[10]，也有意见认为，英国的技术人员一直被指责采用铣床太迟，但如果开始反复制造标准零件，铣床会用得更多^[10]。另一方面，铁路 Nine Elms 工厂的技术人员报告说，改用铣削加工连杆等零件后，成本降低了 30%—40%^[10]，Addy 则回答说，铣床不需要熟练工，普通工人也能操作^[10]。即使刀具价格高，也能从调机和人工上赚回来——这样的算计开始显现。

刀具的改进也出自英国。1881 年，Manchester 的 Alfred Muir 取得了在铣刀刀齿上开螺旋槽、把切屑细分的专利^[2]。即使吃刀很重，也不会一下子有很长的刀刃同时切入，机床不易振动。而英国的工厂与 Willis 的时代一样，把铣削作为龙门刨床的替代来使用。1889 年，Manchester 的 Kendall and Gent 为意大利的造船厂制造了铣削钢板边缘的大型铣床，The Engineer 把它作为“铣削扩展到龙门刨床和插床工作的例子”加以介绍^[9]。1890 年，Broadheath 的 George Richards 取得了在龙门刨床式的台座上装主轴头的立式铣床的专利^[2]。

为什么从龙门刨床转向铣床？龙门刨床是 1 把刀往复切削，回程不切削。铣刀则是多个刀齿依次切入，每个刀齿只切削很短的时间就冷却，因此可以快速进给。使用仿形刀具，沟槽和曲面也能一次铣出。代价是刀具昂贵，刃磨方法不对就发挥不出机床的能力。在 1890 年的讨论中，有工厂以同样的转速驱动 8 英寸和 14 英寸的铣刀，被评论为“小铣刀没有转快”，这表明切削速度的概念在车间里还没有扎根^[10]。

英国的制造商：立式、万能、龙门铣（1900—1933 年）

Woodbury 写道，1900 年以后，英国和欧洲大陆的设计者，尤其在立式铣床上作出了重要的独创贡献^[2]。以车床转塔闻名的 Coventry 的 Alfred Herbert，1906 年与 P. V. Vernon 一起取得了让立式铣床主轴以几档速度机动升降进给的齿轮专利。同一年美国的 Brown & Sharpe 也在考虑主轴的机动进给，Woodbury 刊载了 Herbert 1906 年立式铣床的图^[2]。主轴能上下进给，立式铣床就能钻孔，也能铣削深度确定的沟槽。1907 年 Herbert 还取得了从前方夹紧固定升降台的装置的专利^[2]。在自动循环执行工作台快进、切削进给、快退的进给控制方面，1913—14 年英国的 Coxon 和 Gartside 也申请了专利^[2]。

齿轮箱与独立进给：1920 年的 Olympia

第一次世界大战后，1920 年 9 月在 London Olympia 举办的机床展上陈列着英国的铣床。Birmingham 的 James Archdale 展出了 2 台立式铣床，大的一台用恒速旋转的皮带轮和离合器驱动，能以每分钟 12.4 英寸（约 31cm）的速度在软钢上铣削宽 7 英寸（约 18cm）、深 0.06 英寸（约 1.5mm）^[11]。不是用塔轮换挂来自天花板轴的皮带，而是用机器内部的齿轮改变恒速输入的结构。Yorkshire 州 Shipley 的 J. Parkinson and Son 展出了主轴和进给分别驱动的万能铣床。主轴的 18 档转速与 16 档进给（最大每分钟 14.8 英寸＝约 375mm）可以自由组合，工作台可左右回转 50 度^[11]。Engineering 杂志写道，独立进给存在主皮带断了进给却不停止的危险，但组合自由的优点超过了这一缺点^[11]。根据刀具大小决定转速、按每齿进给量决定进给——现代切削条件的这种思路，变得可以在机床一侧选择了。

英国特色的大件：龙门铣

英国铣床的另一根支柱，是用于造船、铁路、发电机的龙门铣（planomiller）（在龙门刨床式的台座上装旋转刀头的龙门式铣床）。1932 年，Manchester 的 Kendall and Gent（1849 年在 Salford 创立^[5]）制造了号称英国迄今最大的重切削龙门铣，目的是省去大型工件反复重新装夹的工夫^[12]。这是从 1889 年的钢板边缘铣削延续下来的、快速铣削重型平面的英国拿手领域。美国同时代的机器见美国第 7 章。

Cincinnati 的英国工厂与第二次世界大战（1934—1958 年）

Birmingham 的 Cincinnati

1934 年，美国铣床制造商 Cincinnati 在英国建厂，第一批英国制造的 Cincinnati 铣床和工具磨床问世^[13]。美国的博物馆也介绍说，Cincinnati 在这一年开始在西欧制造机床^[14]。工厂位于 Birmingham 的 Tyburn，1946 年开始生产把 5 马力电动机装在机座内的中型升降台铣床 No. 2MI。主轴转速可在 60 比 1、进给可在 120 比 1 的范围内变化，悬梁（支承刀杆前端的臂）中装有抑制振动的装置^[16]。把电动机装进机座、用齿轮箱大范围改变主轴转速和进给——1920—30 年代在美国定型的这种形式，原样在英国制造起来了。工厂在战后 10 年间大幅扩建，改组为流水作业的工厂^[13]。

战争与进口

第二次世界大战中，英国从美国进口了大量机床（第 3 章）。尽管如此，铣床仍是国内产量较多的机种。据政府的官方战史，1942 年英国的铣床产量为 10,196 台，从美国进口的峰值为每年 6,807 台，国内产量始终高于进口。不过战史也写道，有几种特殊铣床只能靠进口获得^[15]。与自动车床（进口为国内产量的 2.5 倍）和转塔车床（2.8 倍）相比，铣床是英国制造商相对较强的机种^[15]。

万能铣头

战后英国的制造商不断改进通用机床的易用性。在 1952 年的机床展上，Parkinson 展出了一台在悬梁上装有自带专用电动机的万能铣头的万能铣床。铣头可绕 2 根直角相交的轴转 360 度，不移动工件就能从任何角度铣削。主轴有 16 档（每分钟 44—1,800 转），可前后进给 3 英寸（约 76mm），因此也能钻斜孔^[17]。不必反复重新装夹工件、而是改变刀具方向来切削的思路，后来发展为 5 轴加工中心（现代的 5 轴加工见5 轴加工的解说）。Coventry 的 Herbert 在 1961 年也在销售装有回转工作台、可铣斜槽的 No. 47V 立式铣床^[42]。Science Museum Group 还收藏有 Parkinson 的 1A 卧式铣床^[38]。

①数控、Bridgeport、滚珠丝杠、System 24（1955—1972 年）

飞机的翼梁与 Ferranti 的数控

在英国，最先需要数控（NC）铣床的，和美国一样是飞机制造。1955 年 10 月，Fairey Aviation 在供应部（Ministry of Supply）的支持下，签订了 3 根轴全部数控的大型铣床的合同。控制系统由 Edinburgh 的 Ferranti 设计，指令用磁带。据 1958 年 3 月的报告，这台机器加工范围 24×7 英尺（约 7.3×2.1m），重约 50 吨，每分钟可切除 50 磅（约 23kg）铝，正在试验中^[18]。同一报告还刊载了把 Ferranti 的三维连续控制装到 Kearney & Trecker 铣床上的例子。其原理是把每英寸刻有 2,500 条线的衍射光栅取 2 块，稍微倾斜地叠在一起，计数移动时产生的明暗条纹，把工作台的位置读到 0.0002 英寸（约 5μm）^[18]。这就是现代光栅尺的祖先。1957 年 6 月，还在 Ferranti 计算机控制的铣床上装测量头代替刀具，演示了自动测量形状^[18]。在英国，除 Ferranti 外，EMI、Ekco、BTH 也推出了数控装置，开始装在普通铣床上使用^[18]。Ferranti 的数控与测量机的故事见第 4 章。

在飞机工厂里，仿形机床也在进步。Fairey 制造了用液压沿样板仿形的仿形铣床“Green Linnet”，Cramic 则用每分钟 6,000—18,000 转的铣削机（router）加工机翼蒙皮。Cramic 的机器采用钢球在淬火圆棒之间循环的直线滚珠轴承，几乎消除了滑动摩擦^[18]。从滑动导轨到滚动导轨的转变，就是从这类飞机用的高速机床开始的。

Adcock and Shipley 的 Bridgeport

在小型加工厂的通用铣床方面，美国 Bridgeport 的炮塔铣床也开始在英国制造。1959 年，Leicester 的 Adcock and Shipley 根据与美国 Bridgeport Machines 的合同开始在英国制造。其形式是在升降台式立柱的顶面装可回转的转台（turret），在其上前后移动的滑枕前端装铣头；工作台 42×9 英寸（约 1,070×230mm），平时手动进给^[19]。在美国，这是 1951—58 年从每周 28 台增产到 125 台的热门机器^[20]，英国的工厂也扩展到 Yorkshire 的 Bridlington，1970 年 4 月 第 10,000 台发往德国^[27]。Adcock and Shipley 拥有在美国以外制造 Bridgeport 的许可，1971 年被 Bridgeport 的母公司 Textron 收购^[28][29]。不移动工件就能改变刀具的位置和角度、还能用套筒（quill）钻孔的 Bridgeport 式铣床，成为英国模具、夹具、试制工厂的标准（在美国的诞生见美国第 7 章）。

滚珠丝杠与 PTFE：Marwin 的 Max-e-Mill

数控机床上，机床本身的结构也在变化。1965 年，Marwin 推出了与 Ferranti 合作的数控立式铣床 Max-e-Mill。滑动面贴上摩擦小的 PTFE（氟树脂），进给使用 循环式滚珠丝杠，兼顾了精度与刚性。用 2 根主轴可同时铣削 2 个宽度最大 17 英寸（约 430mm）的工件，控制有磁带的轮廓控制和 8 孔纸带的直线、定位控制 2 种^[23]。为手摇手轮设计的梯形丝杠，因间隙和摩擦跟不上精细的指令。滚珠丝杠和易滑动的导轨面，就是满足数控所要求的“按指令、立即、准确地移动”的答案。卧式镗床厂家 Kearns 在 1960 年也推出了装有 AEI 自动定位装置的镗铣床，采用拉杆和弹簧把刀具拉入主轴的结构^[22]。

Molins 的 System 24

1967 年，香烟机械制造商 Molins 发布了“System 24”^[24]。主持开发的 D. T. N. Williamson 出身于 Ferranti。Molins 生产全世界七成的卷烟机，需要制造种类极多、只有几厘米大小的小零件。System 24 的构想是：在性质各异的数控机床（最初的设备为 6 台和自动检测机）之间，把固定在托盘上的工件，按计算机的指令经货架和输送带循环输送，24 小时运转。工人按计算机前一天给出的计划表把工件装到托盘上，每台机床在货架上储备 72 组托盘^[25]。他们还进行了经济性研究：与其让 1 台 5 轴机床什么都做，不如组合 3 轴机床更便宜^[25]。美国兰德公司 1974 年的报告也把 System 24 作为用输送带连接数控机床的先进例子^[26]。这是后来被称为 FMS（柔性制造系统）的思路的早期实例。

★加工中心的时代：KTM 与 Mazak 的 Worcester 工厂（1973 年—）

KTM 与英国制造商的困境

1970 年代，带自动换刀（ATC）的加工中心普及后，英国的制造商也制造加工中心。Leicester 的 Marwin Machine Tools 以组合固定形式的单元、按客户订单配置的数控机床 Modula，在 1973 年获得 Design Council 奖，价格低廉，也销往美国^[31]。同在 1973 年，美国 Kearney & Trecker 的英国子公司与 Marwin 合并为 Kearney and Trecker Marwin（KTM），在 Brighton 有 1,200 人制造数控铣床、加工中心和自动线^[30]。但经营困难，1974 年 6 月 Vickers 接手经营，产业部通过新的控股公司提供最多 350 万英镑。政府的机关刊物解释说，这是为了在这一领域保留英国的制造商^[30]。英国机床产业整体的萎缩见第 4 章。

Bridgeport 的英国公司于 1986 年更名为 Bridgeport Machines, Ltd.^[29]，1990 年代初仍在 Leicester 运营^[32]。Science Museum Group 收藏有来自 Bridgeport Machines Ltd. 和 Adcock-Shipley 的 Bridgeport 铣床^[37]。

Mazak 的 Worcester 工厂

1987 年 6 月，日本 Yamazaki Mazak（山崎马扎克）的英国工厂在 Worcester 开业^[33][34]。作为欧洲的生产基地，现在制造 50 多种机型、每年 1,000 多台机床，立式加工中心 VCN-600 标明为英国制造^[35][36]。就像当年美国的 Cincinnati 在 Birmingham 制造美式铣床那样，如今轮到日本的制造商在英国制造加工中心了。

在现场有什么用？看英国的旧铣床时，看“进给是来自塔轮，还是来自与主轴分开的齿轮箱（是不是 Parkinson 那样的独立进给）”“铣头是固定的，还是可绕 2 轴回转的万能铣头”“是升降台式、龙门式的龙门铣，还是 Bridgeport 式的滑枕加转台”“如果是数控，进给是梯形丝杠还是滚珠丝杠，导轨是滑动还是滚动”，就能看出这台机器的年代和擅长的工作。龙门铣的重切削、万能铣头的角度铣削、滚珠丝杠与位置读数、用托盘循环输送工件的调机方式，都作为现代加工中心的基本部件保留了下来。现代切削的基础见机械加工的基础页面，数控编程见数控编程。

与日本的关联

日本的铣床，最初是以美国 Cincinnati 的样式为范本发展起来的（见国产机床档案第 2 章）。在本章的调查中，未能确认英国铣床制造商与日本制造商之间的技术合作。在此之中，英国与日本明确交汇的有以下 2 件。

一件是 FMS。Molins 的 System 24 发布于 1967 年，5 年后的 1972 年，牧野铣床制作所用适应控制的加工中心建成了自动线，山崎铁工所（今天的山崎马扎克）于 1983 年完成了以长时间无人运转为目标的“MAZATROL FMS”（见国产机床档案第 2 章）。用托盘和输送带循环输送工件、让机床不停运转的 System 24 思路，在日本以加工中心和 FMS 的实用形式推广开来。两者之间的直接影响关系，本章未作确认。

另一件是 Mazak 的 Worcester 工厂。在日本加工中心出口到世界的 1980 年代（见同一章），Mazak 在英国建厂，1987 年起在英国制造面向欧洲的机床。立式加工中心 VCN-600 上写着“MADE IN THE UK”^[33][35][36]。19 世纪美国的铣床运抵 Enfield，20 世纪 Cincinnati 在 Birmingham 制造，如今日本的制造商在 Worcester 制造——这一脉络表明，英国铣床的历史也是一部“在英国制造外来机器”的历史。与美国、德国同一机型的章节（美国·德国）对照阅读，差异会看得很清楚。

常见问题

为什么铣床在英国普及得晚？

铣床作为量产机器进入英国，是在 1855 年 74 台美国铣床运抵 Enfield 的步枪工厂之后。此后由于刀具昂贵、刃磨困难，把为数不多的进口机床用于预料之外的重型工作，以及龙门刨床的熟练用法已经扎根等原因，普及很缓慢。在 1890 年的机械工程师学会上，有人说拥有铣床的工厂不到六成。真正普及是从约 1890—1910 年开始的。

Nasmyth 的螺母铣床是世界上第一台铣床吗？

不是。一般认为美国 Whitney 和 Middletown 枪厂的机器更早。不过 Nasmyth 的机器有本人的记录，明确是在 1829—31 年制造的，被视为铣床装分度装置的第一例、用水冷却刀具的最早记录。

在英国制造 Bridgeport 铣床的是哪家公司？

是 Leicester 的 Adcock and Shipley。1959 年根据与美国 Bridgeport Machines 的合同开始制造，后来又把工厂扩展到 Bridlington，1970 年交付了第 10,000 台。1971 年被美国的 Textron 收购，1986 年更名为 Bridgeport Machines, Ltd.。

Molins 的 System 24 是什么？

这是香烟机械制造商 Molins 于 1967 年发布的生产系统，按计算机的指令在多台数控机床之间循环输送装在托盘上的工件，力图实现 24 小时运转。主持开发的 D. T. N. Williamson 出身于 Ferranti，它被视为后来被称为 FMS（柔性制造系统）的思路的早期实例。