UK 01机床的诞生：Maudslay 和他的弟子们

蒸汽机与镗床（1769—1800 年）

让 Watt 苦恼的气缸

James Watt 开始改良蒸汽机的时候，几乎没有能精确切削金属的工具。机器的骨架是木头，金属零件是用锉刀修配的铸件或锻件。车床也通常是用脚踩绳子使工件来回转动、手持刀具切削。据 Roe 所述，Watt 曾感叹 18 英寸（约 46 cm）气缸的长径和短径竟相差 3/8 英寸（约 9.5 mm），并试图用软木、浸油的布和旧帽子来填塞活塞的间隙^[1]。

当时的镗孔机是在细杆的前端装上刀头，以悬臂状态推入铸件的孔中。1769 年 John Smeaton 在 Carron 铁厂制造的机器也是这种形式，Science Museum 有它的模型^[1][2]。因为镗杆细，刀具没有导向，会原样顺着铸件孔的弯曲走。无论切削得多么仔细，也只能做到“把原来的孔形修整得稍微干净一点”而已。

Wilkinson 的镗杆：两端支承

炼铁商 John Wilkinson 在制造大炮的过程中找到了答案。1774 年 1 月 27 日的专利（No.1063）是这样一种方法：把大炮铸成实心，用水车或蒸汽机带动旋转，用镗杆上的刀具钻出炮膛^[3]。对于气缸，他让粗镗杆穿过气缸，两端用轴承支承，刀头沿镗杆进给。镗杆本身成为一把笔直的直尺，因此不管铸件多么弯曲，只要有加工余量，就能镗出笔直、正圆的孔^[1][2]。

1775 年，Wilkinson 在 Bersham 的炼铁厂为 Boulton & Watt 镗出了第一个气缸，此后长期承接 Watt 蒸汽机的气缸^[1][2]。Boulton 在 1776 年写道，Wilkinson 镗出的直径 50 英寸（约 1.27 m）的气缸，任何地方的误差都不到一枚旧 1 先令硬币的厚度^[1]。Science Museum 的目录把它定位为第一台真正大型的动力机床，是使 Watt 的回转式蒸汽机、进而使动力驱动的工厂成为可能的机器^[2]。据说安装在 Bersham 的长约 4.5 m 的镗杆实物，也是该馆的藏品^[2]。

与现代加工相通的思路。“刀具的路径，不由工件、而由机床一侧的精确要素（这里是镗杆）来决定”。这是这台机器最重要的一点。现在在卧式镗床上加工长孔时，镗杆两端支承、或用导套导向，也是同样的道理。反过来，悬臂的长镗刀发生振颤、孔镗弯，就是因为它和 Smeaton 的机器有同样的弱点。

工厂自己造机器

随着蒸汽机需求的增加，制造蒸汽机的工厂也开始配备自己的机床。在 Watt 的专利到期前的 1798 年，Boulton & Watt 的 Soho Foundry 用 Murdock 设计的卧式气缸镗床镗削 64 英寸的气缸，1801 年的机器清单上列有车床 10 台、钻床 3 台等^[2]。这个时代的机床不是商品，首先是为了自己工厂的工作而自己制造的东西。机床开始对外出售，要到下面要讲的 Maudslay 弟子们的时代。

Bramah 与 Maudslay、Portsmouth 的滑轮工厂（1784—1831 年）

为制锁而生的机床

London 的 Joseph Bramah 在 1784 年取得了锁的专利。据说这种锁长期无人能开，但精密零件的尺寸不一致就无法成立。即使是手艺好的工匠，也做不出大量品质相同的锁^[4][2]。于是 Bramah 决定在作坊里设置制锁的专用机器。

被请来的，是在 Woolwich 兵工厂锻造车间工作的 18 岁的 Henry Maudslay。他在 1789 年进入 Bramah 的作坊，一天之内就把一台磨损的台虎钳修得跟新的一样，被认可为工匠的一员，约 1 年后当上了工长^[4][1]。据 Science Museum 目录引用的同时代证言，Bramah 秘密作坊里制造锁零件的机器，是 Maudslay 亲手制造的^[2]。Bramah 在 1795 年取得专利的水压机，也是因柱塞的密封漏水而无法工作，后来 Maudslay 想出了压力越大就压得越紧的皮碗，才使其实用^[4][1]。

螺纹车床：丝杠与交换齿轮

1797 年，要求把 30 先令的周薪加薪未获同意的 Maudslay 辞去 Bramah 作坊的工作，带着 1 名工匠开了一家小作坊^[1][2]。他在这里着手的，是车削精确螺纹的车床。

不用手持刀具、而是把刀具固定在由螺杆移动的台架（刀架，slide rest）上的思路，在此前的钟表匠和装饰车床的世界里已经存在。用齿轮连接主轴和丝杠的想法，也见于法国的旧书和 Bentham 1793 年的专利^[1][2]。Maudslay 所做的，是把它全部用金属、做得坚固结实，集成为日常工作中能用的形式。约 1797 年的第一台车床，以 2 根三角形铁棒为床身，用齿轮连接主轴和丝杠来进给刀架。起初是按螺距更换丝杠^[1][2]。

约 1800 年的第 2 台，在铸铁床身上只装 1 根每英寸 30 牙的丝杠，通过调换 28 个 15—50 齿的交换齿轮，车出每英寸 16—100 牙的螺纹。为了与大小不同的齿轮啮合，中间齿轮装在可摆动的臂上^[1][2]。用 1 根精确的丝杠和交换齿轮车出各种螺距。现代车床车螺纹的基本形式就在这里。为了做出最初的精确丝杠，Maudslay 利用了这样一种性质：把倾斜的刀刃抵在软金属圆柱上转动，刀刃会自然前进；据说他做了几百根螺杆加以比较^[1]。刀架起初被嘲笑为“Maudslay 的手推车（go-cart）”，后来却进入了每一家工厂^[4]。

车间里发生了什么变化？刀架夹持刀具、由螺杆进给之后，切削的精度就从“工匠手上的把握”转移到了“机床导轨面和进给丝杠的精度”上。要造好机器就需要好机器，这一顺序也从这里开始。车床车螺纹时调整齿轮箱的手柄，就是把这种交换齿轮的调换装进了箱子里。

统一螺纹

Maudslay 还改良了丝锥和板牙，使螺纹不是挤压而是“切削”出来。直径以 1/8、1/16 英寸为间隔统一，每种直径的螺距在工厂内确定^[1][2]。据弟子 Nasmyth 所述，在此之前螺栓和螺母都是一一专配的，不在每组上做记号就配不上^[1]。在工厂内确定的这些尺寸，经由弟子们传到其他工厂，成为后来 Whitworth 螺纹的基础。

Portsmouth 的滑轮工厂

1 艘帆船要用成百上千个滑轮（block）。据 Roe 所述，海军每年购买的滑轮多达约 10 万个^[1]。苦于熟练工不足的海军 Samuel Bentham，从 1790 年代起就在计划在 Portsmouth 船厂建一座用木工机械制造滑轮的工厂^[1]。这时，逃离法国大革命去了美国、1799 年来到英国的技术人员 Marc Isambard Brunel，带来了用机器制造滑轮的方案。Bentham 承认 Brunel 的方案优于自己的，予以采用^[1]。

寻找能把 Brunel 的图纸变成实物的工匠，最后找到了刚开业的 Maudslay。1800 年开始制作模型，1801 年获海军批准^[4]。锯床、钻孔机、开方孔的榫眼机、加工外形的机器、开绳槽的机器、车滑轮轮子的车床等，共 44 台。骨架为铸铁，高速运动的部分为淬火钢；Smiles 写道，Maudslay 加工零件时离不开自己的刀架^[4][1]。Science Museum 的目录把制造时间定为 1802—1807 年，并给出了使用机床的第一座大规模量产工厂这一评价^[2]。

工厂正式投产的 1808 年，10 名非熟练工就完成了此前 110 名熟练工的工作，每年制造 13 万个以上的滑轮（Smiles 说是 16 万个）^[1][4]。划分工序，每道工序设专用机器，在确定的基准位置夹持材料。Roe 指出，这座工厂已经实现了“互换方式”，却在两代人的时间里几乎没有影响英国的其他工业；他还写到了其中的讽刺：1855 年英国从美国购买 Enfield 的机器，称之为“美国体系”而加以引进^[1]。这段故事在第 2 章中继续。

Lambeth 的工厂与“大法官”

靠滑轮机器成名的 Maudslay，1810 年把工厂迁到 Thames 河南岸的 Lambeth^[4]。曾在 Portsmouth 绘图的 Joshua Field 加入后，Maudslay & Field（后来的 Maudslay, Sons & Field）成为制造机床、制粉机、造币机、陆用和船用蒸汽机，有数百人工作的工厂^[1][2]。

Maudslay 执着于精确。工作台旁有一件被 Maudslay 称为“大法官（Lord Chancellor）”的台式测量工具。把物体夹在 2 个淬火钢平面之间，用细牙螺杆推进其中一面，轻轻接触时停下。刻度为 1/10 英寸，以及螺杆头部的 100 等分。Nasmyth 写道，用它可以分辨到 1/1,000 英寸的差异^[5][1]。Science Museum 的目录则认为它有 0.0001 英寸的精度^[2]。它是现代千分尺的祖先之一。

平面也是一样。据 Nasmyth 所述，Maudslay 的工厂制作 3 块一组的平板，互相对研消除高点，最后用硬钢刮刀刮去细小的接触点，放在工匠的工作台上。只有 2 块的话，一块凸、一块凹也能贴合，但 3 块两两都能贴合，就全都是平面了^[5][2]。用这种平板检验自己的工作，让工匠明白了“真正的平是什么”。1831 年 Maudslay 去世后，工厂由儿子们和 Field 继续经营，弟子们把 Maudslay 的标准带到了英国各地^[1]。

弟子们与龙门刨床（1813—1844 年）

Roe 把英国早期的机床制造者整理成一张谱系：Maudslay 和 Clement 出自 Bramah 的作坊，Roberts、Nasmyth、Whitworth、Muir 等人出自 Maudslay 的工厂。手艺好的工匠在好工厂里工作，再独立创办下一家工厂——这样一条链条^[1][2]。在这条链条中，诞生了仅次于车床的重要机器——龙门刨床。

是谁发明了龙门刨床

直到 19 世纪初，做平面都是一项用凿子粗削、再用锉刀精修的繁重工作。据 1856 年 Whitworth 的演讲，30 年前用手正确精加工铸铁平面的工钱是每平方英尺 12 先令，有了龙门刨床后不到 1 便士^[2][4]。

龙门刨床的发明者无法归于一人。据后来工匠的证言，Leeds 的 Matthew Murray 在 1814 年已在使用刨削蒸汽机滑阀平面的机器。他没有申请专利，而是把它藏在上了锁的小房间里^[1][4]。据说 Derby 的 James Fox 也在约 1814 年制造了能自动切换往复运动的龙门刨床。Fox 在 1829 年发布了 5 种规格龙门刨床、7 种规格车床的价目表，1826 年还向波兰的工厂交付了整套机床，是以出售机床为生意的早期例子^[1][2]。

现存最古老的龙门刨床，属于在 Maudslay 工厂工作后、1817 年在 Manchester 独立的 Richard Roberts。工作台长 52 英寸、宽 11 英寸，用手转动链条使其往复，刀具可纵向和横向进给，用铰链固定，回程时能让开。床身导轨面上还留着凿子和锉刀的痕迹。在没有龙门刨床的时代，他是用手造出了龙门刨床^[1][2]。

London 的 Joseph Clement 于 1820 年制造了刨削车床三角形床身棒的龙门刨床，1825 年又完成了能刨削 6 英尺见方工件的大型龙门刨床。工作台在滚柱上移动，装有去程和回程都能切削的刀具。Clement 曾说其精度高到“在一根滚柱下垫 1 张纸，整个台子就会停住”；约 10 年间没有同样大小的机器，每平方英尺 18 先令的来料加工成了 Clement 的主要收入^[4][2][1]。

龙门刨床带来的改变。机床的精度取决于导轨面的平面度和直线度。有了龙门刨床，导轨面本身也能用机器加工了。Science Museum 的目录介绍了一种说法：在没有制造平面工具的时代，梁式蒸汽机之所以长期使用，是因为它的形式需要的平面很少^[2]。连机器的形式，都受制于制造平面的能力。

Roberts 的背轮与插床

Roberts 在同一年 1817 年，还制造了带背轮（back gear）的车床。这是用齿轮降低皮带塔轮的转速，大幅扩展主轴转速范围的机构，使粗大或坚硬的工件能低速大力切削。长丝杠不用于车螺纹，而用于刀架的日常进给，到设定位置时进给自动断开。这台车床在 Roberts 的工厂一直用到 1854 年，至今保存在 Science Museum^[2][1]。Roberts 还构想了开齿轮键槽的插床，Holtzapffel 写道，在钻床的改进上也无人能及 Roberts^[1][2]。1825 年，他受纺织业者委托制造了自动走锭纺纱机，Sharp, Roberts & Co. 后来开始制造机车。这些机车用样板和量规统一零件，是在英国较早采用互换方式的工厂之一^[1]。

Clement 的丝锥与 Babbage 的计算机

1817 年，Clement 以 500 英镑的本钱在 London 的 Newington Butts 开设作坊。工人最多也只有 30 人左右，但个个都是能手^[4][1]。从 1828 年起，他依据 Maudslay 的螺纹尺寸批量生产丝锥和板牙，用旋转的铣刀铣出丝锥的沟槽，并把柄部做细，使丝锥能从螺孔下方穿出^[1]。为 Charles Babbage 的计算机（差分机）制造精密零件的也是 Clement 的作坊，在那里工作的工匠中就有 Joseph Whitworth^[1][4]。

走向 Manchester

1830 年 Liverpool & Manchester 铁路开通后，机车以及制造机车的机床的订单都集中到了北方。William Fairbairn 于 1817 年在 Manchester 租了一间小屋，把粗大的木轴换成细的熟铁轴，使工厂传动装置的转速提高了 2—3 倍。其弟 Peter Fairbairn 于 1828 年接手 Leeds 的 Wellington Foundry，制造镗床、龙门刨床、插床等大型机床^[1][4]。用直径来表示齿轮轮齿大小的“径节”（diametral pitch），也始于瑞士出身的 Bodmer 在 Manchester 的工厂，被称为“Manchester 节距”。1837 年 Cambridge 的 Willis 为其命名，并提出径节相同的齿轮都能相互啮合的思路^[1]（齿轮的故事见第 8 章）。

Manchester 与 Whitworth：平面与螺纹的基准（1833—1857 年）

Nasmyth 的牛头刨床与蒸汽锤

1829 年，Edinburgh 的 20 岁青年 James Nasmyth 带着自制的蒸汽机模型和图纸拜访 Maudslay，被安排在 Maudslay 私人的作坊里当助手。在职期间，他构想了分度铣削六角螺母侧面的铣床^[1][2]。Maudslay 去世后，Nasmyth 在 Edinburgh 制造自己的机床，据他本人的年表，1834 年在 Manchester 开业，1836 年在郊外的 Patricroft 建起 Bridgewater Foundry，8 月正式投产^[5]。这块地夹在新铁路和 Bridgewater 运河之间，材料和产品的进出都很方便^[1]。1841 年 Buchanan 的书中以插图介绍的 54 台机床中，有 21 台是 Nasmyth 的机器^[2]。

1836 年 Nasmyth 构想的牛头刨床（shaper）是用曲柄使刀架往复运动、刨削小平面和键槽的机器，被称为“Nasmyth 的 Steam Arm”。那些不值得动用大型龙门刨床的小件平面，也能方便地用机器加工了。后来 Whitworth 增加了加快回程的急回机构^[2][1]。

1839 年 11 月 24 日，有人请教 Nasmyth 如何锻造汽船 Great Britain 直径 30 英寸（约 76 cm）的明轮轴，他用约 30 分钟在笔记本上画出了蒸汽锤的草图：用蒸汽气缸把沉重的铁块垂直提起，沿导轨落下。此前的杠杆式锤，放上大件后抬起的高度就不够了^[5][1]。结果那艘船改用了螺旋桨，明轮轴没有做成；Nasmyth 在法国 Le Creusot 的工厂里看到了按他笔记本上的草图制造的蒸汽锤，于 1842 年 6 月急忙申请了专利^[1][5]。1843 年，合伙人 Wilson 想出了自动操纵阀门的装置，使锤击的力度和次数一致，可以连续锻打^[2]。1851 年博览会的目录惊叹它能把力度调节到只打碎一个蛋壳^[2]。

Whitworth：平面

生于 Stockport 的 Joseph Whitworth，1825 年进入 Maudslay 的工厂，在能手 John Hampson 旁边工作。他在这里从事把 3 块平面互相对合精加工的工作，之后经过 Holtzapffel 和 Clement 的作坊，1833 年在 Manchester 挂出了“来自 London 的工具匠”的招牌^[1][2]。

借用 1856 年演讲中的话，Whitworth 思想的出发点是正确的平面与测量的能力这两样^[1]。在 1840 年 Glasgow 的论文中，Whitworth 否定了用研磨剂对研平面的精加工方法：研磨剂积在边缘，使边缘变圆，人无法控制在哪里削去多少。一边看接触点一边逐点刮削——他主张只有这样，才能做出接触点均匀细密分布的精确平面^[6]。他还写了这样的实验：平面贴合得好的话，上面的平板就像浮在空气层上一样滑动，而干燥的面与面会因大气压力粘在一起分不开^[6]。Roe 认为，3 块对研本身是 Maudslay 工厂就有的老技术，Whitworth 增加的大概是用刮削完成全部精加工这一点^[1]。

与现在的“刮研”同一道理。机床的导轨面和平板的精加工至今仍用刮研，理由与 1840 年的这一主张相同。把接触点刮得细密均匀，就会形成储油的油穴，运动平滑，也不会因局部接触而加速磨损。有的工厂特意对磨削精加工的面再进行刮研，也是这一道理的延伸。

Whitworth：螺纹

1841 年，Whitworth 在 Institution of Civil Engineers 发表了“螺纹的统一方式”。各工厂的螺纹各不相同，每次修理都要重新置办车螺纹的工具，他的提议就是统一螺纹来消除这种浪费^[6]。决定方法很务实：从英国各地的主要工厂收集螺栓，取每种直径螺纹牙数的平均值，以几种直径为基准确定中间尺寸，并扩展到 6 英寸。牙型角方面，1 英寸螺纹的平均值约为 55 度，其他直径也大致相同，于是全部统一为 55 度。牙顶和牙底各按牙高的 1/6 倒圆，使螺纹和丝锥、板牙不易崩缺^[6][1]。

不是用理论求最优，而是取大家正在使用的东西的平均值，让所有人向它看齐。Whitworth 写道，既然螺纹的形状无法由原理决定，就只能通过相互让步来确定^[6]。论文中写道，这一方式已被许多铁路和大工厂采用，也进入了 Woolwich 兵工厂；1858 年论文集的注释中则写着“1841 年以来，这一方式被广泛采用”^[6]。Roe 认为，到 1860 年它已在英国各地使用^[1]。这就是惠氏螺纹。作为标准的后续发展，在第 2 章（1905 年的 British Standard Whitworth）中介绍。

1851 年，达到巅峰

Whitworth 的机床不是以新奇，而是以精度和做工出类拔萃。中空的箱形床身，在同样重量下比三角棒床身刚硬得多，能保护丝杠免受污物侵害，并用开合螺母与丝杠啮合^[2]。1835 年取得专利的龙门刨床由动力驱动、自动进给，去程和回程都能切削^[2]。在 1851 年的 London 万国博览会上，他展出了车床、龙门刨床、牛头刨床、插床、钻床、螺纹切削和切齿机床、测长机、量规等 23 件，其他 20 家公司只有 1—3 件^[2]。Roe 称 1850 年的 Whitworth 为世界第一的机床制造商^[1]。

不过 Roe 接着又写道，Whitworth 的做法支配了英国机床好几代，这反而可能是英国失去领先地位的原因之一——此后 50 年的新动向大多发生在美国^[1]。在同一届 1851 年博览会上，有美国互换方式的步枪，还有花了 16 天当众打开 Bramah 锁的美国人 Hobbs^[1][4]。英国创造机床的时代至此迎来巅峰，进入下一章的“被追赶的时代”。1857 年，Nasmyth 把蒸汽锤的可动模型赠送给 South Kensington 的新博物馆，这成为 Science Museum 机床收藏的开端^[2]。

⛩与日本的关联

在本章的时代，日本还没有机床。不过，明治时期日本的工厂最先效仿的，正是从 Maudslay 到 Whitworth 在英国定型的车床。1889 年池贝庄太郎在东京开设的池贝工厂里有“英式”车床，以其为范本制造的英式 9 英尺车床，是现存最古老的动力式国产车床（机械遗产第 53 号，日本国立科学博物馆）^[11]。

据机械遗产的解说，这台车床用 3 级皮带轮和背轮（back gear）实现 6 级变速，床身上有缺口（马鞍），以便加工大件^[11]。背轮正是本章所述 Roberts 在 1817 年装到车床上的机构，70 年后在东京，作为英国式车床的标准形式被继承了下来^[2][11]。明治时期从英国式向美国式的转变，以及工部大学校的英国教师 Henry Dyer 的故事，在第 2 章中介绍；国产车床的历程在国产机床档案第 1 章《国产车床的谱系》中介绍。

螺纹也一样。Whitworth 的 55 度螺纹，在日本也以“惠氏螺纹”之名为人所知。现代螺纹的标准与基础，请看螺纹页面。

常见问题

螺纹车床是 Maudslay 发明的吗？

刀架以及用齿轮连接主轴和丝杠的思路，在此前法国的书、钟表匠的机器、Bentham 1793 年的专利中都有，美国的 David Wilkinson 也在 1798 年取得了专利。Maudslay 的功绩在于把它们全部用金属坚固地制造出来，集成为用 1 根丝杠和交换齿轮就能车出各种螺距、日常工作中能用的形式，并加以推广。约 1797 年和约 1800 年的 2 台保存在 Science Museum。

最早的龙门刨床是谁的？

无法归于一人。据传 Leeds 的 Murray 和 Derby 的 Fox 在约 1814 年已在使用，Clement 在 1820 年和 1825 年制造过。现存最古老的是 Manchester 的 Roberts 于 1817 年制造的龙门刨床，为 Science Museum 的藏品。

惠氏螺纹的 55 度是怎么定下来的？

1841 年，Whitworth 测量了从英国各地工厂收集的螺栓的牙型角，1 英寸螺纹的平均值约为 55 度，其他直径也大致相同，于是全部统一为 55 度。螺距也同样，根据工厂实际使用的螺纹的平均值确定。这是一个不追求理论最优、而选择大家都能遵从的数值的标准。

Portsmouth 的滑轮工厂比美国体系更早吗？

作为划分工序、排列专用机器、取代熟练工手工作业的量产工厂，1802—08 年 Portsmouth 的滑轮工厂是早期的例子。不过正如 Roe 所指出的，这座工厂的方式几乎没有推广到英国的其他工业，英国在 1855 年还要从美国购买 Enfield 步枪工厂的机器来引进“美国体系”。