USA 01美国体系与机床的诞生

枪支合同与“互换性”的观念（1785—1815 年）

互换零件的观念本身，在法国比美国更早出现。1785 年，驻巴黎的美国驻法公使 Thomas Jefferson 亲手确认：把枪机（扳机与击锤的机构）的零件拆散 50 套混在一起，按取出的顺序组装也能严丝合缝，并将此事报告本国。制作者是一位名叫 Blanc 的工匠^[1]。撰写 1880 年人口普查报告的 Charles H. Fitch 总结说，法国在 1717 年和 1785 年都曾有过尝试，但由于偏见以及制度和机器的不足，未能付诸实用^[2]。

国营兵工厂与枪支承包

刚刚独立的美国需要自己制造枪支。根据 1794 年 4 月的法律，决定设立两处国营兵工厂，北方选在 Springfield（马萨诸塞州），南方选在 Harpers Ferry（今西弗吉尼亚州）。Springfield 于 1795 年以 40 名工匠开始制造仿照法国样式的滑膛枪^[3]。Harpers Ferry 于 1799 年开始建设工厂和水渠，水车水渠建成的 1801 年，28 名枪匠制造了 293 支滑膛枪^[4]。仅靠国营工厂不够，政府也向民间承包商订购枪支。

1798 年，轧棉机的发明者 Eli Whitney 获得了 1 万支滑膛枪的合同。轧棉机的专利没能守住，他正在寻找新的生意。Whitney 在致财政部长的信中推销说，使用水车驱动的机器可以大大减少工时，并在 New Haven 附近的 Whitneyville 建起工厂。不过，从零开始造机器花了将近 2 年，第一年原定交付 4,000 支，实际只交了 500 支，完成整个合同用了 8 年^[1]。即便如此，政府仍不断预付货款。

次年 1799 年，在 Connecticut 州 Berlin 制造镰刀的 Simeon North 获得了 500 支骑兵手枪的合同^[1]。North 在 1808 年的信中写道，让一名工匠只专做一种零件、最多做到 2,000 个，工时可减少四分之一，质量也会更好。按零件分工、重复同样的作业——这成为互换生产方式的基础。1813 年，North 签订了 2 万支手枪的合同，其中加入了“每个零件都要能装到任何一支手枪上”的条款。这被认为是第一份承诺互换性的政府合同^[1]。这一年，North 迁往 Middletown，建起了 3 层的砖造工厂。

Whitney 的“传说”

关于 Whitney，有一个著名的故事：他在华盛顿从一堆零件中随意挑选，当场组装出 10 支枪。Jefferson 在 1801 年的信中也写道，Whitney 的枪机拆散 100 个混在一起也能组装^[1]。Roe 1916 年的书大力宣扬这个故事，总结说互换生产方式诞生于 Whitney 和 North 的工厂。然而在 1960 年，MIT 的 Woodbury 在题为“Whitney 与互换零件的传说”的论文中，对这一评价提出了质疑^[6]。此后的研究中，越来越多的人认为，真正实现互换性的不是 Whitney 的工厂，而是下面要讲的 Harpers Ferry 的 Hall 的工厂。

这个时代的“互换”达到什么程度？据 Fitch 所述，早期的互换性在很大程度上依赖于按淬火夹具（零件形状的样板）用锉刀锉削的方法。检验也还很宽松，而且沿夹具锉削会使锉刀很快磨损，成本也高。互换性真正得以保持，是开始用钢模锻造、并通过由刀具本身决定形状的铣削来保证尺寸以后的事^[2]。

国营兵工厂与仿形车床、最早的铣床（1815—1839 年）

Blanchard 的仿形车床

枪上形状最复杂的部分是木制枪托。每一支都要手工削制、配合金属件，即使是熟练工一天也只能做 1—2 支^[2]。Thomas Blanchard 先于 1818 年在 Springfield 让一台车削枪管外圆的机器投入运行，1819 年又取得了沿样板仿形、切削出同样不规则形状的机器的专利^[8][10]。其原理类似锁匠配钥匙的机器：铁制的样件（master）和木料以同样的速度缓慢旋转，循着样件移动的导轮的运动，由旋转的刀轮原样复制到木料上。NPS 解释说，由于刀具是旋转的，严格说来它更接近“切削机（shaper）”^[8]。

到 1827 年，Blanchard 的枪托机器已增加到 16 种，包括切断、刨平、开枪管槽、开枪机座槽等，两座国营兵工厂都在使用。据说即使是早期的机器，每人每天也能做 5—6 支枪托^[2]。有趣的是，木材加工的精度竟然领先于金属零件。由于枪机板的形状还一块一个样，Blanchard 甚至做出了以枪机板本身为样板、按其形状在枪托上开槽的装置。Springfield 一直沿用这种方法到 1840 年，那时金属零件已经能做到与枪托同样的精度^[2][1]。现存唯一一台 Blanchard 的机器（1822 年）至今仍保存在 Springfield^[8]。

Harpers Ferry 的 Hall

1819 年，拥有后装式（从枪尾装弹）步枪专利的 John H. Hall 签下 1,000 支的合同，进入 Harpers Ferry 兵工厂。他把一座旧锯木厂改成工厂，花了多年时间制造用于生产互换零件的精密机器^[7]。Hall 制造的有落锤、枪托机器、钻床，以及直线、杠杆形、曲线切削的专用机器，其中直线切削的机器被认为是今天铣床的祖先之一^[7]。1822 年 12 月，Hall 在致陆军部长的信中写道，他已确立了一种方法，能由普通工人之手、经济地制造出与样品完全相同的枪^[7]。

1824 年完成的最初 100 支，枪尾间隙配合到“一张纸能滑进去，两张就卡住”的程度^[1][2]。这是没有千分尺的时代用纸当塞尺的配合方法。1827 年，3 名调查委员报告说，把 1824 年制造的 100 支 Hall 步枪拆开，混合金属零件，重新装到 100 支新枪托上，也配合良好^[2]。Fitch 写道，这之所以能实现，靠的不是锉刀，而是全部由机器切削的配合面和模锻；间隙虽不算精细，但互换性是事实^[2]。1832 年，军械局的 Talcott 上校报告说，大部分作业都由机器完成，依赖手工的地方很少^[7]。

最早的铣床

用旋转刀具切削平面和沟槽的铣床，是在这一时期的兵工厂里成形的。谁是第一个并不清楚。现存最古老的铣床被认为出自 Whitney 的工厂，它具有用丝杠驱动工作台的机动进给，以及切削结束时自动脱开进给的机构^[9][2]。Roe 认为这是 1818 年以前的机器，但 Woodbury 指出该年份的依据只是百科全书中的一句话，将其定为“1820 年前后”。据说大约同一时期，在 Middletown，由英国来的 Robert Johnson 等人开办的工厂于 1818 年开始使用手动进给的小型铣床，但这是 1900 年凭记忆复原的说法^[9]。作为确切的记录，Whitney 在 1823 年 3 月致陆军部长的信中提到了铣削，而当时两座国营兵工厂也都已在使用铣削^[9]。

Springfield 引进第一台铣床是在 1834 年，用一台主轴不动的机器粗加工扳手。次年 1835 年，又从 Middletown 请来工匠制造铣床^[2]。到 1830 年前后，又出现了用外形做成零件形状的成形刀具来切削枪机零件的方法^[2][9]。刀具的形状直接就是零件的形状，工匠手艺的差别就无从介入。这是从锉削精修走向机械精加工的一大步。

用量规检验

要让零件整齐划一，就需要测量并判定合格与否的工具。据 Roe 所述，把零件套进去试配的接收量规（receiving gauge）于 1829 年在 Middletown 使用，到 1840 年在 Springfield 也已普及^[1]。Fitch 写道，大约从 1829 年起检验变得严格，开始使用接收量规。到 1880 年，用能进的一侧和不能进的一侧两端来确定界限的极限量规（通规、止规）已成为常规，Springfield 每支步枪的零件要用 154 个量规检验^[2]。这是今天配合概念（配合）的雏形。

民间兵工厂与铣床、转塔车床（1840—1850 年）

Springfield 的改革

1840 年，Springfield 的 Thomas Warner 引入了一套靠铣床、按夹具精修和严格检验来保证互换性的方式。他制造了 5 台主轴可沿竖直导轨上下移动的铣床，统一了刺刀的加工，省去了磨削的工时^[2][9]。1842 年，开始制造火帽击发式的新型滑膛枪（Model 1842），并备齐了整套标准夹具、丝锥和量规^[2][1]。NPS 的目录采用了第一支完全由机器制造的互换零件组装而成的 Springfield 枪这一说法^[3]。不过从账簿来看，淬火前把枪机每 10 套预装一次、做上记号的老习惯一直保留到 1849 年^[2]。在民间，Ames 公司的 Albert Eames 也于 1842 年备齐了量规和夹具，每次检验都把 10 支枪拆开混合，再重新组装来确认^[2]。

Windsor 的 Robbins & Lawrence

这个时代的另一个中心，是 Vermont 州的小镇 Windsor。1843 年，手艺高超的枪匠 Richard S. Lawrence 和 N. Kendall 开了一家枪械作坊，实业家 S. E. Robbins 带来了政府 1 万支步枪的投标^[1]。中标的 3 人于 1846 年建起 4 层砖造兵工厂，构思新机器、改造旧机器，磨练出制造互换零件的技术^[13]。第一份合同提前 18 个月完成，又接到了 15,000 支的订单^[1]。ASME（美国机械工程师学会）将这座工厂作为“第一个在实用规模上实现互换生产方式的机械工厂”，列为机械工程历史地标（机械遗产）^[14]。

在 Windsor，除了 Lawrence，还有负责设计的 Frederick W. Howe 和后来发展转塔车床的 Henry D. Stone，共 3 位出色的机械师。1848 年，Howe 把该公司的铣床，以及沿样板仿形切削零件轮廓的仿形铣床（profiler）设计了出来^[9][1]。1850 年 Howe 设计的铣床，被认为是第一台为对外销售而制造的铣床，横向进给也配有机动进给^[9]。这是从兵工厂自制自用机器的时代，迈向把机器本身作为商品出售的时代的入口。

转塔车床的起源

在一个零件上依次用钻孔、镗孔、车螺纹、切断等多把刀具加工时，普通车床每换一次刀都要重新对刀。于是出现了一种办法：把多把刀具装在一个旋转的刀架（转塔）上，只要转动刀架，就能把下一把刀送到同一位置。据 1900 年的 American Machinist 杂志记载，在 Connecticut 州 Middlefield 的一家手枪工厂，Stephen Fitch 为制造 3 万个火帽的火门，自费制造了一台装有 8 把刀、可自动转位的转塔机床，从 1845 年一直用到 1853 年^[12][1]。Fitch 的转塔是水平轴的，Colt 工厂的 Root 用的也是水平轴转塔。后来普及的垂直轴转塔车床，以 1854 年 Robbins & Lawrence 作为商品制造的为早期实例，图纸由 Stone 绘制，Howe 和 Lawrence 也参与了设计^[1]。该公司还在 1850 年制造了把 2 把刀具和跟刀架装在一个箱体里的箱形刀架（box tool）^[1]。转塔车床后来的发展（自动车床、平转塔车床）在第 6 章中介绍。

Colt 与 Root

Samuel Colt 于 1836 年取得转轮手枪的专利，但他在 Paterson 的第一家公司于 1842 年关闭^[1][11]。墨西哥战争中，政府两次各订购 1,000 支，Colt 把第一批交给 New Haven 的 Whitney 工厂制造，从中学到了制造的细节。1848 年他迁往 Hartford，1849 年以高薪聘请了曾使 Collins 公司斧头工厂实现现代化的 Elisha K. Root^[1]。Root 建立了模锻用的落锤，钻孔、膛线、枪托加工的机器，以及夹具、工装、刀具和量规的体系。Roe 总结说，手枪本身的功劳属于 Colt，而制造方法的功劳主要属于 Root^[1]。

万国博览会、英国的考察与机床出口（1851—1860 年）

1851 年，伦敦

在 1851 年的伦敦万国博览会（Crystal Palace，水晶宫）上，Robbins & Lawrence 展出了以互换方式为政府制造的 Mississippi rifle，获得奖牌^[2][1]。Colt 也展出了手枪^[13]。零件混在一起也能组装的美国枪支，引起了英国技术人员的注意。1853 年，前来考察纽约博览会的英国人 Joseph Whitworth 访问了 Springfield 兵工厂，用表逐一测定了用 Blanchard 式机器制造枪托的各道工序，并写进报告书（1854 年）^[15]。Whitworth 记录的是每道工序的分和秒。按机器测定作业时间并加以比较，这种视角本身就通向后来的生产管理。

英国的委员会与 Enfield

接着，英国政府派出了调查美国机器的委员会（Committee on the Machinery of the United States）。委员会参观了 Colt、Springfield、Windsor 的 Robbins & Lawrence 等处；在 Springfield，厂长 Ripley 少校从 1843 年到 1853 年 10 年间的产品中每年取 1 支，共 10 支拆开，混合零件后重新组装给他们看^[2][1]。Fitch 和 Roe 把此事写作 1853 年，但委员会的报告书是以 1855 年的日期提交议会的^[16]。考察的年份多被认为是 1854 年，本页年表记为“1853—54 年”。

结果是一笔大订单。1855 年，美国公司向英国交付了 2 万支互换式 Enfield 步枪，以及一整套制造兵器的机器。最初的 157 台价值 44,360 美元，包括铣床 57 台、万能铣床 8 台、4 轴钻床 12 台，以及车螺纹、开槽用的专用机等^[2]。Roe 注意到，这份清单里几乎没有车床。这是因为枪支零件大多不是回转体，而是用铣床和专用机切削的^[1]。这些机器主要由 Robbins & Lawrence 和 Ames 公司制造，曾在 Harpers Ferry 和 Ames 公司工作的 James H. Burton 远赴英国，指挥 Enfield 国营工厂的安装和运行^[1][2]。Fitch 写道，这些机器在英国和德国被大量仿制^[2]。

有趣的是，出口 157 台机器的 Robbins & Lawrence 自己并不认为自己是机床厂家，因为当时工厂用的机器由该工厂自己制造是常态。尽管如此，Ashburn 写道，这笔订单成了制造并销售机床这门生意的转折点^[21]。此后，Robbins & Lawrence 因涉足铁路车辆和一笔没有保障的大额步枪合同而陷入经营困境，于 1856 年 10 月破产^[17]。1859 年 Windsor 的工厂转入 Lamson, Goodnow & Yale 之手。设计者 Stone 留了下来，后来发展为 Jones & Lamson^[1]。

Lincoln miller 与 Colt 的新工厂

1855 年，Hartford 的 George S. Lincoln & Co. 为 Colt 的新工厂制造了由 F. A. Pratt 设计的铣床。这就是 Lincoln miller。它以 Robbins & Lawrence 的机器为蓝本，Pratt 对工作台的进给机构做了从重切削开始时容易颤振的齿条与小齿轮到丝杠与螺母的更换，并把整体做得坚固而紧凑^[9][1]。机器本身也从一开始就让零件具备互换性并大量生产，Fitch 写道，到 1880 年连同仿制品在内共制造了约 10 万台（Roe 称 15 万台以上）^[2][1]。前一年的 1854 年，Root 已在铣床上加装了从上方用臂支撑主轴前端的悬梁（overarm）结构^[9]。铣床结构的演变在第 7 章中详细介绍。

Colt 在 Hartford 的兵工厂（东厂房）于 1855 年落成。由 Colt、Pomeroy、Root 设计，有大窗户、通风和煤气灯，NPS 介绍说它一度是世界最大的私营兵工厂^[11]。据 Roe 所述，厂内有超过 1,400 台机器，其中多数由本厂设计制造，在夹具和工具上的花费与机器本身不相上下^[1]。1857 年，每天能完工 150 支手枪^[11]。从这家工厂里，后来走出了创办 Pratt & Whitney 的 Pratt 和 Amos Whitney、自动车床的 Spencer、锻造的 Billings、锥齿轮的 Gleason 等人（第 2 章）^[1]。

为什么是美国？Whitney 在 1812 年的信中写道，他的方式的目的，是用精确的机器动作取代“这个国家几乎没有的、需要长期学徒才能掌握的工匠手艺”^[1]。Fitch 把互换生产方式的条件归纳为“有大量需求作保证”和“要求精细的工作”，并说明最早同时满足这两点的，是政府合同下的枪支制造^[2]。工匠不足，但又需要成批的数量，而且作为订货方的政府肯预付货款、愿意等上好几年。正是这种组合，让投资专用机床、夹具和量规变得划算。

★南北战争及其后（1861—1865 年）

1861 年 4 月南北战争爆发，Harpers Ferry 兵工厂被焚毁，Springfield 承担起北军的步枪制造。开战时每月 1,000 支的产量，在鼎盛时期提高到每天 1,000 支的水平^[3]。民间方面，Colt 也建了西厂房，把工厂扩大一倍，接下陆军和海军的手枪订单^[1][11]。Colt 于 1862 年 1 月去世，Root 以总裁身份领导工厂。1864 年 2 月，东厂房毁于火灾^[11]。

战争在枪械工厂之外催生了新的机床。1861 年，Brown & Sharpe 为承包 Springfield 式滑膛枪的 Providence Tool Company 制造了转塔式螺纹加工机。这被认为是该公司作为商品制造的第一台机床^[1]。此外，为了省去用手锉加工钻头螺旋槽（这种钻头用来钻枪的火门孔）的工夫，J. R. Brown 制造了万能铣床，并于 1862 年 3 月把第 1 号机卖给了这家公司^[20][1]。这台能加工螺旋槽、齿轮和不规则形状的机器，成为下一个时代的主角（第 2 章）。曾在 Colt 工作的 Christopher M. Spencer 的连发枪，政府购买了约 20 万支^[1]。Spencer 后来制造了凸轮驱动的自动车床。

战争结束后，剩余的兵器和兵工厂的机器流向海外。1880 年的报告写道，英国、俄国、普鲁士、西班牙、土耳其、瑞典、丹麦、埃及等国政府购买了美国的兵器制造机器，日本、阿根廷、智利、秘鲁、墨西哥等国也从美国得到了大量供应^[2]。1870 年代，Pratt & Whitney 向普鲁士 Spandau、Erfurt、Danzig 的兵工厂交付了机器，普鲁士政府在感谢信中写道：“在很大程度上摆脱了对工匠手艺和体力的依赖，工资减少了一半”^[2]。诞生于兵工厂的互换生产方式，逐渐扩展到缝纫机、钟表、自行车和农机。

在现场有什么用？这个时代诞生的许多工具，至今仍以改变了的形态存在于工厂里：由刀具决定形状的成形铣刀、沿样板仿形的仿形加工（今天数控仿形和数字化扫描的祖先）、依次送出刀具的转塔、通规与止规的极限量规、把零件放在固定位置的夹具与工装。在图纸上标注公差、用量规判定合格与否、把装夹交给夹具——今天批量生产的思路就是从这里出发的。

⛩与日本的关联

美国体系蓬勃发展的时候，日本还处在拥有机床之前的时代。1860 年（万延元年），为批准《日美修好通商条约》而派出的遣美使节团在 Washington Navy Yard（华盛顿海军造船厂）登陆，后来参观了造船厂的熔炉等设备。使节团还到访了 Philadelphia 和 New York^[19]。不过，幕末进入日本的机床的早期实例，是很可能为荷兰制造的长崎制铁所的机器（1856 年的铭文），以及 1867 年横须贺造船所购买的法国机器（Mulhouse 1866 年的铭文），并不是美国的机器（国产机床档案第 1 章）^[22]。

作为显示美国兵器制造机器与日本关系的一手资料，1880 年人口普查报告写道，日本是从美国获得大量供应的国家之一^[2]。不过，这句话指的是枪支本身还是制造枪支的机器并不清楚，也未能确认哪家工厂引进了哪些机器。日本的机床制造大幅转向美国式，是从明治末年东京高等工业学校聘请美国技师 Francis、池贝铁工所开始批量生产美式车床时开始的。这部分在第 2 章和国产机床档案第 1 章《国产车床的谱系》中介绍。

常见问题

“美国体系”是什么？

这是一种制造方式：用专用机床、夹具和量规使零件形状一致，任选哪个零件都能装配（互换性），从而不依赖熟练工匠的手工配合进行批量生产。它由 19 世纪前半叶美国的兵工厂和枪支承包商培育而成，大约从 1850 年代英国把它引入 Enfield 兵工厂时起，在欧洲被这样称呼。

互换零件是 Eli Whitney 发明的吗？

过去曾这样说，但现在已被重新审视。这一观念在法国已有先例（1785 年 Jefferson 曾报告），而 Whitney 的枪支零件是否真正互换，1960 年 Woodbury 提出了质疑。作为国营兵工厂实证互换性的记录，1827 年把 Harpers Ferry 的 John H. Hall 的 100 支步枪拆开重新组装的调查是较早的例子。

第一台铣床是谁制造的？

并不清楚。被认为现存最古老的是 Whitney 工厂的铣床（1820 年前后），此外还有 1818 年前后 Middletown 手动进给机器的说法，以及 Hall 工厂的“直线切削机器”。确切的记录是 1823 年 Whitney 的信，当时 Springfield 和 Harpers Ferry 的国营兵工厂也都在使用铣削。作为商品被广泛制造，是从 1855 年的 Lincoln miller 开始的。

Blanchard 的仿形车床与今天的加工有什么联系？

沿样件（master）仿形、复制相同形状的思路，后来发展为仿形车床、仿形铣床，以及测量形状并生成数控数据的数字化扫描。另一层意义在于，它证明了木制枪托这种“最需要工匠手艺的零件”也能用机器制造，成为把互换生产方式推广到金属零件的契机。