USA 06美国车床的谱系

兵工厂的车床与仿形车床（约 1798—1850 年）

Wilkinson 的螺纹车床

美国金属车床的记录，始于罗得岛州 Pawtucket 的 David Wilkinson。Wilkinson 曾制造纺织机械和榨油用的大螺杆，他对手工制作的螺纹精度不满，构想了用两顶尖支承螺杆进行切削的机器。1798 年 12 月 14 日取得专利的这台机器，用水车同时带动工件和丝杠，并用与丝杠啮合的开合螺母进给沉重的刀架。它没有交换齿轮，只能切出与丝杠螺距相同的螺纹。Wilkinson 以此为基础，在 1806 年之前制成了用丝杠进给刀架的通用车床（slide lathe），在兵工厂等处广泛使用^[1][2]。1848 年，美国国会为表彰他“量规与滑座车床原理”的功绩，奖励了 1 万美元^[2]。不过，Roe 认为无法判断它是否能与同时期英国 Maudslay 的车床相媲美，Woodbury 也评价说“它不是精密的机器，但在工业规模的工作中派上了用场”（英国的车床见英国车床一章）。

Blanchard 的仿形车床：“复制”形状

兵工厂想要的，是把枪管、枪托这类非直线的形状，不靠熟练工的手艺也能做得一模一样。Thomas Blanchard 先在 Millbury 的 Asa Waters 兵器工厂，制成了用凸轮带动刀具、连枪管根部的平面也能切削的车床，到 1818 年 Springfield Armory 也已在使用。接着在 1819 年取得专利的，是切削枪托的仿形车床^[3][2]。

原理是这样的：让铁制的样板（母模）和木料以相同的速度缓慢旋转，样板上抵着导轮，木料上抵着旋转刀具。两者装在同一个框架上，导轮沿着样板的凹凸移动时，刀具也移动相同的量，把同样的形状复制到木料上。由于刀具是旋转刀具，其原理与其说是车床，不如说更接近牛头刨床，但“Blanchard lathe”这个名字就这样固定了下来^[3]。据说在 Springfield，为了适应金属零件的尺寸偏差，甚至用实物的锁板作样板来切削枪托，这种做法一直持续到 1840 年金属零件变得足够精确为止^[2]。1822 年的 Blanchard 枪托车床，至今仍保存在 Springfield Armory 史迹^[3]。

车间里发生了什么变化？仿形车床把“手艺好的工匠的手上动作”换成了“样板”。制作样板虽然费事，但一旦做好，谁来操作都能做出同样的形状。这种思路，延续到 100 年后的液压仿形车床，进而延续到数控车床的“程序”。Blanchard 的车床后来推广到鞋楦和斧柄的加工，Blanchard 的收入大多来自这项专利的使用费^[2]。

转塔车床与自动车床（1845—1916 年）

把刀具转着排好：转塔的诞生

用普通车床制作小螺钉时，每次钻孔、车外圆、车螺纹、切断，都必须换装刀具，或者移动刀架重新对位。于是有人想到，先把所有刀具都排好，只要转动刀架就能换到下一把刀具。据 1900 年 American Machinist 上 E. G. Parkhurst 的文章，康涅狄格州的 Stephen Fitch 在 1845 年为了制造政府手枪合同的零件，自费制作了一台用装有 8 把刀具的卧轴回转刀架依次切削的机器，一直用到 1853 年^[4][2]。Hartford 的 Sharps 步枪工厂里，J. D. Alvord 也在 1853 年以前设计了带转塔的螺钉加工机^[4]。

把它做成商品的，是佛蒙特州 Windsor 的 Robbins & Lawrence。据 Roe，该公司于 1854 年把转塔车床作为商品生产，图纸由 H. D. Stone 绘制。转塔的轴是后来成为标准的立轴。同一家工厂还诞生了把跟刀架与刀具合为一体的箱形刀具（box tool）和空心铣刀，Roe 称转塔是“自 Maudslay 的刀架以来最早的根本性改进”^[2][5]。那座工厂的建筑至今仍作为 American Precision Museum 保存着。

转塔自己转：Brown & Sharpe 与 Pratt & Whitney

1861 年，Providence Tool Co. 的 F. W. Howe 委托 Brown & Sharpe 制造用于加工枪的火门（承接雷管的小零件）的转塔螺钉加工机。J. R. Brown 在机器上增加了两个机构：一是借刀架退回的动作让转塔自动转到下一工位的机构（棘轮与棘爪），二是在主轴不停转的状态下送进并夹紧棒料的机构。Roe 认为这是 Brown & Sharpe 作为商品制造的第一台机床。同在 1861 年，Hartford 的 Pratt & Whitney 也开始制造自己设计的、转塔能自动转位的螺钉加工机^[2][4]。操作者的工作，渐渐只剩下推拉手柄。

用凸轮让一切自动化：Spencer 的自动车床

把最后剩下的“扳手柄的人”也换成机器的，是以连发枪闻名的 Christopher M. Spencer。1873 年 9 月 30 日美国专利 143,306 号的机器，用排在一根轴上的凸轮，按固定的顺序和速度完成送料、夹头夹紧、依次让转塔上的刀具切入、用板牙车螺纹、切断等全部动作^[7]。据 Roe，可以按工件更换平板凸轮的“空白凸轮（blank cam）”圆筒才是最重要的发明，但它不在专利的权利要求里，Spencer 没能取得这项权利。Spencer 在 1876 年创立 Hartford Machine Screw Co.，用自动车床大量生产螺钉^[2]。Brown & Sharpe 也在 1880 年代初由 S. L. Worsley 制成了全自动的螺钉加工机^[2]。

凸轮是“机器里的调整表”。自动车床的凸轮形状，记录的是哪把刀具、在什么时候、以多快的速度、进给到哪里。换产调整变成了重新制作并更换凸轮的工作，熟练也从“操作车床的人”转移到“设计凸轮并做调整的人”身上。可以把数控程序理解为把这种凸轮换成了数字。

Hartness 的平转塔车床

继承 Robbins & Lawrence 衣钵的 Jones & Lamson 于 1889 年迁到佛蒙特州 Springfield，James Hartness 作为厂长加入。此前该公司的主力产品，是用手柄操作的“高转塔”车床^[2][12]。1891 年，Hartness 推出了形式完全不同的转塔车床。American Machinist 1891 年 5 月 7 日号在封面上介绍了这台机器，称它“完全抛弃了以往转塔的形式”^[13]。专利（美国专利 457,967）于 1891 年 1 月 9 日申请，8 月 18 日获批^[15][17]。

在像普通车床溜板那样的台子上，放上低而大的圆盘（平转塔），再把刀架用螺栓固定在圆盘的上表面。圆盘靠外周导向，定位销也在外周，所以刀具差不多在定位销的正上方承受切削力，中心轴不会受到勉强的负荷。6 个刀架各有独立的挡块，可以为每把刀具设定进给的终点。工件可以一直伸到转塔的上方，所以直径 2 英寸（约 50mm）、长 24 英寸（约 600mm）的细长工件也能用转塔加工^[13][14]。American Precision Museum 列举的优点是：刀架之间宽敞，可以装复杂的刀架，而且刚性高^[14]。Hartness 身边还诞生了 Fellows 的插齿机（第 9 章）、Gridley 的自动车床、Fitchburg 的 Lo-Swing 车床以及 Bryant 的内圆磨床^[2]。

大件的转塔，与多轴自动车床

转塔不再只是加工小螺钉的工具。威斯康星州 Madison 的 Gisholt 采用 C. N. Conradson 的设计，把转塔推广到用卡盘夹持的大工件上^[2][18]。反过来，在小零件方面，出现了同时加工多根棒料的多轴自动车床。把 4—6 根主轴排在回转的主轴鼓（转鼓）上，转鼓每分度一次，各主轴上的工件就移到下一道工序的刀具前面。每分度一次就能完成 1 个零件，所以生产速度是单轴自动车床的好几倍。Cleveland 的 National Acme 由出身 Pratt & Whitney 的 E. C. Henn 和 R. Hakewessel 开发了多轴自动车床，Windsor 则生产 G. O. Gridley 的单轴、多轴自动车床^[2]。1894 年在 New Bedford 起家的 Davenport，长期生产 1902 年取得专利的 5 轴 Model B^[21]。

车间里发生了什么变化？有了转塔车床和自动车床，螺钉、螺栓以及缝纫机、自行车、汽车上的小零件，从“一个一个地车”变成了“用凸轮流水般地生产”。另一方面，因为调整费时，它们不适合数量少的工作。“从多少件起放到转塔车床或自动车床上”这一判断，从这个时代起就是小型加工厂的一大课题。

普通车床的现代化：齿轮箱、电动机、高速钢（1868—1920 年代）

从交换齿轮到齿轮箱

19 世纪的普通车床由天花板上的天轴通过皮带带动，靠换挂塔轮（cone pulley）的档位改变转速，低速则用背轮获得。要改变螺纹的螺距，就得把主轴与丝杠之间的交换齿轮一组一组地换装。在要车多种螺纹的工具车间里，这种换装是一大麻烦^[23]。

于是出现了把大小不同的齿轮排成阶梯状装在轴上、从中选择一个来啮合的办法。1868 年 Humphreys 的专利里也有“齿轮阶梯”，但作为商品普及的是 W. P. Norton 的机构^[6]。1892 年 3 月 8 日 Norton 的专利 470,591 号，把阶梯状的齿轮列装进箱子，只要用手柄选择就能改变丝杠的转速。1894 年的改进专利 519,924 号转让给了康涅狄格州 Torrington 的 Hendey Machine Co.，Hendey-Norton 车床由此诞生^[19][22]。Roe 写道，Hendey 动摇了长期作为全国标准的 Pratt & Whitney 工具车间车床的首位，齿轮箱也普及到了几乎所有机床上^[2]。1907 年 Perrigo 的书，还把其他各公司的齿轮箱放在一起作了比较^[6]。

大型车床与 Cincinnati 的车床厂家

大件方面，Philadelphia 的 William Sellers 在 1890 年以自己的设计承接了切削海军 16 英寸炮身的车床。那是一台回转直径 8 英尺（约 2.4m）、重量超过 50 万磅（约 230t）的机器^[2]。中型普通车床方面，1887 年 R. K. LeBlond 在 Cincinnati 开设工厂，Lodge & Shipley 等车床厂家也聚集于此^[9][10][11]。Lodge & Shipley 于 1892 年 8 月 1 日改组为公司，Davis & Egan 则于 1898 年更名为 American Tool Works，扩大了对外国的销售^[20][24]。印第安纳州的 South Bend Lathe Works 从 1906 年开始制造小型普通车床，并通过面向学校的教材《First Year Lathe Work》和《How to Run a Lathe》，推广了车床的教学方法本身^[28][29]。

电动机：皮带林消失了

用电动机驱动机床的尝试始于 1892 年前后。1895 年，Philadelphia 的 Baldwin 机车工厂改为用电动机逐台驱动车轮车床，为的是拆掉天花板上的天轴，装上搬运沉重车轮的起重机^[23]。1902—03 年的英国技术杂志，用照片介绍了 Lodge & Shipley 的电动机驱动车床^[11]。1907 年 Perrigo 写道，小车床用天轴驱动也可以，但回转直径 24 英寸（约 610mm）以上的车床最好逐台配电动机，并举出直连 1 马力调速电动机（每分钟 500—1,500 转）的车床为例^[6]。尽管如此，据 Ashburn，逐台电动机驱动成为常态是在 1920 年代，天轴又保留了 30 多年^[23]。

高速钢：机床反而跟不上了

1900 年 Paris 世界博览会上，Bethlehem Steel 的 F. W. Taylor 和 M. White 的高速钢刀具，以刀尖发红的速度（每分钟 120 英尺，约 37m）切削钢材。据说 Berlin 的 Loewe 公司把它带回去试用，结果车床和钻床不到 1 个月就不能用了^[23]。Taylor 与 White 的专利 668,269 号于 1901 年 2 月 19 日获得授权^[26]。在此之前用碳素钢刀具时，切削铸铁为每分钟 20—25 英尺（约 6—8m），切削低碳钢为 25—30 英尺^[6]。

刀具能以快好几倍的速度切削后，这回轮到车床一方太弱了。Perrigo 写道，有了高速钢，大吃刀量成为常态，主轴箱必须加强，动力必须加大，刀架也必须做得更结实^[6]。1906 年 Chicago 的 Armour 工学院的毕业论文，用直连 2.5 马力调速电动机的 Lodge & Shipley 16 英寸“高速车床”试验了高速钢的切削。这台机器用电动机的 10 档速度和齿轮的 6 档，可得到 60 种转速^[27]。从塔轮和皮带转向齿轮变速的主轴箱和电动机，这一潮流是被高速钢推动的。

车间里发生了什么变化？有了齿轮箱，车螺纹的调整从“计算并换装交换齿轮”变成了“看表扳手柄”。电动机和齿轮主轴箱提高了转速，高速钢加大了吃刀量和进给量，同一台车床一天能切削的量大大增加。看旧车床的样本时，“是塔轮还是齿轮主轴箱”“有没有齿轮箱”，是区分机器年代最容易看懂的标志。

硬质合金、仿形、战争（1928—1954 年）

因为硬质合金，再一次“机床跟不上”

1928 年 10 月，General Electric 以“Carboloy”之名推出了烧结碳化钨刀具^[32]。硬质合金比高速钢硬得多，能快速切削，但在低速下很快磨损，机床刚性不足就会崩刃，颤振更是致命的。主轴 900 转的车床很快就出现了，但大萧条使机床投资停滞，1930 年的出货不到前一年的一半。Ashburn 写道，能发挥硬质合金性能的机床品种，直到 1939 年才终于丰富起来^[23]。和高速钢的时候一样，刀具的进步先到一步，车床则以粗主轴、重床身和大电动机在后面追赶。

战争与车床

1940 年 7 月，根据总统公告第 2413 号，机床改为出口许可制，转向国内的兵器生产^[33]。第二次世界大战期间，Cleveland 的 Warner & Swasey 雇用了 7,000 人，生产了美国一半的转塔车床。Rochester 的 Davenport 也获得军需优先指定，24 小时制造多轴自动车床^[8][21]。在炮弹、引信、飞机零件这类大量切削相同形状零件的工作中，转塔车床和自动车床是主角（战时生产的全貌见第 3 章）。

液压、气动仿形车床

战后，为了用普通车床快速切削阶梯轴之类的形状，Blanchard 的思路以“仿形装置”的形式回归了。俄亥俄州 Sidney 的 Monarch，把沿样板移动刀架的仿形装置 Air-Gage Tracer 装到了自家的 Series 60 普通车床上。1949 年的行业杂志刊登了一个例子：用 3 台仿形车床，铸件壳体的加工快了 3.75 倍^[35][36]。只要有样板，阶梯轴以及带锥度、圆弧的形状，操作者不用分别转动进给手轮就能切削出来。Monarch 是 1909 年成为法人的公司^[30][31]。

精密车床

相反方向、即小而精确的工作方面，Elmira（纽约州）的 Hardinge 制造面向工具车间和研究室的精密车床。1954 年行业杂志上的 Hardinge HLV，主轴用电气无级变速，溜板和横向进给也用电气调速进给，齿轮箱和丝杠只用于车螺纹^[38]。把进给与丝杠分开、只在车螺纹时才用丝杠，是为了减少丝杠磨损、保持精度的办法。Hardinge 是从 1890 年起就制造精密车床的公司^[39]。

数控车床与车削中心（1955—1979 年）

1955年：靠纸带运转的转塔车床

数控（NC）最初是作为切削飞机复杂形状的技术起步的，例如 MIT 1952 年的数控铣床（第 4 章）。在车床方面，Arma Corporation 于 1950 年公开了数字控制的车床，但只是引起了话题，没有拿到订单^[23][37]。在车床上，反而是转塔车床较早成形。1955 年 9 月 Chicago 的机床展会上，Jones & Lamson 展出了数控转塔车床的样机。它以二进制代码读取穿孔纸带，可指令 2 个范围、各 16 档的主轴转速，六角转塔和四方转塔的分度，液压弹簧夹头和送料，乃至切削液。刀具事先用量规调好尺寸，所以宣传说，只要根据图纸编出指令、在纸带上打好孔，不调整刀具就能加工出零件^[40]。用纸带代替凸轮让机器记住调整，小批量的工作也能用上转塔车床的众多刀具。

1960年：示教式数控与量产型

1960 年 6 月，Warner & Swasey 发布了回转直径 25 英寸的数控转塔车床“Servofeed”。它不制作纸带，而是由操作者用按钮让机器记住试切时效果好的动作（最多 96 条指令），之后由机器重复^[41]。Monarch 于 1959 年 12 月发布了在 Series EE 车床上装有 GE 定位数控的机器^[42]，American Tool Works 则在 1960 年的博览会上展出了把仿形与纸带定位结合起来的车床^[45]。1961 年，LeBlond 推出了让刀具沿连续轮廓移动的 Tape-Turn^[46]。同年 9 月 Chicago 的机床博览会上，Jones & Lamson 的量产型数控转塔车床登场^[44]，整个会场展出了 100 多台数控机床。不过真空管控制器不耐会场的热浪，据说很多都没能正常运转^[23]。尽管如此，美国新安装的数控机床，从截至 1958 年的累计 193 台，增加到仅 1960 年一年就有 402 台；1967 年生产了 2,957 台，占切削类机床出货额的 21%^[23]。

日本的数控车床与微处理器

1970 年，山崎铁工所（现在的山崎马扎克）的数控车床 MTC-2500R，作为国产数控机床首次出口到美国^[50][51]。1974 年前后，发那科在美国建立服务网络，装有发那科数控系统的日本机床开始在美国销售。这时发那科每年生产 3,000 台数控系统，逼近美国所有厂家的合计（约 4,000 台）^[23]。决定性的因素是微处理器。日本在 1976 年推出了采用微处理器的 CNC 系统，装在面向小型加工厂的小型车削中心和加工中心上。美国的独立数控厂家开始采用是在 1980 年前后，许多美国厂家都把这 4 年的差距列为日本机床激增的主要原因^[23]。

车削中心与斜床身

到了 CNC 时代，车床的形态也变了。床身倾斜的斜床身便于切屑往下落，还能把刀架放在操作者的另一侧。转塔由 CNC 控制前后左右移动，装上动力刀具后，就能在车床上进行铣削和钻孔，这就是车削中心。Hardinge 在 1970 年代末开始制造 CNC 机床^[39]；在美国国家标准与技术研究院（NIST）的自动化工厂实验设施（AMRF）中，截至 1988 年，Hardinge 的斜床身车削中心 SuperSlant（3 轴、2 个转塔、分辨率 10 微英寸＝约 0.25μm）是车削的核心^[58]。

车间里发生了什么变化？有了数控车床，调整从“做凸轮”“做仿形样板”变成了“编程序、输入刀具补偿”。少量的工作也能自动加工，介于凸轮式自动车床和普通车床之间的大片工作转到了数控车床上。现在车床程序的写法见数控编程，刀具的选法见刀具页面的说明。

★进口浪潮与重组、现在的 CNC 车床（1980 年—）

1984 年，数控车床（卧式、立式）和加工中心占美国机床产值的 25%、进口额的 42%。1985 年，美国购买的数控机床台数中三分之二以上是进口的，小型车削中心和加工中心被几家日本厂家掌握。Ashburn 写道，日本的机器小、轻、便宜，起初故障也比美国的机器少^[23]。

车床老字号接连改变了面貌。转塔车床的 Warner & Swasey 于 1980 年被 Bendix 收购，1984 年转给 Cross & Trecker；吸收了后者的 Giddings & Lewis 于 1992 年 1 月关闭了它最后的工厂，在 Cleveland 的 110 年就此结束^[8]。Cincinnati 的 LeBlond 于 1981 年被牧野铣床制作所收购，成为 LeBlond Makino，也就是现在的 Makino Inc.^[54]。数控系统方面，美国的大厂 General Electric 于 1987 年与发那科成立合资公司，不久便停止了自家数控系统的生产^[23]。

政府也采取了行动。1986 年 12 月 16 日，Reagan 总统宣布了与日本、台湾的机床出口自主限制（VRA）。日本限制对美出口的有加工中心、数控与非数控车床、冲剪机、铣床，台湾限制的有加工中心、车床、铣床，从 1987 年 1 月起为期 5 年^[56]。日本厂家也选择了在美国生产的道路：山崎马扎克从 1974 年起在肯塔基州 Florence、大隈从 1987 年起在北卡罗来纳州 Charlotte 生产^[51][52][57]。Florence 工厂在 2024 年迎来 50 周年，生产 70 多个机型^[53]。

美国的新面孔，是 1983 年在加利福尼亚州诞生的 Haas Automation。最初的产品是程控分度台，1988 年推出了售价不到 5 万美元的立式加工中心^[55]。精密车床的 Hardinge 于 1995 年收购了瑞士磨床厂家 Kellenberger，在 2003 年的年度报告中也仍在 Elmira 的工厂生产车床^[39]。2018 年 5 月，Hardinge 被投资公司 Privet 以约 2 亿 4,500 万美元收购，总部迁至宾夕法尼亚州 Berwyn^[59]。多轴自动车床的 Davenport 于 1996 年推出了伺服式的 Model B Servo，把凸轮式机床的思路延续至今^[21]。现在车床的选法和用法见车床和加工的页面。

与日本的关联

日本的车床制造从英国式起步，到明治末年转向了美国式。1903 年，东京高等工业学校聘请美国人 Charles A. Francis 担任实习指导教师；1905 年，池贝根据他的规格书制造美国式车床，开始量产“池贝式标准车床”^[62]。大隈（现在的 Okuma）1916 年的 KE 型普通车床的丝杠是从 Brown & Sharpe 购买的；1918 年推出了改良美国 Sebastian 车床的 OS 型；1919 年又根据陆军兵工厂交给的 Pratt & Whitney 车床图纸制造了 OP 型。1939 年设计 LT 型超高速车床时，参考了 Monarch 等公司的车床^[63]。直到 1940 年美国对机床实行出口许可制之前，日本机床进口的八成以上来自美国^[34][33]。

战后的自动车床，也以美国的机器为样板。1948 年为了钟表工业而鼓励制造自动车床后，津上制作所开始制造 Brown & Sharpe 型自动车床^[64]。新潟铁工所在 1959 年从美国 Sundstrand 引进了单轴自动车床的技术^[65]。不久潮流就反了过来：山崎铁工所在 1962 年决定向美国出口 200 台 LE 型车床，1970 年把数控车床 MTC-2500R 送往美国，1974 年在美国开始生产^[66][50][51]。1986 年的 VRA 给日本数控车床的对美出口设了配额，大约同时大隈也开始在美国生产（1987 年）^[56][57]。日本方面的史实见国产档案第 1 章的年表，日本机床的进口浪潮见第 5 章。

常见问题

最早制造转塔车床的是谁？

有记录的最早实例，是康涅狄格州的 Stephen Fitch 在 1845 年制作的、带有装 8 把刀具的卧轴回转刀架的螺钉加工机。作为商品制造的是佛蒙特州 Windsor 的 Robbins & Lawrence，Roe 认为是在 1854 年。后来成为标准的立轴转塔，出自该公司 H. D. Stone 的图纸。

自动车床是何时、如何诞生的？

始于 Christopher M. Spencer 1873 年 9 月 30 日的美国专利 143,306 号。它用排在一根轴上的凸轮，依次带动送料、夹头、转塔刀具、车螺纹和切断，无需人手就能做出螺钉。Spencer 在 1876 年创立 Hartford Machine Screw Co. 进行量产。

Hartness 的平转塔车床新在哪里？

它不再用以往圆筒形的高转塔，而是在像普通车床溜板那样的台子上放上低而大的圆盘，把刀架用螺栓固定在上表面。由于在外周定位，它能承受较大的切削力；工件能伸到转塔上方，所以直径 2 英寸、长 24 英寸以内的细长工件也能用转塔加工。它于 1891 年问世，成为 Jones & Lamson 的主力产品。

美国最早的数控车床是在什么时候？

在本章核实的范围内，1955 年 9 月 Chicago 机床展会上展出的 Jones & Lamson 数控转塔车床（样机）是较早的例子。它用纸带的二进制代码，连主轴转速、转塔分度、夹头、送料都能指令。1960 年又推出了 Warner & Swasey 的 Servofeed 和 Jones & Lamson 的量产型。