USA 03大量生产与两次大战

Ford 与专用机床、第一次世界大战（1900—1918 年）

机床厂家的团体成立

进入 20 世纪时，美国的机床厂家大多是小公司。1902 年 6 月，17 家车床厂家聚在一起，成立了 National Machine Tool Builders' Association（NMTBA，全美机床制造商协会，即现在的 AMT）。以 Cincinnati 和 Worcester 的车床厂家为中心，目的是制止降价竞争、规范经营方式^[1][2][3]。这个团体后来举办展会、收集统计，在战时成为与政府沟通的窗口。关于成立年份，只有 1914 年的纪念刊写作“1901 年”，但 1922 年大会上会长说“这是第 20 年”等，3 份资料一致为 1902 年，所以本章采用 1902 年^[64]。

Highland Park：把机床按工序排列

1903 年成立的 Ford Motor Company，于 1910 年迁到 Detroit 北面 Highland Park 的新工厂。建筑大多由以工厂建筑闻名的 Albert Kahn 设计，为了应对 Model T 的订单，一直扩建到 1922 年^[4]。

Ford 的技术人员在这里所做的，与其说是发明新机器，不如说是改变了机器的排列方式。以往的工厂，通常按机器种类排列：车床在车床区，钻床在钻床区。零件从一个部门运到另一个部门，每次都要等待。Ford 在 1914—15 年，把 500 多台机床按零件、按加工顺序重新排列。同时代采访过这座工厂的 Arnold 和 Faurote 把这种做法归纳为 3 点：按作业顺序布置工具和人，使零件的移动距离最短；使用滑槽，把作业完成的零件放到固定位置，它就会靠重力滑到下一个人手边；以及移动式装配线^[6]。机器之间的距离也压缩到极限，因为地面面积也要分摊间接费用。Arnold 比较说：“即使新英格兰最紧凑的工厂，也还在浪费地面”^[6]。

专用机床是“市售机床＋讲究的夹具”

Model T 的 4 缸整体铸造气缸体，包括装夹和拆卸在内，总共 45 分钟加工完成，没有手工精修。Foote-Burt 的多轴钻床从 4 个方向一次钻出 45 个孔，Ingersoll 的铣床加工平面。在长工作台的铣床上，把气缸体一个接一个串起来夹紧依次通过，过了刀的就按顺序卸下。刀具准备了磨好的备用品，每班更换^[6]。Ford 的机器大多是市售品，取而代之的是夹具（钻模、夹具）做得很讲究，操作者无需费神——Arnold 这样写道^[6]。在通用钻床或铣床上装上该零件专用的多轴头和夹具，做成“专用机床”。今天量产工厂里专用机床和夹具的思路，在这里已基本成形。

机床厂家一方也开始推出面向量产的机器。1913 年，Cincinnati Milling Machine 采用 A. L. De Leeuw 的设计，推出了能自动重复工作台快进、切削进给、快退的量产用床身式铣床（manufacturing miller），1916 年又备齐了单头、双头型号^[5]。它不同于升降台式通用铣床，是用同一套调整加工成千上万个同一零件的机器（详见第 7 章）。

移动式装配线

移动的流水线，先在小零件上试行。1913 年春，Highland Park 把装在飞轮上的磁电机（飞轮磁电机）的装配分成 29 道作业，让工件移动到人面前。一个人全部组装时每个约需 20 分钟的工作缩短到 13 分 10 秒，经过反复改进又缩短到 5 分钟^[6]。安装日期在同一本书中有约 4 月 1 日和约 5 月 1 日两种写法，本章写作“春季”。

接下来是底盘（车架）。1913 年 8 月，固定式装配每辆车累计需要 12 小时 28 分钟。在用绳索和卷扬机拖着底盘在地面上移动的试验中缩短到 5 小时 50 分钟；10 月 7 日开始在长约 46m 的移动式生产线上装配，140 人一天（9 小时）装配 435 辆，每辆累计 2 小时 57 分钟。次年 1914 年 4 月 30 日，用 3 条链条驱动的高架线在 8 小时内装配了 1,219 辆，每辆累计 1 小时 33 分钟^[6][4]。美国国家公园管理局的资料也写着“从 728 分钟到 93 分钟”。Model T 的产量从 1909 年的 13,840 辆增至 1913 年的 189,088 辆、1916 年的 585,388 辆^[10]，价格从 1908 年的 850 美元降到 1924 年的 260 美元^[4]。

移动式装配虽然讲的是装配，但对机床的影响很大。生产线的前提是零件无需修配即可直接装上。哪怕只有 1 个零件尺寸超差、需要手工修配，整条线就会停下来。因此机械加工一方需要每天都能稳定加工出相同尺寸的机床，以及检验这些尺寸的量规。而且，如果 1 条线每天要装配几百辆车，那么给它供应零件的加工一方也必须以同样的速度流动。这一要求引出了后文将介绍的无心磨床和组合机床自动线（transfer machine）。

第一次世界大战的订单

1914 年欧洲爆发战争后，英法等国的武器订单涌入美国工厂。据 1914 年的普查，机床产值为 3,145 万美元；而据 NMTBA 的估算，金属切削机床的出货额从 1914 年的 3,530 万美元增至 1918 年的 2 亿 2,060 万美元，约为 6 倍^[7]。以台数计的指数（1913 年＝100）在 1917 年也达到 192^[16]。战争还暴露了量块的短缺。当时量块只能从欧洲购买，因此 1917 年，发明家 William Hoke 把制法带到国家标准局（NBS），用陆军军械局的资金制作了 50 套 81 块组的量块^[11]。

两次大战之间：衰退、无心磨削、量块、硬质合金（1919—1938 年）

战后的衰退

1919 年的普查中，机床产值仍有 2 亿 1,240 万美元^[7]，但到战争订单消失的 1921 年，出货额跌至 2,300 万美元。以台数计的指数也从 1917 年的 192 降到 1921 年的 20.5，减至近十分之一^[15][16]。机床很耐用，可以用 15 年以上。战争中买进的机床留在工厂里，会把今后多年的订单提前“吃掉”。二战前夕业界对扩产犹豫不决，也是因为记得这次衰退^[38]。让 1920 年代的出货额恢复起来的，是汽车工业的大批量生产。

无心磨床：砂轮成了消耗品

汽车大批量生产中最棘手的是磨削。淬火后的小型圆柱件（活塞销、气门杆、轴承滚子）如果用两端顶尖支撑、一根一根地磨，根本跟不上生产线的速度。于是投入实用的是无心磨削（即不用顶尖的磨削）。工件不用顶尖支撑，而是放在高速旋转的磨削砂轮与反向低速旋转的橡胶结合剂导轮（regulating wheel）之间，由下方的托板支撑。导轮起制动作用，靠两个轮的速度差来磨削工件。把工件中心放在两轮中心连线稍上方，就能磨出圆度^[9]。

起决定作用的导轮和托板机构，出自 Connecticut 州的轴承厂 Ball and Roller Bearing Co.的 L. R. Heim 的专利，1915 年 3 月申请，1917 年 1 月获批。Woodbury 和 Ashburn 写作“1915 年的专利”，但 1915 年是申请的年份^[8][9]。Heim 制造这台机器，是为了让轴承滚子的尺寸一致^[18]。Cincinnati Milling Machine 取得这项专利，于 1922 年推出用于批量生产的无心磨床。磨削砂轮直径 20 英寸（约 510mm），导轮 12 英寸，也能磨带台肩的推杆和气门挺杆。行业杂志 American Machinist 以“最近上市”介绍它，是在 1923 年 8 月^[9][17]。

现场发生了什么变化？据 1925 年的行业杂志，长 6 英寸的气门杆每小时可磨 350 根，活塞销可磨 225—325 根，导轮的修整每班 1—2 次即可。Woodbury 总结说，无心磨削让工厂认识到“砂轮是消耗品，在批量生产中其费用很小”。不再需要熟练的磨工，取而代之的是需要善于调整的人^[9]。American Machinist 前总编 Ashburn 把 Heim 的无心磨削，与 Norton 的曲轴磨削、Heald 的内圆磨削、双端面磨削一起，列为支撑汽车工业的 4 项磨削进展^[10]（磨床结构的演变见第 8 章，如今无心磨削的调整方法见磨削页面）。

量块：把长度基准放进工厂

要让零件装得上、配得合，工厂里所有的量规都必须统一到同一把“尺子”上。瑞典的 C. E. Johansson 在 1896 年想到了一种钢块：几块组合起来就能得到许多尺寸。把两个面磨得平整而平行，靠极薄的油膜就能紧紧贴合（研合，wringing），这层膜约 25nm，加到尺寸上也可以忽略不计^[11]。美国国家标准与技术研究院（NIST）的手册写道，Henry Ford 热心采用了量块，并以此为榜样，使其成为工业界的长度基准^[11]。

Johansson 于 1919 年回到美国，以美国公司 C. E. Johansson, Inc.的名义销售角度块等产品。工厂设在 New York 州 Poughkeepsie^[12]。1923 年 11 月，Henry Ford 买下这家公司，Johansson 本人也转到 Ford。量规及其制法在美国的权利也归 Ford 所有，此后量块一直以 Ford 的名义销售^[13][20]。1937 年的产品目录由 Ford 发行，把 Dearborn 的 Ford 技术研究所称为“Johansson 量块在美国的大本营”^[21]。不必每个工厂都制作、保存几百个量规，只要把少数量块组合起来，就能做出任何尺寸的基准。这样，批量生产的检验和制作夹具、量规的工具车间就用上了同一把“尺子”（如今量规的选用见量规页面）。

从专用机床到组合机床自动线

把机床按工序顺序排好之后，下一步就是减少机床之间的搬运人手。Milwaukee 的 A. O. Smith 在 1920 年引进了生产汽车车架的自动生产线。Ashburn 认为这是现代意义上最早的连续自动生产线^[14][10]。1924 年，英国 Coventry 的 Morris 工厂制造出一台机器：把标准机床排列在一条长床身上，用公共轴使各动力头的动作同步，对气缸体进行 53 道加工。全长 181 英尺（约 55m），一个循环 4 分钟。这被视为真正意义上的第一台组合机床自动线^[14]。在美国，汽车厂商 Graham-Paige 于 1929 年在气缸加工中引入了自动夹紧夹具、用输送杆把工件从一台机床送到下一台的方式。1955 年的 Ashburn、1963 年的 Shils、1988 年的 Flink 都把它列为美国较早具备现代组合机床自动线各要素的例子^[14][32][33]。

机床本身的驱动方式也在变化。Cincinnati Milling Machine 在 1927 年推出了用液压驱动工作台进给、可无级调节进给速度的标准铣床^[5]。与靠齿轮挡位选择进给的机床不同，它便于把快进切换为切削进给的动作自动化，适合批量生产机床的自动循环。组合机床自动线的结构在第 10 章中详细介绍。

硬质合金刀具：刀具跑在了机床前面

把碳化钨粉末用钴等金属烧结而成的硬质合金，诞生于德国灯泡厂商 Osram 的研究。Karl Schröter 的美国专利于 1923 年 10 月申请，1925 年 8 月获批，并转让给 General Electric（GE）^[19]。据芝加哥大学法律期刊的解说，Osram 在 1922—25 年取得美国专利，只把灯泡用途许可给 GE，其余权利则归 Krupp^[29]。硬质合金刀具于 1926 年在欧洲成为商品^[22]，1928 年 3 月在莱比锡博览会上，Krupp 演示了 Widia 的切削。美国行业杂志在 5 月报道说，它以每分钟 560 英尺（约 170m）切削低碳钢、以每分钟 780 英尺（约 240m）切削铸铁^[25][26]。这是高速钢的好几倍。

1928 年 10 月，GE 以“Carboloy”的名称销售其研究所制成的硬质合金刀具，并成立了新公司 Carboloy Company。据 GE 的 S. L. Hoyt 发表的数据，其布氏硬度为 2,100—2,500（淬火钢为 850—1,000），但抗弯强度只有高速钢的六成左右^[27]。11 月 GE 与 Krupp 签约，Krupp 在美国的专利权也归 GE 所有。GE 把硬质合金定价为每磅 453 美元，约为此前进口品的 10 倍^[29][30]。这种高价和专利的集中，后来导致了 1941 年 10 月的起诉和 1948 年 10 月的有罪判决（反托拉斯法）^[31][29]。判决书认定，GE 的制造成本为每克 6—12 美分，却把价格定为每克 1 美元。

硬质合金是一件“刀具跑在了机床前面”的事。用硬而易崩的硬质合金高速切削，机床需要高刚性和低振动。刚性不足，刀尖就会崩刃，颤振更是致命的。转速太低又会很快磨损。很快就出现了主轴 900 转的车床、切削速度每分钟 1,000 英尺的立式车床，但随后大萧条来临，设备投资停滞。与硬质合金相匹配的高刚性机床成系列地齐备，要到 1939 年^[10]。即便如此，用硬质合金单刃刀具高速、小进给的精镗（fine boring）已经开始，铸铁气缸的精加工开始从磨削转向镗削^[10]。国家标准局在 1930 年试验了 Taylor 的刀具寿命公式是否也适用于硬质合金^[22]（如今硬质合金的切削条件见切削加工页面）。

展会与大萧条

NMTBA 于 1927 年 9 月 19—23 日在 Cleveland 的公会堂举办了第 1 届机床展（National Machine Tool Builders' Exposition），180 家公司参展。1929 年的第 2 届增至 270 家^[23][24]。这就是今天 IMTS 的起源^[3]。1929 年的出货额为 1 亿 8,500 万美元，是 1920 年代的最高值，但因大萧条，1932 年跌至 2,200 万美元，约为八分之一^[15][16]。1935 年的第 3 届展会上，陈列了这 6 年间的新机床^[35]。

第二次世界大战：民主的兵工厂（1939—1945 年）

取消的展会与出口许可制

原定 1939 年 9 月在 Cleveland 举办的展会，因欧洲开战在开幕前夕取消。American Machinist 写道，为这次展会设计的 1939 年型机床，直接成了战时生产的主力^[36]。1940 年 7 月 2 日，依据《国防强化法》发布的第 2413 号公告，把金属切削、磨削用机床等纳入出口许可制。目的是优先供应国内兵工厂，美国对日本的机床出口也由此逐步停止^[37]（见后文“与日本的关联”）。

业界被英法订单淹没，有的厂商积压订单超过 18 个月。即便如此，扩产仍让人犹豫。据说 Cleveland 的 Warner & Swasey 的一位高管，到 1940 年还在从窗口望着一战时建成却一次也没用过的厂房。担心的是：今天卖得太多，会吃掉明天的市场^[38]。

集中订货：由国家承担滞销的风险

1940 年 12 月 29 日，Roosevelt 总统在广播讲话中呼吁美国必须成为“民主的兵工厂（arsenal of democracy）”，号召立即增加工厂和机器^[39][40]。同月，复兴金融公司的子公司 Defense Plant Corporation（DPC）开始了机床的集中订货（pool order）。即在购买方兵工厂确定之前由国家先订购机床，卖不出去就由国家收购。厂商因此可以按预期备料，也能扩建工厂。珍珠港事件后，集中订货还附带 30% 的无息预付款^[38]。DPC 还为机床厂商的 35 处新工厂和 131 家工厂的设备购置出资约 9,200 万美元^[38]。集中订货总额约达 19 亿 4,500 万美元，集中订货生产的机床出货额 16 亿 9,900 万美元，相当于 1941—1945 年业界产量的近一半。据说找不到买家而由 DPC 收购的不到 300 万美元^[38]。

分配命令与生产的顶峰

1942 年 1 月 16 日，根据第 9024 号总统令成立了战时生产局（War Production Board，WPB），机床的分配也移交 WPB^[43]。1 月的命令 E-1-a 把机床分为 2 组并规定交货顺序；5 月的 E-1-b 规定，新机床按机型、规格，把各厂商每月交货量的最多 75% 分配给陆海军和海事委员会^[45][44]。机床成了由国家决定哪家工厂、何时、得到几台的“配给品”。

1942 年的出货额达 13 亿 2,000 万美元，创历史最高。约为 1939 年（2 亿美元）的 6.6 倍，仅 12 月一个月就出货 1 亿 3,200 万美元^[41][42]。1943 年的行业杂志报道说，比起场地和机器，人手（征兵使熟练工减少）成了问题，普通车床、铣床、龙门刨床等标准机床的厂商最先开始活儿变少^[42]。兵工厂的机床配齐后，1944 年的出货额为 4 亿 9,700 万美元，不到 1942 年的四成^[15]。

战时的机床制造，与其说是新设计，不如说是“把同样的机器又多又快地造出来”。设计上的重大进步要等到战后 1947 年的展会^[36]。不过，战争把批量生产的思路推广到了武器上，把“用专用机床、夹具和量规让外行工人也能做出零件”的做法教给了全国的工厂。

战后：剩余机床、Detroit Automation、朝鲜战争（1945—1950 年代）

70 万台剩余机床

战争结束后，据估计国家拥有的机床中最多有 70 万台（购置额 18 亿美元）会成为剩余物资。集中订货生产的机床有三分之二已归国家所有^[38]。剩余物资的处理由 1946 年 3 月成为独立机构的战时资产管理局（War Assets Administration）负责，到 1947 年 3 月约售出 17 万台机床。二手机床廉价流入市场，挤压了新机床的市场。1946 年新机床的销售额只有 3 亿 7,500 万美元^[38]。出货额在 1949 年降至 2 亿 4,900 万美元，为战后的谷底^[46]。

国家并没有全部卖掉。1948 年 7 月的 National Industrial Reserve Act（国家工业储备法）规定，保留部分国有工厂和“国家机床储备”，以便下一次紧急状态时能立即使用^[52][38]。

战后的展会

1947 年 9 月，战后第一次展会在战时生产飞机发动机的 Chicago 的 Dodge-Chicago 工厂举行，约 2,000 台机床实际运转着展出^[50][51]。战时中断的新设计在这里集中亮相。

Automation：Ford 的新部门

1947 年 4 月，Ford 在制造部门内设立了 Automation Department。“automation”一词据说出自 Ford 副总裁 D. S.（Del）Harder。1955 年 Ashburn 的文章说，起因是 Harder 被要求找出不受人手延误影响的零件搬运方法时，说了句“需要更多的 automation”，而这个词最早见诸印刷品是 American Machinist 1948 年 10 月 21 日那一期^[14][48]。那一期的定义是：把工件送入、取出设备，在工序之间翻转，清除切屑，并使这些动作与机床的动作和时间同步，让生产线能用按钮操作的技术。最初的对象是冲压，部门成立以来设计了 500 多套装置（300 万美元），预计平均提高产量 20%。装置的条件是：每减少 1 个人的工作量花费不超过 3,000 美元，1 年内收回成本^[48]。

automation 随着 Ford 在 1951 年投产的 Cleveland 发动机工厂扩展到机械加工生产线。气缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴等在自动连接的生产线上加工，缸体线的能力据说是最新半自动线的两倍以上。组合机床自动线的换刀时机，由计算刀具使用次数的装置来提示^[54][53]。组合机床自动线在 1950 年代成为美国发动机工厂的主角，被称为“Detroit automation”^[59]。

自动生产线的弱点。自动生产线是只为一种零件服务的机器，汽车设计稍有变化就得重造，那个车型卖不出去就只能整条报废。还有换 1 把刀整条线就停的问题，人们想出了把生产线分段、在段间设置存放在制品的缓冲区，按寿命次数成批换刀等办法。1950 年代末，又出现了把标准部件（单元）重新组合、改造成另一种零件生产线的“building-block”方式^[10][59]。解决这种“生产线柔性”问题的，是下一章的 NC 和加工中心。

朝鲜战争与老化的设备

1950 年朝鲜战争爆发后，机床再次短缺。1951 年 2 月 28 日，国家生产局的命令 M-40 恢复了国家的集中订货。起初条件不合适，承接者很少，但 8 月推出修改条件的合同后，4 个月内就有 61 家公司承接了 35,150 台、8 亿 600 万美元的订单^[55]。出货额在 1953 年达到 11 亿 9,100 万美元，接近二战的峰值^[46]。尽管如此，在 1953 年 11 月 American Machinist 的设备调查中，美国金属加工业的 1,941,612 台机床中有 55% 是 10 年以上的旧机器^[56]。战时大量购进的机床，正在原样老化。

在现场有什么用？这个时代诞生的许多东西，如今已成为批量生产工厂的常态：按工序排列机床（今天的单元生产和生产线）、工件专用的夹具和多轴头、无心磨削、用量块校准的极限量规、与硬质合金刀具相匹配的高刚性机床，以及自动生产线。听人介绍二手专用机床或自动生产线时，看看“能否通过换型用于其他零件”“是不是可以重组单元的 building-block 式”，就能知道这台机器的年代和用途。

⛩与日本的关联

1940 年的出口许可制与日本的机床

1940 年 7 月美国的出口许可制，是日本机床工业的一大转折点。国产机床档案第 1 章的年表中列有这一年的“美国禁止对日出口机床”，并写到在此之前日本机床进口的八成以上来自美国^[65]（国产档案第 1 章的年表）。进口中断后，日本只能自己制造此前作为样板的美国机床，像第 4 章的切齿机床那样，奉命照着外国一流机床原样试制（国产机床档案第 4 章）。

无心磨削与量块

美国汽车工业培育起来的无心磨床，在日本随着轴承的批量生产而普及。国产机床档案第 3 章把日进机械制作所 1940 年开始制造无心磨床列为★大事^[66]（国产档案第 3 章）。量块方面，津上退助 1923 年在东京开始研究，1937 年创办津上制作所（今天的津上），开始生产量块^[67]（人物）。这与 Ford 收购 Johansson 的公司是同一年——1923 年。

赔偿拆迁及其取消

战后，美国曾考虑把日本的工业设备作为赔偿拆走，交给亚洲各国。1946 年 11 月呈交总统的 Pauley 大使最终报告，除了全部拆除兵工厂外，还把机床列为“大量拆除”的对象^[47]。1947 年 4 月发出指令，把已确定可拆除设备的 30% 先交给中国、菲律宾等国^[49]。但冷战开始后方针改变，1949 年 5 月 12 日，美国撤回了这项先行交付的指令，并提出不再要求进一步拆除的方针^[49]。日本的机床留在国内，用于战后的复兴。

1950 年代的技术合作

在朝鲜战争期间美国自己也为机床短缺所苦时，日本厂商开始引进美国批量生产的机床和刀具技术。1953 年 11 月，不二越钢材工业（今天的不二越）与美国 Michigan Tool 就剃齿刀的制造开展合作^[58]（国产机床档案第 4 章），1954 年 7 月，新潟铁工所与美国 Sundstrand 就生产型铣床的制造开展合作^[57]（国产机床档案第 2 章）。本章所见的“生产型铣床”“批量生产的齿轮精加工”技术，在晚了 20—30 年后支撑起了日本的汽车批量生产。而日本机床反过来涌入美国的故事，接续在第 5 章中。

常见问题

Ford 的移动式装配线，让机床发生了什么变化？

机床的布置和用法变了。Ford 在 1914—15 年把 500 多台机床不按机床种类、而按零件的加工顺序重新排列，并给通用钻床、铣床装上工件专用的多轴头和夹具，改成专用机床。为了不让生产线停下来，零件每天都必须保持无需修配就能装上的尺寸，这促成了无心磨床、量块和组合机床自动线的普及。

最早制造组合机床自动线的是哪里？

美国资料一致认为“真正意义上的第一台组合机床自动线”是 1924 年英国 Coventry 的 Morris 工厂的机器（53 道加工，全长约 55m）。在美国，1920 年 A. O. Smith 的车架自动线和 1929 年 Graham-Paige 的气缸加工是较早的例子。1950 年代在 Ford 的 Cleveland 发动机工厂等处推广开来，被称为“Detroit automation”。

硬质合金刀具是从什么时候开始使用的？

烧结碳化钨刀具于 1926 年在欧洲成为商品，1928 年 3 月 Krupp 在莱比锡演示了 Widia 的切削。在美国，GE 于 1928 年 10 月以 Carboloy 的名称销售。但最初每磅高达 450—500 美元，与硬质合金相匹配的高刚性机床到 1939 年前后才齐备。

第二次世界大战中，美国造了多少机床？

出货额从 1939 年的 2 亿美元增至 1942 年的 13 亿 2,000 万美元，约 6.6 倍，这是历史最高值。国家的 Defense Plant Corporation 通过在买家确定之前成批订购机床的“集中订货”承接了约 19 亿美元，占 1941—45 年业界产量的近一半。战后估计最多有 70 万台成为剩余物资，二手机床廉价流入市场。