USA 02精密与专业厂家的时代

Brown & Sharpe 与精密工具（1833—1863 年）

Brown & Sharpe 的起点，是 1833 年 David Brown 和儿子 Joseph R. Brown 在 Providence（Rhode Island 州）开的一家钟表与测量仪器小店。近 20 年间店里连动力都没有，1853 年 Lucian Sharpe 加入、改称 J. R. Brown & Sharpe 时，员工也只有 14 人^[1]。

刻度划线机与游标卡尺

转折点在 1850 年，J. R. Brown 制造了自动刻划直线刻度的分度机。它带有补偿机器自身误差和磨损的机构，1854 年和 1859 年又增添了同型机器。用这台机器刻度的游标卡尺（Vernier caliper）于 1851 年推出，可读到 1/1000 英寸（约 0.025mm）^[1]。Roe 写道，这是普通机工买得起的第一种精密测量工具。起初销路缓慢，第一年只做出 4 把，但几年后就畅销起来^[1]。

Sharpe 还注意到线材和薄板规号的混乱，设计了粗细按规律变化的规号。1857 年 2 月，主要的 8 家黄铜厂家采用了这一规号，后来成为 American Wire Gauge（AWG）^[1]。1855 年还制造了用于加工钟表齿轮和分度盘的精密齿轮分度机。刻度用的铜环，是 Brown 专程到华盛顿的美国海岸测量局请人刻的^[1]。自己拥有测量的工具、刻划的机器和分度的机器，成了后来制造机床的基础。

万能铣床（1862 年）

南北战争爆发后，Providence Tool Company 承接了 Springfield 式前装枪的订单。在枪的火门上钻孔的钻头，是在工具钢线材上用圆锉手工锉出螺旋槽制成的。J. R. Brown 从厂长 F. W. Howe（第 1 章 Robbins & Lawrence 的设计者）那里听说此事，加上自家缝纫机（Willcox & Gibbs）的零件也用同样的钻头，于是构思了一种新机床^[2][1]。这就是万能铣床，1 号机于 1862 年 3 月卖给了 Providence Tool Company。当年就卖出 10 台，12 月 Scientific American 杂志作了介绍^[1][3]。

“万能”在哪里？用分度头（按固定角度逐次转动的装置）夹住工件，用齿轮把工作台的进给丝杠与分度头连起来，使工件随工作台前进而缓慢转动。再加上工作台可在水平面内偏转，就能进行像钻头螺旋槽那样的螺旋铣削。同一台机床还能铣齿轮的齿和不规则的形状^[2]。底座是一个空心铸件，工作台装在可上下移动的升降台（knee）上。Rosenberg 认为，这是为解决一个狭窄问题而造的机床，却扩展到意想不到的广泛用途的最好例子^[2]。万能铣床的结构以及此后向升降台铣床的发展，在第 7 章中介绍。

制定标准：螺纹、量规、长度（1864—1879 年）

Sellers 螺纹（1864 年）

过去，螺纹的螺距和牙形因工厂而异是常态。螺母需要重新攻丝，更换的零件也配不上。1864 年 4 月 21 日，在 Philadelphia 的 Franklin Institute 例会上，会长 William Sellers 发表了“螺栓与螺母的体系”^[4]。牙型角 60 度，牙顶和牙底按螺距 1/8 的宽度削平，螺栓头和螺母的宽度也按公式确定，这就是他的方案^[1]。

当时英国有 Whitworth 螺纹（55 度，牙顶和牙底为圆弧）。Sellers 以三个理由否定了它：圆弧的牙顶和牙底难以密合，55 度的角度难以检验，照这种牙形制作刀具成本高。Sellers 的看法是：60 度容易制造，且在美国已被广泛使用；平顶的牙既好做又好检验^[1]。这是一种比起理论，更优先考虑在工厂里能制造、能检验的标准。Franklin Institute 的委员会推荐了它，1868 年美国政府、1869 年 Pennsylvania 铁路、1872 年车辆制造商团体相继采用，1898 年在 Zurich 的国际会议上被采纳为螺纹的标准牙形^[1]。1877 年 American Machinist 杂志的创刊号，把美国标准和英国的 Whitworth 两者并列作了解说^[5]。螺纹的种类和现行标准，在螺纹的页面。

成形铣刀与千分尺

1864 年 11 月，J. R. Brown 取得了只磨前刀面即可保持形状不变的成形铣刀的专利^[6][3]。刀齿的背部按刃口轮廓的曲线铲背（铲齿），因此即使刃磨前刀面，刃口形状也保持不变。此前的成形刀具一旦变钝，就要退火、重新开刃、再淬火。1880 年人口普查的报告写道：用 Brown & Sharpe 的成形铣刀，可以做出许多完全相同的刀具，磨了也不变形，因此对互换零件的工作十分重要^[7]。最初的目的是切削齿轮的齿，该公司的渐开线齿轮切齿体系由此发展起来（第 9 章）^[1]。

利用螺纹读取长度的千分尺也在这一时代成为工厂的工具。其原理由来已久，1848 年巴黎的 Palmer 就取得了“螺旋卡尺”的专利。1867 年，Bridgeport Brass 公司苦于 3 个本应相同的薄板量规互不相符，带着试制品找上门来。同年 8 月，Brown 和 Sharpe 在巴黎世博会上看到 Palmer 的卡尺，采用了 Palmer 便于读数的刻度分划方式，又加上锁紧钮和磨损调整，于 1868 年作为“袖珍薄板量规”出售^[1]。“千分尺卡尺”（Micrometer caliper）这个名称，始于 1877 年目录中刊载的 1 英寸规格产品^[1]。

Pratt & Whitney 与长度标准

在 Colt 工厂练就本领的 F. A. Pratt 和 Amos Whitney，1860 年夏天在 Hartford 租了一个小房间，一边上班一边开始制造绕线机。南北战争带来大量工作，1865 年在现址建厂，1869 年成为资本金 35 万美元的 The Pratt & Whitney Company^[1]。除了制造枪支和缝纫机的机床，还生产螺纹量规和工具，其管螺纹量规长期是国家标准^[1]。

要在工厂之间交换互换零件，各公司的量规必须指向同一个“1 英寸”。然而 Pratt & Whitney 把国内外的标准与自己的基准相比较时，同一根棒因测量方法不同，时而显长时而显短，得不出可用的结果。于是 Harvard 大学的 W. A. Rogers 和该公司的 G. M. Bond 追溯到伦敦的码原器和巴黎的米原器的可靠复制品，在美国海岸测量局的协助下重新比对，制造了 Rogers-Bond 比较仪。其特点是不以端面接触测量为基准，而以用显微镜读取刻线的方法为基准；耗时 3 年、花费数千美元的成果得到了 ASME（美国机械工程师学会）委员会的认可^[1]。Brown & Sharpe 也发现长期依赖的 Whitworth 塞规与环规的组合存在偏差，于 1878 年制造了作为自家基准的测长机^[1]。

万能磨床与自动车床

淬火后的零件无法切削，要用砂轮精加工。Brown & Sharpe 从 1860 年代初起，为精加工缝纫机针杆等零件，使用一种由车床改造而成的磨削车床，约 1865 年起也对外销售^[1][2]。从 1868 年起花了多年时间，完成了专为磨削从零设计的万能磨床，并在 1876 年 Philadelphia 的美国建国百年博览会上展出。Rosenberg 认为它是今天重磨削磨床的直系祖先^[1][2]。专利在 Brown 去世后，于 1877 年授予其遗属^[12][8]。

出身 Colt 的 C. M. Spencer 从削制缝纫机线轴的机器得到启发，制造了自动车削螺钉的自动转塔车床。由可更换板块的凸轮鼓决定刀具的顺序和进给，Rosenberg 认为它是今天所有自动车床的始祖。最关键的凸轮鼓被专利代理人遗漏，没有写进专利^[1][2]。1873 年 9 月获批的专利（美国专利 143,306），内容是卡盘持续旋转时切削螺纹的机构，以及材料进给的自动化^[9]。

这些机床也输出到了其他国家的兵工厂。Pratt & Whitney 在 1870 年代向普鲁士的 Spandau、Erfurt、Danzig 兵工厂交付了制造 Mauser 步枪的机床，1875 年普鲁士政府的感谢信写道，生产大大摆脱了对工匠手艺的依赖，工资减少了一半^[7][1]。从德国一方看美国方式的传播，在德国机床档案中介绍。

1877 年，行业杂志诞生。这年 11 月，面向机工、技术人员、铸工、锅炉工、模型工、锻工的月刊 American Machinist 在 New York 创刊。创刊号的第一篇文章是 Pratt & Whitney 制造的万能卡盘，第 3 页是螺纹标准的解说^[5]。新的机床和技巧通过杂志传遍全国，Roe 1916 年的书也有一部分源自该杂志刊登的文章^[1]。

专业厂家与中西部的机床（1880—1899 年）

据 Roe 说，1880 年以前美国的机床制造几乎都在 Allegheny 山脉以东。Ohio 和 Indiana 制造的机床是东部的仿制品，质量也不高^[1]。进入 1880 年代，Cleveland、Cincinnati、Hamilton 出现了机床厂家，10 年间就能与东部厂家竞争了。Rosenberg 总结说，1880 年起的 30 年里，像铣床、转塔车床那样全新的机床不多，但专门针对特定用途的机床呈爆发式增长^[2]。

Warner & Swasey 与 Cleveland

曾在 Pratt & Whitney 任工长的 Worcester R. Warner 和 Ambrose Swasey 于 1880 年前后自立门户，先在 Chicago 起步，因招不到熟练工匠，次年迁到 Cleveland。第一笔订单是 12 台转塔车床，此后一直生产转塔车床^[1][11]。该公司还制造了 Lick 天文台 36 英寸望远镜的支架，作为精密机械制造商声名鹊起。Roe 写道，在中西部第一个做出可与东部一流厂家媲美的工作的，就是 Warner & Swasey^[1]。Cleveland 还诞生了多轴自动车床。出身 Pratt & Whitney 的 Hakewessel 和 Henn 于 1895 年在 Hartford 的阁楼里为制造自行车零件造出 5 轴自动车床，1902 年迁到 Cleveland，成为 National-Acme^[1]。

Cincinnati：专业厂家之城

在 Cincinnati，生于英国 Leeds 的 William Lodge 于 1880 年 1 月 1 日与 William Barker 用 1,000 美元开办了工厂。10 年后资产达 40 万美元，同城的熟练工匠接连自立门户。1886 年合伙人换成 Charles Davis、改称 Lodge & Davis 后，Lodge 让自己专做车床，牛头刨床和刀架等则向刚独立的同伴的工厂订购。这培育出了一批互不竞争的小型专业厂家^[1]。Lodge 于 1892 年与 Davis 分手，一年后与 Murray Shipley 创办了 Lodge & Shipley 公司^[1]。1889 年接到了来自英国 Coventry 的 Alfred Herbert 的第一笔出口订单^[1]。

同一时期，Frederick Holz 在厨房里开始制造螺钉和丝锥，为铣丝锥的槽自制了一台木底座铣床。看到它的顾客订购了铣床，1889 年 The Cincinnati Milling Machine Company 由此诞生^[1]。在 1900 年的人口普查中，Cincinnati 有 30 家机床工厂，产值 337 万美元有余。其中 7 家只造车床，2 家只造龙门刨床，2 家只造铣床，5 家只造钻床，3 家只造牛头刨床^[2]。专注于一种机型大量生产，这种做法本身就是互换方式的应用。

Jones & Lamson 与 Hartness、Landis

承袭第 1 章 Robbins & Lawrence 之流的 Jones & Lamson，于 1889 年迁到 Vermont 州 Springfield，并迎来了 James Hartness。Hartness 把业务铺得过开的公司收缩到转塔车床，把刀架做得又低又平，平转塔车床由此诞生^[1][2]。专利于 1891 年 1 月申请，8 月获批（美国专利 457,967）^[14]。该公司还走出了插齿机的 Fellows（1896 年）、多轴自动车床的 Gridley、卡盘磨床的 Bryant，小小的 Springfield 成了机床之城^[1]。磨床方面，Pennsylvania 州的 Landis 兄弟于 1890 年创立公司，在使用 Brown & Sharpe 小型磨床的过程中构思出自家的磨床^[1]。1897 年工厂毁于火灾后，重组为资本金 10 万美元的 Landis Tool Company^[18]。立式车床（立式镗床）由 E. P. Bullard 于 1883 年设计出第一台^[1]（第 10 章）。

自行车改变了机床。Rosenberg 写道，1880 年以后机床的改进中，自行车以及后来的汽车起了很大作用。自行车需要轻巧、经过淬火的精密零件、高效的动力传递和低摩擦。在寻找答案的过程中，球轴承磨削、薄壁管加工、冲压等技术得到磨练，也能用于其他产业了^[2]。多轴自动车床 Acme 原本也是为制造自行车零件而造的机器^[1]。

高速钢、重磨削、电动机（1892—1914 年）

Taylor 与高速钢

F. W. Taylor（泰勒）在以时间研究闻名之前，是一位刀具研究者。1880 年他在 Philadelphia 的 Midvale 钢厂（董事长是 William Sellers）开始金属切削实验，耗时 26 年，花费 20 万美元以上^[1][11]。1898 年起他在 Bethlehem 钢厂与 Maunsel White 合作，增加钨和铬的含量，找到了以比以往高得多的温度淬火的方法。这就是高速钢（Taylor-White 法）。在 1900 年的巴黎世博会上，他们匆忙运来车床、驱动电动机和低碳钢材料，以切深 3/16 英寸（约 4.8mm）、进给 1/16 英寸（约 1.6mm）、每分钟 120 英尺（约 37m）的条件，演示了刀尖烧红后仍能继续切削^[11]。

为难的是机床一方。Rosenberg 写道，即使高速钢能快速切削，按碳素钢刀具设计的机床在力量和速度上都承受不了，结构、传动、操作部分都要全部重新设计。20 世纪最初 10 年里，车床的床身和溜板变重，进给机构加强，塔轮改用宽皮带。大型车床的床脚变短直至消失，床身落到了地面^[2]。Roe 也总结说，高速钢使切削速度提高到 2—2.5 倍，这 15 年间机床被大幅重新设计^[1]。Cincinnati Milling Machine 面向重切削的“High Power”铣床（1907—08 年）就是其代表^[3]。Taylor 于 1906 年在 ASME 发表《On the Art of Cutting Metals》，总结了切削速度、进给、刀具形状、冷却与刀具寿命的关系^[2]。

用电动机单独驱动每台机床

此前的工厂，用蒸汽机或水车带动贯穿天花板的长天轴（line shaft），再用皮带把动力分配给每台机床。用电动机驱动机床的做法始于 1892 年前后，Taylor 从 1894 年起也在实验中使用电动机。1895 年，Philadelphia 的 Baldwin 机车工厂用单独的电动机驱动加工车轮的车床，拆掉天轴，装上了搬运重物的起重机^[11]。机床的布置不再受皮带的限制，而能按工作流程来决定，这就通向了下一个时代（第 3 章）的流水作业工厂。

Norton 与重磨削

长期以来，磨削只是在车床精加工后再轻轻磨一下的“精加工的精加工”。在 Brown & Sharpe 负责磨床的 Charles H. Norton 设想：给又重又刚性强的机床装上宽而大的砂轮，不进给工件而把砂轮切入（切入磨削），只要靠机床的精度保证尺寸，就能省掉车床的精车，用磨削一次完成精加工。他在 1897 年公司内部的会议上提出这个方案，却遭到嘲笑，于是离开了公司^[8][11]。1900 年，在砂轮公司 Norton Emery Wheel 的出资下成立了 Norton Grinding Company，第一台机床是使用直径 24 英寸、宽 2 英寸砂轮的 18×96 英寸外圆磨床^[1][8]。1903 年，它把车削、锉削、抛光要花 5 小时的汽车曲轴在 15 分钟内磨完；1905 年，Norton 和 Landis 开始向汽车公司交付磨床^[11][8]。

支撑重磨削的是人造磨料。1891 年 E. G. Acheson 发现了碳化硅（Carborundum），1897 年 C. B. Jacobs 开发了人造氧化铝。人造氧化铝由 Norton 以“Alundum”之名从 1901 年起在 Niagara Falls 生产，到 1906 年前后取代了天然的刚玉砂（emery）和刚玉^[8]。另外，创办砂轮公司 Norton Company 的 F. B. Norton，与磨床的 Charles H. Norton 并非亲戚^[1]。磨床结构的演变，在第 8 章中介绍。

1914 年的样貌

在 1914 年的人口普查中，美国的机床工厂有 409 家，产值 3,144 万美元有余。同年 American Machinist 杂志刊登了包括工具等在内的 570 家工厂的地图：Ohio 117 家，Massachusetts 98 家，Connecticut 66 家；30 年前在 Buffalo 以西几乎没有的工厂，如今一半以上在西部^[2][1]。Roe 在这一年认为，机床的基本形式已经定型，今后将是高转速和重切削、夹具的改进、无需熟练工即可运转的自动机的时代。而欧洲战争的订单，正把美国的机床厂家推上世界首位^[1]。

在现场有什么用？这一时代确定下来的东西，是今天工厂的基础：60 度的螺纹，读到 1/1000 的游标卡尺和千分尺，磨了也不变形的成形铣刀，分度头与螺旋铣削，凸轮驱动的自动车床，切入磨削，人造磨料，以及“刀具材料一变，就要重新设计机床的刚性和功率”这一关系。后来硬质合金和 CBN 出现时，同样的事情又重演了。

⛩与日本的关联

这一时代的美国机床，从明治末年到大正年间，成了日本机床制造的样板。下面把国产机床档案各章核实过的事件，与美方的公司对照排列。

• 1897 年 用 Cincinnati 万能铣床切齿：日本最早用机床切削齿轮的齿，据说是用美国 Cincinnati 公司的 2 号万能铣床和成形铣刀逐槽铣削。万能铣床和成形铣刀都是本章中诞生的工具（国产机床档案第 4 章）^[23]。
• 1903—1905 年 Francis 与池贝的美式车床：东京高等工业学校于 1903 年聘请美国人 Charles A. Francis 担任实习指导教员，1905 年池贝开始依据其规格书量产美式车床。此前日本的车床主要是英式的（国产机床档案第 1 章）^[21]。
• 1906 年 熊本高等工业学校的美国产车床：熊本大学保存的美国产车床等机床至今仍可运转，已成为国家重要文化财和机械遗产^[22]。
• 1916—1923 年 大隈与 Brown & Sharpe、Pratt & Whitney、Norton：大隈在 1916 年的 KE 型车床上使用了从 Brown & Sharpe 购买的丝杠，1919 年又依据陆军工厂提供的 Pratt & Whitney 车床图纸制造了 OP 型车床。磨床方面，1918 年以 Norton 的万能工具磨床为样板制造了 GA-1 型，约 1923 年仿照 Brown & Sharpe 的 No.13 制造了 GA-2 型（国产档案第 3 章）^[24]。

对日本的工厂来说，美国的精密工具和专业厂家的机床，既是“买来用”的东西，也是“仿制来学”的东西。大正到昭和初年日本的铣床以 Cincinnati 型为样板的经过，在国产机床档案第 2 章中介绍。

常见问题

Sellers 螺纹和 Whitworth 螺纹有什么不同？

Sellers 螺纹（1864 年，后来的美国标准螺纹）牙型角为 60 度，牙顶和牙底削平。英国的 Whitworth 螺纹为 55 度，牙顶和牙底呈圆弧形。Sellers 认为平顶和 60 度更容易制作刀具、也更容易检验，因而选择了 60 度。60 度的牙形后来被统一螺纹和米制螺纹继承。

Brown & Sharpe 的万能铣床，“万能”在哪里？

在于用齿轮把分度头与工作台进给连起来，并使工作台可以偏转，从而能进行像钻头螺旋槽那样的“螺旋铣削”。同一台机床还能铣齿轮的齿和不规则形状。1 号机于 1862 年 3 月售出，把工作台装在可上下移动的升降台（knee）上的结构，成了后来升降台铣床的原型。

高速钢出现后，机床有了哪些变化？

刀具在烧红的温度下也能切削，切削速度提高到 2—2.5 倍。相应地，机床需要更大的力量和速度，于是床身和溜板加重，进给机构加强，皮带加宽，用电动机单独驱动每台机床的方式也普及开来。“刀具材料一变就要重新设计机床”这一关系，正是从这时开始的。

Norton Company 和 Norton Grinding Company 是同一家公司吗？

是不同的公司。Norton Company（原 Norton Emery Wheel Company）是 F. B. Norton 创办的砂轮公司，Norton Grinding Company 是 Charles H. Norton 于 1900 年为制造磨床而创办的公司。Roe 写道，两位 Norton 并非亲戚。