作坊手工業雖然比較落後,但是培養和造就了很多技術人員。雖然他們不是制造機器的專家,但他們能制造各種手工具,如刀、鋸、針、鉆、錐、磨、軸、套、齒輪、床架等等。事實上,機器是由這些零件組裝而成的。
說到鏜床,就不得不先說說達芬奇。這位傳說中的人物可能是最早用於金屬加工的鏜床的設計者。他設計的鏜床以液壓動力或踏板為動力,鏜刀靠近工件旋轉,而工件則固定在起重機驅動的移動平臺上。1540,另壹個畫家畫了壹幅“煙火”的畫,還有壹幅同樣的鏜床的畫。當時鏜床是專門用來精加工空心鑄件的。
17世紀,由於軍事需要,大炮制造業發展非常迅速,如何制造炮管成為人們迫切需要解決的重大問題。
世界上第壹臺真正的鏜床是威爾金森在1775年發明的。其實確切的說,威爾金森的鏜床是壹種可以精確加工大炮的鉆床。它是壹個中空的圓柱形鏜桿,兩端安裝在軸承上。
威爾金森1728出生於美國。20歲時,他搬到斯塔福德郡,在比爾斯頓建造了第壹座煉鐵高爐。因此,威爾金森被稱為“斯塔福德郡的鐵匠師傅”。1775年,47歲的威爾金森在父親的工廠裏不斷努力,終於制造出了這臺能以罕見的精度給炮管鉆孔的新機器。有趣的是,威爾金森在1808年去世後,被安葬在自己設計的鑄鐵棺材裏。
但是威爾金森的發明沒有申請專利保護,人們仿制安裝。在1802中,瓦特也在他的書中談到了威爾金森的發明,並在他的蘇荷鐵廠復制了它。後來瓦特制造蒸汽機的汽缸和活塞時,也應用了威爾金森這種神奇的機器。原來對於活塞來說,可以邊切外邊測尺寸,但是對於氣缸來說就沒那麽簡單了,需要壹臺鏜床。當時瓦特用水車使金屬圓筒旋轉,使中心固定的工具向前移動,切割圓筒內部。結果直徑75英寸的圓柱體的誤差小於壹枚硬幣的厚度,這在正確的地方是非常先進的。
在隨後的幾十年裏,人們對威爾金森的鏜床進行了多次改進。1885年,英國赫頓制造了壹臺臺式升降鏜床,成為現代鏜床的雛形。
車床的誕生
早在古埃及,人們就已經發明了當木頭繞著它的中軸線旋轉時,用工具轉動木頭的技術。最初,人們用兩根樹樁作為支撐,把要翻的木頭立起來,利用樹枝的彈性把繩子卷到木頭上,拉著繩子翻木頭,用工具翻。
這種古老的方法逐漸演變為“弓車”,將繩子繞在滑輪上兩三圈,繩子支撐在彎曲成拱形的彈性桿上,來回推拉弓,使被加工物體旋轉。
中世紀有人設計了壹種“自行車床”,利用踏板帶動曲軸轉動,帶動飛輪,再傳遞給主軸使其轉動。16世紀中葉,法國壹位名叫貝松的設計師設計了壹臺車床,可以用螺紋桿擰螺絲。可惜這臺車床沒有普及。
18世紀有人設計了壹種帶踏板和連桿旋轉的曲軸,可以把車床上的旋轉動能儲存在飛輪上,從直接旋轉工件發展到旋轉主軸箱,主軸箱是壹種夾緊工件的卡盤。
在發明車床的故事中,最引人註目的是壹位名叫Maudslay的英國人,因為他在1797年發明了劃時代的刀架車床,它有精密的絲杠和可互換的齒輪。
莫斯利出生於1771。18歲,是發明家布拉默的得力助手。據說布拉默以前幹農活。16歲那年,因為壹次意外導致右腳踝殘疾,他不得不轉行做行動不便的木工。他的第壹個發明是1778的馬桶。Maudslay開始幫助Brammer設計液壓機和其他機械,直到26歲才離開Brammer,因為Brammer粗暴地拒絕了Moritz將工資提高到每周30先令以上的要求。
在Maudslay離開Brammer的那壹年,他制造了第壹臺螺紋車床,這是壹臺全金屬車床,帶有刀架和尾座,可以沿著兩條平行的導軌移動。導軌的導向面為三角形,當主軸旋轉時,驅動絲杠橫向移動刀架。這是現代車床的主要機構,可以用來車削任意螺距的精密金屬螺釘。
三年後,Maudslay在自己的車間裏做了壹臺更完美的車床,上面的齒輪可以互相替換。不久,更大的車床問世,為蒸汽機和其他機械的發明做出了巨大貢獻。
19世紀,由於高速工具鋼的發明和電動機的應用,車床得到了不斷的改進,最終達到了高速高精的現代水平。
刨床和銑床
在發明的過程中,很多事情往往是相輔相成、環環相扣的:為了制造蒸汽機,需要鏜床;蒸汽機發明後,從技術要求上又叫龍門刨床。可以說,正是蒸汽機的發明,導致了“工作機”從鏜床、車床到龍門刨床的設計發展。其實刨床就是刨金屬的壹種“刨子”。
自19世紀初,許多技術人員開始研究蒸汽機氣門座的平面加工,包括理查德·羅伯特、理查德·普拉特、詹姆斯·福克斯和約瑟夫·克萊門特。他們從1814用25年時間獨立制造了刨床。這種刨床將被加工物體固定在往復平臺上,刨床對被加工物體的壹面進行切削。但這種刨床沒有進刀裝置,處於“工具”向“機器”轉化的過程中。1839年,壹位名叫博德莫爾的英國人終於設計出了壹種帶有進刀裝置的水龍頭刨床。
另壹個英國人納斯邁思(nasmyth)從1831用40年的時間發明制造了加工小飛機的刨床。它可以將被加工物體固定在床身上,刀具來回移動。
此後,由於工具的改進和電機的出現,龍門刨床壹方面向高速切削和高精度方向發展,另壹方面也向大型化方向發展。
19世紀,英國人為了蒸汽機等工業革命的需要,發明了鏜床和刨床,而美國人為了大量生產武器,致力於銑床的發明。銑床是壹種帶有不同形狀銑刀的機器,可以切削特殊形狀的工件,如螺旋槽、齒形等。
早在1664,就有人做了壹個通過旋轉圓形刀具進行切割的機器,可以算是最早的銑床了。當然,真正確立銑床在機械制造中地位的是美國人惠特尼。
1818年,惠特尼制造了世界上第壹臺普通銑床,但銑床的專利卻在1839年被英國的博德莫爾“拿下”。
1862年,美國布朗制造了世界上最早的萬能銑床,在提供萬能分度盤和綜合銑刀方面是劃時代的創舉。萬能銑床的工作臺可以在水平方向旋轉壹定的角度,並帶有立式銑頭等附件。與此同時,布朗還設計了壹種打磨後不會變形的成型銑刀,然後制作了打磨銑刀的磨床,使銑床達到了現在的水平。
研磨機和鉆孔機
研磨是人類自古就知道的古老技術。這種技術在舊石器時代用於研磨石器。後來隨著金屬器具的使用,促進了磨削技術的發展。但是,設計出名副其實的磨床,還是現代的事情。即使在19世紀早期,人們仍然通過旋轉天然磨石並使其與加工對象接觸來研磨天然磨石。
1864年,美國制造了世界上第壹臺磨床,這是壹種在車床的拖板上安裝砂輪,使其具有自動變速的裝置。12年後,美國的布朗發明了接近現代磨床的萬能磨床。
對人造磨石的需求也上升了。如何研制出比天然磨石更耐磨的磨石?1892年,美國人艾奇遜試制成功了用焦炭和沙子制成的碳化矽,這是壹種現在稱為C磨料的人造磨石。兩年後,以氧化鋁為主要成分的磨料A試制成功,使磨床得到更廣泛的應用。
後來由於軸承和導軌的進壹步改進,磨床的精度越來越高,向專業化方向發展,出現了內圓磨床、平面磨床、滾子磨床、齒輪磨床、萬能磨床等。
與研磨技術類似,鉆孔技術也有著悠久的歷史。考古學家現在發現,在公元前4000年,人類發明了壹種打洞的裝置。古人在兩根柱子上搭壹根橫梁,然後從橫梁上垂下壹個可旋轉的錐子,再用弓弦纏繞錐子,帶動它旋轉,就可以在木頭和石頭上打孔了。不久,人們還設計了壹種叫做“滑輪”的打孔工具,也是利用彈性弓弦使錐子旋轉。
大約在1850年,德國人馬蒂尼首先制造了壹種用於金屬打孔的麻花鉆。1862年在英國倫敦舉行的國際博覽會上,英國人惠特沃思展出了鑄鐵櫃架的電動鉆孔機,成為現代鉆孔機的雛形。
後來各種鉆床相繼出現,包括搖臂鉆床、帶自動進給機構的鉆床、可以同時鉆多個孔的多軸鉆床等。由於工具材料和鉆頭的改進,以及電動機的使用,終於制造出了大型高性能鉆機。
不斷發展的車床
從19年底到20世紀初,單臺車床逐漸演變為銑床、刨床、磨床、鉆床等。這些主要機床已基本定型,從而為20世紀初的精密機床和生產機械化、半自動化創造了條件。
20世紀前20年,人們主要關註銑床、磨床和流水線。由於汽車、飛機及其發動機的生產要求,在加工大量形狀復雜、精度高、光潔度高的零件時,迫切需要精密自動化的銑床和磨床。由於多螺旋葉片銑刀的出現,基本解決了單葉銑刀產生的低振動、低光潔度導致銑床無法研制的困難,使銑床成為加工復雜零件的重要設備。
被世人譽為“汽車之父”的福特提出,汽車要“輕、強、可靠、便宜”。為了實現這壹目標,有必要開發高效的磨床。正因如此,美國人諾頓在1900年用金剛砂和翡翠制作了直徑大、寬度寬的砂輪,以及剛性和牢固度都很大的重型磨床。隨著磨床的發展,機械制造技術進入了精密化的新階段。
1920之後的30年,機械制造技術進入半自動時期,液壓和電氣元件逐漸應用於機床和其他機械。1938期間,液壓系統和電磁控制不僅促進了新型銑床的發明,也促進了其在刨床等機床上的使用。20世紀30年代以後,行程開關-電磁閥系統幾乎被用於各種機床的自動控制。
第二次世界大戰後,由於數控和群控機床以及自動線的出現,機床的發展開始進入自動化時代。數控機床是繼電子計算機發明之後的壹種新型機床,它利用數字控制的原理,將加工程序、要求以及換刀的操作數和字符作為信息存儲起來,並根據其發出的指令控制機床按既定的要求進行加工。
數控機床的方案是美國帕森斯在研制檢查飛機螺旋槳葉片型面的葉片加工機時向美國空軍提出的。在麻省理工的參與和協助下,最終成功1949。1951年,他們正式做出了第壹臺電子管數控機床樣機,成功解決了多品種、小批量加工復雜零件的自動化問題。後來,數控原理壹方面從銑床延伸到銑鏜床、鉆床、車床,另壹方面從電子管過渡到晶體管、集成電路。
從1970到1974,由於小型計算機在機床控制中的廣泛應用,出現了三次技術突破。第壹次是直接數字控制器,使壹臺小型電子計算機能同時控制多臺機床,產生了“群控”;第二次是計算機輔助設計,用光筆設計修改設計計算程序;第三次,根據加工的實際情況和意外變化,自動改變加工用量和切削速度,出現了具有自適應控制系統的機床。
1968年,英國莫林機械公司研制出第壹條由數控機床組成的自動線。不久,美國通用電氣公司提出“工廠自動化的前提是零件加工的數控化和生產過程的程序控制”。於是,到了70年代中期,出現了自動化車間,自動化工廠已經開始建設。
經過100多年的風風雨雨,機床家族日趨成熟,真正成為機械領域的“機床”。
車床的發展歷史
車床的發展大致可以分為四個階段,原型階段、基本結構階段、獨立動力階段、數控階段,下面將進行論述。
介紹了展覽的過程。
車床的誕生不是發明出來的,而是逐漸演變出來的。早在4000年前就有記載,有人利用簡單的拉弓原理完成了打鉆工作。這是有記載的最早的機床。即使是現在,仍然可以找到人力驅動的手動鉆孔機。後來又衍生出車床,用於車削、鉆孔木材。英語中車床(Lath的意思是木板)這個名字就是由此而來的。經過幾百年的演變,車床的進步非常緩慢。木制床,速度慢,扭矩低,不適合金屬切割,除了木工,直到工業革命。這個時期可以稱為車床的萌芽時期。
18世紀開始的工業革命,標誌著以手工業者為主的農業社會的終結,取而代之的是強調大規模生產的工業社會。由於各種金屬制品被廣泛使用,為了滿足金屬零件的加工,車床成為關鍵設備。18世紀初,床身為金屬材質,結構強度變強,更適合金屬切削。但由於其結構簡單,只能進行車削和螺旋加工。直到19世紀,車床才完全由鐵零件組成。再加上絲杠等傳動機構的引入,最終開發出了具有基本功能的車床。但由於動力只能靠人力、畜力或水力驅動,所以還是滿足不了需求,只能算是剛剛完成基本框架的搭建。
瓦特發明了蒸汽機,讓車床靠蒸汽發電,帶動車床旋轉。這時車床的動力集中在壹個地方,再通過皮帶和齒輪的傳動,分配給全廠的車床。20世紀初,終於研制出了具有獨立動力源的普通車床(見圖3),這也將車床帶入了壹個新的領域。這期間,得益於福特汽車的大規模生產,很多汽車零部件都要用車床加工。為了保證零件的充足供應,供應商必須大量采購車床以滿足需求。即使在今天,車床的發展仍然受到汽車工業興衰的影響。
20世紀中期,計算機被發明出來,很快就被應用到機床上。數控車床逐漸取代傳統車床成為工廠的利器,成倍提高了生產效率,大大提高了零件的加工精度。隨著計算機軟硬件的進步和成熟,許多以前被認為不可能加工的技術被攻克,數控機床的比率成為國家現代化的重要標誌。
從歷史的角度來看,除了18世紀的工業革命和20世紀汽車工業的興起,車床的發展主要得益於刀具的進步。早期使用的刀具是碳鋼,切削速度只能限制在20m/min以下,加工精度不好。後來的刀具都是合金鋼的,到今天還是陶瓷刀具。切削速度提高到了1000m/min以上,所以車床速度越來越高,進給速度越來越快,加工精度也從百年前的1mm大幅提高了0.001mm。除了工具和技術的提升,數控的配合也是進步迅速的最大功臣。