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无机床不革命,机床发展史原来这么有意思!

北京普奇伟业机械设备有限公司2018-12-05 13:58:40

机床的原型

 

      人之所以从猿猴进化,靠的就是咱们这双手,不过光靠手也不行,所以必须得有工具来进行协助。想想人类的祖先还真是聪明,为了更方便的用工具进行加工,机床最早原型的树木车床就这样诞生啦,大概距今二千多年前吧。

 

       作为原型来说还是比较粗糙,大家看图就知道了。操作的时候用脚踩住绳子下方套圈,利用树枝的韧性把工件带动旋转,用石片或者贝壳等物作为刀具,将刀具沿着横条对物品进行切割的操作。



                树木车床,确如其名

 

  十三世纪,机床原型也在发展,你总不能老是挂树上吧,这时候就有用脚踏板旋转曲轴并带动飞轮,再传动到主轴使其旋转的“脚踏车床”,也称之为弹性杆棒车床,不过除了刀具是真用金属外,操作原理还是跟原先一模一样的。

  

              1395年杆棒机床出现在德国

  

这时候只要脚踩踏板就行了,注意头上的木条,靠它上下带来动力


  

很清晰的浊刻画,这时候的机床原型还主要是用来加工木料

 古代中国的“工业机床”

        说了欧洲的再来说说咱中国。同一时期的明朝出版了一本奇书叫《天工开物》,记载了明朝中古及以前的各项技术,看过就能知道什么叫“古人的智慧”,可以看一下。 

        这本书里也记载了磨床的结构,这里利用了类似欧洲中世纪脚踏机床的原理,用脚踏的方法使金属盘旋转,配合沙子和水来加工玉石。

《天工开物》中的磨床结构

       用扎砣来切割玉石,你看那熟悉的脚踏板,一样已经可以替换的扎砣(刀具)。




《开工天物》“扎砣图”



  你看右边桌上的冲砣,大小型号一应俱全,看玉料的大小来选择合适的工具。




《开工天物》“冲砣图”

      这个就类似于现代加工中的镗削。然后用特别的砣一点一点地把内部的玉磨掉,想想古代的工匠还真是干的有挑战性。



《开工天物》“掏堂图”


       咱们再把目光放到欧洲,一个叫贝松的法国人设计出了一种通过过螺丝杆使刀具滑动的用来车螺丝的车床,刀具终于不再是固定在一个位置的了,看介绍说是并没有推广使用,不知为何。


    贝松车床的设计稿,已经有点现代机床的样子了


       这个阶段的机床原型就介绍完了,可以看出虽然原型在不断发展,但是动力来源还是没有脱离最初的树木车床,持续不断的动力还真的是很大问题,毕竟咱们人再厉害还是会疲劳的。


蒸汽机与机床

 

       让我们先来看这张图,每个当过学生的肯定都会有些印象,让我们来回顾一下这个故事。

       童年时代的瓦特和茶壶的故事 一天晚上,瓦特和一个小女孩在家里喝茶。瓦特不停地摆弄茶壶盖,一会儿打开,一会儿盖上,当他把茶壶嘴堵住时,蒸汽顶开了茶盖。在旁的外祖母对瓦特的这种无聊动作极为不满,加以训斥。瓦特并不介意,他一心想着蒸汽的力量,从此萌发制造蒸汽机的念头。  

小学课文《瓦特与蒸汽机》配图

 

      当然历史绝非这样简单。瓦特是吸收前人的成果和他个人艰苦努力,改良了蒸汽机的各种部件,使得动力效率得到提升。瓦特发明蒸汽机的故事并非那么戏剧化,但是精彩程度却远超这个童话故事。

      1763年,英国格拉斯哥大学雇用了一名叫瓦特的技术员,他的任务就是维护,更像是修理学校的一台纽科门蒸汽机,一条湿漉漉的绳子把各个部件捆在一起,它总是坏。

       纽科门蒸汽机就是瓦特蒸汽机的前身,瓦特在纽科门的设计上对汽缸部分进行了改进,但是研发屡次失败的一个主要原因,是手工锤打的锡制汽缸总是漏气。


詹姆斯·瓦特,蒸汽机发明者之一

 

       这个时候,威尔金森的出现对瓦尔改良蒸汽机起到了巨大的作用。当瓦特还在为自己那3/8英寸厚的真正汽缸骄傲的时候,威尔金森已经拥有了自己的车床。

 

       作为一位钢铁大师,1774年威尔金森发明了炮筒镗床,这是世界上第一台真正意义上的镗床。

  


威尔金森发明的炮筒镗床,最初用来铸造军火

 

     1775年,威尔金森用这台炮筒镗床镗出的汽缸,重新制造了瓦特那漏洞百出的汽缸,满足了瓦特蒸汽机的要求。当然作为商人的威尔金森也获得了瓦特蒸汽机汽缸的独家供应权。

 

      为了镗制更大的汽缸,他又于同年制造了一台水轮驱动的汽缸镗床,促进了蒸汽机的发展。从此,机床开始用蒸汽机通过曲轴驱动,对于机床和蒸汽机而言这,互相协助促进了共同的发展,一个轰轰烈烈的工业革命时代走向了极致。


威尔金森为锻造更大汽缸制作的汽缸镗床





安装了汽缸镗床制作的汽缸所改良的瓦特蒸汽机

 

工业革命时期的机床发明

 

       莫兹利这个名字和机床自然是分不开的,1797年机床工业之父制成了第一台螺纹切削车床,它带有丝杆和光杆,采用滑动刀架——莫氏刀架和导轨,可车削不同螺距的螺纹。

  


莫兹利1797车床

        此后,莫兹利又不断地对车床加以改进。他在1800年制造的车床,用坚实的铸铁床身代替了三角铁棒机架,用惰轮配合交换齿轮对,代替了更换不同螺距的丝杠来车削不同螺距的螺纹。这是现代车床的原型,对英国工业革命具有重要意义。


莫兹利1800车床





         时间转到19世纪,由于各行业的发展,需要应用于不同类型的机床相机出现。1817年,罗伯茨发明了龙门车床,而来自美国的惠特尼制造出了卧式铣床,这两种机床刻意分别应用于不同行业的零件制造需求,随着工业革命的发展机床也在不断发展中。




罗伯茨龙门车床



惠特尼卧式铣床


 

       十九世纪最优秀的机械技师应数惠特沃斯,他于1834年制成了测长机,该测长机可以测量出长度误差万分之一英寸左右。1835年,惠特沃斯在他32岁时发明滚齿机。还建议全部的机床生产业者都采用同一尺寸的标准螺纹这种螺纹作为标准螺纹被各国所使用。

 


惠特尼发明的测长机

 

  为了提高机械化自动化程度,1845年,美国的菲奇发明转塔式六角车床




菲奇发明的的转塔式六角车床





 

    1873年,美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床,不久他又制成三轴自动车床。


斯潘塞机床




       工业革命本身就是一种爆发式的发展,在这种大爆炸中,这个时期的机床也在不断的发展变化,为了工业和生产的更高效率而在不断的改进,这些机床的发明家正可谓是生逢此世。 

       随着电动机的发展,机床也由蒸汽动力升级到了电动机驱动,这又是一个跨时代的改进,可以看到从人力到水力、从蒸汽驱动到电力驱动,这样的过程人类也走了好几百年的路程。


”给世界装上轮子“的男人 

       如果要挑选出那些对我们所有人的生活都产生过影响的人物来,就不能忽略亨利·福特。从现在起100年后的一位历史学家很可能会得出这样的结论:对各个地方一切制造业产生影响最大的是福特,甚至直到今天依然如此,因为他开始采用了一种新的制造汽车的方法。

 


亨利·福特

 

        福特曾经提出:汽车应该是“轻巧的、结实的、可靠的和便宜的”。为了实现这一目标,必须研制高效率的磨床,为此,美国人诺顿于1900年用金刚砂和刚玉石制成直径大而宽的砂轮,以及刚度大而牢固的重型磨床。磨床的发展,使机械制造技术进入了精密化的新阶段。

  

根据福特的提议发明的磨床





       制造工具的改进也促进了制造方式本身的变化,从12个小时生产一台车到1个小时生产一台车,1908年10月第一款标准化汽车——福特T 型车驶下流水线。

 

      1913年福特改革了装配汽车的全过程。用绳子钩住的部分组装好的车辆被拖着从工人身旁经过,工人们一次只组装上一个部件。不久,福特公司一年就生产出几十万辆汽车,在当时是一项极出色的成就,这是制造业真正意义上的第一条流水线。

 


福特与他所发明的汽车流水线


  

流水线极大的提高了制造业的生产效率


  


流水线装配成为了工厂的标准配置

 


装备完成驶下流水线的汽车


  


      直到100多年后的今天,汽车装配依然还是使用福特发明的流水线,只是机器代替了人工。

 

数控机床的发展

 

       持续多年的二战结束后,制造业还是维持了战前的发展水平。操作人员通过手工操作电动机床,将加工零件按照设计图纸的要求制作出来。这样的生产方式虽然比起蒸汽时代效率高,但是人心永远是满足不了的。

 

      怎么样才能更快更高效率,怎么样才能解决一些制造中无法解决的工艺难题,这点很关键。



二战后各种式样的电动机床

 

       数控机床的出现还得感谢美国军方,没有美国军方的需求就没有数控机床的研发。

        在20世纪40年代末期,一个叫帕森斯的美国工程师构思了一种方法,在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工的零件几何形状,利用着一张硬卡来控制机床的动作,虽然别人最初只是想一下而已。

       1948年帕森斯向美国空军展示了他的这种想法,美国空军看后,表示极大的兴趣,因为美国空军正在寻找一种先进的加工方法,希望解决飞机外型样板的加工问题。

       由于样板形状复杂,精度要求高,一般的设备难以适应,美国空军立即委托及赞助美国麻省理工学院进行研究,开发这部硬卡纸来控制的机床。

  

实验室中的数控机床模型

 

      终于在1952年,麻省理工学院和帕森斯公司合作,成功的研制出了第一台示范机,由于大量采用电子管元件,控制装置比机床本体还要大。

 

     1960年开始,各国陆续地开发、生产及使用数控机床,中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。1974年微处理器直接用于数控机床,进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。

  

早期的数控机床,都由军方所有应用于军事产品的制造


      数控机床也经历了六代的发展。前三代为第一阶段,数控系统主要是由硬件联结构成,称为硬件数控;后三代称为计算机数控,其功能主要由软件完成,从1990年开始,数控机床开始采用通用的CNC系统。

      近20年来,随着科学技术的发展,先进制造技术的兴起和不断成熟,对数控技术提出了更高的要求。

 

智能化时代的百家争鸣

 

     连计算机都有了操作系统,数控机床当然不甘落后。2003年在米兰举办的EMO展览会上,瑞士米克朗公司首次推出智能机床的概念,现在说到这个牌子的机床只能用高端来形容。

      2006年,在美国举办的第26届芝加哥国际机床制造技术展览会上,日本Mazak公司以“智能机床”的名称,展出了声称具有四大智能的数控机床,这一步代表了数控机床的未来发展。

      数控机床的重要性不再复述,就拿金属加工微信之前发过的“东芝事件”作为例子,这绝对是帮助一个国家国民经济和国防建设发展的重要装备。 

      所以各国都在竞相发展高端的智能数控机床及系统,其中又以德国与日本的发展势头最为迅猛,大量产品出口国外市场。

      各国数控机床发展到现在,出现了日德混血的森精机德玛吉、日本马扎克与德国吉特迈等一批机床厂家,国内也出现了以沈阳机床为代表的一批优秀企业。 

       但在数据技术上,西门子、发那科等日德巨头一直垄断着数控技术,造成中国企业高价进口该项技术,沦为世界机床巨头的“贴牌”制造商,甚至出现生产高档数控机床不比普通机床赢利的怪现象。

 

搭载FANUC操作系统的发那科T14J机床

   中国制造2025行动纲领中,智能数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一。产业转型发展离不开工作母机,但外国不会轻易将最先进产品和高端技术提供给我们。

  所以智能数控机床一定是制造行业拥抱智能制造的坚定基础,没有优质的自有国货,依赖于从国外搞基进口的产品与技术将成为制造行业转型升级的阿喀琉斯之踵 

  借古喻今,机床每次的大规模发展都与当时所处的时代格局紧密相关,借着这轮东风智能数控机床将走向何处,让我们一起拭目以待。

  

转自微信公众号上海优尼斯公司 


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